隧道的地质超前预报方法与不良地质施工措施 我们在隧道的施工过程中会遇到各种不良地质, 为避免盲目性, 使施工方案和技术措施更科学合理, 开展地质超前预报十分必要。 地质超前预报对不良地质能做到早发现, 早预防,从而采取恰当的处理措施, 减少和化解不良地质给施工带来的不利影响。 1 地质超前预报方法 1.1 超前导坑法 长隧道和特长隧道大都设有平行导坑。 平导一般与线路平行, 距线路 20m~30m 不等。 施工过程中利用平导先行的优势, 认真收集和积累地质资料, 并根据平导开挖过程中揭示的地质资料指导正洞施工, 从而使正洞的施工方案和技术手段都建立在科学合理的基础上。 平导开挖断面小, 即使出现不良地质也容易处理, 对施工影响不大。 因此, 超前导坑法在长隧道和特长隧道施工中被广泛采用。 1.2 超前水平钻探法 采用隧道专用钻机进行超前水平钻探, 来探明开挖前方的地质情况。 超前水平钻探其实并非完全“水平”,带有一定的角度。 与地震波反射法、 地质雷达探测法相比, 超前水平钻探法具有更直观、 更准确的特点。超前水平钻探法虽是“一孔之见”, 却能起到“管中窥豹”的作用。 超前水平钻探法主要用于探测煤层、 瓦斯、断层、 溶腔、 突水、 涌泥等不良地质。 超前水平钻探法探测的距离长, 探明的不良地质距工作面较远, 便于提前调整施工方案和技术措施。 1.3 超长炮孔钻探法 超长炮孔钻探法指的是在掘进过程中, 每次打眼都用 5m 钻杆在隧道拱部和底部各钻两个探测孔, 放炮则控制在 3m 以内, 使工作面始终保持距不良地质 2m 以上的安全距离。 当钻孔出现不良地质征兆时, 可以及时采取应对措施。 采用超长炮孔钻探法, 避免了钻机的频繁移动, 可以不中断隧道的正常掘进, 简便易行、 事半功倍。 超长探孔还可兼做炮眼, 节约成本, 提高功效。 1.4 地震波反射法--TSP-203 系统 TSP 超前地质预报系统是目前隧道及地下工程地质预报工作中, 采用的较为先进的设备。 其工作原理是利用地震波的回波原理, 人工制造一系列有规则排列的轻微震源, 形成一个地震源断面; 同时, 三维地震波接收器在计算机的监控下, 采集这些震源所发出的震波沿隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质体(如地层层面、 节理面、 特别是断层破碎带界面和溶洞、 暗河等) 被反射返回的地震波数据。 这些回波信号的传播速度、 延迟时间、 波形、 强度和方向, 是与相应不良地质体的性质和分布状况紧密相关的。 在一定间隔距离内连续采用上述方法, 可以得到前方地层的地质力学参数, 如杨氏模量和横向变形系数等, 从 而预报隧道前方及周围临近区域的地质状况, 判断开挖面前方 100m~200m 范围内的地质情况。 该系统的使用, 可极大提高对地质情况的判识能力, 为施工生产提供安全保证。 地震波反射法是复杂地质隧道施工中采用的主要预报手段。 (1) 准备工作 TSP-203 地质超前预报系统测线设在工作面附近的边墙上, 由两个接收器孔和 24 个炮孔组成。 两个接收器孔对称分布在两侧边墙, 24 个炮孔等间距分布在一侧边墙。 在数据采集前, 钻孔、 接收传感器套管的安装, 以及接受气孔、 炮孔的倾向、 倾角和各控基准点的测量可先期完成。 这些准备工作不影响正常施工,可与隧道施工作业同时进行。 (2) 相关参数 爆破点沿着隧道一侧洞壁平行于隧道底面呈直线排列, 孔距 1.5m, 孔深 1.5m~2.0m.距最后一个爆破点15m~20m 设接收点, 接收点孔深 2.0m, 孔口距隧底约 1.0m 与炮孔等高。 接收器孔向上倾斜 5o~10o,炮孔向下倾斜 15o~20o。 根据围岩软硬和完整破碎程度以及接受器位置的远近, 每个炮孔装药 50g~100g。 炸药为高爆速炸药, 雷管采用零延时电雷管。 (3) 现场测量 接收器孔内置接收传感器.探测时逐次引爆炸药, 制造出小型地震波.这些地震波遇到节理面、 地质界面和破碎带、 溶洞、 暗河等不良地质界面时会产生反射波。 反射波的强度及传送时间反映了相关界面的性质、产状、 距接收点的距离。 (4) 数据分析 接收点的接收传感器将所接收的反射波数据, 发送到记录仪储存。 利用软件对储存数据进行处理, 形成相关界面的隧道映象点图, 通过分析获得前方的地质情况。 1.5 地质雷达探测 (1) 工作原理及方法 地质雷达或 ZGS 型智能工程探测仪, 是通过发射天线 T 将高频电磁波以脉冲形式发射至地层中, 再由天线 R 接收反射回的信息, 最后通过分析, 达到对短距离进行超前预报的目地。 地质雷达或 ZGS 型智能工程探测仪探测范围为前方 30m 内, 可作为 TSP 地质预报系统的主要辅助手段。 (2) 数据处理及资料判释 地质雷达数据处理的目的是排除随机和规则的干扰, 以最大可能的分辩率在图像剖面上显示反射波, 提取反射波的各种参数, 包括振幅、 波形、 频率等帮助判释。 资料判释方法: 地质雷达反映的是地下介质的电性分布, 将其转化为地质体分布时必须把地质、 钻探、 地质雷达记录这三方面的资料有机结合, 以此获得检测对象的整体状况。 1.6 红外线探测法(HY-303 红外线探测仪) (1) 探测内容 红外线探测仪存在局限性, 主要探测含水断层、 含水破碎带、 含水溶洞、 含水陷落柱、 地下暗河等。 (2) 探测方法 红外线探测法施工方法及步骤如下: (如下内容在那里? 是不是就是这个 3、 4 小节。 ) (3) 现场探测 进入探测地段, 沿隧道边墙以 5m 点距用粉笔或油漆标好探测顺序号直至掘进工作面。 在掘进工作面, 先对前方探测。 在返回的路径上, 每遇到一个顺序号, 就站在隧道中央, 分别用仪器的激光器打出光斑, 使光斑落在左侧边墙中心位置、 拱部中线位置、 右侧边墙中心位置、 隧底中线位置, 并扣动扳机分别读取探测值, 做好记录。 然后转入下一序号点, 直至全部探完。 也可以在掘进断面自上而下测五排数据, 每排五个点, 做好记录, 进行对比。 (4) 资料处理 探测数据输入计算机, 由专用软件绘成顶板探测曲线、 底板探测曲线和两边墙探测曲线; 断面上测的四排探测数据也分别绘制成曲线。 通过分析对隧道前方的地质情况作出预报。 红外探测曲线以直角坐标系表示, 纵轴表示红外辐射场场强值, 横轴表示以某点为起点的隧道距离(断面曲线图横轴则表示隧道断面上的 5 个测点及间距) 。 探测曲线大致平行横坐标表示正常, 反之, 则表示异常。 1.7 工程地质法 工程地质法是传统的地质预报方法。 它根据零星的测绘、 钻探和施工过程收集的地质资料, 来分析、 推断隧道前方的围岩状况。 例如可根据背斜、 向斜的一翼推测另一翼的地质状况。 工程地质法是一切超前地质预测、 预报方法的基础。 因此, 在掘进过程中, 要认真收集地质资料, 绘制地质素描图, 作为各种预报手段的参考和补充。 2 地质超前预报方法综述 以上各种探测方法各具特点, 各有侧重, 但都有其局限性。 超前导坑法能探明前方的地质情况, 可增加正洞的工作面和实现巷道式通风,并兼有排水功能, 缺点是造价高。 超前导坑法的造价相当于同长度正洞的 40%; 水平超前钻探法直观、 准确, 并可提前排放前方岩体中的瓦斯和水, 起到卸压作用, 但费工、 费时, 与隧道掘进相互干扰; TSP-203 系统探测距离远, 抗干扰能力强, 但分辨率低, 难以查清 2m 以下的不良地质体, 探测缓倾角断层和溶洞效果不明显; 地质雷达法探测溶洞效果好, 分辨率高, 可查清 0.3m 以上的不良地质体。 缺点是抗干扰能力差, 探测的深度较小, 约在工作面前方 10m~20m 范围内, 对探测环境要求苛刻, 不能在有泥、 水和电磁干扰的环境中使用; 红外线探测仪仅限于探测前方 20m~30m 范围内含水地层和含水构造, 无法探测水量、 水压、 水质等信息。 探测过程易受洞内环境因素如灯泡、 正在行驶的车辆、 机械等热源和水的影响。 因此, 在预报方法和手段的使用上, 应根据探测对象有针对性的选择, 这样既保证探测效果, 又节约成本。 3 不良地质处理措施 3.1 浅埋 对浅埋段的处理以防坍塌为目的, 遵循“先地表后洞身, 先超前支护后开挖”的原则进行处置。 首先对浅埋地表进行帷幕注浆,增加拱部的整体性和稳定性, 完善防排水措施, 防止地表积水。 开挖前施作超前管棚或小导管注浆, 固结前方开挖面, 对地表帷幕注浆做进一步加固和补充。 采用留核心土, 分台 阶环形开挖, 微药量爆破, 尽可能减少对围岩的扰动。 开挖后及时施作网喷、 格栅钢架等初期支护。 3.2 偏压 对偏压段的处理以平衡偏压, 重新调整围岩应力分布和受力状态为目的。 根据偏压程度, 在洞外受偏压方采用钢筋混凝土桩、 浆砌片石或回填混凝土的方法进行加固。 开挖前进行超前管棚注浆, 开挖后架设钢支撑进行初期支护或灌注钢筋混凝土, 进一步提高洞身的整体性和抗拉、 抗剪、 抗压强度。 3.3 软岩(这到底是说软岩还是软围岩) 软围岩自稳力差且遇水软化, 易坍塌, 给施工带来困难。 采用“超前支护, 屏蔽环境, 及时封闭”的做法。即严格的超前支护, 特殊的防、 排水措施, 以及短进尺、 早封闭、 强支护的综合处理措施。 采用留核心土, 分台阶环形开挖, 视围岩软弱程度辅之以管棚或导管注浆。 石质松散和泥岩地段可采用机械配合小型机具开挖, 严格限制施工用水。 若局部石质难以用机械开挖时, 可采用电钻成孔, 弱爆破、 短开挖, 仰拱超前, 尽早封闭成环。 并加强围岩量测, 根据量测反馈指导施工。 3.4 顺层 隧道穿越顺层地层时, 开挖后易产生顺层滑坍, 施工时必须采取措施进行控制, 保证施工安全与质量。 顺层段施工采取小药量、 弱爆破预留光爆层的施工方法, 尽量减少对围岩的扰动。 开挖后视岩层倾斜情况及时对岩层进行锚固, 喷射混凝土封闭岩面, 必要时设置格栅钢架加强支护, 紧跟仰拱及二次衬砌, 尽快形成封闭结构。 3.5 热害 热害主要出现在通风不良的特长隧道和有巨厚覆盖层的隧道。 对于热害的防治, 主要是采取加强通风、 注浆堵水和喷洒水雾等措施来实现。在热害不很严重时, 加强通风是改善洞内温湿条件的最简便易行的方法。风机功率要满足通风需要, 通风系统要布置合理, 要提高工作面的风速, 增强局部通风强度。 在富水地段,地下水从围岩中获取热量, 在洞内散热。 因此, 要加强地下水的隔离和控制。 施工中可在混凝土中添加防水剂, 进行注浆堵水等, 以达到隔离和控制地下水的目的。 在洞内高温段喷洒水雾, 必要时在洞内设置移动式空调机降温。 3.6 岩溶 岩溶主要发生在石灰岩地层中。 岩溶的发育程度取决于围岩的溶蚀性。 就围岩的溶蚀性而言, 石灰岩>白云质灰岩>白云岩>泥灰岩。 治理岩溶地层, 首先要查明岩溶在隧道出露的位置、 规模、 形态, 有无泥、砂充填, 是否与地下暗河连通, 是否有地表水补给等。 根据探明的情况分别采取相应的处置措施。 位于拱部及边墙的小型溶洞, 在衬砌断面外用浆砌片石或低等级混凝土回填, 有水时则视水量大小采用埋管或凿槽的方法将水引入边墙水沟内。 位于隧底的溶洞, 采取换填、 钢管注浆加固的处理方法, 也可根据溶洞规模采用架设钢筋混凝土梁的方法。 对于有泥、 砂、 水充填的大型溶洞, 应遵循“限量排放, 排堵结合, 因地制宜, 综合治理”的原则进行处置。 对其采取长管棚或小导管注浆进行超前支护, 短台阶预留核心土环状开挖, 网喷和钢支撑进行初期支护的综合处理措施。 对于特大型溶洞一时难以处理的, 可考虑设置迂回道坑, 后期再进行处理, 以节省工期。 3.7 瓦斯 当隧道穿越煤系地层和含瓦斯地段时,坚持“全防爆、 超前探、 勤检测、 强通风”的施工原则。 通过煤系地层时使用煤矿安全炸药和毫秒电雷管, 毫秒电雷管的总延期时间不大于 130ms, 采用远距离放炮揭穿煤层。放炮时洞内停电, 洞外起爆, 所有人员撤至洞外, 洞口 50m 以内杜绝一切火源。 远距离放炮后及时对揭煤工作面喷混凝土或衬以气密性混凝土, 以利于岩体的稳定, 并可封闭岩面, 堵塞瓦斯排放通道。 牢记两个数值: 当瓦斯浓度达到 1%时, 禁止打眼、 装药、 放炮; 瓦斯浓度达到 1.5%时, 撤人、 停电、通风。 3.8 采空区 采空区常与煤层、 瓦斯共存于同一隧道。 治理采空区首先要查明采空区在隧道出露的位置、 规模、 以及有无积水、 有无瓦斯积聚等。 根据探明的情况采取相应的处置措施。 当采空区位于隧道拱顶, 且有积水和瓦斯积聚, 是最复杂的一种情况, 必须认真对待。 因为煤系地层大都以泥岩、 页岩为主, 经老塘积水常年浸泡, 承载力已大为降低, 容易坍塌。 可采取长管棚预加固、 台阶法开挖、 微药量爆破、 初期支护紧跟的施工方法。 施工过程中要加强通风和瓦斯检测, 以防不测。 3.9 岩爆 对岩爆防治主要采取喷洒高压水、 加强临时支护、 改善施工方法、 增设临时防护等措施来实现。 对中等程度的岩爆一般采用系统锚杆加固围岩, 先喷一层钢纤维混凝土, 防止岩块爆落, 并及时铺设钢筋网、 施作锚杆。 利用系统锚杆的组合作用, 改善围岩应力状态, 避免局部应力集中, 达到降低诱发表面岩爆的目的。 岩爆较严重地段的工作面设超前锚杆, 可有效地防止或减弱岩爆烈度及围岩剥落或弹射现象。岩爆严重或特别严重地段, 改变施工方法, 可将全断面变为台阶法施工, 并采用加密锚杆、 挂网、 网喷及钢支撑相结合的联合支护方法, 提高结构的整体支护能力, 防止岩块突然弹射或剥落。 上述几种情况在爆破后立即向开挖面和约 15m 范围内的隧道周边喷洒高压水, 以适当改变岩石物理力学性质, 降低岩石脆性, 达到减弱岩爆烈度的目的。 必要时给施工人员配发钢盔、 防弹背心, 对主要施工设备安装防护棚架或防护网。 在工作面架设移动防护网, 防止岩块飞出, 有效保护人员和设备安全。 并组织专人全天候巡视警戒和监测, 听到围岩内部有闷雷似的响声时, 尽快撤离人员和设备。 3.10 膨胀岩 (1) 防治原则 膨胀岩的膨胀性主要是因为含有蒙脱石、 伊利石等膨胀性矿物所引起。 膨胀岩在开挖后较一般围岩变形大且持续时间长。 根据膨胀岩持续变形的特点, 应采取“先柔后刚, 刚柔结合”和“短开挖, 强支护, 快封闭成环”的处理措施。 (2) 处理措施 膨胀岩隧道施工, 以喷、 锚、 网、 钢支撑初期支护、 适当加大预留沉落量和二次模筑衬砌组成复合式支护体系。 施工过程中要加强监控量测, 合理安排工序。 必要时打超前钻孔, 改变前方岩体力学性质, 使抑制岩体的应力得以释放, 保证开挖顺利进行。 设置钢支撑、 喷射钢纤维混凝土与系统锚杆, 组成联合支护系统, 适当加强初期支护, 保证围岩变形过程中不发生失稳、 坍塌, 发挥围岩自承能力, 然后及时施作仰拱, 使支护封闭成环, 整体受力。 仰拱开挖后立即设钢拱架, 与边墙钢拱架形成环状封闭, 喷射混凝土进行封闭, 再打设锚杆、 绑扎仰拱钢筋、 施作仰拱及充填混凝土。 对于膨胀系数大于 1.3 的围岩地段, 在仰拱下铺设 50cm 厚的碎石垫层作为柔性变形层, 并在仰拱加设双层钢筋网, 加强仰拱刚度。 3.11 流沙 流沙是沙土或粉质粘土在水的作用下丧失其内聚力后形成的, 多呈糊浆状。由于流沙可引起围岩失稳坍塌,支护结构变形, 甚至倒塌破坏, 因此对隧道施工危害极大。 治理流沙必先治水, 减少沙层的含水量。 治理流沙宜采取以下措施: (1) 加强调查 制定方案 施工中应先调查流沙的特性、 规模, 了解地质构成、 贯入度、 相对密度、 粒径分布、 塑性指数、 地层承载力、 透水系数、 滞水层分布范围、 地下水压力等, 从而制定出切实可行的治理方案。 (2) 因地制宜 综合治水 处理地下水是解决隧道流沙、 流泥施工难题的关键技术。 施工时因地制宜, 采用“防、 截、 排、 堵”的治理方法。 ①防: 建立地表沟槽导排系统, 对洼陷地表进行局部防渗处理, 防止地表水下渗。 ②截: 在正洞之外水源一侧采用深井降水, 将储量丰富的地下水通过深井抽水排走, 减少正洞静水和动水的压力, 对地下水起到拦截作用。 ③排: 有条件的隧道, 在正洞水源下游一侧开挖一条洞底, 低于正洞仰拱的泄水洞, 用以降低正洞的地下水位; 或采用水平超前钻孔真空负压抽水的办法, 排除正洞的地下水。 ④堵: 采用注浆方式充填裂隙, 形成止水帷幕, 减少或堵塞渗水通道。 以上诸种施工方法, 应根据工程地质、 水文地质和地下水的性质、 类型、 储存部位以及工期要求和经济效益等因素综合分析, 合理选用。 (3) 先护后挖 加强支护 开挖时必须自上而下, 分部进行, 先护后挖, 密闭支撑, 遇缝必堵, 边挖边封闭, 严防沙粒从支撑缝隙中流出。 也可采用超前注浆, 改善围岩结构, 用水泥浆或水泥水玻璃为主的注浆材料加固地层, 然后开挖。 根据支撑和实际沉落量的变化, 及时调整预留量。 架立支撑时应设底梁, 并纵横、 上下连接牢固。 支撑背面用木板或槽性钢遮挡, 防止流沙逸出。 在流沙逸出口附近较干燥的围岩处, 尽快打入锚杆或喷射混凝土,防止逸出扩大。 (4) 尽早衬砌 封闭成环 流沙地段灌注边墙和拱部混凝土应尽量缩短时间, 尽快与仰拱形成封闭环。 这样, 即使围岩中出现流沙也不会对洞身衬砌造成破坏。 3.12 断层及破碎带 为防止开挖断层及破碎带时出现坍塌, 保证施工安全, 开挖前应对断层及破碎带进行地质探测。 根据探测 的水量大小、 水压高低等情况采取相应的处理措施: 大水量、 高水压地段以堵为主, 限量排放, 先帷幕注浆, 再开挖, 辅以小导管注浆。 水量不大时采用长管棚注浆超前支护, 然后开挖, 水以排为主, 排堵结合。 (1) 帷幕注浆 对于地质复杂的富水断层破碎带, 为防止开挖面涌水, 除了沿开挖轮廓线(含底部) 轴向辐射状布孔外,在开挖面中心也布置注浆孔。 注入按一定比例配制而成的水泥—水玻璃双液浆后, 浆液渗透扩散到破碎带的孔隙中并快速凝固, 与周围破碎岩块固结成具有一定强度的结石体, 在隧道周边及开挖面形成一个堵水帷幕(加固区) , 切断地下水流通路, 达到固结止水的目的。 同时沿周边布置的超前注浆管也能起到管棚的作用。 (2) 超前长管棚施工 断层破碎带水量不大时采用超前长管棚注浆支护, 然后开挖。 超前长管棚施工方法是先钻孔, 再在钻孔中插入 Φ80 钢管, 最后在钢管中注浆, 通过钢管孔眼使浆液向围岩渗透结石。 (3) 开挖及支护 断层破碎带注浆支护后开挖。 断层破碎带以Ⅴ级和Ⅵ级围岩为主。 Ⅴ级围岩采用上、 下断面短台阶法开挖,设 1 榀/m 的格栅钢架。 Ⅵ级围岩采用拱部预留核心土多台阶分部开挖, 设每 3 榀/2m 的型钢钢架。 以上钢架均采用 Φ22 钢筋连接, 台阶距离控制在 2m~3m, 随挖随衬快速封闭成环。 (4) 隧底涌水、 涌泥处理 对规模小的, 可采取清除填充物, 用浆砌片石回填处理, 再施做仰拱; 对规模大的, 底板可采用钢筋混凝土仰拱, 并在施工仰拱时预埋注浆管, 待仰拱混凝土达到强度后, 注浆加固其填充物。 3.13 突水、 突泥 根据地质超前预报资料, 施工中有针对性地采取注浆封堵措施, 防止突水、 突泥发生。 通过地质超前预报确定突水、 突泥地段的准确位置, 留不小于 4m 的安全岩柱。 用钻机向工作面钻眼, 使前方地段的水和泥有控制的排出, 缓解压力, 避免突水、 突泥情况的发生。 出现突水、 突泥情况, 采取以下处置方案: (1) 从炮眼或围岩裂隙往外喷水、 喷泥时, 说明有突水、 突泥可能, 立即撤出人员。 在这种情况下爆破采用远距离放炮或洞外放炮, 人员撤至洞外。 (2) 规模较小, 可采取清除填充物, 用浆砌片石回填, 再进行衬砌。 同时注浆加固四周围岩, 扩大注浆范围。 (3) 规模较大, 可能把断层破碎带泥石带出, 形成泥石流和塌方。 此时应冷静观察规模大小和影响范围,分析原因采取以下处理方法: ① 对初支部分进行加固, 围岩进行注浆, 防止灾害扩大, 并加紧完成二衬, 对突水涌泥点前方围岩进行深孔注浆固结。 ② 如突泥点空隙不大, 隙口可进入时: 先用纤维混凝土封闭隙顶, 在保证安全的前提下, 用浆砌片石在开挖面回填 3m~5m, 清除泥石, 用双层小导管超前注浆。 按预留核心土, 环形开挖, 短循环的方法向前施工; 如突出泥石流量大, 堵死隧道, 拟采用超前大范围分层注浆, 固结开挖线外周边围岩 5m 以上, 并 用混凝土小导管短距离超前补充浆液, 用短开挖, 强支护, 预留核心土, 环形开挖方式稳步向前推进。 (4) 在洞内设集水坑并配备泥浆泵和水泵, 分级把泥、 水排出洞外。 4 结语 在隧道的施工过程中, 应把地质超前预报纳入隧道施工的正常工序, 使地质超前预报成为促进隧道科学施工的有力手段。 在隧道施工过程中遇到的地质问题往往千差万别, 不尽相同, 有时甚至是诸种不良地质的叠加和组合。施工中要区别各种情况, 具体问题具体对待, 采取有针对性的处置措施, 尽可能把不良地质给施工带来的损失降低到最低程度。 不良地质虽然给隧道施工造成了困难, 但只要掌握了不良地质的性质、 规模和在隧道的出露位置, 所采取的治理措施及时、 得当, 不仅可以避免任何地质条件下出现的地质灾害,而且可以用较小的代价弥补不良地质给施工造成的损失。 (吴应明: 教授级高工, 副总工程师; 从事轨道工程、 隧道与地下工程施工技术研究。 )