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富水地質(zhì)條件對(duì)隧道施工的影響及對(duì)策工學(xué)論文
1、地下水的地質(zhì)環(huán)境
我國(guó)西南省份山多,且地質(zhì)復(fù)雜,地面和地下水豐富。有一座高速公路隧道位于哀牢山主峰地帶,該山是兩條江河水系的分水嶺。該條高速公路位于亞熱帶地區(qū),每年6-10月為雨季,年降雨量豐富。該路路線海拔1600-2200m,隧道采用上下行分離的雙洞單向行車雙車道結(jié)構(gòu),隧道單洞總長(zhǎng)6727m,上下行最大埋深分別為309m和331m.雖然隧道埋深達(dá)300余米,由于地表水和地下水極為豐富,地質(zhì)條件很差。
隧道的地質(zhì)構(gòu)造屬上三疊統(tǒng)—碗水組T3y地層,少量屬路馬組T3l地層。地質(zhì)構(gòu)造次級(jí)褶皺發(fā)育,受走向斷裂的干擾破壞,地層重復(fù)而構(gòu)造重迭、遞錯(cuò),使向斜支離破碎,殘缺不全。隧道圍巖的巖性相對(duì)比較復(fù)雜,硬質(zhì)巖有:板巖、含炭質(zhì)板巖、弱變質(zhì)灰?guī)r;超基入巖體。軟質(zhì)巖有:砂巖、泥巖。由于山體受大斷裂及次一級(jí)構(gòu)造的影響,隧道穿越自穩(wěn)性極差的炭質(zhì)板巖、泥巖、溶縫極為發(fā)育的灰?guī)r及較富水的砂巖及斷裂帶,強(qiáng)度較低,自穩(wěn)能力差,且?guī)r性經(jīng)常孌化,地質(zhì)條件惡劣,施工難度很大。
2、地下水的補(bǔ)給形式
隧道經(jīng)過區(qū)域水文、地質(zhì)條件極為復(fù)雜。隧道位置為一河流發(fā)源地,隧道沿線地表有三條常年水溝,隧道又兩次穿越該河的沖程層,地表水和地下水極為豐富,由于巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,地表水易成為地下水的補(bǔ)充。路線區(qū)域內(nèi)分布松散層孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水和基巖裂隙水三大類,其中基巖裂隙水分布最為廣泛,又以碎屑巖裂隙水為主。
松散層孔隙水在砂性土中相對(duì)較豐富,接受大氣降水補(bǔ)給,徑流排泄不暢,常年滯水,而粘性土,水量相對(duì)貧乏。碳酸鹽巖只在隧道部分出現(xiàn)了少量灰色灰?guī)r接受空隙水和炭巖裂縫水的補(bǔ)充。基巖裂隙水廣布于各類碎屑巖、變質(zhì)巖和巖漿巖中,其中以碎屑巖裂縫水為主;鶐r裂隙水接受大氣降水、地表水和其他水源的補(bǔ)給,水力梯度大,排泄運(yùn)移速度快。
路線附近農(nóng)民在隧道山體上曾有兩條農(nóng)田灌溉水渠,常年有水,隧道進(jìn)洞400m后,兩條農(nóng)田灌溉水渠的水已干枯,說明渠中水已沿裂隙從隧道中排出,可見山體裂縫發(fā)育,地表水很容易沿裂縫進(jìn)入隧道。
裂縫水從巖體裂縫楔入使巖體凝聚力降低,內(nèi)摩擦角減小,力學(xué)強(qiáng)度降低,易引起塌方。由于隧道地段常年有裂隙水從巖體涌出,特別在巖性變化界面處涌水尤為突出。總之,由于水文地質(zhì)條件復(fù)雜,水是影響隧道施工的主要因素。
根據(jù)施工《地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)記錄卡》也可證明,隧道幾次發(fā)生塌方的地段就是地下水豐富的地段,所以,在相同的圍巖情況下,有水和沒水對(duì)巖體的整體穩(wěn)定性影響極大,也可以說,構(gòu)成隧道圍巖穩(wěn)定的因素,不僅僅取決于圍巖的類別或強(qiáng)度,水的影響已成為最主要的因素。
在整個(gè)施工過程中,水的問題始終是一個(gè)困擾施工安全、質(zhì)量和進(jìn)度的關(guān)鍵性問題,工程質(zhì)量在某種程度上就決定于對(duì)水的處理上是否成功。
3、對(duì)地下水的處理措施對(duì)地下水的處理,其總體思路是:堵、疏、防相結(jié)合綜合治理的原則。
3.1 對(duì)碳質(zhì)板巖區(qū)域裂隙水的處理碳質(zhì)板巖片理化程度高,片理面之間充填物主要是有機(jī)質(zhì)、滑石、蛇紋石,較寬的片理面之間還有泥沙質(zhì)充填物,方解石巖脈順著橫切片理面的節(jié)理縫侵入,所以開挖后很可能沿著片面滑塌,也可能沿向深層貫通的節(jié)理縫產(chǎn)生大型塌方。在這樣的圍巖條件下,裂隙水也最容易富集,大型塌方也就最易發(fā)生,所以在這種圍巖條件下,處理好地下水就顯得尤為重要。
3.1.1超前支護(hù)通過超前預(yù)報(bào)的手段提前發(fā)現(xiàn)富集水的情況后,加固已開挖好的支護(hù),對(duì)掌子面在富水區(qū)域增打排水孔,等流水量小于14L/s,打4~8米長(zhǎng)的超前孔,插入花孔超前小導(dǎo)管,注C.S漿液,C.S漿液的配比為水泥:水玻璃=1:0.5,水灰比為0.7~0.9,水玻璃模數(shù)m=3,波美度Be=35,注漿初壓0.5~1Mpa,終壓2~2.5Mpa,做超前支護(hù)后再進(jìn)行打孔開挖。
3.1.2初期支護(hù)開挖后立即噴鋼纖維混凝土封閉,鋼纖維用佳密克絲RC6535BN型,參量35Kg/m3,初噴厚度3~5cm,對(duì)側(cè)壁富水區(qū)增打排水孔,插入φ42的橡皮軟管把水從側(cè)壁引出,如果面積較大,排水孔位置最好采用梅花形布置,架設(shè)16#工字鋼,間距0.8米,采用WTD25L=350mm錨桿鎖固,錨桿間距為80cm,梅花形布置,再噴混凝土至找平工字鋼,噴混凝土后的側(cè)壁除引水區(qū)外,其它區(qū)域不準(zhǔn)有線狀漏水現(xiàn)象,否則增打排水孔,重新噴鋼纖維混凝土封閉。
3.1.3二次支護(hù)把初期支護(hù)的橡皮軟管貼洞壁加長(zhǎng)引至下部排水溝,按初期支護(hù)后側(cè)壁的滴水情況布置彈簧排水管,彈簧排水管緊貼洞壁從隧道頂部沿同一樁號(hào)向兩側(cè)下引至下部排水溝,彈簧排水管一般情況下可以15米設(shè)置一道排水管,但在滴水嚴(yán)重的部位可以3~5米增設(shè)一道排水管,順次鋪設(shè)350g/m2土工布和防水板,鋪設(shè)要求緊貼巖面。澆筑二襯混凝土,為了避免在澆筑混凝土的過程中橡皮管受擠壓而堵塞,順著橡皮管的走向外面包一層3mm厚的鐵皮,因彈簧排水管自身有一定的強(qiáng)度,所以不必采用特殊的保護(hù)措施。
3.2 對(duì)石灰?guī)r區(qū)域的巖溶水的處理巖溶水的最大特點(diǎn):集中、量大,相對(duì)來(lái)說流水面不是很寬,因?yàn)槭規(guī)r的節(jié)理沒有板巖和砂巖發(fā)育,孔隙水和裂隙水相對(duì)來(lái)說較小,但地下水從溶洞排出,水頭壓力幾乎不受外阻力折減,外水壓力全加到直接阻擋水頭的巖面上,如果擋水巖面失去支承力后,就很難在自重、圍巖壓力和水壓力作用下保持自穩(wěn)。
3.2.1超前支護(hù)在石灰?guī)r區(qū)域,這種溶洞會(huì)經(jīng)常出現(xiàn),溶洞出現(xiàn)后,要么有高壓力的巖溶水,要么有大量泥沙流,液體壓力都很高,破壞性很大,所以超前支護(hù)就顯得尤為重要,在探明前方地質(zhì)情況后,打孔排水、排沙,因?yàn)閹r溶水具有量大、集中的特點(diǎn),所鉆排水孔孔徑稍大且集中,這樣有利于水的快速排出,石灰?guī)r區(qū)域如果巖石條件好,圍巖能達(dá)到Ⅲ~Ⅳ級(jí),就可以不用注漿固結(jié),但必須等到流水量減至14L/s以下,才可以進(jìn)行開挖,以免因水壓力過大,開挖后支撐薄而產(chǎn)生塌方。
3.2.2初期支護(hù)開挖后如果溶洞洞徑小于0.8米,用16#工字鋼頂死五分鋼板封堵洞口,五分鋼板上鉆φ42孔,引φ42橡皮管排水,橡皮管的里口用土工布包好,然后用泵送混凝土填實(shí)空腔,如果溶洞洞徑達(dá)到1米或大于1米,洞口需埋間距0.8~1米的工字鋼,工字鋼上先鋪一部分五分鋼板,用厚1米的漿砌片石封口,洞徑小于0.8米,再用前面的方法封堵,外噴鋼纖維混凝土封閉,找平工字鋼。
3.2.3二次支護(hù)出現(xiàn)溶洞的位置最少要安置一道彈簧排水管,其它方面同前面的二襯方法。
3.3 對(duì)砂巖區(qū)域的孔隙水、裂隙水的處理砂巖一般呈塊狀、層狀。塊狀砂巖為砂狀結(jié)構(gòu),粒徑2~0.5mm,受水浸泡后結(jié)構(gòu)變得疏松,強(qiáng)度降低。層狀砂巖為粉砂結(jié)構(gòu),粒徑0.05~0.005mm,層理發(fā)育,更為發(fā)育者為片狀,三維抗壓強(qiáng)度差別很大,δc>60 Mpa,而δa、δb在5~20 Mpa之間,有很明顯的方向異性,且節(jié)理發(fā)育,受水的影響很大,層理面、節(jié)理面之間飽和水時(shí)面與面之間粘結(jié)力大大減弱,這種情況下很容易導(dǎo)致塌方。片理化程度很高的砂巖一般產(chǎn)生于兩種巖石的接觸面之間,由于受到強(qiáng)烈地質(zhì)改造而產(chǎn)生蝕變,蝕變后的砂巖,地下水在這種部位往往很發(fā)育。
塊狀砂巖在公路巖石等級(jí)劃分中大多能達(dá)Ⅳ類圍巖的標(biāo)準(zhǔn),節(jié)理一般不太發(fā)育,孔隙水對(duì)隧道開挖和支護(hù)后的穩(wěn)定影響不大,不用超前支護(hù),初期支護(hù)采用噴混凝土封閉即可,二次支護(hù)按一般支護(hù)形式;層狀砂巖的支護(hù)參照碳質(zhì)板巖的支護(hù)形式,砂巖區(qū)域除裂隙水外,孔隙水也比較發(fā)育,初期支護(hù)后,由于孔隙水的散失,穩(wěn)定變形量比較大,隧道開挖半徑為:R洞+r留,其中R洞=5.95m(隧道開挖半徑),r留=0.12m(開挖預(yù)留變形量),松動(dòng)圈的影響范圍較大,所以采用WTD25L=450mm錨桿鎖固,錨桿間距為80cm,梅花形布置,噴混凝土封閉,再作二次支護(hù),支護(hù)形式同碳質(zhì)板巖區(qū)域的支護(hù)形式。
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