1、公路隧道施工不良地质灾害对策研究讲解公路隧道施工不良地质灾害对策研究学生姓名：+ 学号：20+土木工程系 土木工程专业 指导教师：+ 职称：讲 师摘 要：公路隧道是指修筑在地下供汽车行驶的通道，一般还兼作管线和行人等通道。随着我国经济的快速发展，以及我国基础设施的大规模建设，由于不同地段地质的需求，往往会修建许多公路隧道，因此使建设进入了一个高峰期。隧道围岩地质情况复杂多变,所以隧道在开挖过程中会遇到富水断层破裂围岩、膨胀性和挤压性围岩、黄土地质、岩溶地质、高地应力硬岩（岩爆）地质等多种不良和特殊地质。本文主要综合阐述公路隧道施工过程中的常见地质灾害及其防治措施。关键词：隧道施工;不良地质;地
2、质灾害Abstract：Highway tunnel refers to the underground passage for vehicles, and is also used as pipeline and pedestrian channel. With the rapid development of Chinese economy, as well as large-scale infrastructure construction in China, lots of highway tunnel needs to be built because of the differen
3、t geological requirements, which makes the building into a peak period. Tunnel surrounding rock geological condition is complex and changeable, so the tunnel will meet rich water fault rupture rock, expansion and the press surrounding rock, loess geology, karst geology, high stress of hard rock (roc
4、k burst) geological and other bad and the special geology. This paper mainly describes the common geological hazard in the process of highway tunnel construction and its prevention measures.Key Words：Tunnel construction; adverse geological; geological disasters引言由于我国经济的稳步发展，我国汽车普及率越来越高，也提高了对我国公路基础工程
5、建设的需求。公路隧道施工中由于工程地质的复杂性，隧道围岩地质情况复杂多变,各种不良地质所导致的工程事故屡见不鲜,因此针对不良地质隧道的设计与施工显得越来越重要。不良地质地段是指富水断层破裂围岩、膨胀性和挤压性围岩、黄土地质、岩溶地质、高地应力硬岩（岩爆）地质等不利于隧道工程施工的不良地质环境。这些问题给公路隧道的设计施工带来了严重困难。下面主要阐述这些问题的现象及特点,以便定性地辨别地质灾害;同时也列举了灾害的防治及处理措施,为公路隧道设计施工提供参考依据。1.富水断层破碎围岩1.1富水断层破碎围岩的性质1.1.1断层破碎带断层破碎带是隧道施工中最常见的不良地质地段，断层带内岩体挤压破碎，常呈
6、块石、碎石或角砾状有的甚至呈断层泥，岩体强度低，围岩压力增大，自稳能力下降，容易坍塌，施工困难。1.1.2富水软岩富水软岩是指在各类土质、软岩、极严重风化的各种岩层、极软弱破碎的断层带以及堆积、坡积层中，在富含地下水的情况下，岩体强度很低，自稳能力极差的围岩。1.1.3大量涌水大量涌水是隧道施工中比较常见的不良地质现象。在雨量充沛和地下水丰富地区，隧道穿过断层破裂带、裂隙密集带、不同岩层接触带或岩溶发育地段时，施工期间会发生地下水和承压水大量涌出。断层破裂带、富水软岩和大量涌水地段往往不是单独出现，而不少情况是同时存在的。当断层破碎带内围岩极度软弱破碎，甚至成为断层泥时，在富水情况下就成为“烂
7、洞子”；而在雨量充沛或地下水丰富地区，地下水积存在破碎带内，与隔水层相接触部分还会形成承压水，施工时则发生大量涌水。三者之间既有联系，又各有特点，其施工措施也是既有共性，又各有侧重。1.2防治及处理措施1.2.1充分应用超前地质预报地质预报方法主要有：钻孔超前探测；对超前导坑进行地质、水文观测素描；地震波、声波、地质雷达等物理探测。预测开挖面前方的地质情况，围岩整体性、断层、软弱破碎带在前方的位置和对施工的影响，地下水活动情况等。1.2.2注浆堵水并加固围岩富水软弱破碎围岩隧道处理地下水原则一般是：以堵截为主，排引为辅。堵截地下水的办法主要有两类： （1）整个富水段进行注浆止水，并加固松散岩体
8、。 （2）对富水地段沿隧道开挖轮廓线以外进行环形注浆，形成止水帐幕，防止或减小地下水进入开挖工作面。排水辅助措施有导坑、钻孔等，目的是排水降压。当地下水与地表水连通时，埋深小于20m采用地表注浆，埋深大于20m时采用洞内注浆 。1.2.3开挖及支护 开挖手段上，采取两种方法，一是在特别软弱的围岩段，采用非钻爆开挖，如利用十字镐、风镐开挖或利用小型挖装机开挖。另一种是采用控制爆破措施，如松动爆破、微振动爆破等。支护施工根据量测结果及时调整支护参数。衬砌施工根据量测结果确定施作时机。1.3小结在隧道施工中，往往会遇到断层破碎带、富水软岩及大量涌水段，给隧道施工带来严重困难。应当充分了解这些地质问题
9、的性质并能定性辨别，施工中应用超前地质预报、注浆堵水并加固围岩等手段进行防治，并采取正确的开挖及支护方法处理这种地质条件。2.膨胀性和挤压性围岩2.1膨胀性和挤压性围岩的性质2.1.1膨胀岩 膨胀岩是指土中粘土矿物成分主要由亲水性矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性，且具有湿胀干缩往复变形的高塑性粘性土。决定膨胀性的亲水矿物主要是蒙脱石黏土矿物。在这类地层中修建隧道往往会产生大变形，处理不当就会侵入净空，甚至引起支护结构的破坏。膨胀性围岩对隧道施工的危害有：围岩普遍开裂、坑道下沉、围岩膨胀突出和坍塌、隧道底部隆起、衬砌严重变形和破坏。2.1.2挤压性围岩挤压性围岩是高地应力
10、作用下的软岩。挤压性软弱围岩在高地应力作用下发生挤压大变形及破坏的特征不仅受围岩本身力学性质的影响，还与初始应力场状况及工程因素有关。当围岩内部的最大地应力与围岩强度的比值达到某一水平时，才能称为高地应力或极高应力。高地应力挤压性围岩的变形特点有：（1）变形量大。最大变形可达数10cm至100cm以上。（2）变形速度高。（3）变形持续时间长。由于软弱围岩具有较高的流变性质和低强度，开挖后应力重分布的持续时间长。变形的收敛持续时间也较长。短者数十天，长者数百天，一般也需百多天。 （4）支护破坏形式多样。喷层开裂、剥落；型钢拱架或格栅发生扭曲；底部隆起；支护侵限；衬砌严重开裂等。（5）围岩破坏范围
11、大。高地应力使坑道周边围岩的塑性区增加，破坏范围增大。特别是支护不及时或结构刚度、强度不当时围岩破坏范围可达5倍洞径。2.2膨胀性和挤压性围岩的隧道设计和施工2.2.1膨胀性和挤压性围岩的隧道设计理念 膨胀性和挤压性围岩的隧道结构设计方法主要可归纳为两类：一是减轻作用在支护结构上的荷载而容许发生一定位移的方法(柔性结构设计)，另一是为了控制松弛而尽可能早地控制位移的方法(刚性结构设计) 。柔性结构设计方法有：先行导坑法、多重支护方法、可缩式支护方法、分阶段综合控制法。刚性结构设计有：大刚度支护和衬砌结构、大范围围岩加固法。2.2.2膨胀性及挤压性围岩隧道施工膨胀性及挤压性围岩隧道施工中要做到：
12、（1）加强调查、量测围岩的压力和流变特性；（2）合理选择施工方法；（3）防止围岩湿度变化；（4）合理进行围岩支护；（5）适时衬砌控制变形。2.3小结膨胀岩地层中修建隧道往往会产生大变形，挤压性围岩本身并不具有膨胀性，但由于其强度低，在高地应力作用下会产生较大的“塑性剪涨”。这两类大变形隧道发生的机理不一样，但其设计理念和施工方法常相同或相似，施工中应注意把握。3.黄土地质3.1黄土地质的性质3.1.1黄土的概念黄土是第四纪干旱半干旱特定地区形成的具有特定物质组成和微观结构的特殊土，在古地形地貌基础上继承性堆积形成幔覆结构。颗粒级配、接触关系、孔隙类型和 大小、胶联结构类型、状态及特征等关系构成
13、黄土的基本骨架，决定了黄土构造特殊，强度偏低，承载力低，部分具有湿陷性。黄土表现出特殊的工程特性，对工程 结构物危害大，为工程界普遍关注并被视为特殊工程地质体，在隧道工程中被视作特殊类型的、类软弱围岩。3.1.2黄土地层对隧道工程的影响在隧道开挖时，土体容易顺着节理张松或剪断。当隧道在较长的范围内沿着冲沟或塬边平行走向，而覆盖较薄或偏压很大的情况下，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。隧道若建在其上方，则有基础下沉的危害。隧道若修建在其下方，常有发生冒顶的危险。隧道若修建在其邻侧，则有可能承受偏压，使围岩与衬砌处于不利的受力状态。3.2黄土地质隧道施工3.2.1黄土隧道施工的注意事顶（1）黄土隧道的
14、施工应采用机械挖掘，不宜采用钻爆法施工。（2）开挖方法宜采用短台阶法或分部开挖法(留核心法)，初期支护应紧跟开挖面施作。（3）施工时特别注意拱脚与墙脚处断面，如超挖过大，应用浆砌片石回填。如发现该处土体承载力不够，应立即采取喷混凝土或采取其它措施进行加固。（4）避免黄土围岩开挖后暴露时间过长，围岩周壁风化至内部，围岩体松弛加快，进而发生坍方。（5）做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程，并妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面积水浸蚀洞体周围，造成土体坍塌。（6）喷射混凝土时喷射机的压力一般不宜超过0.2MPa。（7）锚杆施工宜采用煤矿干钻成孔。3.2.2黄土隧道软弱地基处理的方法黄土隧道软弱地基处理的
15、方法比较多，有换填、灰土挤密桩、树根桩等，施工中应根据实际情况选择。3.3小结黄河中游的河南西部、山西南部、陕西和甘肃的大部分地区为我国黄土和湿陷性黄土的主要分布区。这些地区的黄土隧道施工时，应做好黄土构造节理的产状与分布的调查。施工中遵循“短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤测量”的施工原则，紧凑施工工序，精心组织施工。4.岩溶地质4.1岩溶地质的性质4.1.1溶洞溶洞的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果，石灰岩里不溶性的碳酸钙受水和二氧化碳的作用能转化为微溶性的碳酸氢钙。由于石灰岩层各部分含石灰质多少不 同，被侵蚀的程度不同，就逐渐被溶解分割成互不相依、千姿百态、陡峭秀丽的山峰和奇
16、异景观的溶洞，由此形成的地貌一般称为喀斯特地貌。4.1.2溶洞的类型及对隧道施工的影响溶洞一般有死、活、干、湿、大、小几种。死、干、小的溶洞比较容易处理，而活、湿、大的溶洞，处理方法则较为复杂。当隧道穿过可溶性岩层时，有的溶洞岩质破碎，容易发生坍塌。有的溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，使隧道基地难以处理。有时遇到填满饱含水分的充填物溶洞，当坑道掘进至其边缘时，含水充填物不断涌入坑道，难以遏止，甚至使地表开裂下沉，山体压力剧增。有时遇到大的水囊或暗河，岩溶水或泥砂夹水大量涌入隧道。有的溶洞、暗河迂回交错，分支错综复杂，范围宽广，处理十分困难。岩溶对隧道工程的影响主要有四个方面：洞害、水害、洞穴
17、充填物及坍塌、洞顶地表沉陷等。4.2防治及处理措施4.2.1隧道遇到溶洞的处理措施可按岩溶对隧道的不同影响情况及施工条件，采取引流、跨越、加固、清除、注浆等不同措施或综合治理。应查明溶洞分布范围和类型，岩层的完整稳定程度、填充物和地下水情况，据以确定施工方法。如岩层比较完整、稳定，溶洞已停止发育，有比较坚实的填充，且地下水量小，可采用探孔或物探等方法，探明地质情况。常用处理溶洞的方法，有“引、堵、越、绕”。4.2.2溶洞地段隧道施工的注意事项（1）施工前应了解山顶地表水、出水地点的情况，并首先对地表进行必要的处理； （2）在下坡地段遇到溶洞时，应准备足够数量的排水设备；（3）建立综合预报体系；
18、（4）开挖方法宜采用台阶法、双侧壁导坑法；（5）当施工达到溶洞边缘，各工序应紧密衔接，支护和衬砌赶前。4.3小结溶洞是岩溶地质最常见的溶蚀形式和对隧道工程影响最严重的岩溶地质，当隧道施工遇到活、湿、大的溶洞，处理方法较为复杂。可按岩溶对隧道的不同影响情况及施工条件，采取引流、跨越、加固、清除、注浆等不同措施或综合治理。5.高地应力硬岩(岩爆)地质对隧道施工的影响5.1高地应力硬岩的性质5.1.1岩爆的概念埋深较大的隧道工程，在高应力、脆性岩体中，由于施工爆破扰动原岩，岩体受到破坏，使掌子面附近的岩体突然释放出潜能，产生脆性破坏，这时围岩表面发生爆裂声，随之有大小不等的片状岩块弹射剥落出来，这种
19、现象称之岩爆。5.1.2岩爆灾害形成原因在岩性、地应力、岩体结构、施工以及地下水等因素的作用下，往往引发岩爆灾害。（1）岩性：完整、坚硬的岩体具有较高的弹性模量，能够将大量的弹性变形能聚集，一旦开挖，弹性变形能就会突然释放，进而形成岩爆。（2）地应力：一般来说，地应力越高的岩石具有的弹性模量就越高，其弹性应变力就越大，所以，在开挖扰动下，极易形成岩爆；开挖后，具有较高地应力的岩石周围，会产生切向应力和径向应力，在两者作用下，也会产生岩爆。（3）岩体结构：岩爆发生往往由岩体完 整度决定，在完整岩体中，岩块破裂由内部裂纹扩展造成，其能量释放较为彻底，而在高能量的作用下，必定会产生岩爆。（4）施工因
20、素：应力集中不仅与原始应力有关，而且受隧道形状以及施工方式的影响，如开挖方法不当，造成隧道断面不规则，进而加剧围岩局部应力集中程度，而产生岩爆；采用不正规的爆破方式，使得岩体外载荷差异性增加，这就促使弹性波传播扩展，对邻近岩体区造成岩爆威胁。（5）地下水：干燥的岩体往往容易引发岩爆，而较为湿润的岩体则很难引发岩爆，这在于地下水对岩石的作用力。5.2防治及处理措施5.2.1加强预测，防患于未然要减少工程事故，必须加强对不良 地质灾害的防御，就岩爆灾害来看，其预防方式主要有：（1）超前预报法：采用红外线、地质雷达、超前钻孔等技术超前检测施工前方的地质条件，并根据检测结果，对围岩的完整度、强度、地下
21、水存在 情况、岩性等进行判断，从而根据地质现象分析，判断岩爆发生的可能性，以提升施工安全性。（2）声发射检测法：该方法依据岩石变形或是破坏而产生的声现象进行应力区定位，在定位过程中，往往利用拾音器收集人耳无法听到的声波，并将其转化为电信号，在利用地音检测器检验破裂程度，在应力区定位后，比较所收集到的信号时间，从而确定应力向何方传播，当地音读数增加速度加剧时，如果其数据大于预定目标，则预示会产生岩爆现象。（3）地震学预测法：地震学预测利用内用力和应变力之间的比例关系，确定岩爆发生前岩石内部的应力，其预测分为两步，首先确定地震多发地带岩爆现象发生的地点、时间，再者确定爆发的次数以及单次岩爆规模。（
22、4）微重力法：该方法是利用力学参数来测验应变力的一种方式，当岩石应力超出临界线时，产生岩石扩容现象，即为岩石体积骤然增大，在其情况下，岩石变形，产生微重力变化，微重力值出现异常极值，则根据其极值，判定岩爆现象的发生。5.2.2岩爆的防治措施强化围岩，出发点是给围岩一定的径向约束，使围岩的应力状态较快地从平面转向三维应力状态，以达到延缓或抑制岩爆发生的目的。 弱化围岩，目的是改变岩石的物理力学性质，降低岩石的脆性和储存能量的能力。或是解除能量，使能量向有利的方向转化和释放。弱化围岩的主要措施是注水、超前预裂爆破、排孔法、切缝法等。5.2.3岩爆地段隧道施工的注意事项（1）如设有平行导坑，则平导应
23、掘进超前正洞一定距离，以了解地质，分析可能发生岩爆的地段，为正洞施工达到相应地段时加强防治，采取必要措施。（2）爆破应选用预先释放部分能量的方法，如超前预裂爆破法(应力解除爆破)、切缝法和排孔法等，先期将岩层的原始应力释放一些，以减少岩爆的发生。（3）根据岩爆发生的频率和规模情况，必要时应考虑缩短爆破循环进尺。（4）岩爆引起坍方时，应迅速将人员和机械撤到安全地段。5.3小结岩爆在未发生前无明显的预兆，不仅直接威胁作业人员与施工设备的安全，而且严重影响施工进度，增加工程造价。因此，在埋深较深的隧道工程中，要特别注意防止岩爆现象的发生，在施工中注意控制和改变围岩的应力状态和岩性条件，采取强化围岩或
24、弱化围岩的措施。结语在修建隧道的时候，工程地质状况及水文地质情况是人们面临的首要对象，地质应力以及地质灾害作用下，公路隧道施工难度提升。要实现安全施工，提升隧道施工质量，必须分析诱发不良地质灾害的原因，并以各种预测方法，对富水断层破裂围岩、膨胀性和挤压性围岩、黄土地质、岩溶地质、高地应力硬岩（岩爆）地质等多种不良和特殊地质的岩性、应力、岩石结构等因素进行监测，以防患于未然。在充分掌握该类地质条件性质及其危害的基础上，针对不同的地质条件应用相应的设计理念及施工方法，强化施工环节，落实安全施工，以最终实现公路隧道建设效益。参考文献1 朱永全，宋玉香.隧道工程.M.北京：中国铁道出版社，2005.2 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，2001.3 铁道部工程设计鉴定中心.高速铁路隧道.M.北京：中国铁道出版社，2006.4 黄成光.公路隧道施工.M.北京：人民交通出版社，2002.5 重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范（JTG D702004）S.北京：人民交通出版社，2004.
