公路工程隧道建造新技术及案例PPT.ppt

《公路工程隧道建造新技术及案例PPT.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《公路工程隧道建造新技术及案例PPT.ppt（108页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、隧道建造新技术及案例,5.1 富水破碎带突水突泥的超前地质预报,3,小小草,1 工程背景 我国幅员辽阔，地质条件复杂，岩溶地质地区分布面积约占国土面积的1/3，特别是西南地区云南、贵州、广西、四川等省份的岩溶最为发育，湖北南部及西部分布也较广。随着近些年来“西部大开发”和“一带一路”国家战略的实施，我国交通基础设施建设得到了快速发展，隧道工程也不断向特长、特大、深埋的趋势发展。因此在我国西南省份等地质条件复杂的地区的长大隧道，施工过程中在穿越岩溶破碎带或富水岩层时就容易发生大规模的突水突泥灾害。突水突泥灾害会给隧道工程建设造成重大的财产损失以及施工工期的延误。据相关资料统计，我国西南地区的岩溶

2、隧道约占隧道建设总量的40%，其中绝大部分在施工过程中均遭受不同程度岩溶水的侵害，因突水突泥等地质灾害所造成的停工时间约占总工期的1/3。进入21世纪以来，随着隧道建设过程中对施工安全和工期保证的要求日益严格，突水突泥灾害已经逐渐成为制约对我国隧道建设发展的瓶颈问题，因此掌握导致隧道突水突泥灾害的富水破碎带的超前地质预报及其治理技术非常重要。 在隧道施工过程中进行地质超前预报工作由来己久，上世纪70年代国外学者便开始研究隧道地质超前预报工作，以便提前预知隧道施工中的不良地质体及严重涌水段，方法多采用平行导坑和超前水平钻探等。80年代中期在大瑶山隧道施工过程中采取了地震波预报技术和声波法探测技术

3、，同时结合超前导坑和洞内素描等方法进行隧道地质超前预报，并取了良好效果。在此之后随着对地震波传播特征研究的不断深入，根据地震波在岩体中传播和反射规律来判断围岩情况的原理，开发了TSP地质超前预报仪、TRT地震反射层析成像技术，并针对已有方法改进完善了一些新设备和新技术，如TST地震成像技术、TGP超前预报技术和表面面波法等。 除了传统预报技术被不断完善之外，依靠新的理论方法研发的有着各自特色的预报技术也被不断应用于隧道超前预报中。如依靠识别水体和岩体不同红外线能量差异的红外探水技术；对掌子面前方激发的二次场进行接收和分析来判断介质分布的瞬变电磁法；依靠识别岩体的电性差异而研发的高分辨直流电法；

4、以聚焦电流频率域的激发极化方法为基础的BEAM法；在弹性波理论基础上利用孔间地震剖面原理创新研制的水平声波剖面法；采用极小偏移距地震波激发接收系统实现单点或多点测量发射弹性波的陆地声纳法等。,4,小小草,2 突水突泥灾害的类型和影响因素 2.1 突水突泥灾害的定义 突水突泥是指隧道开挖过程中，围岩中的水或者含水泥沙由于外界原因冲破隔水层、裂隙、断层带的阻力，伴有一定压力和流速突然流出的现象。突水突泥灾害当前已经成为随道工程建设过程中的一大难题，突水突泥的过程从灾害发生机理上可以定义为：隧道工程的开挖影响了围岩的固有平衡状态，围岩在重新趋于动态平衡的过程中，储存在其中的地下水中伴着软弱围岩中夹杂

5、的泥沙会在压力作用下突然向临空面涌出，宣泄到隧道内并造成严重破坏的。 需要指出的是，将突水和涌水严格的区分界定开来是比较困难的，因为划分的依据和标准跟隧道所处的地质环境、施工方法、支护技术等很多因素有关，在很多资料中都将突水和涌水甚至淋水混为一起。但事实上突水和涌水在形成机理、表现形式、产生后果和治理技术上有着明显的不同，突水突泥更多的是一种灾害，产生在正常的施工过程中，在人们的预料之外，是常规设计的支护措施所不能防备的，所以往往会造成严重的人身伤害和经济损失。为了提高对隧道突水突泥灾害的认识，分析其发生原因，根据原则的不同可以对突水突泥的类型进行划分。 2.2 突水突泥灾害的类型 2.2.1

6、按地质分类 根据隧道所处的地质条件和地下水运动规律，突水突泥灾害可总结为富水松散土层型、富水断裂破碎带型和富水岩溶型，其特征和危害性如表1所示。,5,小小草,6,小小草,2.3 突水突泥灾害的影响因素 突水突泥的发生一般需要满足两个条件：一是存在大型饱水构造并有一定规模的能量积蓄；二是存在打破原有系统稳定的外界干扰。由此分析，突水灾害发生通常与地质因素、水文气象因素和工程因素有关。地质因素包括地层岩性和地层构造，水文气象因素包括地下水状态和气象条件，工程因素可以概括为设计因素、施工因素和管理因素。 2.3.1地质因素 （1）地质岩性 地质的岩性对突水突泥起着重要的制衡作用。地质的岩性和岩石的结

7、构构造一般用岩体的完整状态或破碎程度来表示，因此可以认为，岩体构造越破碎，隧道围岩的稳定性就越差。比如在由砂土、黏土和卵石组成的岩层中，岩性多松散破碎，在水的作用下抗剪强度就会降低，就越容易发生突水突泥灾害。 （2）地层构造 突水突泥灾害发生的位置常受到地层构造控制。这是因为岩体中的节理、裂隙、层面、断层等结构面，比如在岩体的向斜核部和背斜翼部，岩层的接触面、滑动带，断层破碎带等部位，这些部位不仅容易汇水，易形成溶蚀裂隙和溶洞，是地下水的主要运移通道，而且往往岩石破碎、胶结程度差，降低了岩体整体强度，成为地下水突发的薄弱地带。 2.3.2 水文气象因素 （1）水 水是导致隧道突水的根本因素。水

8、对隧道突水突泥的影响主要表现在围岩的富水性和水压力上。当围岩中含地下水丰富，或者存在与之相通能够给予补充的地表水，当受到外界因素破坏稳定状态时，更容易发生突水突泥灾害，而当围岩含水量较小时，产生突水突泥的几率也会较低。一般来说，地下水流动会对岩体产生静水压力和动水压力，水压力越高，地下水的动能就越大，对岩层的冲刷作用也越强，当该压力超过隔水层或保护层的强度时，就会造成岩体破坏失稳，发生突水突泥。反之如果岩层中虽然含水，但水压力较低，则岩体虽然破碎但在开挖后也不一定会发生灾害。,7,小小草,（2）气象条件 突水突泥的发生除了和水文因素有关以外，还和气象条件有关，如气温高低、降水量大小等。气象条件

9、变化影响气温的高低、蒸发量的大小、降水量的多少以及地面径流量与渗透量之间的比例关系等。岩溶发育的过程受到气温的影响，气温越低，发育越缓慢，反之温度越高，岩溶发育越快。降水量的大小一方面影响地表水的下渗量和围岩中地下水的含水量，地表水大量下渗会使地下水补给增大，地层水位迅速上升，水压力增大。另一方面雨水在下渗过程中穿越空气和地层会形成游离的二氧化碳导致岩溶作用增强，此外地表水还会携带大量泥砂汇集到溶洞或暗河里，也会增加突水灾害的强度。 2.3.3 工程因素 突水突泥灾害的发生还受到工程因素的影响，比如设计方案、施工方法、管理水平等。 （1）设计因素 设计因素的影响主要体现在勘察和设计两个阶段。在

10、这个过程中，如果不能准确判断出隐藏的不良地质情况，或者虽然发现了不良地质却没有给予足够的重视，在设计方案中没有提出相关的预防措施，这些都为地质灾害发生种下了祸根。 要避免发生險道突水突泥地质灾害，就必须做好地质勘察工作，以便为设计工作提供详细的数据支持，进而不断优化隧道工程选线方案，避开富水溶洞或者岩溶破碎带等易爆发突水突泥灾害的不良地质段。 （2）施工因素 隧道进入施工阶段，一定会打破原有岩体的平衡，同时也会暴露出隧道洞身的各种不良地质。施工技术的革新和合理化的工艺改进可以在规避突水灾害的发生上起到一定作用，与之相对的是不合理的施工方案则可能导致突水灾害的产生。隧道修建过程中开挖和支护两个阶

11、段均会影响围岩的稳定性，从而影响突水突泥灾害发生。隧道的开挖方式如果没有跟围岩的强度相适应，就很易导致灾害发生，比如在级破碎围岩地区采用全断面爆破开挖，就极容易导致隧道塌方或者突水突泥的事故。隧道开挖之后的初期支护要尽快跟上，可以有效约束围岩变形，但如果支护强度不够或者支护方案不合理，导致支护结构和围岩没有形成有效整体来抵抗变形，围岩就会松动，强度降低，隔水性变差，从而引发灾害。 由于在勘测阶段要想完全准确的探明整条隧道完整的围岩地质情况是较为困难的，因此就必须在施工阶段加强地质调查和超前地质预报，以此来避免突水突泥地质灾害的发生。除加强好施工地质超前预报工作的外，必须对不同地质类型的隧道制定

12、有针对性施工方案和支护措施。,8,小小草,（3）管理因素 科学的施工管理对于防止突水突泥灾害的发生有着很大的影响。从过往发生的灾害统计来看，造成重大人员伤亡和经济损失的自然事故，虽然有因为技术落后不良地质难以预报的原因之外，没有科学的进行施工组织设计、没有按规定进行三级技术交底、没有强调施工安全的重要性、一味追求施工进度等等，这些管理的问题同样是灾害发生的主要因素。比如在隧道施工过程中按规定都必须要进行监控量测和地质预报，依靠其测量数据可以提前判断前方地质的情况，从而预防灾害的发生但如果管理人员知识水平不高，对施工现场变化的资料掌握不足，思想意识麻痹大意，就会忽视施工过程中出现的异常情况，没有

13、提前采取有效的预防错失，从而造成灾害的发生。 3隧道超前地质预报技术 3.1超前地质预报的目的和分类 超前地质预报的目的是在隧道施工过程中提前判断前方的地质和水文情况，为隧道施工提供地质资料，防止地质灾害发生，保障施工安全。具体来说，针对突水突泥的隧道超前地质预报的主要内容可以归纳如下： （1）预报掌子面前方的围岩性质和类别以及可能出现的构造断层和岩石破碎带的位置和长度； （2）定性的判断掌子面前方岩层中是否含水及定量的预测含水量的大小； （3）通过对隧道洞身范围内的岩体破碎地段、断层发育等不良地质的预测和分析，判断灾害发生的风险大小和概率，给掌子面的开挖提供指导。 对于多种多样的超前预报方法

14、，当前主要有根据预报设备能够预测的距离和预报技术采用的手段两种分类，如表3所示。,9,小小草,10,小小草,11,小小草,12,小小草,13,小小草,3.2.4地震波探测法的优缺点 法超前预报作为一种长期预报方法，其突出优点是预报距离长，而且它是依靠地震波的反射成像来识别不良地质体的位置，具有抗干扰能力强的特点，经过这些年不断应用改进，其预报技术已十分成熟，预报过程对施工进度影响小，数据计算和报告生成也较迅速，可以及时为施工提高参考资料。 法在实际运用中也逐渐发现一些问题，主要表现在两个方面： 由于数据采集过程中检波器和炮点布置隧道侧壁的一条直线上，得到的地震波反射信号是近乎零偏移的反射道集，

15、这就容易造成假异常和虚报、误报现象的出现，无法准确判断前方不良地质构造在坐标范围的具体位置，也不能对溶洞的形态、含水体的水量及水压等进行正确判断。 技术较目前改进的技术相比没有有效消除侧向波和面波干扰，导致成像的分辨率不足，虽然可以预测一些较大的地质异常体，但是不能很好的预测较小的不良地质体。,14,小小草,15,小小草,16,小小草,（3）参数设置 参数设置是关系到釆集数据质量的关键工作，主要设置增益函数和位置确定参数。地质雷达发射的雷达波在介质中传播时，电磁波能量会逐渐减弱，信号幅度相应地减小，不利于结果辨识，所以需要采用增益函数来提高信号的幅度，以便更容易显示和识别信号的细微变化，但是应

16、该避免增益过大，防止出现削波现象。 雷达剖面的最顶端并不是第一个反射面，这是因为主机给出发射指令到天线开始发射存在一定延迟时间，另外还有“直达波”的干扰存在。所以精确的定位，可以在探测时在地面放置一根电缆与测线正交，天线经过电缆时在剖面上会记录下电缆的位置，通过识别电缆就可以确定零线的位置。 （4）现场采集 地质雷达信号的触发方式有键盘触发、时间触发和测量轮触发三种。但由于隧道掌子面在开挖爆破后都不是平整光滑的，很难保证测量轮能够正常滚动，而且天线移动需要完全借助于人工，要想控制天线匀速移动前进较为困难，所以测量轮触发和时间触发都不适合在隧道工程中使用，只有键盘触发方式是通过电脑键盘控制雷达系

17、统发射信号，探测时天线按照设定的固定间距移动，每到一个点位敲击一下键盘，采集一处数据，在实践中通常采用该种方法。 3.3.3 图像解释 地质雷达采集到的反射信号经过处理之后便生成了可视化的雷达图像，从雷达图像中便可以得到前方岩体的性质和特征，这也是地质雷达超前预报的最终目的。地质雷达图像可以进行定量解释和定性解释，定量解释主要是判定异常体的大小及距掌子面的距离，定性解释主要是对不良地质体的性质及其规模进行预测。 相位是特定的时刻在一个波循环中的位置，地质雷达反射的相位能够对不良地质体做出准确的定性判断。在地质雷达图像剖面上，反射波同相轴形态基本能反应不良地质体的形态，当同相轴发生明显错动时，表

18、示存在破碎带或大的风化裂隙及含水量变化，同相轴发生局部缺失时表示存在裂缝、裂隙的发育。雷达反射波在时间剖面上雷达反射波波形发生畸变时往往是由于地下裂缝和不均匀体对雷达波的电磁弛豫效应造成的。因为含水率高的介质对雷达波反射强烈，所以当雷达波经过含水介质时，介质会吸收高频成分，反射波出现低频现象。 由以上各种雷达波的特征和响应规律，可以解译以下几种典型雷达图像： （1）完整围岩的地质雷达数据：雷达波反射平静，无明显反射信号，电磁波能量呈正常衰减趋势。 （2）构造破碎带：雷达剖面图上反射信号强，同相轴较连续，波形反映一般是与断裂带走势相同的一条曲线。 （3）富水溶洞：图像反射信号强烈，反映出由许多细

19、小的抛物线组成的一块较大区域的波形。,17,小小草,3.3.4 地质雷达法的特点 地质雷达作为一种较新的地球物理方法，由于其图像直观、分辨率高、成果解释可靠、成木低廉、操作简便和自动化程度高等优点，在近十年中得到了广泛的应用。该方法能够较准确的识别富水溶洞或含水裂隙，适合对含水体的位置、规模、和形状进行探测，是进行隧道掌子面前方不良地段预报比较理想的物探方法。 地质雷达的缺点是抗干扰能力弱，受到的干扰因素较多，不适合对强磁性岩体或含铁质较高的岩体，不适用电性差异较小的区域，此外地质雷达是短期预报，探测距离一般不不超过30m，施工过程中需要预报次数较多，对施工进度影响大。,18,小小草,19,小

20、小草,4.1.2工程地质条件 （1）地层岩性 隧道区上覆残坡积层（Qel-dl）粉质粘土；下伏三叠系下统安顺组（T1a）中厚层夹薄层白云岩、薄至中厚层灰岩，三叠系下统大冶组（T1d）薄层灰岩夹泥岩层。 （）地质构造 项目区内褶皱不复杂，岩层产状总体较缓，主要发育北东向的一系列断层。区域性的断裂构造现己稳定。 隧道场地区无断层，岩层呈单斜产出，进口段产状190240Z10、出口段产状180Z510，综合产状190Z10。 场地岩体节理裂隙发育情况。安顺组（T1a）白云岩，主要发育有3组：25Z85、200Z90、310Z85，走向0180，密闭性一般至较差，节理间距20400mm；下统大冶组（T

21、1d）灰岩层：25Z85、265290Z85。强风化密闭性差、中风化较好，节理间距20400mm。 4.1.3岩土构成 （1）覆盖层 粉质黏土（Qel-dl）：褐色、黄褐色，硬至可塑状，场区局部分布，厚度05m。 （2）基岩 隧道场地岩层为下伏三叠系下统安顺组（T1a）中厚层夹薄层白云岩、薄至中厚层灰岩，三叠系下统大冶组（T1d）薄层灰岩夹泥岩层。 隧道开挖段落范围内地层为三叠系下统安顺组（T1a）中厚层白云岩、薄至中厚层灰岩，为按岩体节理裂隙发育及风化程度分为强、中风化层。 白云岩 强风化白云岩：节理裂隙极发育，岩体极破碎，岩芯呈块状、砂状及短柱状，局部岩芯见可见晶洞，厚3.56.1m。中风

22、化白云岩：节理发育，岩体较破碎至较完整，岩芯多呈块状，局部岩芯见晶洞。 灰岩 强风化层：浅灰色，薄中层状，节理裂隙很发育，岩体破碎，岩芯呈块状、柱状，厚0.54m。中风化层：灰色，薄中厚层状，节理发育，岩体较完整，岩芯呈柱状、短柱状。,20,小小草,4.1.4水文地质 （1）地表水 隧道区内无地表河流。 （2）地下水 地下水类型及埋藏条件 隧道场区地下水类型为溶洞裂隙水，其中隧道中部坡谷部位有一泉点S1（YK136+543右216m），Q=0.20.8L/S，为上部山体基岩裂隙水下渗而出。隧道进口外右侧泉点S2（YK135+645右225m，位于公路边下部），该泉点位于地面以下约5m的沟内，水

23、沿水沟流出，水沟宽2m，现无水流出，可见水位（标高1152m），洪期水量大，据洪期水流量以及其靠近Y5溶洞分析，该泉点与溶洞相连通。 地下水的补给、径流、排泄 隧道场区地下水主要以靠自然降水补给，其中大部分经地表流失，少部分经基岩节理、风化裂隙、溶蚀裂深洞向下渗透，最后以泉点或散流形式在低凹处的沟谷部位排泄。总体上，隧道场地左高右低，地表及地下水自左向右径流。 4.1.5工程难点及处治方案 羊仓岩II号隧道为按双向六车道高速公路标准设计，单洞建筑限界净宽为14.75m，限界净高5m，跨度和截面积较大，且工程地质和水文地质复杂，开挖支护难度大，局部存在岩溶发育，施工中易发生突水现象。 在施工过程

24、中必须做好超前地质预报，具体采用TSP隧道地震探测仪进行远距离较宏观长期预报，然后采用地质雷达进行近距离预报。当预报处隧道前方地质的是富水不良地质时，需要适时采取超前预注浆措施进行封堵，为隧道开挖创造有利的地质条件，避免发生突水突泥灾害。,21,小小草,22,小小草,接收器孔 位置：掌子面后方约52m。 数量：1个，置于隧道右边墙内。 直径：4335mm孔深2m。 布置：沿轴径向，环氧树脂固结，向上倾斜2左右。 高度：离地面约1.0m。 炮孔 位置：在隧道的右边墙。第一个炮孔离接收器15m，其余炮孔间距约为1.5m。 数量：24个。 直径：38mm（2045mm）/孔深约1.5m。 布置：沿轴

25、径向，向下倾斜1020。 高度：离地面约1m。 （2）数据处理与图像判译 现场激发采集24炮全部合格，可用于数据处理和解释。收集的原始数据经过滤波、初至拾取、能量均衡、衰减参数评估、反射波提取、纵横波分离、速度分析、深度偏移和反射层提取后得到相关纵波和横波的时间剖面及深度偏移剖面（图6），最终生成成果显示图。,23,小小草,24,小小草,4.2.4 施工建议 根据TSP探测成果推断，掌子面前方ZK136+472和ZK136+488附近裂隙和层面较发育，局部存在滴水或渗水现象。建议加强监控量测和掌子面出水状态观察，若出现异常情况，建议实施地质雷达法超前地质预报，并加强安全施工与防护，防止灾害发生

26、。 4.3 地质雷达超前预报在羊仓岩II号隧道的应用 4.3.1 仪器设备及主要参数 预报探测采用瑞典RAMAC雷达主机（配100MHz屏蔽天线）及配套分析软件REFLEX，RAMAC地质雷达主要技术指标如下： 脉冲重复频率：100300（最高可达1000kHz）； 采样样点数：1288192； 采样频率：0.2100GHz； A/D转换：16位； 时窗范围：045700ns； 分辨率：5ps； 扫描速度：1000扫秒。 4.3.2地质雷达现场探测流程 对隧道进行地质雷达探测时主要按照以下流程进行： （1）对隧道掌子面的围岩情况进行详细观察，完成地质素描； （2）连接雷达主机和天线，完成与数据

27、采集电脑的连接和调试； （3）移除各种机械设备等干扰源，进入采集模式； （4）确定采集方式，根据提前设置好的测线布置进行数据采集。 （5）初步检查数据是否合格，不合格则进行重复测试。,25,小小草,26,小小草,（2）地质雷达图像解译 由于隧道掌子面不平整，数据采集采取点测测量的方法进行测量，测点间距0.1m。数据采集后通过地质雷达专用处理软件，对数据进行零线设定、增益补偿、带通滤波、滑动平均等滤波处理，根据雷达波波形、相位、频率和能量等参数得到雷达探测图。 （3）预报结论 掌子面前方范围内，地质雷达超前地质预报结论如下： 010m范围内无明显反射异常，推断此段岩体呈块状结构，裂隙较发育，此段

28、范围掌子面拱顶部岩体风化严重，多呈碎块状结构。 1022m范围雷达反射波反射异常，推测此段为一处裂隙密集带，节理裂隙发育，岩体较破碎且富水性较强，施工中易出现渗水现象，遇雨有突水或突泥可能。 2230m段无明显反射异常，推测此段岩体相对较完整，岩质较硬。 4.3.4 掌子面ZK136+352处的预报 采用相同方法，在掌子面ZK136+352处、采用地质雷达探测掌子面前方15m范围内的含水、空洞和破碎情况。 预报结论：掌子面前方左侧57m范围、右侧23m界面后方至探测深度15m范围内，雷达波呈现规律性的多次强反射，雷达波频率呈低频大幅度，反射波同相轴较好，推测此段为一处富水带 施工建议：结合地质

29、资料分析，ZK136+355ZK136+370区段围岩节理裂隙较发育，岩体破碎，且富水性强，施工中易出现涌水、塌方现象，建议施工中对富水裂隙带采取治理措施，加强超前支护。,27,小小草,2 软弱破碎围岩隧道施工方案选择,29,小小草,1 工程背景 我国山岭地区分布面积广，修建公路和铁路时经常要穿越这些山岭，随着铁路和公路等级的提升，隧道穿越成为一种常见方案。工程水文地质条件对隧道的建设会产生显著的影响：如果地质环境良好，具有稳定性能的围岩，那么可准确的预测到工程的工期、质量和成本，可保证工程如期按质完成；如果周围的环境软弱且易破碎，那么意味着围岩稳定性差，且施工人员无法明确获知围岩的应力分布，

30、围岩变形往往较大，在施工阶段很容易出现地质灾害，严重时会威胁到施工人员的生命安全。要想隧道施工可以如期、按质完成，且尽量避免工程事故，就应当对隧道周围环境充分的了解，选择合理的施工方案。 云桂铁路小寨隧道全长共计6486m，其中最大的深度为263米，最小的深度为11米。有三条断层贯穿整个隧道，隧道随时都有塌方的风险，具有很大的安全风险。尤其是在DK412+610到DK412+644、DK413+560到DK413+633，DK413+773到DK413+858等，这6段隧道岩体极为破碎、极为软弱。 本节依托云桂铁路小寨隧道工程，根据小寨隧道软弱围岩的特点，拟定适合软弱围岩施工的四个方案，并从施

31、工安全、质量、费用、难易程度及施工进度5个角度对四个方案进行比较；并定量评价四种方案的合理性，确定出该软弱围岩段最佳施工方案。,30,小小草,31,小小草,32,小小草,33,小小草,2.3 不良地质 不良地质是指对工程的施工建设不利或有不良影响的动力地质现象。小寨隧道地区主要不良地质现象如下： （1）岩溶：岩溶是指由于隧道地区的土壤中含有大量的碳酸盐物质，容易发生化学反应生成岩溶地貌，诸如落水洞，洼地和峰林等地形地貌。岩溶地区包括洼地地形，落水洞地形，和盲谷地形等。 岩溶洼地、漏斗：多数呈低谷形式的地形，形状为椭圆或者长条形。洼地和漏斗地形的走向多数是东西走向，在洼地的底部地区多数比较平坦，

32、但是有一定量的堆积物。 落水洞：在DK407+975向右五米左右的地区发现存在落水洞地形。该落水洞的洞121高度约为1100m，直径约1m，同时在洞口的下方存在一个高度、宽度均为8m的空腔部分，但该空腔内没有发现有积水现象。此外，在DK411+400向左六十米左右的地方也存在一个落水洞。该落水洞的洞口高度在2m左右，宽度约8m。 岩溶盲谷：在该隧道的入口处存在呈东西走向的盲谷，总体长度在一千二百米左右，末端地区存在一个落水洞。 （2）危岩落石：在DK407+852至+900段及的山坡地区，有很多白云质灰岩成分，这些灰岩厚度较厚，并层状排列。灰岩与地面之间呈三十度至六十度的角度。由于该地理的特殊

33、性质，使得在进口处的岩石承受的压力较大，从而产生了很多的裂纹，随着重力作用加大，裂纹逐渐增大，在陡峭山崖地区的岩石容易呈现下滑的趋势，对工程的施工造成威胁和阻碍。 （3）顺层：在隧道的入口处，属于E3b灰岩夹薄层砂岩的特殊地形，在坡脚处岩石层和地面之间的夹角大约为三十度至三十五度之间，在坡项处岩石和地面之间的夹角约为五十度。岩层和线路之间的夹角约为五度在十度之间。顺层的斜坡角度大约为三十度至五十八度之间。由于斜坡表面和岩石结构的表面的走向比较相似，边坡呈现出顺向的坡体结构。,34,小小草,3 软弱围岩段特征 3.1 软弱围岩组成 软岩的主要矿物成分是粘土矿物，另外一些碎屑矿物包括：云母、石英、

34、长石等。还有少数一些钙、铁质胶结构或游离氧化物。粘土矿物是指在软岩中，直径不大于千分之五毫米的颗粒，在粘土矿物中，富含大量的硅酸盐或铝硅酸盐成分。粘土矿物比较柔软，质量较轻。如果软弱围岩中的粘土矿物的含量增大的话，软岩就会由于强度体积的变化，而逐渐发生形变。 3.2 软弱围岩结构构造 软岩主要结构有泥质结构、粉砂泥质结构、砂泥质结构和残余结构。主要的粘土矿物的岩石精度较高，组成的晶型规范，并且晶体之间的作用力更大。如果软岩在一定的外部环境中发生了变质，往往会增加其硬度和稳定性，也可能会形成其他的地质构造。 3.3 软弱围岩段特征 小寨隧道DK412+500DK412+570段，位于老炭山1#、

35、2#断层之间。老炭山l#逆断层：断层与线路约相交于DK412+500，断层断于(Dlp)砂泥岩中，该岩石的基本形状是N700E/400SE。,35,小小草,3.3.1 工程特性 (1)工程地质特征 岩体破碎松散、粘结力差。在岩体受挤压过程中产生的层间滑移效应更加剧了岩石的碎裂化与糜棱化，因此整体围岩表现出结构疏松、强度低等特点。隧道穿越的泥质砂岩夹页岩以薄层状为主，属软质岩，岩层曾遭受多期构造运动影响，挤压断裂极为严重，产状十分紊乱，因此结构面软弱、易滑塌。 (2)变形与破坏特征 隧道正前方掌子面的水平鼓出； 掌子面前方围岩下沉，引起地表下沉，形成沉降槽； 刚开挖的洞壁出现收敛变形，拱项下沉和

36、边墙内移； 在埋深不大，地应力不高的情况下，二次应力也容易超过岩体的强度，使岩体出现较大的塑性变形； 3.3.2 力学性质和水理性质 (1)力学性质 由于施工工序转换与多次换拱不可避免地进一步扰动围岩，使得围岩力学性质进一步降低。表现为低弹性高塑性，即力学强度低。在地表部分历史不长的岩石具有塑弹体的性质，膨胀性较强。而历史相对悠久的软弱围岩其弹塑性更好，并且力学强度相对较大。 (2)水理性质 遇水软化。因为软岩的缝隙中有很多的水存在，岩石和水之间会发生相互的作用，导致岩石的变形，空隙的增大。,36,小小草,37,小小草,4.1.2 三台阶七步法施工特点 具有较大的施工空间，能够进行机械化以及多

37、元作业面的施工。可以使用挖掘机对软岩以及土质的地区进行挖掘，可以提高工作效率。 当地质条件改变时，能够对施工的工序进行灵活的转换，并对施工的方式进行调整。 对于跨度不同以及断面较多的形式比较适用，并且在操作方面比较便捷。 以台阶法挖掘为基础，将核心土预留出来，采取错开挖掘的方式进行左右挖，使开挖的工作面可以稳定。 当围岩发生较大程度的变形时，在对安全情况进行充分保证的情况下，对闭合时间进行调整从而防止围岩变形带来的影响。 4.1.3 三台阶七步法施工原则 采取这一方式进行施工要对台阶的长度尽可能的加以缩短，快速实现闭合成环，及时跟进仰拱以及拱墙衬砌，从而构造确保支护体系的稳定。 4.1.4 三

38、台阶七步法施工工艺流程 主要施工步骤如下：环向开挖上部弧形导坑，对拱部进行初期支护；采取错开的方式对中下台阶进行挖掘，对墙部进行初期支护；对核心土进行中心预留以及开挖，对隧道底部进行支护。 对于开挖的每一步进行之后都应当进行支护，在隧底开挖完成之后，要尽快做仰拱，从而进行封闭成环处理。,38,小小草,39,小小草,4.2.2 中隔壁法施工特点 各分部封闭成环时间短，结构受力均与，变形小； 且支护刚度大，施工时隧道整体下沉微弱； 地层变形较好控制。 4.2.3 中隔壁法施工原则 采取这一方式时必须对时空效应加以考虑，必须十分迅速地完成开挖，且每一步完成之后要及时使用喷射混凝土进行闭环处理，以防出

39、现工作面的松弛而导致的隧道的沉降。 4.2.4 中隔壁法施工工艺流程 中隔壁法可分为以下几个主要步骤：针对先行导坑的操作包括上中下部的开挖以及初期支护；针对后行导坑的操作包括上中下部的开挖与初期支护；最后要进行“仰拱超前浇筑”与“全断面二次衬砌”两个步骤。 4.2.5 中隔壁法施工应符合的要求 在挖掘过程中，应当保证周边轮廓的圆润，从而消散应力集中； 应当保证底部高程以及钢架衔接处的高度相一致； 应当在充分考虑地质情况以及整个隧道的断面的基础上确定开掘的具体高度； 当全断面在开掘后一侧时出现时，应当对其进行迅速闭合处理； 纵向间的距离在左右两侧施工过程中应当保持在15cm以内； 应当采取弧形的

40、方式对中隔壁进行设置，拱架宽度应当有二分之一的向左偏斜度； 在对二次衬砌灌注时，应当对中隔壁中的支护进行拆除，并且加强量测，每次都应将拆除的长度保持在15cm以内，并及时进行仰拱的施工。,40,小小草,41,小小草,4.3.2 交叉中隔壁法施工特点 每一步都应当进行自上而下的支护，并且环环相扣，紧密闭环，缩短每一部分之间的闭环时间； 对支护结构的变形、下沉等进行及时的组织，相较于其他的施工方法，可以对地面的沉降以及土体的位移进行有效的控制。 4.3.3 交叉中隔壁法施工原则 施工应遵循以下原则：一是小分部；二是短台阶；三是短循环；四是快封闭；五是勤量测；六是强支护。并且能够遵从先上后下、迅速闭

41、环、及时支撑、做好防护等措施。初期支护获得稳定之后，自上而下拆除临时中隔壁墙及临时仰拱，再进行施工。 4.3.4 交叉中隔壁法施工工艺流程 第一部，进行单循环为0.5m的开挖，并使用混凝土喷射4cm，然后搭建起工字钢架，再喷射混凝土，直到28cm。 第二部，在第一部基础上再进行单循环为0.5m的开挖，并使用混凝土喷射4cm，然后搭建起工字钢架，再喷射混凝土，直到28cm。 第三部在第二部基础上开展，此时第二部开挖已经达到35m的累计长度，然后进行单循环为0.5m的开挖，并使用混凝土喷射4cm，然后搭建起工字钢架，再喷射混凝土，直到28cm。 依次按分部开展，直至第六部完成。 当第六部已经达到一

42、定的长度之后，将临时钢架逐渐拆除，然后使用部进行灌注与回填。 采取隧道衬砲模板台车对隧道进行二次衬砌的一次性浇筑。 4.3.5 交叉中隔壁法应符合的要求 按照地质状况的限制以及隧道的断面情况，应当保证均匀的初期支护受力，通常而言，可以在水平方向上进行两部开挖，在垂直方向进行两至三层的开挖； 临时支撑在先行施工部位应当采取右向外的弯曲弧度。 应当进行由上而下的顺序进行每个环节的开挖以及支护，应当在开挖之后紧接着进行支护、中隔壁以及临时仰拱的搭建，从而形成闭环。 左右开挖在同一层面的工作面应当保持15cm以内的距离，垂直层面的工作面应当有34cm的距离，下一部的开挖应当以混凝土强度达到具体要求的7

43、0之后再开展。 每一个开挖面之间的间距应当被缩小，进而尽早形成闭环。 应当在仰拱浇筑之前对中隔壁以及临时仰拱进行拆除，并且长度应当大于15cm。,42,小小草,43,小小草,4.4.2 双侧壁导坑法施工特点 每个分块都是在开挖后立即各自闭合； 在施工中基本没有变形，施工安全。 4.4.3 双侧壁导坑法施工原则 双侧壁导坑法侧壁导坑通常拥有3050m的领先长度，必须保证一侧隧道的开挖不会对另一侧造成影响。 4.4.4 双侧壁导坑法施工工艺流程 双侧壁导坑法可分为以下几个主要步骤： 左侧洞室上台阶开挖及初支；左侧洞室下台阶开挖及初支；右侧洞室上台阶开挖及初支；右侧洞室下台阶开挖及初支；中间洞室上台

44、阶开挖及初支；中间洞室下台阶开挖及初支；仰拱防水及二衬的施工；拱部及边墙防水及二衬施工；中隔墙混凝土浇筑。 4.4.5 双侧壁导坑法施工应符合的要求 侧壁导坑形状宜近似于椭圆形断面，导坑断面宽度宜为整个断面的1/3。 土方开挖为人工开挖配合机械开挖，距离轮廓边缘线3040cm设置修面层，必须采用人工开挖保证开挖轮廓线圆顺。 各个洞室开挖后及时进行初支及临时支护，并尽早封闭成环。 4.5 施工方案比选原则 (1)施工条件，包括如下内容：一是施工队伍的施工能力；二是施工人员素质；三是施工管理水平：四是装备水平。应当将此因素考虑在内再进行施工方式的选择。 (2)地质条件，一般有以下几方面：一是围岩级

45、别；二是地下水；三是不良地质现象等。其中围岩级别是对于施工隧道的演示性质的综合评价，在选择施工方法时起到十分重要的作用。 (3)隧道的断面尺寸以及隧道的形状也会影响到施工方式的选择。 (4)隧道埋深的差异在地质条件相同的情况下会大大影响施工方式。 (5)施工方式还受到隧道的施工时间的影响。在生产条件均衡的情况下，工期对于开挖衬砌以及运输等都会起到决定性的作用，此外还会对以下因素产生影响：一是施工均衡进度；二是机械化水平；三是管理模式的要求。因此，当地质条件相同的情况下，相较于工期长的隧道，工期短的隧道更加要求高水平的机械化，更加严格的管理模式。 (6)由于隧道施工过程中会发生爆破行为，产生振动

46、，从而会导致地表下沉、地下水下沉、环境受到影响等一系列不良后果，因此，对于环境的保护也会成为施工方式选择的影响因素之一。 鉴于以上特点的影响，应当谨慎选择隧道的施工方式。目前软弱围岩隧道施工设计多采用双侧壁导坑法、CRD法(CD法)等等。且这些方法在具体实践中已经被运用于高速公路、客运专线等的施工中，并取得了不错的效果。此外，核心土法以及三台阶法等等也都表现出较好的效果。,44,小小草,4.6 四种备选方案比较 4.6.1 施工安全 (1)从隧道施工变形量测数据分析。CD法和CRD法在施工时，平均沉降量为15cm，平均水平收敛值为5cm；双侧壁导坑法在施工时，平均沉降量为9 cm，平均水平收敛

47、值为8cm。但是，总体而言，相较于其他施工方案，双侧壁导坑法可以更加迅速地进行收敛，稳定性较好。 (2)从隧道施工结构应力量测数据分析。CD法和CRD法的钢支撑最大应力是120MPa，位于临时仰拱和永久支撑的相交部位；双侧壁导坑法的钢支撑最大应力是117MPa，位于侧壁导坑中间部位。因此，双侧壁导坑法的应力要相对好些。 (3)若施工方式为双侧壁导坑法，那么，在开挖顶部弧形时会存在风险，但是其他三种施工方式则可以大大降低这种风险。 (4)由于临时仰拱的作用，CRD法可以对隧道的变形起到良好的抑制作用，且可以用仰拱作为平台来对隧道中可能的险情进行加固。 (5)三台阶七步开挖法规避了侧壁导坑法、中隔

48、壁法及交叉中隔壁法等需要拆除临时支护及受力转换造成不安全的因素，及时调整闭合时间，方便机械施工，利于施工工序转换。,45,小小草,4.6.2 施工质量 (1)当施工方式为双侧壁导坑法时，很难将位于弧形导坑内的钢支撑在同一断面内进行控制，在开挖项部的坑之后，如果没有办法将钢支撑也融为一体，那么会大大降低支护的承载力，其他三种方案没有此类问题。 (2)当底层含水量较大时，双侧壁导坑法的文明施工较其他三种方案难度大。 (3)在通风设计方面，双侧壁导坑法比其他三种方案更容易布置通风管路和保证通风质量。 4.6.3 施工费用 方案一投资总预算为2465.76万元；方案二投资总预算为8662.49万元；方

49、案三投资总预算为5578.26万元；方案四投资总预算为12346.75万元。 4.6.4 施工技术难易程度 (1)三台阶七步法掌子面稳定，易于对大的坍塌进行控制；并且采取的是分台阶作业的方式，每一步工序都比较简单，并且不同的工序之间可以相互配合从而实现流水作业；但是该方法每一个台阶的净空不足，会在一定程度上干扰人工以及机械的操作活动，每开挖一个台阶就有可能导致一次沉降和变形，由于每个台阶长度一定，因此，开挖面与仰拱之间的距离较远，不能及时封闭成环。 (2)相较于CD法，CRD需要做临时的仰拱，这是二者之间的区别。由于临时仰拱的作用，CRD可以较快形成闭环，对围岩变形进行有效的控制。因此在施工技

50、术难易程度上，CRD法较CD法容易。 并且这两种方法的断面面积都相对较小，可以保持隧道结构形成稳定，加之这两种方式的高度较大，因此，人工以及机械作业都比较便捷。但是采取这些方法需要较多的临时支撑，工序较多，且下道工序对上道工序的依赖性大，存在工序间的互相干扰，对现场操作以及具体的执行都有一定的影响。此外，在临时支撑的建构过程中需要耗费很多材料，在拆除时也比较费时，且易对隧道的稳定性带来影响。 (3)双侧壁导坑法施工时，会形成很多断面分块，具有较大的扰动，在首次进行支护时，需要较长的闭合时间，又因为每个分块都是开挖完成之后就马上进行了闭合，因此，基本不可能对其在施工中进行变形。因此该方法施工起来