剪张裂缝和古岩溶发育隧道施工技术..pdf

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1、剪张裂缝和古岩溶发育隧道施工技术王才高（中铁五局集团公司湖南长沙410117）摘要：介绍隧道施工中遇到的剪张裂缝和古岩溶特殊地质现象，对其成因、施工影响以及富水环境下防治涌水突砂的施工技术措施作一阐述，提出带水作业三条件及配套处理措施，希望能为今后类似工程安全施工提供借鉴参考。关键词：剪张裂缝古岩溶防涌水突砂1前言富水隧道涌水、突砂是山区铁路、公路建设中常见的地质病害，如前几年施工的渝怀铁路、宜万铁路、昆河铁路等数十座隧道作业中曾发生过大涌水突砂[1][2]，造成长时间的处理或伤亡损失。其中剪张裂缝和古岩溶这种特殊地质构造

2、是涌水突砂的一个重要推手。2特殊地质构造2.1形成机理剪张裂缝[3]是硬质岩强烈褶皱形成的伴生构造，其走向大致垂直褶皱轴走向，为新构造运动产物。其中剪裂缝为岩体在地层变形的不同时期受剪切应力作用形成，裂缝延伸较远，分布稀密有规则，缝面平整、光滑、缝壁常闭合，中间无东西充填；张裂缝由张应力作用于地层受到挤压变形过程中形成，多分布于背斜构造的轴部，裂缝面较粗糙、不平整，两壁常张开而被矿脉所填充，裂缝延伸距离较短，常成组出现，分布稀密不规则。剪张裂缝密集发育松散破碎带常具有良好的透水、导水和储水的性能。古岩溶[3][4]是地质历

3、史时期水对可溶性岩作用过程及其产物的遗迹，在元古代晚期至早古生代、古生代晚期至中生代早期均有不同程度的分布。某些隧道出露的岩溶常呈层状、片状分布，它是元古代震旦纪形成最后因地壳运动发生下沉，上部古生代泥盆纪、石炭纪围岩将其覆盖而成的水平型古岩溶。古岩溶强风化部份呈白色、粉黄色、弱风化部分呈红褐色，粉状或粘土结构。当地质钻孔通过剪张裂缝时一般流出粉细砂，而钻孔通过古岩溶时，流出来的多是黄色的浑水。2.2施工影响剪张裂缝、古岩溶发育段岩体大多松散破碎，强度很低，自稳性极差，若地下水补给丰富，则径流通道非常复杂。开挖时围岩被地下

4、水冲蚀垮塌形成水砂流的同时陷落成不规则腔体，水流不断冲掏扩大成大型空腔，地下水长流不衰，不断汇聚、运移大量粉砂状岩体累积，具高势能和压力，开挖扰动后水夹砂石极易从剪张缝隙内倾泄而出，或从岩溶风化土体处及其它支护薄弱部位喷涌而出，形成更大砂石流，诱发围岩崩1落、坍塌、管涌、突砂突泥，甚至突发性灾害。突砂涌水具有突发性，呈间歇性喷射状，并携带大量细砂状岩体，夹黄色粘土等，涌水量大、水头压力高，破坏性极强。突发大涌水、突砂突泥可能会造成人身伤亡事故和制约开挖进度，影响支护和衬砌质量。3配套处理措施3.1探地质、预处理，释能减压1

5、）针对特殊地质实际，以水平钻孔为主，加长炮眼、红外探水、地质素描等为辅，探测前方岩体的完整性、松散破碎带或剪张裂缝的位置、变化点、岩溶发育情况、涌突水位置、水量、水压、水中的泥砂含量及岩体的综合渗透系数等。若发现前方储水过多、压力过大时，在掌子面打设3～5个全长贯通的排水泄压孔，排泄水流释能减压。当围岩较差或钻孔内泥砂流出量有增大趋势时，及时将探孔变成注浆孔，往前方围岩压注水泥浆固砂止水，并制订相应的施工预案。3.2进行有限元模拟计算分析，比选确定施工方案表1不同工法施工效果分析开挖方法超前支护方式类别全断面法上、下台阶法

6、大管棚小导管掌子面附近塑性区较大大较小小同种地质条件下所需支护范围较大大小大不能减小拱顶最终沉降量施工过程中沉降量较小小支护时机需要及时跟进、及时封闭管超前，严注浆表2拟定施工方案开挖方法注浆方式进度类别全断面帷局部帷月进尺全断面台阶幕注浆幕注浆地质情况：围岩破碎，富×√√√20～40m水高压，破碎带密集对全断面帷幕注浆、内堵外固精细化注浆、冻结法等工法进行比选，结合安全、工期、成本和施工可操作性等因素分析，最佳方案为：一般段方案比选落采用加长小导管注浆后带水作业，确保安全前提下强行通过；特殊困难地段，采用超前大管棚注浆、

7、全断面（或局部）帷幕注浆等必要的施工措施固砂止水后再开挖通过。3.3实施有条件“带水作业”[6]隧道断面大时发生涌水突砂后对人员和机械设备威胁大，处理起来较困难，施工成本高，不宜带水作业。小断面坑道（≤40m2）内散水、股状水较大时，注浆堵水易产生隐患、排水又放不完。因此研究决定，考虑工期、成本、施工便捷等原因，在同时满足以下三个条件且能确保围岩稳定前提下，可采用加强初支、带水作业施工：a、预测前方松散破碎带宽度≤4m（可用6m长小导管挑过）；b、超前地质钻孔内无涌砂迹象；c、掌子面总涌水量≤50L/s（即4320m3/d

8、，一般情况下不会发生大规模涌砂，2施工环境可控）。若同时满足“超前钻孔内有涌砂、水流浑浊，预测破碎带宽度大于4m，掌子面总涌水量大于50L/s”三个条件，采用一般小导管注浆无法解决问题，而且水压高水量大，砂石流涌出的风险增高，因此在此种情况下必须采取帷幕注浆等必要的施工措施固砂止水以确保安全。3.4调工