不良地质条件隧道施工影响因素及超前预报方法.doc

不良地质条件隧道施工影响因素及超前预报方法Xxx(中铁十一局集团有限公司)【摘 要】所谓的不良地质条件,一般情况,均指存在着断层发育、岩体破碎、料场地质发生异变及含水量与最优含水量偏差较大等情况。不良地质段一经开挖,潜在应力释放快,围岩失稳变形,对工程施工产生严重的影响。一般岩石地下工程在选址与定点方面,应尽量避开不良地层。但是这并不排除在个别地段或洞室的某些部位仍可能会遇到不良地质和一些不利于施工的特殊地质地段。 【关键词】不良地质;隧道施工;超前预报常见的不良地质类型有膨胀围岩、岩溶地段、破碎断层、涌水涌泥等。而大量的工程实践表明,导致大量隧道工程施工方案不合理和工程事故的发生原因就是与前期对隧道围岩结构类型的分析认识不清有密切关系。 1. 进行不良地质分析的重要性 隧道建设在设计和施工之前,必须按基本施工建设程序进行岩土工程勘察。岩土工程勘察应按工程建设各勘察阶段的要求,正确反映工程地质条件,查明不良地质作用和地质灾害,精心勘察、精心分析,提出资料完整、评价正确的勘察报告。这样才有利于下一步开展施工,制定切实可行的施工支护方案。 2. 几种不良地质对隧道围岩稳定性影响 2.1 涌水对隧道围岩稳定性影响。 在隧道工程施工中,地下水的作用非常活跃。本身可造成隧道涌水,可软化泥化岩石,增大围岩的变形;降低结构面的内聚力,造成不利组合岩块的塌落甚至引起大的坍方;加剧构造岩、风化岩、破碎岩、粘土砂及泥夹块石类岩溶填充物活动性,引发隧道内坍方、泥石流、岩溶涌突水泥灾害。 隧道开挖,破坏和改变了隧道所在地区水文地质条件,隧道成为新的地下水排泄的通道。隧道施工揭穿含水构造,直接导致了隧道内涌水灾害的发生(揭穿型隧道涌水);而隧道周边与含水构造(体)间隔岩体厚度的过薄或含水构造(体)水压上升,导致了隧道施工期间的突破型涌水;由于涌水速度的降低,涌水中携带的泥砂沉积堵塞涌水通道,当通道地下水位上升水压力达到一定值时,水突破堵塞造成重新涌水,即形成隧道施工期间隧道内的间歇型涌水。 2.2 破碎断层对隧道围岩稳定性影响。 破碎断层是隧道施工中最常见的不良地质,是造成隧道塌方的最主要原因,也是突泥突水、甚至岩爆等诸多隧道施工地质灾害总祸根之一,所以破碎断层带的调查在地质调查中占有突出重要的地位。在破碎断层带处围岩破碎、自稳能力差,且一般富含地下水,若隧道穿越断层破碎带,将严重影响隧道围岩的稳定性。同断层有关的工程地质问题主要有:抗滑稳定性问题、沉陷(降)及不均匀沉陷(降)和变形问题、渗透变形问题、渗透稳定性问题、渗水作用下的演化问题等,其中对隧道衬砌受力影响最大的是地层滑移、沉陷及不均匀沉陷的变形问题。隧道穿过断层地段,为了尽量减少施工地质灾害并进行必要的修改设计,掘进前必须进行地质超前预报,对断层及其破碎带的规模、位置、力学性质、新构造活动性、产状、断层岩类别、胶结程度和水文地质条件进行预报。隧道穿过断层地段的掘进技术取决于断层的性质、断层破碎带的宽度、填充物、含水性和断层活动性以及隧道轴线和断层构造线方向的组合关系。隧道衬砌的受力除了与上述因素有关外,还与施工过程中对围岩的破坏程度、工序衔接的快慢、施工支护技术措施是否得当等均有很大关系。 2.3 岩溶地质对隧道围岩稳定性影响。 当隧道通过溶洞、地下暗河等岩溶发育的含水区段时,其影响主要表现为“涌突水、突泥(沙)、塌陷”,容易导致:隧道围岩及支护结构变形、开裂、失稳直至坍塌;制约工程进度,直接危及人员和机械设备的安全,造成工程投资的增加;改变水文地质条件,从而激活古岩溶;增加了新的出水点,对于正处于发育期的岩溶,可能加快其岩溶发育程度;可能不断恶化该地区水文环境;使环境恶化,地下水位下降,造成地表植被减少,地表沙土流失;可能造成地下水干涸、地下水流失,生态环境受到破坏。 2.4 膨胀性地质对隧道围岩稳定性影响。 膨胀围岩的特殊地质性质及其围岩压力特性,使膨胀的洞室围岩具有普遍开裂、内挤、坍塌和膨胀等变形现象。膨胀洞室围岩变形常具有速度快、破坏性大、延续时间长和整治较困难等特点。施工中常见的几种情况有:围岩裂缝、隧道下沉、围岩膨胀突出和坍塌、底鼓、衬砌变形和破坏。 3. 不良地质隧道超前预报技术 当今的隧道工程地质工作,已进入了以隧道施工期地质超前预报为主要标志的阶段,超前地质预报对隧道工程施工的影响越来越重要。 3.1 开展不良地质隧道超前预报的必要性。 隧道工程设计的基本依据是地质勘查资料,而隧道施工的依据主要是设计文件,大量的隧道工程建设实践表明,由于地质勘查精度、经费等诸多条件的限制,根据地质勘查资料作出的设计与实际不符的情况时有发生,由此而来的隧道内塌方、涌水、涌泥、溶洞、岩爆等不良地质灾害时有发生,从而给隧道施工造成极大的危害,影响着施工进度、施工安全、工程造价、工程质量等。因此,在隧道施工期间,采用各种技术、手段和方法对隧道掌子面前方地质条件进行及时准确的预测、预报,是提前采取预防措施、避免灾害的发生或在一定程度上减少因灾害造成的损失、保证隧道施工安全的需要。3.2 不良地质隧道超前预报的几种常见方法。 3.2.1 地质法地质超前预报。 地质法隧道地质超前预报主要根据隧道内外地质调查结果和隧道施工期掌子面地质条件调查结果,如岩体结构面产状及发育状况、岩体破碎程度、岩石的变质程度等的变化特征,通过地质作图及构造相关性分析,由地面构造产状推测隧道穿越深度位置的出露位置(相关关系法),由掌子面岩体结构面产状及发育状况、岩体破碎程度、岩石的变质程度等变化特征推测掌子面前方可能出现的构造及其性质(趋势外推法),进行超前预报。主要预报隧道掌子面前方存在的断层、不同岩类间的接触界面,特别是火成岩与沉积岩问的接触界面、隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏形式等。通过分析其走向、分布高程、坡度及其与隧道平面空间关系调查预测隧道施工可能遇到的隧道施工揭穿造成的涌水和坍方。 3.2.2超前水平钻孔法。 在隧道施工掌子面或掌子面一侧耳室进行超前水平钻探,通过钻进速度测试、岩芯采取率统计、钻孔岩芯鉴定和必要的岩芯试件强度试验来确定隧道施工掌子面前方地(岩)层的展布、地层岩石的软硬程度、岩体完整性及可能存在的断层、空洞(岩溶溶洞等)的分布位置,从而进行隧道施工掌子面前方地质预报。 岩芯采取率在相当程度上反映岩体的完整性系数,也即反映岩体节理裂隙的发育状况。岩芯采取率低,表明岩体中节理裂隙发育,岩体完整性系数低,反之表明岩体节理裂隙不发育,岩体完整性好。采用此方法不仅可以确定隧道掌子面前方地质情况,而且可以起到探水的作用。 3.2.3 超前导坑(平行导坑)法。 采用超前平行导坑或隧道进行隧道地质超前预报,应做好以下工作:超前平行隧道或导坑施工所遇地质情况记录;必要的测试试验(岩石、体声速测试和岩石强度试验等);地质作图。主要是隧道穿越地层分布及产状、岩性、构造分布及产状、不良地质体带分布、特殊地层分布、涌水及坍方点分布等的平面展示;按超前平行导坑或超前平行隧道与施工隧道的平面关系,根据既有隧道或超前平行导坑或超前隧道施工所遇地质情况,通过计算、相关性分析,推测隧道将遇到的地质情况。 3.2.4 波反射法隧道施工期超前地质预报。 利用声波,超声波、地震波及电磁波在地层中传播、反射,通过信号采集系统接收反射信号,判释隧道掌子面前方反射界面(断层、软弱夹层等)距隧道掌子面的距离来进行隧道施工期地质超前预报,如图1所示。如TSP、地质雷达、HSP声波反射、地震波反射,等等。 3.3 隧道地质超前预报工作方法。 3.3.1 资料收集、勘察成果整理分析、熟悉设计文件、资料和图纸。 开展隧道地质预报,首先应对整个隧道工程所处地质环境有一个宏观的把握。 预可研和可行性研究阶段资料收集。预可研和可行性研究阶段主要收集隧道所在地区区域地质、工程地质和水文地质资料,了解隧道通过地区地层、构造分布情况、工程地质特性和水文地质条件,对隧道施工可能遇到的各种地质条件及可能发生的地质灾害的预判断,为隧道工程地质勘察提供科学的依据。 勘察成果整理分析。勘察成果是隧道设计文件、图纸、资料的依据,整理分析勘探(钻探、槽探、坑探、物探)、试验(岩石物理力学试验、钻孔水文地质试验、岩体原位测试等)成果,以确定隧道穿越的地层层序、地层岩性、地层产状,构造分布、产状及其性质,隧道水文地质环境,不良地质体(带)分布及其性质,据此进行隧道涌水量计算。提出宏观预测预报。 熟悉设计文件、资料和图纸。隧道设计文件、资料和图纸是设计者根据隧道预可研和可行性研究报告、隧道初步勘察和详细勘察成果进行整理、分析、研究提出的,是可行性研究和勘察成果整理分析研究成果的总结。 本阶段的工作主要包括:明确隧道穿越的地层层序、地层岩性、地层产状、地层在隧道轴线上的展布长度,不同岩层的工程地质、水文地质特性,特殊地层(可溶岩地层、膏岩层等)的分布;掌握地质构造特别是断层在隧道轴线上的分布位置,断层及其破碎带宽度、性质、产状;明确地层、构造与隧道的关系;分析研究可能存在的不良地质体(断层及其破碎带、岩溶发育带、顺层错动挤压破碎带、软岩段等)及其性质、分布、规模和因隧道施工揭穿可能发生的地质灾害,初步提出施工地质超前预报重点区段。 3.3.2 补充地质调查。 补充地质调查的内容主要包括:不同岩性、地层在隧道地表的出露及接触关系,岩层产状及其变化;构造在隧道地表的出露、分布、性质、规模及其产状变化;地表岩溶发育位置、规模及分布规律;软层(煤层、石膏层)在地表的出露位置、规模及其产状变化;坑(巷)走向、展布、高程、涌水、坍塌及其在三维空间上与隧道的关系;岩体节理裂隙统计分析及地应力场研究;结合设计文件、资料和图纸熟悉结果提出施工地质超前预报重点区段。 3.3.3 洞内地质调查和掌子面地质素描。 洞内地质调查。隧道施工期洞内地质调查主要沿隧道边墙进行,应包括以下内容:地层、岩性描述(包括岩石风化破碎程度、岩体结构状态等);地层分界面产状及其里程位置确定;地层产状及其变化测定;构造(断层等)位置、产状、宽度测定,断层性质描述;节理裂隙统计,包括发育分布位置、产状、组数、节理面闭合张开状态、节理面形态、节理面充填情况,节理玫瑰花图制作;临空面涌滴水位置确定,涌滴水量测定或估算;特殊地质现象描述(如岩溶洞穴位置、形状、充填物性质,坍方体出现位置、方量,等等)。 掌子面地质素描。掌子面地质素描的主要内容包括:岩层、岩性描述(包括岩石风化破碎程度、岩体结构状态等);地层分界面产状及其位置;岩层产状及其变化测定;构造(断层等)位置、产状、宽度测定,断层性质描述;节理裂隙统计,包括发育分布位置、产状、组数、节理面闭合张开状态、节理面形态、节理面充填情况;掌子面涌滴水位置的确定、涌滴水量测定或估算;特殊地质现象描述。如岩溶洞穴位置、形状、充填物性质,坍方体、涌泥沙出现位置、方量,等等。 3.3.4 预报报告的内容及报告的提交 预报报告的内容:预报报告包括预报简报和预报总报告。 预报简报应包括内容有:工程概况;地质预报采用的方法原理;探测掌子面地质调查结果、掌子面地质素描图;探测区、点布置图;结合隧道勘察设计资料、补充地质调查结果、洞内地质调查结果进行的探测分析结果(包括文字、探测典型波形图、波谱图和成果图等);预报结论及下一步施工措施建议(围岩加固、初期支护、超前支护、永久支护措施等,必要时给出掌子面前方岩体分级建议)。 预报总报告应包括内容有:工程概况;地质预报采用的方法原理;隧道地质展示图(包括掌子面素描图);隧道地质纵剖面图;典型预报(包括预报掌子面地质描述,探测区、点布置图,探测典型波形图,波谱图和成果图,预报结论及下步施工措施建议,验证结果);预报与施工验证对比表;结论(包括预报准确率统计结果)。 3.3.5 验证。 施工开挖验证是隧道地质超前预报的重要的一环,是改进探测布置、提高预报准确率的需要,也是完成预报工作的要求。 具体而言,应随开挖进行不良地质体带位置、性质、规模和地质灾害出现的位置、规模等的记录,并与预报结论进行对比,从中分析成功和失败的原因,以利于下一步工作的开展。参考文献： 1 王梦恕. 对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见 J . 铁道勘察, 2004 2 叶英. 岩溶隧道施工超前地质预报方法研究 D,博士论文, 北京交通大学, 2006 3 叶英. 隧道超前地质预报方法探讨 C: 中国公路学会隧道分会年会论文集, 人民交通出版社, 2003 4 何发亮, 李苍松. 隧道施工期地质超前预报技术的发展 J, 现代隧道技术, 2001 5 王洪勇. 综合超前地质预报在圆梁山隧道中的应用 J. 现代隧道技术, 2004