公路隧道施工常见地质灾害问题综述

公路交通技术 2009年2月 第1期 TechnologyofHighwayandTransport Feb.2009 No.1

公路隧道施工常见地质灾害问题综述

王 唢,赵明阶,林 志

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(1.重庆交通大学,重庆 400074;2.重庆交通科研设计院,重庆 400067)

摘 要:隧道围岩地质情况复杂多变,隧道在开挖过程中会遇到滑坡、膨胀性围岩、岩爆、岩溶、断层、瓦斯、流沙等多种不良和特殊地质。结合工程中不同地质灾害相关的病例,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:公路隧道;地质灾害;整治措施

文章编号:1009-6477(2009)01-0102-06 中图分类号:U459.2 文献标识码:B

SummaryofCommonGeologicHazardsduringHighwayTunnel

Construction

WANGSuo,ZHAOMingjie,LINZhi

随着我国高速公路的迅速发展,高速公路隧道建设也进入了一个新的发展时期。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。不良地质地段是指滑坡、崩塌、岩堆、偏压地层、岩溶、高应力、高强度地层、松散地层、软土地段等不利于隧道工程施工的不良地质环境。特殊地质地段是指膨胀性地层、软弱黄土地层、含水未固结围岩、溶洞、断层、岩爆、流沙等地段以及瓦斯和有

[1-5]

害气体溢出地层等。这些问题给公路隧道的设计施工带来了严重困难。本文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 滑坡、崩塌、泥石流

1.1 现象及特点

滑坡、崩塌灾害主要是地壳重力结构变化引发的灾害,有时是因为地壳变动的自然力引起,而更多的则是人工开采使得山基松动。滑坡是指山坡在河流冲刷、降雨、地震、人工切坡等因素影响下,土层或岩层整体或分散地顺斜坡向下滑动的现象。这种灾害的特点是瞬间性,面积大,动量大,破坏性极强。泥石流是指在降水、溃坝或冰雪融化形成的地面流水作用下,在沟谷或山坡上产生的一种挟带大

基金项目:交通部西部交通建设科技项目([1**********]4)收稿日期:2008-08-26

作者简介:王 唢(1984-),女,湖北省宜昌市人,在读研究生1

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量泥砂、石块等固体物质的特殊洪流,其比重大,冲击力大,能移动并携挟巨石,冲击山体,形成巨大的破坏。地形坡度较缓时,滑坡、泥石流的运动速度较慢;地形坡度较陡时,滑坡、泥石流的运动速度较快。有些公路隧道难以避开滑坡、崩塌发育地区或泥石流沟。滑坡、崩塌和泥石流对隧道的施工和隧道的

[6-7]

稳定都构成了威胁。1.2 滑坡防治措施

若滑坡为坡残积土沿基岩顶面滑动,滑坡后基岩裸露,且处于暂时稳定状态,推断进一步发展与扩大的可能性甚小,边坡不高,则宜以路堑方案通过。采用抗滑桩和挡护结合整治的措施,并设天沟与渗沟拦截地表水和排除地下水。如果滑坡沿开挖临空的坡脚滑出,滑面随开挖深度而变化,说明岩性软弱,不宜继续下挖,宜改用隧道和明洞通过。如果滑坡地段是由于开挖失去平衡,加之雨水下渗,古滑坡复活,产生顺层推移式滑坡,则宜采用在滑体上部清方减载,回填反压,在滑体下部增加抗滑力。若出现在洞口,则采取增长明洞,并将明洞与暗洞的衔接处采用钢骨架混凝土加强衬砌,在洞顶增设纵向截水沟,拦截地表水。产生滑坡的一个重要因素是水体作用,故需完善滑坡体周围排水系统。1.3 工程实例

云南省祥云)临沧公路红土坡隧道起止里程为K198+552~K198+900,全长348m,为单拱隧道。

2009年 第1期 王 唢,等:公路隧道施工常见地质灾害问题综述隧道走向与山谷交角30b,隧道所在山坡地形坡度(横坡)30b左右,见图1

。

103

增大的特点。一般会产生围岩普通开裂、坑道下沉、围岩膨胀突出和坍塌、隧道底部隆起、衬砌变形和破坏等形式的病害。

2.2 整治措施

2.2.1 加强对围岩压力和流变量测

在膨胀地层中开挖隧道,开挖前应调查其特性和规模,参考其他类似情况的工程实例,认真实施设计文件所提出的技术要求。在施工过程中还应对围岩压力及其流变情况进行充分的调查和量测,分析其变化规律。对地下水探明其分布范围及规律,了解地下水对隧道施工的影响程度,以便根据围岩动态采取相应的施工措施。2.2.2 选择合理施工方法

在膨胀地层中开挖隧道,宜采用短台阶法或中央导坑法,但开挖分部不宜过多。应紧跟开挖尽快对围岩施加约束,可用锚喷构筑法施工及钢拱架式格栅联合支护;膨胀压力很大时,可在隧道底部打设锚杆,也可在隧道顶部一定范围内打入斜向超前锚杆或小导管,形成闭合环。斜向锚杆的外斜角度、杆长、间距、范围等可按隧道设计规范设定。开挖时应尽量减少对围岩的扰动和防止水浸湿,故宜采用无爆破掘进法。同时在开挖过程中要尽可能缩短围岩暴露时间,及时衬砌,减少围岩的膨胀变形。2.2.3 加强支护

膨胀土地段隧道,除开挖后立即喷射混凝土外,还要及早进行支护。拱圈灌注后,拱脚部位要立即设置足够强度的支撑,以抵挡两侧围岩向内挤压变形。2.3 膨胀岩施工处理实例

木寨岭隧道是国道212线改建中的控制性工程,隧道建设过程中,产生强烈变形和严重破坏,其主要原因是围岩塑性流动与围岩膨胀变形综合作用的结果。膨胀性围岩隧道地段仰拱支护的技术措施见图2

。

[10]

[9]

图1 红土坡隧道平面示意

该隧道施工过程中根据滑坡特点,在隧道右侧山坡设置抗滑支挡工程,以阻挡滑坡推力对隧道右侧偏压,并在隧道左侧进行回填反压稳定洞体。隧道围岩类别为I类,根据围岩力学特点及隧道变形特征,对围岩进行了锚固处理,防止隧道进一步变形。此外,在滑坡处治及洞体加固工程结束前,避免进一步掘进隧道,以防因临空面加大而扩大滑坡规模。2 膨胀性围岩

2.1 特点及危害形式

膨胀性围岩具有湿涨干缩往复变形和潜在应力特性,干燥土质膨胀性岩层,岩质较硬,易脆裂,具有明显的水平和垂直张开裂隙,被水浸湿后,裂隙回缩变窄或闭合,强度迅速降低。软质膨胀性围岩经过断裂和褶皱作用而产生破碎带,隧道开挖后受风化和吸水的影响,发生体积膨胀,对隧道的支撑或衬砌产生膨胀压力。因此在这种围岩施工中常出现初期围岩变形大,发展迅速等不良现象,具有使围岩压力

[8]

[9]

104 公 路 交 通 技 术 针对木寨岭隧道围岩的强烈变形,处理方法为调整施工方法、改变支护结构型式和支护时间等,以控制并适应围岩动态演化路径,使隧道围岩以稳定方式达到新的动态平衡。基本思路是在原有基于塑性变形设计理念的基础上,增加对围岩膨胀变形的控制,即综合针对围岩的塑性变形和膨胀变形,控制围岩变形。3 岩爆3.1 岩爆特点

岩爆是高地应力条件下地下工程洞室开挖过程中,因开挖卸荷而引发周边脆性围岩产生强烈的应力分异作用,储存于围岩中的弹性应变能突然释放,且产生爆裂松脱、剥离、弹射甚至抛掷等破坏现象,是一种动力失稳地质灾害

[11-12]

2009年

员和设备的安全。4 岩溶

4.1 岩溶对隧道施工的影响

当隧道穿过可溶性岩层时,有的溶洞位于隧道底部,充填物松软且深,隧道基底难于处理;有的溶洞岩质破碎,容易发生坍塌;有时遇到大的暗河,岩

溶水或泥砂夹水会大量涌入隧道,当含水充填物不断涌入坑道时,甚至会发生地表开裂下沉,山体压力剧增;有的溶洞、暗河迂回交错,错综复杂,范围宽广,处理起来十分困难。岩溶大小不一,连通性不同,施工时易突发岩溶涌水、涌泥和涌砂,从而造成掩埋坑道、冲毁机具、中断施工等灾害性事故。4.2 整治措施

隧道在岩溶地段施工时,应根据设计文件有关资料和现场实际,查明溶洞的分布范围、类型情况(包括大小,有无水,连通情况,溶洞是否在发育中以及有无充填物等)、岩层的稳定程度和地下水流情况(地下水的分布状态,有无长期补给来源,雨季水量有无增长)等,为施工治理措施的选取提供有效地质依据。目前常采用引、堵、越、绕等方法,同时加强衬砌。4.2.1 引排水

当暗河和溶洞有水时,宜排不宜堵。在查明水源流向及其与隧道的位置关系后,用暗管、涵洞、小桥等设施宣泄水流,或开凿水洞,将水排出洞外。水流位置在隧道的上方或高于隧道时,应开凿引水斜洞或引水槽,将水位降低到隧道底部以下,再行引排。

4.2.2 堵填

对已停止发育、跨径较小、无水的溶洞,可根据其与隧道的相交位置及充填情况,采用混凝土、浆砌片石或干砌片石等予以回填封闭,并根据地质情况决定是否需加深边墙基础;对拱以上的空溶洞,可视溶洞岩石破碎程度采用锚喷支护加固,或加设护拱及拱顶回填的办法进行处理。4.2.3 跨越

当隧道底部遇到较大较深溶洞并有水流时,可在底部砌筑圬工支墙,支承隧道结构,并在支墙内套设涵管引排溶洞水。4.2.4 绕

在岩溶区施工时,若个别溶洞处理耗时且困难时,可采取迂回导坑绕过溶洞,继续进行隧道前方施,,,[5]

。它直接威胁施工

人员和机械设备的安全,影响工程进度,因此,对可能产生岩爆的地段应做好预测,确认会发生岩爆的地段应做好防治措施。3.2 防治措施

根据岩爆产生的条件(即围岩应力必须超过围岩强度,围岩为坚硬的脆性岩石),对其防治应从改善围岩应力条件和加固围岩入手,主要措施有:

1)改善围岩应力。合理布置隧道位置,使其轴线方向尽量与主应力方向平行,选用合理的洞形;通过钻孔卸压法、钻孔水力破裂法(高压注水法)、分部(层、次)开挖及在岩面喷洒水使岩体软化等。2)加固围岩。包括对已开挖洞壁的加固和掌子面前方的超前加固,加固方法主要有锚喷、钢丝网锚喷、钢纤维喷混凝土、钢支撑和锚杆锚固等。

3)防护措施。在台车上安装钢丝保护网以确保工人安全。

3.3 工程实例

川藏公路二郎山隧道是国家/九#五0重点建设工程,主洞全长4176m,最大埋深760余m,处于深埋高地应力环境条件

[13]

。施工过程中,二郎山隧道

发生了近百次岩爆活动,但大多属轻微、中等级别。根据二郎山公路隧道的岩爆特征,针对岩爆不同级别采取不同的防治工程措施,概括说来,对围岩的初期支护主要是采用喷射混凝土、锚固和挂网等工程措施。岩爆地段开挖后,必须及时进行挂网喷锚支护,以达到/以柔克刚0的目的;从另一角度讲,当挂网喷锚支护作业完成后,即使再产生岩爆活动,也构/

2009年 第1期 王 唢,等:公路隧道施工常见地质灾害问题综述4.3 工程实例

华蓥山隧道位于四川省华蓥山脉中段,是国道主干线成都)上海高速公路广安至邻水段的关键控制工程。隧道通过地段呈东北向展布的条带状岩溶山地和岩溶槽谷为主的岩溶地貌。

根据华蓥山隧道溶洞的具体情况,采用地质雷达等先进设备和科技手段,对即将开挖地段进行超前预测预报,探明岩溶的性质,确定溶洞或溶槽的形状、范围、大小、岩层稳定程度、填充物和地下水等情况,并根据探测结果制定施工方案,对探明的溶槽或溶洞采用/封、堵、排0的处理措施。5 瓦斯地层5.1 瓦斯

瓦斯是地下坑道内有害气体的总称,其成分以

[2]

沼气(甲烷CH4)为主,习惯称沼气为瓦斯。在煤系地层中,隧道开挖常常伴有瓦斯存在,它对隧道施工人员和机械设备是一个巨大的威胁。5.2 防治措施

目前瓦斯防治措施主要包括:测定瓦斯浓度以判断是否发生瓦斯爆炸;通风稀释瓦斯;超前钻孔抽放瓦斯;安装瓦斯报警装置,同时隧道内坚决杜绝使瓦斯爆炸的热源。隧道在掘进过程中,预防瓦斯燃烧和爆炸的主要措施是加强通风以及降低瓦斯浓度,使其在允许值之下,应采取以下相应措施:1)排放瓦斯。瓦斯含量不大时,使其自然排放;当瓦斯量大,喷出强度大,持续时间长时,则可插管排放;当开挖面瓦斯含量较大,而且裂隙多、分布广时,则封闭坑道,抽放瓦斯。

2)在裂隙小、瓦斯含量小时,可用粘土、水泥浆或其它材料堵塞裂隙,防止瓦斯喷出。

3)在开挖工作面前方接近煤层2m左右,向煤层打若干75~300mm的超前钻孔排放瓦斯,钻孔周围形成卸压带,使集中应力移向煤体深部,达到防止瓦斯突出的目的。

4)水力冲孔。在进行开挖之前,使用高压水射流冲孔,使瓦斯解吸和排放。

5)震动性放炮诱导突出,利用爆破时强大的震动力一次揭开具有突出危险性的煤层。

6)深孔松动爆破。利用炸药的能量破坏煤体前方的应力集中带,从而预防瓦斯突出的发生。7)煤层注水,使煤体湿润以改变煤的物理机械性质,减少或消除突出的危险性。5.[14]

105

华蓥山隧道穿越华蓥山脉中段,西口(进口)位于广安境内天池镇,东口(出口)位于邻水境内龙井坝。隧道工程地质、水文地质十分复杂

[15]

,特别是

隧道东西段穿越煤层,其瓦斯压力分别为1.44和1.87MPa,瓦斯压力之高,居我国已建和在建公路隧道之首,具有一定的突出危险性。华蓥山隧道有害气体的平衡浓度见表1。

表1 华蓥山隧道有害气体平衡浓度[15]

有害气体类型一氧化碳(CO)二氧化硫(SO2)硫化氢(H2S)沼气(CH4)二氧化碳(CO2)

安全规范允许浓度P%(1)0.00240.00050.00066

11.5

不通风情况下平衡浓度P%(2)0.01500.0060.005078.732.5

6.2510.27.68.731.67(2)P(1)

华蓥山隧道穿越山体煤层和沥青油浸灰岩,为保证该特长隧道结构的永久安全,用硅酸盐水泥代替抗腐水泥,煤系地层段拱墙、路面基层中央排水管和电缆沟混凝土采用气密性混凝土和抗腐蚀气密性混凝土,防止瓦斯与多种有害气体向隧道内渗漏和腐蚀破坏混凝土。6 活动断层

6.1 断层形式及影响

活动断层多数是指第四系以来至今还在继续活动、正在活动或断续活动的断层。由于活动断层的存在,致使岩体产生各种破碎面,如断裂面、层间错动面、断裂带附近及层间节理裂隙面和软弱夹层等,使岩体破碎,渗透性加强,地表水或大气降水下渗,直接导致岩土c、U值降低。当隧道穿越活动断裂或在其影响带附近穿过时,由于破碎带岩性软弱、松散,隧道易产生塌方或不均匀沉降,导致隧道衬砌开裂、渗水、漏水,洞口边仰坡雨季易沿构造软弱面形成滑坡、错落等病害。6.2 处理措施

穿越断层的隧道施工难度取决于断层的性质、破碎带的宽度、填充物、含水性和断层本身的活动性以及隧道周线和断层构造线方向的组合关系。目前采用的方法是路线尽量避开活动断层的影响,或以深挖路堑的方法通过活动断层。

1)采用地质雷达超前预测、预报。当隧道设平[4]

106 公 路 交 通 技 术 掌握断层破碎带地质情况。洞内超前钻探预报,即在开挖工作面采用水平钻机向隧道前进方向打超前钻孔探测。

2)开挖前施工超前锚杆或超前管棚等对围岩进行超前预加固,围岩特别破碎时应先进行预注浆,改良围岩。

3)开挖后的施工支护应加强,视断层围岩破碎情况,采用系统锚杆、挂钢筋网,然后喷射混凝土,或采用钢架(或钢格栅)加喷射混凝土支护。

4)按设计进行永久性混凝土衬砌支护,或采用钢筋混凝土衬砌,以及增加衬砌混凝土厚度,提高衬砌混凝土强度等级。7 流沙

7.1 流沙形成原因

流沙是砂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。流沙的形成多种多样,主要原因是由于河水的冲积经过地质变化而形成的砂层,在遇到水流情况下,整个砂层发生流动,从而形成了流沙层。

7.2 流沙处理的简易对策

通常情况下,当遇到流沙时,除尽快设法排除外,要尽早封闭流沙通道,尤其是开挖面附近更要采取强有力措施,否则可能由于流沙作用不得不封洞停止施工。

充分认识流沙的形成原因和流沙的危害,对砂层的厚薄、地下水位的高低等地质状况有比较直接的了解,在实际施工过程中,采取切实有效的方法来进行处理。通常处理基础的方法有换土垫层法、深层密实

[16]

法、排水固结法、化学加固法、加筋法、热学法。8 黄土地层

8.1 黄土地层对隧道的影响形式

黄土层常具有各方向的构造节理,有的原生节理呈X型,成对出现,并有一定延续性。在隧道开挖时,土体容易顺着节理张松或剪断。这种地层若位于坑道顶部极易产生塌顶,位于侧壁则普遍出现侧壁掉土,处理不当,常会引起较大坍塌。当隧道在较长的范围内沿着黄土冲沟或塬边平行走向,而覆土较薄或偏压很大,则容易发生较大的坍塌或滑坡现象。黄土受水浸湿后,会呈不同程度的湿陷性,会突然发生下沉现象,使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力,如支护措施满足不了变化后的情况,极易造[17]

[2]

[2]

2009年

黄土溶洞与陷穴是黄土地区经常见到的不良地质现象,若隧道在其上方修建,则有基础下沉的危险;若在其下方修建,则有发生冒顶的危险;若在其侧邻边修建,则有可能承受偏压,使围岩与衬砌结构处于不利的受力状态。

8.2 黄土隧道施工中的防治措施

黄土地层隧道施工,首先要做好黄土构造节理和分布状况的调查。黄土围岩开挖后暴露时间不能过长,否则围岩周壁风化至内部,围岩松弛会加快,进而造成塌方。宜采用复合式衬砌,开挖后及时喷射混凝土,并以锚杆、钢筋网和拱架支撑作为初期支护,快速形成严密的支护体系。初期支护稳固后,进行永久支护施工,并要求衬砌背后回填要密实。

做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统,并妥善处理好陷穴、裂缝,以免地面积水侵蚀洞体周围,造成土体坍塌。在含水或地下水量较大的地层中,要做好排水设施,并采用井点降水法将地下水位降至隧道衬砌底部以下,以改善施工条件。

在开挖时宜采用短台阶开挖法或分部开挖法(留核心法)。初期支护要紧随开挖面进行,并注意观察开挖面情况,及时紧凑地进行施工。9 结语

隧道地质复杂多变,对于不良和特殊地质地段的隧道施工除按常规进行外,还需一些特殊的加固措施和施工方法,如超前支护,锚喷施工和预加固等。本文所列举的是隧道施工过程中常见的几种地质灾害的特性及防治措施,有待进一步完善。在具体地下工程施工中,以/少扰动、早喷锚,勤量测、紧封闭0

[1-2]

为总体指导原则,最大限度地防止隧道地

质灾害的发生,将灾害造成的损失降到最低,使施工安全和施工质量得以保证。

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112 公 路 交 通 技 术 率将显著提高。

表5 2030年渝中半岛主要干道流量预测

有地下快速干道

预测流量P

饱和度

(pcuPh)

[***********][***********]7260

1.010.861.051.151.311.261.201.151.081.10

无地下快速干道预测流量P

饱和度

(pcuPh)

[***********][***********]8040

1.070.941.101.241.391.411.271.271.201.22

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(上接第106页)

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