不良地质段施工方案

'中铁隧道集团有限公司引汉济渭3号勘探试验洞正洞工区试验段(K24+527.226～K27+643.006)不良地质段施工方案编制：年月日审核：年月日批准：年月日中铁隧道集团有限公司引汉济渭3号勘探试验洞项目经理部年月日 目录一、工程概况1二、地质情况介绍1三、防坍塌方案11、施工原则12、超前地质预报1(1)地质调查2(2)地质素描2(3)TSP203+超前地质3(4)红外线探水4(5)超前地质钻孔43、软弱围岩段及断层破碎带防坍塌措施5(1)开挖方法5(2)超前支护方法64、监控量测115、应急处理措施12四、隧道坍塌处理方案131、可能出现坍塌的部位132、小规模塌方的处理方案133、大规模塌方的处理方案14 一、工程概况3号支洞主洞勘探试验段设计段落为K24+527.226～K27+643.006,位于安康市宁陕县四亩地镇,线路全长3115.78m。3号支洞主洞勘探试验段围岩分为Ⅲ类、Ⅱ类，共3115.78米，各种围岩类别衬砌类型长度数量及比例如下:主支洞交叉口30m,占0.96％；Ⅲ类围岩加强段20m,占0.64％；Ⅲ类1900m,占60.98％；Ⅱ类1165.78m，占37.42％。试验段内在K24+527.226设有1一处泵站，隧道坡度为1/2527。二、地质情况介绍3号支洞主洞勘探试验段位于秦岭岭南中低山区.以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，岩性主要为为花岗岩、石英岩,微风化—微风化,受地质构造影响较重—严重,节理裂隙较发育—发育,呈块状及中厚层状结构,隧洞埋深520～1250m,fk=2000kPa～2500kPa,存在岩体完整、干燥无水地段可能产生岩爆。线路通过区地层主要为弱富水区（Ⅲ）：无区域性断裂通过。石英片岩、花岗岩、石英岩多为中厚层状或巨块状，岩质坚硬而脆。原生理层、浅层风化节理、裂隙较发育，次生构造节理裂隙不发育，节理、裂隙的充填性较好，地下水主要储存于层理、风化裂隙中，泉水不发育。地标测流地下径流模数M=223～555m3/d·km,推荐平均值：M=409m3/d·km。地下水水化学类型为HCO3·SO4-Ca.Mg或HCO3-Ca型水，矿化度0.2835～0.3255g/l，对混凝土无侵蚀性。预测该段隧洞正常涌水量1384m3/d，可能出现的最大涌水量2768m3/d。三、防坍塌方案1、施工原则隧道施工严格遵循超前地质预报先行，围岩破碎段“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”的原则进行施工。2、超前地质预报3号支洞主洞勘探试验段埋深较大，不可预见性也比较大，因此隧道超前地质预报工作就显得异常重要，为了更好地完成超前地质预报工作，我标段委托专业的地质预报单位对海棠山隧道进口段进行全方位的综合地质预报。结合3号支洞主洞勘探试验段的地质条件，超前地质预报工作按照由面到点、长短结合、定性与定量相结合的办法来保证预报的准确性。根据各种预报方法的特点，可分为常规地质预报、长距离宏观预报、中距离预报、短距离验证预报，各种方法如下：(1)地质调查18 ①调查目的核对勘测资料，掌握隧道所在地区的地层岩性、地质构造、不良地质及水文地质情况，为隧道内地质预报提供方向性的依据。②调查范围根据勘察单位提供的隧道工程地质图，调查范围为隧道上下游两侧全部范围。③调查内容a.地层岩性主要调查地层的地质时代、岩层厚度、层间结合程度、岩层产状、岩性、岩石硬度、风化程度等。b.地质构造主要调查断层、破碎带及节理裂隙特征。断层的产状、性质、破碎带宽度、破碎带的成分、破碎带的含水情况以及与隧道的关系。节理裂隙的组数、产状、间距、充填物质、延伸长度、张开度及节理面的起伏情况，节理裂隙的组合状况。c.不良地质主要调查隧址内滑坡的性质、规模、以及对隧道的影响。d.地下水的特征(2)地质素描调查隧道范围内的泉水、井水、水塘、水库、沟水、河水及其水量、水文、水质的变化等。隧道开挖后及时记录隧道洞身和掌子面地质情况的方法，它是地质调查的细化和补充，结合勘察和地质调查取得的地质资料可以预测隧道前方地质情况，同时为隧道运营维护提供全面准确的地质资料。素描内容①地层岩性地层地质时代、岩层厚度、层间结合程度、岩层产状、岩性、岩石硬度、风化程度等。②地质构造断层破碎带带宽度、破碎带的成分及胶结程度、破碎带的含水情况以及与隧道的关系。节理裂隙特征节理裂隙的组数、产状、间距、充填物质、延伸长度、张开度及节理面的起伏情况，节理裂隙的组合状况。③地下水的特征18 出水点位置、水量、水压、水温、水色、悬浮物（泥砂等）测定；出水点和地质环境（地层、构造、岩溶、暗河等）的关系；与地表相关气象、水文观测；洞内涌水与地表径流、降雨的关系；必要时进行水样分析。④围岩稳定性评价和预报根据地质素描得到地层岩性、地质构造、不良地质、水文地质特征等，判定围岩完整性和围岩分级，结合勘察和地质调查取得的地质资料预测隧道前方地质情况。(3)TSP203+超前地质TSP203+超前地质预报系统是专门为隧道和地下工程超前地质预报研制开发的目前世界上在这个领域最先进的设备，它能方便快捷地预报掌子面前方较长范围内的地质情况，它弥补传统地质预报方法只能定性预报无法定量预报的缺陷，为更准确的地质预报提供了一种强有力的科学方法和工具，它不仅可以及时地为隧道施工变更施工工艺提供依据，而且可以减少隧道施工中突发性地质灾害的危险性，为隧道施工提供施工更安全保障，减少人员和设备的损伤，同时也就带来很大的经济效益。图3-2-1TSP203原理图地层或断层入射波前反射波前震源检波器检波器隧道TSP203+每次可探测100～350m，为提高预报准确度和精度，采取重叠式预报，每开挖100m～150m预报一次，重叠部分(不小于20m)对比分析，每次探测结果与开挖揭示情况对比分析。18 TSP203+超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况的，TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点（通常在隧道的左或右边墙，大约24个炮点）用小量炸药激发产生，当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等)时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收，数据通过TSPwin软件处理，就可以了解隧道工作面前方不良地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）和位置及规模。(4)红外线探水①基本原理在隧道中，围岩每时每刻都在向外部发射红外波段的电磁波，并形成红外辐射场，场有密度、能量、方向等信息，岩层在向外部发射红外辐射的同时，必然会把它内部的地质信息传递出来。干燥无水的地层和含水地层发射强度不同的红外辐射，红外线探水仪通过接收岩体的红外辐射强度，根据围岩红外辐射场强的变化值来确定掌子面前方或洞壁四周是否有隐伏的含水体。②红外线探水的特点优点：测量快速，基本不占用施工时间；资料分析快，测量完毕，即可得出初步结论。缺点：只能测量出含水体的方位，测量不出含水体隐藏深度及水量大小、水压等参数。海棠山高速公路隧道全部进行红外探水探测。红外探测虽每循环可探测30m，为提高预报准确度和精度，采取重叠式预报，20～25m探测一次，重叠部分对比分析。(5)超前地质钻孔超前地质钻孔是对TSP203+预报和红外探测等手段探测到的不良地质体的验证，是用水平地质钻机直接揭露掌子面前方岩体来了解掌子面地质情况的一种可靠的方法。优点：可以直接从取出的岩芯或岩粉中了解前方的地质情况，方法直接可靠。缺点：往往以一孔或几个孔代表掌子面前方的整体，具有局限性；对隧道施工干扰大，通常一个循环的超前探孔需要中断隧道施工10~20小时。为了尽可能减少对隧道施工的干扰，钻机通常放在专用的钻机台车上，需要时，把钻机台车直接拖到掌了面，固定台车，连接电源、风管和水管即可施工。施工完成后，把台车拖到洞外。这样能减少钻机在洞内安装和拆卸占用隧道施工的时间（通常钻机安装和拆卸需要3~5小时）。钻孔数量及深度一般地段每循环钻2个孔，在富水段、断层段、瓦斯段、采空区可钻3~4孔，遇到特大异常（高水压、高瓦斯等），钻孔增至5～7孔，深度30～60m，以探明前方地层完整性、断层、岩溶、瓦斯及地下水发育情况（水量、水压、水温、悬浮物等）。预报搭接长度以3～8m为宜，以此做安全储备。18 掌子面超前钻孔布置图4掌子面超前钻孔布置图12134756212134掌子面超前钻孔布置图3掌子面超前钻孔布置图2213图3-2-2超前钻孔布置图综合地质预报中，常规地质预报是地质预报的基础，只有通过勘察和地质调查才能从区域范围内了解隧道通过的地层岩性、对隧道施工影响较大的地质构造、不良地质及地下水特征，再通过地质素描将勘察和地质调查得到的地质信息投影到隧道中，达到细化和补充的作用，但是常规的地质预报是用已开挖揭露的地质信息来推测前方的地质情况，只能定性推测，无法达到定量。在此基础上通过TSP和红外探水预报，取得掌子面前方的异常信息及异常信息的位置，结合常规地质预报已得到的地质信息，来解释掌子面前方可能存在的地质问题，从而达到量化效果，但是TSP和红外探水等物探方法存在多解性，加上地质条件的千变万化，TSP和红外探水只能提供异常区可能存在的地质问题。所以我们在异常区域内实施超前水平探孔，来直接验证异常区内的地质情况。这样的一种立体、综合的地质预报方法为隧道施工提供更准确的地质资料，同时也为隧道施工中突发性地质灾害建立预警预报机制，为隧道施工提供更安全的保障。3、软弱围岩段及断层破碎带防坍塌措施对软弱围岩，采用环形掏槽开挖法、上下台阶法等法开挖；同时根据超前地质预报所提供的资料及掌子面的围岩情况采用超前大管棚、超前导管及超前锚杆等进行超前支护及掌子面超前预注浆等措施。(1)开挖方法①环形掏槽开挖法：适用于Ⅴ类围岩及围岩较差的断层破碎带，每循环进尺控制在0.5~0.8m之内18 。开挖方法见下图：图3-3-1预留核心土环形掏槽开挖法示意图②台阶法开挖：适用于Ⅳ类围岩段及围岩稍好的断层破碎带，每循环进尺控制在0.8~1m之内。上台阶高度以4~6m为宜，下台阶高度以2.5~4m为宜。上下台阶拉开距离以5m~50m为宜。仰拱在下台阶开挖完成后要及时施作，及时封闭成环。③开挖技术保证措施a.严格控制超欠挖，钻眼前画出开挖轮廓线，标出炮眼位置，保证测量精度，严格控制周边眼外插角和装药量。b.台阶法施工需立钢拱架时，下台阶左右错开开挖，防止上台阶拱架拱脚同时悬空。c.以“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、勤量测”作为进洞施工和软弱破碎围岩的施工原则。d.施工中加强监控量测，按规范埋设观测点，实施监控量测，并及时反馈信息以指导施工和修改设计。(2)超前支护方法①掌子面超前预注浆封闭适用情况：围岩极破碎的断层破碎带及有涌突水危险的地段。a).超前预注浆施工工艺流程如图11-13“超前预注浆施工工艺流程框图”。b).超前预注浆施工方法18 进行前进式分段注浆施工工艺时，即在施工中，实施钻一段注一段，再清孔钻一段、再注一段的钻、注交替方式进行钻孔注浆施工。每次钻孔注浆分段长度根据围岩情况定位1～3m。前进式分段注浆采用止浆塞或孔口管法兰盘进行止浆。进行后退式分段注浆施工时，在检查合格的钻孔中放入止浆塞及其它配套装置，对一个注浆分段段长进行注浆施工，第一分段注浆完成后，后退一个分段长度进行第二分段注浆，如此往复，直到将整个注浆段完成。进行后退式分段注浆施工，注浆分段长度宜取0.6m～2.5m。取全孔一次性注浆时，直接将注浆管路接在孔口管上，在孔口处利用孔口管进行全孔注浆施工。前进式注浆适用一般地段注浆。后退式注浆适用于地质较差，成孔较困难，容易塌孔的地段。c).钻孔注浆施工步骤钻孔前要按照设计将钻机就位，计算出各钻孔在工作面上的坐标，标识出注浆孔的准确位置，开孔前保持钻机前端中点与掌子面钻孔位于同一轴线上，固定钻机，保证钻杆中心线与设计注浆孔中心线相吻合，钻机安装应平整稳固，在钻孔过程中也应检查校正钻杆方向。超前注浆孔的孔底偏差应不大于孔深的1/40孔深，注浆孔和检查孔的孔底偏差应不大于孔深的1/80孔深，其它钻孔的孔底偏差应小于1/60孔深或符合设计规定。钻孔2m后安装孔口管或注浆管，兼测量水压力及涌水量。18 不合格不合格注浆测量放线、标注钻孔位置钻机及平台架定位钻孔方向确定补孔注浆钻设注浆孔3~5m第一分段注浆第二个分段钻孔第二分段注浆…合格继续注浆结束该孔钻孔注浆施工效果检查合格结束整体注浆效果检查配制浆液分段配制浆液混凝土止浆墙施工钻孔口管孔至2m深度安设孔口管、继续钻注浆孔图3-3-2超前预注浆施工工艺流程框图止浆墙采用C25砼浇筑，厚度2m，采用立设模板分段浇筑。施工前应对不同水灰比、掺加不同掺和料和不同外加剂的浆液进行试验，选择适合的浆液和配比，按照配比准确计量，严格按顺序加料，搅拌后的浆液必须经筛网过滤后方可进入注浆机。注浆前对止浆墙或止浆岩盘进行检查，对薄弱部位进行封堵（麻丝蘸双液浆塞紧），以免浆液从裂隙泄漏；检查注浆材料数量能否满足连续注浆要求，如不能保证连续注浆要求，则要等补足数量或有运输保障供应的情况下才能注浆；还要对注浆系统密封情况进行检查。顶水注浆压力为水压加2～3MPa；超前注浆压力为静水压力的2～3倍或设计要求注浆结束压力。18 注浆达到设计注浆压力或注浆量时即可结束。结束后采用施工过程中的P-Q-t曲线、浆液填充率反算、涌水量对比分析法；钻检查孔法和在开挖过程取样比较法对注浆效果进行评定。注浆施工注意事项：进行预注浆施工时设置良好的工作面，并在底部设置积水坑，尽可能保证底部管棚施工角度及底部预注浆孔钻孔到位、止浆量足。检查孔严格检查注浆止水效果，以任何检查孔不出浑水为准，且出水量不大于0.3L/m·s；注浆顺序应坚持先底部，后中部、再上部，先外侧后内侧；每个钻孔设孔口管且埋设要牢固、密实，在钻孔中发现有泥沙从孔中外涌迹象时，及时退钻、进行顶水注浆堵水、不能造成溶管或溶隙充填物的大量流失，恶化地质状况；加强止浆墙及作业段空间的沉降变形及必要的应力监测；严格按拟定的钻孔、注浆施工方案和方法进行注浆。钻孔的方向、深度都要严格按设计要求进行；根据超前钻孔探测，随时测量涌水量及水压，化验水质，核实地质情况，如与设计不符，及时向监理提出，并向地质信息系统反馈，以便迅速变更设计后调整施工方案；注浆发生堵管时，先打开孔口泄压阀，再关闭孔口进浆阀，然后停机，查找原因，迅速进行处理。注浆结束时，应先打开泄压管阀门，再关闭进浆管阀门并用清水将注浆管冲洗干净后方可停机。注浆结束标准以达到设计注浆终压及设计注浆量要求进行控制，且检查合格经监理确认后方可结束。施工过程中作好施工日志及各种检查记录。②超前大管棚适用于围岩很破碎的Ⅴ类围岩及断层破碎带。施工顺序：搭设作业平台→钻机就位→钻孔→扫孔→插入钢管→孔口密封处理→喷砼封闭→管棚钢管注浆→开挖及支护→进入开挖支护循环钻孔：采用地质钻机钻进，并顶进长管棚钢管，开孔时低速低压。钻机纵轴方向准确定位，保证孔向正确，每钻完一孔即顶进一根钢管，注一孔浆。管棚插入：钢管节采用丝扣连接，为确保同一横断面内接头数量不超过50%，相临钢管的接头错开量不小于1m，施工前先确定每节的顶入长度，编排好每孔管节顶入顺序，采用机械顶进，并做详细交底。注浆：注浆压力控制在0.5～1.0Mpa，终压2～2.5MPa。注浆时做好记录，根据注浆压力及注浆量确定终止时间。超前大管棚施工工艺见下图3-3-4“超前大管棚施工工艺框图”。主要技术措施：18 a.注浆操作人员必须经过专门培训,并实行岗位责任制，在注浆前充分做好各项准备工作。b.注浆前，在洞外将管路全部接通，进行试压，试压可用清水进行。在试压时，如管路不通或接头有漏水现象，予以排除，保持管路系统各部件完好畅通。前期准备(测量放线和场地平整)管棚施工作业平台或操作间套拱（洞内时工作室）导向架导向管下管综合检查注浆封口大管棚加工不合格钻机就位、钻孔补孔、下管合格注浆封口砼生产钢筋加工图3-3-3超前大管棚施工工艺框图c.注浆完毕后，清除管内浆液，用水泥砂浆紧密充填，以增强管棚的强度和刚度。认真清洗干净所有的机具设备，特别是搅拌机、注浆管、接头、阀门、贮浆桶等，以备下阶段注浆时使用。③超前注浆小导管适用于Ⅴ类围岩段、局部Ⅳ级围岩段及断层破碎带。小导管采用外径42mm，壁厚3.5mm的热扎无缝钢管。施工顺序：测量放样→钻孔→清孔→钢管插入→封口→注浆→与钢架或锚杆焊接。采用风钻钻眼，并将钢管顶入孔内，钢管尾端与钢架或系统锚杆焊接在一起，必要时加环向钢筋。注浆根据压力状况和跑浆情况确定终止时间，确保注浆效果。超前小导管施工工艺流程见下图3-3-4。18 制作小导管眼孔布置钻孔顶入小导管开挖注浆效果检查注浆图3-3-4超前小导管施工工艺流程图①超前锚杆适用于Ⅳ类围岩的一般地段。φ22超前药包锚杆采用20MnSi材料，用于加固Ⅳ类围岩拱部软弱岩体。超前锚杆施工方法和系统锚杆一样，施工时根据岩体节理产状确定锚杆的最佳方向，并保持不小于1m的搭接长度，尾部焊接在钢架。4、监控量测(1)洞内施工监控量测项目监测项目分必测项目（A类）和选测项目（B类）。必测项目是用以判断围岩的变化情况和支护结构工作状态的经常性量测。选测项目是用以判断隧道围岩松动状态、喷锚支护效果和积累资料为目的的量测。各类围岩量测项目见表3-3-1。围岩量测项目表表3-3-1项目围岩条件洞内观察(A)净空变位(A)拱顶下沉(A)地表下沉(B)围岩位移(B)锚杆轴力(B)衬砌应力(B)围岩条件(B)洞内收敛性(B)硬岩(I～III类)×××××××××××××××软岩(IV～Ⅴ类)×××××××××××××××××××××土砂×××××××××××××××××××注：×××—必须进行项目；××—应进行项目；×—必要时进行项目。(2)测点布置量测断面测点布置见下图。18 图3-3-5监控量测点布设断面图(3)量测注意事项①量测项目的初次读数必须在安装后12小时内完成，并在下一次开挖前完成。②量测断面间距净空变形，拱顶下沉量测间距S应符合下表要求：Ⅲ类及以上围岩不大于40m；Ⅳ类围岩不大于25m；Ⅴ类围岩应小于20m。围岩变化处应适当加密，在各类围岩的起始地段增设拱顶下沉测点1～2个，水平收敛1～2对。当发生较大涌水时，Ⅴ、Ⅳ类围岩量测断面的间距应缩小至5～10m。地表下沉量测的隧道纵向间距S为：H<15m时，S=5m；15m