扭性断层一般直立或近于直 立,走向与最大主应力方向斜交,往往显示 一定的水平错动。断层面产状平直,有时象 刀切一样整齐,象镜面一样光滑,若断层中 充填有泥化夹层并在水的作用下,其强度则大大降低。 根据扭性断层的形成过程、应力状态特征并总结大量的地质资料,可知扭 图4-8扭性断层应力状态示意图 性断层区域的地质特征主要表现在田】: (1)两盘近水平错动的平移断层。 (2)断层面的倾角常很陡,在较平缓岩层中多大于706;无论规模大小,扭 性断层面均平直光滑,在野外露头上常出现巨大的断层镜面,镜面上见发育的 近水平的擦痕;断层常切错砾石。 (3)断层两侧的岩石保存也较完整,断层破碎带较窄;典型的扭性断层构造 岩是紧紧贴附在断层面上的厚薄均匀的薄层断层泥或糜棱岩,内部常见平行断 层面并作定向排列的线理和长轴呈水平状产出的眼球状的微细岩屑:有时断层 泥或糜棱岩也可以被熔融的超糜棱岩代替,这是一种类似玻璃或燧石的厚薄均 匀的玻化岩岩板或岩片。 (4)断层在通过较大矿物晶体时,常常整齐切过;可以出现矿物相变,并经 常见到紧紧贴附在断层面上且由应力矿物(镜铁矿、绿泥石、绿帘石、多硅白云 母)组成的薄膜,一般厚约l至几衄,薄膜上多见水平擦痕,矿物具有定向排 -37. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 列特征。 (5)断层内充填岩脉时,脉体在平面上单条脉体延伸稳定平直,厚度均匀, 多条脉体常具尖灭侧现特征,在剖面上脉体陡立、平直且厚度变化小;脉壁平 直光滑,常见发育水平擦痕,有时在围岩与脉体之间可出现薄层均匀的断层泥 或糜棱岩;脉内基本不见围岩俘虏体;若脉体是同构造结晶而成,则矿物晶体 常斜交脉壁生长。 (6)多条扭性断层在平面上常由两组走向近于垂直的扭性断层组成棋盘格式 构造,常具尖灭侧现特征,在较平缓岩层的剖面上,大多产状陡立。 4.3.2扭性断层的控水作用 扭性断层是剪切应力作用的产物。扭性断层一般断层面陡峻甚至直立,产 状稳定,常呈两组共轭组合出现;大型扭性断层延伸远,切割深,剪切破碎现 象强烈,且密集节理带、角砾岩化带、超碎裂岩化带发育。扭性断层有三种类 型:一是纯剪切型;二是剪压型;三是剪张、剪压型。这些不同类型扭性断层 的水文地质特征表明,属于扭动构造体系的扭性断层的富水性要优越于属于直 线型挤压构造带的扭性断层;此外,同属扭动构造体系的两组扭性断层,其富 水性也有优劣之分。即一般扭张性断层的富水性要优越于扭压性断层:扭压性 断层不利于富水,但是富水性仍优越于压性、压扭性断层,扭张性断层较之有 利于富水,但富水性仍不及纯张性或张扭性断层。如扭性断层特别是扭张性断 层发育于脆性含水岩层中,由于其旁侧多发育密集节理、小型断层等分支破裂 构造,影响带发育,加之扭性断层本身有利于富水的其它地质特征存在,当具 有强烈的剪切破碎带时,则切割深、延伸远,可穿切不同含水层、隔水层,具 有较强的导水能力等,因此扭性特别是扭张性断层既具有一定含水空间又具有 较强导水性,可形成一定富水性的断层。 4.3.3扭性断层区域隧道地质灾害类型 扭性断层面是由剪切破坏而形成,在形成过程中经挤压破碎和长期的风化 作用,断层面不可避免地存在有软弱夹层。在扭性断层区域进行隧道工程建设 时,工程体的变形破坏多从断层面开始,尤其是软弱夹层中含有泥化夹层时。 虽然在张性断层和压性断层区域有时也存在类似泥化夹层的软弱夹层,但是, -38. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 由于扭性断层区域特殊的应力状态特征,即在断层区域存在有较大的剪应力。 在施工活动扰动下,扭性断层区域应力释放或应力重新调整,使断层更易发生 错动或变形。因此,在隧道开挖过程中,由泥化夹层在扭性断层中引发的地质 灾害,较在张性断层和压性断层区域更具有典型性。 泥化夹层是指坚硬岩层中所夹有的结构疏松、粒间连结弱的完全泥化的夹 层。其分布是有一定规律性的。泥化夹层均与软岩相伴生,且多沿软岩与硬岩 的接触面分布,其次位于软岩内部,很少 出现软岩夹层全部泥化的情况。由此可知, 软岩受剪切破坏是泥化夹层形成的直接原 因,由夹层受剪破坏模式可知(如图4-7), 当软岩在剪应力状态下时,在硬岩(弹性参 数与、H)与软岩(弹性参数马、鸬)的接 触面上将产生较大的应力集中,又E>易, “>胁而使软岩遭受破坏。显然软硬岩层 图4-7弱夹层受剪破坏模式 间的弹性参数相差越大,接触面上应力集中越高,软层越易破坏。此外应力集 中程度还与夹软层的厚度H有关,厚度越小时,应力集中越大;反之,厚度越 大时,应力将随厚度而衰减,接触面上的应力集中相对较小。 泥化夹层形成以后,软弱层内部存在有很多裂隙面,在隧道开挖的扰动下, 泥化夹层受到剪切错动。并由于地下水的浸入,形成光滑的裂隙面,在这些光 滑面上,粘着了一层很薄的水膜,从而形成水膜面,使泥化夹层的强度更为降 低。可能引发潜在的地质灾害。 由以上分析可得扭性断层区域隧道地质灾害类型: (1)当断层两盘岩体较完整时,开挖穿越断层时多引起隧道错位,轴线出现 断点,断面严重变形。 (2)当断层两盘岩体节理较为发育时,泥化夹层的存在必然会首先引起隧道 的局部变形或掉块,以至于波及到整个隧道的坍塌,或岩层顺层滑移而形成大 范围坍塌,并且因为扭性断层的控水作用所形成的富水带或富水区进而引起突 水,类如4.2.3张性断层区域隧道地质灾害类型,在此不再赘述。 4.3.4泥化夹层的防治 泥化夹层是地质构造运动的产物,在隧道开挖之前已经存在,如果隧道不 一39. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 可避免的穿越此区域,应该在施工期采取一些防治措施: (1)水是泥化夹层强度明显降低的主要因素,防治水首当其冲。疏排水阻止 泥化夹层水膜面形成,保持断层中泥化夹层的原始强度。 (2)减小隧道开挖的人工扰动烈度,如采用光面爆破技术。 (3)超前支护与疏排水相结合。对成洞隧道进行支护,尤其是当泥化夹层暴 露时,及时对隧道局部进行集中加固,以防止隧道断面变形,保持隧道的整体 稳定性。 4.4塌方与突水的地质灾害防治 对以上断层的分析可得,塌方和突水在三种类型的断层中均不同程度的存 在,是隧道施工中最经常出现的重大地质灾害,也是目前地质灾害防治的重点 内容,海底隧道的施工不同于一般的山岭隧道,作者认为有如下的特点:(1)隧 道处于海底岩层中作业,具有风险性,梢有不慎,开挖“通天”,海水泄漏到隧 道中,工作人员将有生命危险,甚至导致工程报废,造成无可挽回的损失,因 而修建海底隧道必须树立“百年大计,安全第一”的思想;(2)上受水体威胁, 下受地下水影响,因而水的处理贯穿在施工的全过程;(3)洞13高,中间低,纵 剖面呈V形有水不能自流排出,施工中必须采用水泵不问断的进行排水,因此 供电必须安全、可靠、不间断;(4)海底隧道施工,系在两岸进行,交通联系困 难,须采取相应措施予以克服【3s】。 厦门海底隧道防治隧道塌方和突水的主要措施如下: (1)做好超前地质预报,探明前方的地质情况,为制定正确的施工方案和施 工措施提供科学依据: (2)排水、加固和开挖交替进行,排水、加固一段,开挖一段,段段推进, 稳扎稳打; (3)隧道开挖时,采用光面爆破或预裂爆破等对围岩扰动小的爆破方式; (4)边开挖,边支护,边衬砌,缩短围岩凌空时间。 4.4.1地质超前预报 厦门海底隧道采用三孔的形式,施工时,首先开挖服务隧道,可以全面了 解与掌握隧道的工程地质、水文地质情况,起到勘探洞的作用;同时,利用仪 一40- 第四章隧道地质灾害的形成及防治 器进行地质超前预报,为开挖创造良好条件。具体的超前预报已经在第三章进 行了论述,在此不再赘述。 4.4.2排水和加固岩层 隧道施工中塌方和涌水是紧密相连的,塌方可能引起涌水,涌水又可能导 致塌方,为防止塌方和涌水,需要研究和应用辅助施工方法。辅助施工方法是 针对不良地质和地层而提出的,可以分为洞内外降低地下水位、地面加固地层、 洞内加固地层和洞内防排水等方法,优先选择较简单的方法或同时采用几种综 合辅助施工方法来加固地层,确保不塌方、不涌水。 根据地质超前预报的预测结果,厦门海底隧道在不良地质区段采取如下辅 助施工方法: (1)喷射混凝土封闭工作面; (2)小导管超前注浆加固地层; (3)地面深孔井点降水: (4)高压喷射注浆法。 4.4.2.1 喷射混凝土封闭工作面 厦门海底隧道进出口基本处于全强风化花岗岩区段,掌子面围岩自稳时间 较短,利用CRD法流水作业施工时,对没有施工的掌子面及时喷射混凝土封闭 开挖工作面,喷射混凝土的厚度一般为5~10 cm,同时采用预留核心土的开挖 方法缩短开挖时间,为初期支护提供工作平台,将工作面由二维受力状态变成 三维受力状态,这种方法可以大大提高工作面岩体的受力状态,增加围岩的自 稳能力。在Ⅳ、V级围岩均应用。 喷射混凝土应该根据掌子面围岩的稳定状况,目前采用喷射素混凝土封闭 掌子面,若两次开挖的时闻间隔较长,会形成一些大小、长度不等的裂隙,甚 至发展成贯穿裂隙,构成水的通道,在多水、富水地带,出现线状流水或涌水。 针对这种情况,可以采用挂钢筋网喷射混凝土的方法,减少混凝土所受拉力, 有效防止裂隙的形成与发展,提高掌子面的整体性,越是在不良地质地段,间 歇的时间越长,越要注意加设钢筋网。 4.4.2.2小导管超前注浆加固地层 -41- 第四章隧道地质灾害的形成及防治 小导管超前注浆,是在开挖面前方沿隧道钻孔注浆,起稳定开挖面和止水 的作用,小导管可以起到超前管棚的支护作用,同时小导管还具有锁脚锚杆的 功能,对防止钢拱架或钢格栅的下沉非常有利【391。适用于风化严重、节理发育 的碎石土、砾石±、砂、泥等各种软弱围岩,注浆材料一般为水泥浆或水泥浆 的混合物,由于水泥颗粒直径一般在40 pm~100岬,所以很难注入渗透系数小 于5X10.4em/s的围岩。其目的是给开挖创造安全良好的施工条件,利用注浆设 备把配置好的具有凝胶性能的水泥浆注入地层,凝结后填充裂隙,形成整体, 达到稳定开挖面,保证隧道安全快速的施工。 厦门海底隧道陆域浅滩段的岩性为全强风化花岗岩,属V类围岩,此类岩 体对水的浸透作用十分敏感,易崩解,遇水没有自稳能力,围岩开挖后拱部无 支撑易产生大坍塌,侧壁易失稳、易出现小坍塌,应该先加固后开挖。根据小 导管注浆工法的适用条件,首先测定围岩的渗透性。 陆域浅滩段地下水主要为松散岩类孔隙水、风化基岩孔隙裂隙水,主要接 受陆地地下水及海水补给,其上部的冲洪积层为良好的隔水层,受地形及海水 压力的影响,地下水具承压性,由于含水层间无良好隔水层存在,抽水试验的 各孔均为非完整井单孔稳定流试验,采用吉林斯基提出的公式 K;—O.36—6Q。,g堕 ’ (4.1) LS r 式中,x——渗透系数; Q——涌水量; 工——花管有效长度; ,——钻孔半径; S——降深。 渗透系数试验结果见表4-l。 表4-i渗透系数试验结果 用渗透系数与5×104 glli]S比较,小于号范围慎用此方法,在实际施工中也 .42. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 证明,浆液未扩散,加固效果不理想。大于号范围段可用,注浆材料选用耐久 性水泥一水玻璃浆液,施工过程如图4.8所示。 图 经开挖验证,水泥一水玻璃浆液凝结后与风化岩结戍整体,给开挖创造安 全较好的施工条件,达到稳定开挖面,保证隧道安全、快速施工的目的。 小导管超前注浆根据掌子面的地质情况,可以采用周边注浆和全断面注浆, 目前厦门海底隧道采用周边注浆较多,若不良地质体的影响较大,应考虑全断 面注浆,将前方围岩有效的胶结起来。 小导管超前注浆加固的长度较短,有效长度只有2~3 m,且施工次数频繁, 根据加固原理,可将导管分为长管和短管两种,进行长、短管相结合注浆止水 加固地层,首先进行长管注浆,然后短管注浆即小导管超前注浆,它是对长管 注浆效果的检查,以及对薄弱环节的补充和完善,可以保证在海陆交互相含水 地层中粗、细沙交互出现,地质多变条件下注浆加固的整体效果。 4.4.2.3地面深孔井点降水 地面深孔井点降水是在地面将一系列井点管埋设于洞内开挖面以下的地层 中,并将这些井点都连接到抽水总管,用水泵将地下水抽出,降低地下水位, 使开挖工作面保持干燥或少水状态,以改善施工条件,加快施工速度。 厦门海底隧道进出口埋深较浅,地面施工场地较开阔,地层的渗透性较好, 根据地质超前预报成果,NKl2+335左右为多水带及泥化多水多泥带,围岩总体 松散且松软,稳定性差,极易塌方,同时为了减少对洞内施工的干扰,决定采 一43- 第四章隧道地质灾害的形成及防治 用此方法。 ‘ 井点管的数量取决于单根井点管的出水能力q,q与岩层的渗透系数j【、滤 管构造和尺寸有关,按式4.2计算 q=65石dl刹K 式中,口——单管最大出水量;d——滤管直径; ,——滤水管长度; 井点管的数量 (4-2) 置——渗透系数。 拜:1.1皇 叮 (4.3) 式中,1.1为考虑井点堵塞因素的系数; Q——总抽水量。 有关Q的计算方法较多,本隧道采用《铁路工程水文地质勘察规范》(TB 10046.2004)中推荐的计算公式,包括最大出水量公式和正常出水量公式。 隧道最大出水量计算公式 Oo。=L等 d ㈤ 工——含水地层的长度; 式中,Q。——最大出水量; H——静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离; d——桐身横断面等价圆直径。 再利用《铁路工程水文地质勘察规范》(TBl0046.2004说明B.2-2)计算,以 作对比 Q2=L(o.0255+1.922KH) 式中,酝:——最大出水量: (4—5) 隧道正常出水量计算公式《铁路工程水文地质勘察规范》(TBl0046-2004说 明B.2.11 g=LKH(0.676—0.06K) 式中,酝——正常出水量; 井点管间距 (4。6) D:竺 押 (4-7) ..44.. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 式中,工’——总管长度,与降水范围有关。 根据以上公式计算,在NKl2+347.5~307.5隧道顶面两侧各钻一排井孔进 行降水,井点数及平面布置如图4-9所示。 掌子面NKl2+357.5 图4-9服务隧道井点降水布置示意图 其施工工艺流程为:①钻孔;②下滤水管:③填滤砂; ④洗井:⑤成井;⑥抽水。 ①钻孔。孔位用0300 him钻头进行钻孔,钻至26.1~29.5 m终孔。 ②下滤水管。滤水管全长26.1~29.5 m,外径0140 mlTl,管壁打010咖 孔,间隔8~lO锄,外包两层18目滤水网。 ③填滤砂。砾砂采用粒径3~8 mill的河砂,由孔口慢慢下入孔中,压实。 ④洗井。用三块外径0110 mn-i,厚4 4 nlnl钢板,夹二块外径0140姗,厚 ITInl橡胶板做成活塞,下入孔中,上下拉动进行洗井。 ⑤成井。将0100 mill泵下入井中进行抽水。 经现场验证,采用地面深孔井点降水作为降水措施,能较快地疏干赋存于 地层中的自由水,其施工操作简单、方便,降水速度快,降水效果明显等优点。 但是这种降水是在地面进行的,进入海域以后失去了应用的前提,可以考虑在 洞内进行井点降水,方法与地面深孔井点降水相似。目的使开挖工作面保持干 燥或少水状态,防止突水和塌方事故的发生。 4.4.2.4高压喷射注浆法 高压喷射注浆法是利用高压水喷射切割机理,将土、化学药品或水泥浆液 搅拌到一起以加固地层的方法。利用钻机钻孔至设计要求深度作为导孔,将下 端带有特殊喷嘴的喷杆插入施工设计的深度,利用高压泵喷射硬化剂以射流切 割地盘,并通过所定速度旋转提升钻杆。来改良岩体并形成固结体,达到加固 .45. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 和防水防渗的目的。高喷法的适用范围较广,在第四纪冲积层、残积层、及人 工填土中都得到了广泛的应用。 根据喷射介质的不同,可以分为单管法、双管法、三管法和多管法等。 (1)单管法:是以单独喷射高压水泥浆作为喷射流; (2)双管法:是以同轴复合喷射高压水泥浆和压缩空气两种介质; (3)--管法:是以同轴复合喷射高压水流和压缩空气,并注入水泥浆液; (4)多管法:拓展了三管法的适用介质范围和成桩尺寸,是一种可以用充填 材料充填整个空间的全置换法,把地下的土石等原材料从多重管中抽出,并可 以根据需要选用浆液、砂浆、砾石等材料充填,在地层中形成一个可达4 m直 径的桩体【帅】。 根据地质超前预报及钻探资料显示,厦门海底隧道里程桩号NKl2+170~ NKl2+260及ZKl2+170~ZKl2+260顶板分布有粗砂、砾砂层,顶板上方覆盖 的全、强风化层较薄,以砂层为主,尤其里程桩 号zKl2+210~235附近顶板标高与全、强风化层 层面标高相近,隧道开挖时极易产生渗透破坏。 对砂层段进行钻探勘察,说明砂层为良好的含水 层,且与海水连通,水量丰富;而下伏的全风化 岩层,接受上覆砂层的越流补给,总体为相对弱 气 浆 水 透水层,尤其是渗透系数差异显著;隧道穿越这 些地层时,为避免在开挖中发生涌水及塌方,因 此施工前必须对隧道顶板上覆地层注浆加固止 水,以确保施工安全。 拟采用三管旋喷法,其工作原理为:使用同 轴复合管分别输送水、气、浆三种介质(见图4.10), 在压力达40 MPa左右的超高压水喷射流周围,环 绕一股O.7~O.8 MPa左右的圆筒状气流,利用水 气同轴喷射,冲切土体,土粒从土体剥落下来后, 一部分细小土粒随着浆液冒出地面,其余部分与 泥浆泵注入的压力为0.5~l MPa、浆量为50~80 L/min的稠浆混合掺搅,在土体中形成水泥土的凝 结体,从而达到地层加固、防水防渗的目的。 ..46.. 幸—浆管;卜埙头;徽喷嘴; 卜水、气喷嘴 圈4-10三管喷射装置示意图 1一外套管;2一水管:3一水管; 第四章隧道地质灾害的形成及防治 其施工程序可分为钻孔、下注浆管、喷射提升和成桩等。 (1)钻孔。首先把钻机定位,控制孔位偏差不大于5伽,钻进时严格控制孔 斜,孔斜率根据孔深经计算确定,以两孔间所形成的凝结体保证结合。不留空 隙,并且在极端情况下(相邻两桩反向偏斜)最小搭接厚度应以设计要求为原则。 (2)下注浆管。将注浆管下放到设计深度,为防止喷嘴堵塞,可采用边低压 送水、气、浆,边下管的方法,或加I临时防护措施,如包扎塑料布。 (3)喷射提升。喷射管到设计深度后,送入水、气、浆,静喷1~3 rain,待 注入的浆液冒出后,按预定的提升、旋转速度直到设计高度,提出喷射管。 “)成桩。为解决凝结体顶部因浆液析水而出现的凹穴现象,在喷射结束后, 随即在喷射孔内进行静压充填注浆,直至孔口液面不再下沉为止;同时将注浆 设备管路冲洗干净,不得留有残渣,以防堵塞。 具体施工时,需要参考以前的经验并做 试桩试验,以取得大面积施工的技术参数。 首先在ZKI i+980,ZKll+970两处迸行试桩 试验,见图4,ll所示。拟订两组不同的施工 参数如表4.2,两组参数之间主要对比指标是 每延米水泥用量、提升速度对桩径的影响。 在试桩完成~周后进行检测,采用钻取芯样 测定桩体芯样强度及做标准贯入试验来检定 成桩效果,取芯位置为桩之间咬合部位以检 验成桩直径及咬合效果。 zkl }竺辑 1+980(zkl l十9701 图4_11试桩试验示意图 表4-2试桩试验施工参数 起讫里程 水压,MPa 水流量,L?min。1 气N/MPa 浆压/MPa .47— 第四章隧道地质灾害的形成及防治 试验完成一周后进行检测,取芯位置为桩之间咬合部位的砂层加固段,芯 样较为完整,为砂浆固结体,呈长短柱状。通过对芯样实验表明砂层处理部位 桩身抗压强度完全达到设计要求,芯样最大强度为31.0MPa,标准贯入试验结果 仅1号桩下部小于60击,其余均大于60击满足设计要求,决定采用ZKll+980 试桩实验参数。 高压喷射注浆法一般在地面进行,进入海域后,继续采用地面施工己不可 能,可以考虑采用水平钻孔商压喷射注浆,在洞内施工。由于水平喷射注浆的 浆液自重不利于填孔成桩,因此要采取有效的办法防止喷射过程中浆液溢出, 一些主要施工参数如喷射压力、喷头转速、及提升速度的参考资料较少,可以 借鉴垂直喷射并通过试验加以总结,以取得加固直径大、固结强度高、抗渗性 好的喷射效果。 4.4.3爆破方式 爆破就是利用炸药对土石进行破坏,在瞬间释放巨大能量,对介质造成挤 压破碎直至解体、变形的过程。但是这种破坏是在控制之中的,为达到目的, 必须对爆破过程中的各要素作适当的选择,如钻 孔深度、孔径大小、方向、装填炸药品种、数量 及起爆方式等。 图4.12是在标准环境下的爆破模式,形为 最小抵抗线,,为爆破漏斗半径,通常计算用药量 的基础公式Q=qW3就是据此推导出来的。Q为 一个炮孔的装药量,q为单位岩石炸药消耗量, 表4.3可作参考。 表4-3爆破每m3岩石用药量表 围岩等级 I Ⅱ kg L—_ 图4-12标准爆破模式 用药量 1.60~1.80 1.40~1.50 L25 1.10 O.95 Ⅲ Ⅳ V .48. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 为保证爆破效果,往往要求最小抵抗线方向离开炮 孔,在选择炮位时可以按图4-13选择。炮孔深度和方向 与需要爆破岩石的数量及遗留岩面形状有关。 在一般情况下,装药数量不变,装药的集中度越高, 炸药的密度越高,爆破效果越好,这就是为什么要打较 大炮孔及选择高威力、高密度炸药的原因。 起主要作用的是炸药,炸药的品种较多,如硝化甘 油炸药、TNT、乳胶炸药、硝铵炸药等,目前隧道内使 图4-13实际爆破模式 用的主要是乳胶炸药、矿用硝铵岩石炸药。起爆药卷即是在一节炸药中插入了 雷管,雷管又与导火索或导爆管相连接,引燃或引爆导火索或导爆管,整个药 包即发生爆炸。若是电器起爆,则插入起爆药卷的是电雷管,与其连接的导线 叫脚线,将电源接入脚线,药包即行爆炸。至于起爆方式有瞬时起爆、延时起 爆及分段起爆。这和爆破环境、爆破效果有关,当爆破场地是一批相互独立的 炮位时,可用瞬时起爆(瞬发雷管);各炮位之间有一定关联或爆破点附近不允 许瞬时爆破较多炸药时,使用延时起爆(瞬发雷管配合延时雷管),控制起爆顺序 或分批起爆;在一次爆破中要求严格 控制起爆顺序,如爆破的层次较多时, 就得使用分段起爆(等差雷管或毫秒 雷管)。爆破装药结构如图4-14。 4.4.3.1光面爆破 图4-14爆破结构图 瓤强 醴≮ 昨砷 隧道施工中,多采用光面爆破或预裂爆破技术,可以控制爆破轮廓,尽量 保持围岩的稳定,围岩松弛带的范围只有普通爆破法的1/9~1/12,围岩壁面平 整、危石少,减轻了应力集中现象,避免了塌方,保证了施工安全,同时为锚 喷支护创造了条件。 光面爆破的基本原理:就是要使周边炮眼起爆后优先沿各孔的中心线形成 贯通裂缝,然后由于爆破气体的作用,使裂解的岩体向洞内抛散。裂缝形成的 机理,国内外进行过不少研究,但是目前还缺乏一致的认识。其主要标准是;(1) 开挖轮廓面形状规则,岩面平整;(2)岩面上保存50%以上的孔痕,并无明显的 爆破裂痕:(3)爆破后围岩壁上无危石。 光面爆破的优点,在完整岩体中可以从直观感觉中明显地看到。在松软的、 -49. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 特别是不均质和构造发育的岩体中采用光面爆破时,表面效果看来较差,但是 对减轻围岩的震动破坏,其实质作用是很大的。因此,从围岩稳定性着眼,愈 是不良地质地段,愈要采用光面爆破。 4.4.3.2光面爆破中掏槽眼的布置 隧道内由于作业面受到限制(只有一个临空面即已经开挖的面),每次爆破都 必须先制造出第二个临空面,然后才分层次按顺序起爆,按各炮孔的作用不同, 就命名了掏槽孔、掘进孔、周边孔及底板孔,开挖面中部为掏槽孔,掏槽孔四 周是掘进孔,最外一圈在拱墙部为周边孔,底部即为底板孔。 掏槽眼的作用是将开挖面某一部位的岩石掏出一个槽,以形成新的临空面, 为其它炮眼的爆破创造有利条件。掏槽炮眼~般要比其它炮眼深10~20 cm,以 保证爆破后开挖深度一致。根据坑道断面、岩石性质和地质构造等条件,掏槽 眼的排列形式有很多种,总的可以分成斜眼和直眼掏槽两大类。如图4-15所示。 ①斜眼掏槽(见图4-15a、b、c、d)。 特点是掏槽眼与开挖面斜交。常用的有锥形掏槽、楔形掏槽、单向掏槽, 其中最常用的是竖楔形掏槽。斜眼掏槽的优点是可以按实际的情况选择掏槽方 式和掏槽角度,容易把岩石抛出,而且所需要的掏槽眼的个数比较少,缺点是 眼深受坑道断面尺寸的限制,也不便于多台钻机同时凿岩。 为了防止相邻炮眼或相对炮眼之阃的殉爆,装药炮眼之间的距离不能小于 20 cm。 ②直眼掏槽(见图4.15e、f)。 直眼掏槽可以实行多机凿岩、钻眼机械化和深眼爆破,从而为加速掘进速 度提供了有利条件。直眼掏槽凿岩作业比较方便,不需要随循环进尺的不同而 变化掏槽形式,仅需改变炮眼深度;而斜眼掏槽则要随循环进尺的不同而改变 炮眼位置和角度。直眼掏槽石渣抛掷距离也可缩短。所以耳前现场多采用直眼 掏槽,但直眼掏槽的炮眼数目和单位用药量要增多,炮眼位置和钻眼方向也要 求高度准确,才能保证良好的掏槽效果,技术比较复杂。 实践证明,直眼掏槽的爆破效果与临空孔的数目、直径及其装药眼的距离 密切相关,在硬岩爆破中,效果随空眼至装药眼的中心距离’.,与空眼直径莎的比 值有很大变化。若W>2妒,爆破后岩石仅产生塑性变形,而不能产生真正的破 碎;"IV取(0.70~1.5)≯时,效果最好,为破碎抛掷型掏槽;眼距过小时,爆炸作 .50. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 缎{[缀R缀 疆∞疆∞疆 露R戤R缎 疆∞盈∞疆 (e) (f) 图4-15掏槽眼布置形式 (图中的圈表示钻孔,孔边线表示钻孔的方向, e、f图的实心圆表示装药孔,空心圆表示空孔作为临空孔的作用) 用有时将相邻炮眼中的炸药“挤实”,使之因密度过高而拒爆。为保证空眼所 形成的空间足够供岩石膨胀,在考虑临空孔数目时,一般要求所形成的空间不 小于装药眼至空眼间的岩柱体积的10%~20%。 4.4.3.3光面爆破的主要参数及技术措施 关于隧道钻爆参数的选择,可根据地质情况,参考图4.16至图4.19提供的 有关曲线。 .51. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 7 6 5 4 3 2 l O lO 20 30 40 50 60 点 《 j封 鸶 姆 70∞90 100 开挖断面^n2 图4.16循环进尺与开挖横断面关系图 lr 帅 l 圭 赫 牛 謦 1 ∞∞ ∞∞ 理 驰加O 10 20 30 40 50 60 70舳90 100 110 隧道横断面面积/mz 图4-17炮眼个数与横断面面积关系图 .52. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 7 6 5 魁 盥 醋 姆 罢 4 3 2 l O lO 20 30 40 50 60 70∞90 100 1lO 隧道横断面面积詹 图4-18爆破每m3岩石钻眼长度和横断面关系图 墓 婴 埂 ∞ ∞ m∞如鲫∞ 卯 2 3 4 5 6 炮眼深度,m 圈4-19炮孔直径、炮眼深度及效果关系图 .53— 第四章隧道地质灾害的形成及防治 光面爆破就是将周边孔的间距E,外插角口,衔接台阶e,单位岩石炸药消 耗量g,装药密度g,适当配合,以达到控制开挖面形状的效果。 外插角0即炮孔与理想开挖面之间的夹角。由于施钻工具受岩面限制,不可 能在掌子面形成与设计纵向轮 廓线一致的炮孔,实际钻孔与 纵向轮廓线之间所成的夹角即 外插角,一般为50~7。。如 图4-∞外插角与孔深关系 图4—20,即e=tgBxL。 不难看出,当外插0不变的情况下,炮眼深度三与衔接台阶e成正比,也就 是说炮眼越深,衔接台阶就越大,即超挖就越大,岩面的平整度就会越差,为 提高施工进度,必须减少工序更换的次数,这就要求每炮的进尺更长,但同时 产生了超挖和增加了成本,因此在设计中对施工进度、每炮的进尺和成本,做 一综合比较,确定一个合理的炮眼深度。 周边孔的间距E,就是周边炮孔之间的距离,一般来说,E值越小,爆破 面的效果就会越好,但是应该考虑到与之相联系的经济效益,不能为了达到理 想的爆破面,而无限制的缩小周边孔的间距。在经过实验及工程施工经验的总 结,找出了爆破效果与∥、E之间的关系,形就是爆破作业中的最小抵抗线, 在这里是指周边炮孔的最小抵抗线,一般认为E/W应控制在0.65~0.8之间, 表4-4提供的数据可作参考。 襄4-4光面、预裂爆破的药量、孔距与抵抗线关系 .54. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 单位岩石炸药消耗量q,就是爆破每立方米岩石所消耗的炸药数量,这是一 个经验及统计数据,表4-3可作参考。 装药密度g是指每米炮孔内装填炸药的数量,普通药卷的直径都比较粗大, 装填进炮孔后比较集中,爆破对岩石的震动、压碎影响均较严重,对周边孔来 说,为保证遗留岩面的完整性,就需要将周边孔的用药量,相对分散一些,即 在周边炮孔内装填较小直径的药卷,以降低装药密度。 预裂爆破与光面爆破基本相似,所不同的是孔眼间距更小,起爆顺序在先 而已。 4.4.4施工流水作业 根据隧道地质和施工情况,可以采取分块开挖,变大跨为小跨的方法,边 开挖、边支护并及时进行衬砌,缩短围岩凌空时间。 厦门海底隧道主洞属于大断面开挖,ZKl2+180~ZKl2+445、ZKll+384~ ZKll+650、ZKII+009 ZKll+159共长681 m,V级围岩采用CRD法开挖。 CRD工法施工时,将整个断面分成四个分部,按顺序开挖,其施工程序见示意 图4.21所示。 先施工①部,开挖前完成注浆加固地层,固结后开挖①部土体,视围岩状 况,必要时采用人工环形留核心土法开挖。开挖后立即初喷混凝土开挖面及掌 子面,安装边墙工字钢支撑、横联竖撑钢架,挂网、锚杆、复喷混凝土完成① 部初期支护;开挖左侧下方②部,安装边墙钢架,并按设计完成初期支护;同 样方法向下分别开挖两侧右侧③④分部,完成整个断面的初期支护体系统,形 成闭合环;①、②、③、④各分部之间工作面依次错开5~lO m。 在隧道开挖的后方应及时进行衬砌的施工,衬砌的施作时间,根据国家《锚 杆喷射混凝土支护技术规定》(GBJ86.85)规定,应在围岩和锚喷支护变形基本稳 定后进行。主要条件是:(1)位移速率有明显减缓的趋势;(2)拱脚附近水平收敛 小于每天0.2 nlln;(3)6产生的位移占总位移量的80%以上【41】。 其位移与位移速率是以采用机械式收敛计实测数据为依据的,水平位移与 拱顶下沉速度,以安全考虑,是指至少7 d的平均值,总位移值可由回归分析求 得。若是自稳性很差的围岩,可能在较长的时间达不到上述基本稳定的条件, 喷射混凝土将会出现大量的明显裂缝,而支护能力难以加强,此时则及早施作 仰拱,以改变围岩变形条件。若围岩仍不能稳定,应提前施作衬砌,以提供支 .55. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 护能力,避免初期支护坍垮旧。 Ⅱ 护 卜开挖左侧导坑上半断面;2一开挖左侧导坑下半断面; 3一开挖右侧导坑上半断面;4一开挖右侧导坑下半断面; I一左侧上导坑拱部、上导坑中隔墙及上导坑临时仰拱初期支护; Ⅱ一左侧下导坑边墙初期支护及下导坑中隔墙临时初期支护; Ⅲ一左侧下导坑仰拱初期支护; Ⅳ一右侧上导坑拱部初期支护及上导坑仰拱初期支护; V一右侧导坑边墙初期支护; Ⅵ一右侧下导坑仰拱初期支护。 图4-21 CRD法施工程序示意图 一56- 第五章结论 第五章结论 厦门海底隧道超前地质预报是中铁二十二工程局与石家庄铁道学院桥隧地 质研究所合作研究的课题。桥隧地质研究所对厦门海底隧道实施全程地质超前 预报,取得了良好的经济效益和社会效益。本论文作者深入现场,对隧道的区 域地质情况实地调查分析,协助导师一起,采用长期和短期相结合的方法对隧 道进行超前预报,在施工过程中根据实际开挖情况与预报结果作比较,及时进 行信息反馈,以便指导以后的探测。同时针对影响隧道施工的不良地质以及由 此引起的地质灾害从理论上进行了研究,从多角度进行防治工作,取得了一些 有意义的成果,这些成果为以后的防治提供有意义的借鉴。 通过地质超前预报与地质灾害防治在厦门海底隧道施工中的应用。本论文 取得的成果主要包括以下几个方面: (1)较系统的论述了地质超前预报技术在隧道施工中的应用。首先搜集工程 所在区域的工程地质和水文地质资料,结合地面地质调查分析,得到厦门海底 隧道所处区域的地质构造,并进行了宏观预测:其次利用仪器进行地质超前预 报,对TSP的预报原理和施工方法进行了扼要论述,结合厦门海底隧道进行了 长期预报,同时对地质雷达的预报原理和施工方法迸行了扼要论述,结合厦门 海底隧道进行了短期预报,使长期预报和短期预报相结合的综合预报;最后进 行地质监测和地质素描,对预报成果进行了验证,找出预报的优点和不足,为 以后的预报提供了参考。 (2)断层及断层破碎带是影响隧道施工的主要不良地质。文中结合力学知识 较系统的论述了张性断层、压性断层及扭性断层三种类型断层的形成原因和每 种断层的控水作用,以及在隧道施工过程中由此可能引发的地质灾害,其中塌 方和突水是影响隧道施工的主要不良地质灾害,也是每种断层均可能造成的地 质灾害,论述了岩爆是压性断层的特有现象以及扭性断层所形成的泥化夹层使 地质灾害更具有典型性。 (3)预报不良地质体的目的是进行地质灾害防治。文中对压性断层所形成的 岩爆及扭性断层所形成的泥化夹层进行了分别论述:针对塌方和突水这一主要 不良地质灾害结合厦门海底隧道进行了系统论述,从施工前进行地质超前预报, .57. 第五章结论 探测前方地质情况,到施工中采取一系列施工措旌,如排水和加固围岩,采用 光面爆破,及时衬砌等施工方案。结合厦门海底隧道主要采取地面深孔井点降 水、超前小导管周边注浆、高压喷射注浆法、光面爆破等辅助工法,作者分别 进行了论述。 虽然论文取得了一定的成果,但是关于隧道地质超前预报技术的应用研究 以及地质灾害防治的研究工作是一项复杂的系统工程,非一朝一夕能够完成的, 目前仅是刚刚开始,还有大量的工作还需要我们去探索、去研究。具体说来, 主要包括以下几点: (1)注意把地质超前预报作为~项系统工程去看待。由于仪器探测成果的多 解性,单纯依靠仪器可能出现一定误差甚至错误,需要总结前人的研究成果并 结合工程所在区域的地质地貌特征进行综合判断。在利用仪器探测时,要把长 期预报与短期预报结合起来,以提高其探测精度,TSP是进行长期预报的主要手 段,地质雷达则是进行短期预报的手段。探测时,需要把解译成果与地面地质 调查的宏观预报相结合,从而更好的为施工提供服务。 (2)对地质灾害的防治需要综合考虑,尽量在不影响或少影响施工的前提下, 制定相应的施工方案和施工措施。地质灾害防治是一项复杂的工程,需要丰富 的地质知识和施工经验,必须以地质为基础开展这项工作,因此在这项工作必 须重视地质依据,同时重视监测工作,利用变形监测结果判断不良地质体的活 动状况和发展阶段,从而为以后的防治工作提供更多有用的参考。 (3)研究工作要从实践中来,到实践中去,不仅要作到得出的结果有用,而 且要作到好用,为地质灾害防治做贡献。 总之,进行超前地质预报和地质灾害防治,在实际应用过程中是一种非常 实用的施工辅助手段,需要工作人员有扎实的地质知识和丰富的实践经验为基 础,没有理论基础作后盾,预报和防治也只能是空中楼阁,可望而不可及;同 时也要看到作为一项新生事物,其发展、成熟不可避免的需要一个过程,所以 作者希望能够通过本论文在发展和完善的过程中起到一点点的积极的促进作 用。 .58. 参考文献 参考文献 【1】刘志刚,赵勇.隧道隧洞施工地质技术【M】.北京:中国铁道出版社,2001.1~5 【2】曾超,张建斌.厦门翔安(海底)隧道土建工程简介限】.北京:海底与水下隧道国际学术 报告会,2005 【3】李忠.TSP?202探测系统在新倮纳隧道地质超前预报中的研究们.地质与勘探,2002, 38(1).86~89 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断晨-l,‘'唯剪幻膏?18-lI.1¨.J.-l’斡_J疆慧向葺皇力量捕J Il,哦糟-J.王吨*吨^ 髓棚劫鼽针一—■l昝叫黼鹰屠¨膏蠡帖五I卜囊鼬甘 -66— 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文 个人简历 付国永,男,1976年11月生,1999年7月毕业于河北建筑工程学院建筑工 程系建筑工程专业获学士学位。1999年9月~2001年1月在石家庄建筑工程局 建工集团工作,2001年3月~2004年8月在河北交通建设监理咨询有限公司工 作。2004考入石家庄铁道学院桥梁与隧道工程专业,攻读硕士学位。 参研课题 题目:厦门海底隧道(翔安隧道)综合超前地质预报研究 课题级别:局级课题 参研单位:中铁第二十22212程局和石家庄铁道学院桥隧施工地质研究所 学术论文 …付国永,刘秀峰,冯俊霞.厦门海底隧道地质超前预报技术【J】.国防交通工 程与技术,2006,4(3):42~45