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1、复杂铁路隧道关键施工技术研究复杂铁路隧道关键施工技术研究 张顶立张顶立 Zhang DingliZhang Dingli 北京交通大学北京交通大学 隧道及地下工程教育部工程研究中心隧道及地下工程教育部工程研究中心 Tunnel & Underground Engineering Research Center of Ministry of Education Beijing Jiaotong University April , 2007 演讲内容演讲内容 隧道洞口形式及施工技术隧道洞口形式及施工技术 地质保障技术地质保障技术-超前地质预报超前地质预报 注浆加固技术及注浆效果评价注浆加固技术及
2、注浆效果评价 安全风险管理及质量控制安全风险管理及质量控制 洞门的基本形式洞门的基本形式 直 切 式 洞 门 正 切 式 洞 门 倒 切 式 洞 门 弧 形 挡 墙 式 洞 门 洞门的变化形式洞门的变化形式 曲 线 正 切 式 洞 门 喇 叭 口 式 洞 门 直 线 渐 变 倒 切 式 洞 门 正 切 变 异 型 洞 口 隧道洞口工法选择隧道洞口工法选择 对于铁路隧道而言，进洞是隧道施工的第一道工序，也 是决定整个隧道施工成败的关键工序。洞口段的地质情 况十分复杂而且断面大小不一，选择一个合适的施工方 案直接牵涉到工程施工准备期的长短及下一步的施工效 益、质量和安全。 根据施工条件、围岩类别、
3、埋置深度、断面大小、坡面 情况以及环境条件等，并考虑安全、经济、工期等要求， 钻爆法施工的大断面隧道的工法有： 台阶法 中隔壁壁法- 双侧壁导坑法 CD法 CRD法 台阶法开挖台阶法开挖 CD工法工法 CRD工法工法 I II III IV 双侧壁导坑法双侧壁导坑法 工法选择不当造成塌方工法选择不当造成塌方 工法及设计参数选择不当造成塌方实例工法及设计参数选择不当造成塌方实例 采用洞口辅助工法的意义采用洞口辅助工法的意义 隧道洞口段施工由于洞口段复杂的地质条件， 如：浅埋、偏压、围岩破碎以及目前隧道开挖 断面大等特点，对进洞施工带来很多问题。因 此在施工中除了要选择合适的工法外，辅助工 法的选
4、择也很重要。如果辅助工法选择不当或 者施工不到位的话也会引起洞口的塌方，造成 严重的后果。于是，在洞口段的施工中不仅需 要采用合适的施工方法，而且要根据不同的地 质条件选择合适的辅助工法。 大管棚支护大管棚支护 一般用在洞口段，不一般用在洞口段，不 宜用在洞内，长度以宜用在洞内，长度以 3050m为宜，环向间为宜，环向间 距以距以3050cm为宜。为宜。 小导管注浆小导管注浆 破裂面超前小导管用在浅埋、软 岩、不良地质地段， 小导管的角度和刚 拱架的间距有关， 小导管的环向间距 以30cm为宜，长度 和第一步开挖的台 阶高度有关，长度 宜超过第一步开挖 的台阶高度的破裂 面。 辅助工法选择不当
5、辅助工法选择不当 隧道洞口段施工技术要点隧道洞口段施工技术要点 套拱应有一定的长度，一般34m为宜； 套拱的基础应支承在稳定的地层或结构物上； 大管棚施工应保持较高的水平精度，避免进入隧道 开挖空间； 套拱与地层的连接部位应进行加固处理，以免刚度 差异较大引起的地层坍塌； 及时封闭和施作仰拱，并加强地层变形监测，严格 控制地层沉降和收敛。 超前地质预报技术超前地质预报技术 TSP地震波探测地震波探测 地质雷达地质雷达 红外探水红外探水 水平钻孔（直接取芯）水平钻孔（直接取芯） 综合预报手段综合预报手段 贯彻贯彻“因地制宜、长短结合、贯因地制宜、长短结合、贯 穿全程穿全程”的地质保障原则，把超前
6、地的地质保障原则，把超前地 质预报作为一道工序，先探后掘，摸质预报作为一道工序，先探后掘，摸 清地质情况，减少地质风险，以从根清地质情况，减少地质风险，以从根 本上保证隧道施工的安全、顺利、快本上保证隧道施工的安全、顺利、快 速进行速进行 超前地质预报方法选择超前地质预报方法选择 长距离：长距离：TSP203 短距离：地质雷达、红外探水短距离：地质雷达、红外探水 初步探明交界面、不良地质体初步探明交界面、不良地质体 TSP地震波探测地震波探测 方法 TSP 原理 地震波在不均匀地质构造中产生 的反射波特性 预报距离 掌子面前方150m范围内 优点 预报较准确，提供杨氏模量、泊 松比等岩石力学参
7、数，预测围岩 级别，应用广泛 缺点 探测费用高；对隧道施工有细微 干扰；专业技术水平要求高；存 在多解性 水平超前探孔水平超前探孔 方法 水平超前探孔 原理 根据钻速的快慢可以判断岩石的坚硬 程度；通过钻孔取芯鉴定或根据钻孔 冲洗液的颜色、气味、岩粉可以判断 前方岩石的矿物组成和可能的赋水状 态。由掘进过程中是否卡钻，可以判 断前方裂隙是否发育。 预报距离 取决于水平探孔距离 优点 方便经济，不干扰施工，其可在 爆破钻眼时，对凿岩机的掘进情况进 行观察。 缺点 钻速受其他因素影响；观测的位 置也仅限于打眼位置附近。 水平超前探孔水平超前探孔 长距离：长距离：6070m、每断面、每断面6个。个。
8、 短距离：短距离：610m，每断面，每断面6个。个。 准确探明准确探明 红外探水红外探水 利用红外探水仪接 收岩层向外部发射的红外辐射信息，根据辐射 场强的变化值来确定掌 子面前方或洞壁四周是 否有隐伏的含水体，对 含水体方向进行记录， 结合地质报告进行分析并做出判断。 地质雷达地质雷达 方法 原理 预报距离 优点 缺点 地质雷达 电磁波束的 反射 掌子面前方 1030m 分辨高、无损伤、探 测和数据处理快、机 动灵活 受施工干扰因 素大，预报距 离较短 地质雷达记录数据地质雷达记录数据 掌子面前方溶洞 忽视超前预报忽视超前预报 围岩软硬交替处塌方 塌方处理 不良地质段不良地质段( (导洞导洞
9、) )上台阶施工的技术要点上台阶施工的技术要点 超前小导管帷幕注浆要到位超前小导管帷幕注浆要到位，这是避免不良地质段隧道 出现坍塌及大范围冒顶的前提和保证。 锁脚锚管应按要求打设，并严格注浆锁脚锚管应按要求打设，并严格注浆， 由此可以有效 防止拱顶沉降和围岩变形，使初期支护及时发挥作用。 初期支护背后及时进行回填注浆初期支护背后及时进行回填注浆，这样一方面可以减小 围岩的无支护范围，避免冒顶的发生；同时可使支护结 构与围岩密贴，使支护结构受力更趋合理。 在下台阶施工时，应尽量减小上台阶支护 结构的悬露时间和悬露范围，及时进行支护。 全断面注浆全断面注浆 超前注浆超前注浆 初期支护背后回填注浆初
10、期支护背后回填注浆 全断面预注浆堵水加固效果全断面预注浆堵水加固效果 注浆后注浆后 掌子面干燥稳定掌子面干燥稳定 注浆前掌子面注浆前掌子面 泥塑状不稳定泥塑状不稳定 圆梁山隧道注浆效果圆梁山隧道注浆效果 质量控制和安全风险管理质量控制和安全风险管理 由于隧道工程本身的不确定性，隧道工程本身存在较由于隧道工程本身的不确定性，隧道工程本身存在较 大的风险性。近年来发生的一系列的风险事故也提醒大的风险性。近年来发生的一系列的风险事故也提醒 着我们要加强风险管理，尤其对复杂地质条件下的隧着我们要加强风险管理，尤其对复杂地质条件下的隧 道工程施工而言，隧道本身的地质复杂性更增大了风道工程施工而言，隧道本
11、身的地质复杂性更增大了风 险事故发生的概率，具体表现在以下几个方面：险事故发生的概率，具体表现在以下几个方面： 不良地质不良地质 地质灾害地质灾害 有害气体及高温有害气体及高温 爆破、施工用电等造成事故爆破、施工用电等造成事故 不良地质不良地质(P1) 粉细沙层充填物粉细沙层充填物 淤泥质充填物淤泥质充填物 不良地质不良地质(P2) 溶洞溶洞 回填处理后的溶洞回填处理后的溶洞 不良地质不良地质(P3) 富水沙层侵入开挖限界富水沙层侵入开挖限界 贯通掌子面的岩脉贯通掌子面的岩脉 地质灾害地质灾害（P1) 断层处断层处 有大量有大量 涌水点涌水点 涌水涌水 地质灾害地质灾害（P2） 涌涌 砂砂 掌
12、子面涌泥掌子面涌泥 地质灾害地质灾害（P3) 突突 泥泥 地质灾害地质灾害(P4) 局部小范围塌方局部小范围塌方 围岩严重变形围岩严重变形 隧道施工安全风险管理隧道施工安全风险管理 由于复杂地质隧道工程施工中存在着大量 的不确定性因素，为了确保隧道工程施工 的质量，我们必须对隧道施工中的风险进 行规避和控制，以尽可能地控制和避免安 全事故的发生。运用科技手段、成熟的技 术、先进的设备和可靠的经验，有效降低 隧道工程施工的风险。 安全风险预测及规避对策安全风险预测及规避对策（P1) 风险风险 项目项目 风险预测风险预测 规避对策规避对策 浅浅 埋埋 覆跨比小于1(多位于隧道洞口位置) (1)分部
13、开挖：采用CD法或CRD或双侧壁导坑 工法 (2)辅助工法：超前锚杆或超前管棚，地表 注浆等 (3)控制爆破：掌握控爆的临界振动速度 洞洞 口口 顺顺 层层 滑滑 坡坡 (1)滑坡上缘裂缝 (2)地面变形速度明显加快，如地 面建构筑物等移位、变形 (3)渗出水变混浊，开挖面岩层出 水冒泥 (4)裂缝处有响声 (1)尽量旱季施工 (2)做好排水工程 (3)对滑坡体进行预加固:设置抗滑桩、锚索 桩或桩间挡土墙等 (4)辅助工法：开挖前，超前长管棚，注浆 填塞裂隙 (5)做好监控量测 安全风险预测及规避对策安全风险预测及规避对策（P2) 风险项目风险项目 风险预测风险预测 规避对策规避对策 危危 岩
14、岩 落落 石石 (1)V型地貌或U型河谷山坡 (2)裂隙节理发育，岩石破碎 (3)地下水活动充填岩层裂隙, 破坏岩体 (1)清除松石 (2)做好防排水工程 (3)拦截危石 (4)边坡刷方，改造地形 岩岩 溶溶 (1)地面地质调查 (2)水平超前探孔 (3)地质雷达检测 (4)TSP检测 (5)综合预报手段 (1)小型溶洞 隧道底部：充填或底板梁通过 隧道边墙：浆砌片石封堵，加强混凝土衬砌封闭 拱部上方：喷锚支护加固，架设扩拱防 护，拱顶回填砌片石或干砌片石压浆固结 (2)较大溶洞 跨越：如采用简支梁、栈桥、拱桥、边 墙拱、整体浮放支托跨越 支顶加固 安全风险预测及规避对策安全风险预测及规避对策
15、（P3) 风险项目风险项目 风险预测风险预测 规避对策规避对策 突突 涌涌 水水 (1)超前探孔 (2)红外探水 (3)采用地质雷达检测 (1)引排水 (2)堵水 (3)反坡排水 爆爆 破破 作作 业业 （1）爆破器材受潮或失效 （2）起爆方法不正确 （3）爆破网路连接不正确 （4）瓦斯隧道采用常规爆破作 业方法 （1）选用安全的爆破器材 （2）采用毫秒爆破 （3）在瓦斯隧道内采用电力起爆， 使用防爆型起爆器作为起爆电源 （4）使用正确合适的方法对盲炮进行 处理 隧道工程质量控制技术 及时探测初期支护背后的空洞、回填状况及 密实度； 初期支护及二次衬砌的厚度； 初期支护钢拱架及格栅间距； 初期支护与二次衬砌之间的回填注浆效果。 Thank you!
