特殊地质地段之黄土隧道开挖施工技术.ppt
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1、特殊地质地段之黄土隧道特殊地质地段之黄土隧道开挖施工技术开挖施工技术黄土的主要工程性质:1 1、黄土是第四纪干旱及半干旱气候条件下风积而成的一种特殊沉积物。颜色、黄土是第四纪干旱及半干旱气候条件下风积而成的一种特殊沉积物。颜色多呈淡黄、灰黄色或褐黄色。粉粒多呈淡黄、灰黄色或褐黄色。粉粒(0.075(0.0750.0050.005毫米毫米)含量常超过一半以上,含量常超过一半以上,兰州及以北及陇西地区甚至达兰州及以北及陇西地区甚至达60607070,且其中主要是,且其中主要是0.050.050.010.01毫米的粗毫米的粗粉粒;砂粒粉粒;砂粒(0.0750.075毫米毫米)含量较少,一般只有百分之
2、几,且其中主要的是含量较少,一般只有百分之几,且其中主要的是0.10.10.050.05毫米的粉砂;粘粒毫米的粉砂;粘粒(0.0050.005毫米毫米)含量较小。含量较小。2 2、黄土在天然含水量时,呈坚硬或硬塑状态,陇西及兰州高阶地地区黄土具、黄土在天然含水量时,呈坚硬或硬塑状态,陇西及兰州高阶地地区黄土具有中等的强度和中等偏高的压缩性,遇水浸湿后,在自重作用下也会发生剧有中等的强度和中等偏高的压缩性,遇水浸湿后,在自重作用下也会发生剧烈而大量的湿陷性变形土体强度也随之迅速降低;陇东地区黄土具有中等偏烈而大量的湿陷性变形土体强度也随之迅速降低;陇东地区黄土具有中等偏高的强度和中等偏低的压缩性
3、。高的强度和中等偏低的压缩性。3 3、黄土形成年代愈久,湿陷性越小甚至不具湿陷性。反之,形成年代愈短,、黄土形成年代愈久,湿陷性越小甚至不具湿陷性。反之,形成年代愈短,其特性相反。其特性相反。4 4、黄土的孔隙率、孔隙比愈大,土质越松散,湿陷性越强烈,反之,湿陷性、黄土的孔隙率、孔隙比愈大,土质越松散,湿陷性越强烈,反之,湿陷性越小。越小。黄土的一般地质特征黄土的一般地质特征1黄土的基本色调为黄褐、浅黄、棕黄等颜色。2组成物质以粉粒(0.050.005mm)为主,约占60%,粘土粒(0.005mm)含量次之,占20%左右,大于0.25mm的颗粒少见。3结构疏松、无层理,具有肉眼可见的大孔隙、垂
4、直节理发育。4含易溶盐类,主要矿物组成有石英、长石、云母、碳酸盐类胶结物及粘土矿物。5抗水性极差,易于崩解、潜蚀、冲刷。6新黄土多具有湿陷性。黄土的地质特性:1、胀缩性胀缩性黄土遇水体积膨胀,使其上面的路面隆起,干燥后体积收缩,并使其上面的路面黄土遇水体积膨胀,使其上面的路面隆起,干燥后体积收缩,并使其上面的路面下沉。如此反复路面形成裂缝及剥落,降低公路使用寿命。下沉。如此反复路面形成裂缝及剥落,降低公路使用寿命。2、崩解性崩解性新黄土孔隙较大,岩性疏松,浸入水中后,吸水湿化,很快全部崩解;而老黄土新黄土孔隙较大,岩性疏松,浸入水中后,吸水湿化,很快全部崩解;而老黄土孔隙较小,岩性紧密,则需经
5、一段时间才崩解,红色黄土孔隙很小,岩性紧密,浸水孔隙较小,岩性紧密,则需经一段时间才崩解,红色黄土孔隙很小,岩性紧密,浸水后基本不崩解。后基本不崩解。3、多孔裂隙性、多孔裂隙性黄土具有很高的空隙度。黄土中的空隙呈垂直或倾斜的管状,以垂直为主,上下黄土具有很高的空隙度。黄土中的空隙呈垂直或倾斜的管状,以垂直为主,上下贯通。贯通。4、强度衰减性、强度衰减性黄土的强度随含水量的增大而减小。在天然含水率的情况处于较坚硬的状态,具黄土的强度随含水量的增大而减小。在天然含水率的情况处于较坚硬的状态,具有一定的强度。但浸湿后不易干燥,强度急剧下降,过湿则形成弹簧土。有一定的强度。但浸湿后不易干燥,强度急剧下
6、降,过湿则形成弹簧土。5、湿馅性、湿馅性黄土在外加荷载有土体自重的作用下,受水侵湿后,因土体结构破坏,而发生大黄土在外加荷载有土体自重的作用下,受水侵湿后,因土体结构破坏,而发生大量剧烈的附加下沉,即形成湿馅。量剧烈的附加下沉,即形成湿馅。6、渗水性、渗水性因黄土具有胀缩性,多次反复形成裂缝,降水后,水从裂缝中下渗,渗入深度增因黄土具有胀缩性,多次反复形成裂缝,降水后,水从裂缝中下渗,渗入深度增加;又因黄土具有大孔隙垂直节理等特性,其垂直方向的渗透性较水平方向为大;但加;又因黄土具有大孔隙垂直节理等特性,其垂直方向的渗透性较水平方向为大;但粘粒含量较多的黄土成为透水不良或不透水的土层。粘粒含量
7、较多的黄土成为透水不良或不透水的土层。黄土是第四系堆积的陆相沉积物,是半干旱气候条件下形成的并有针状孔隙、垂直节理的特殊土。按形成时代和结合工程建设的特点,常将黄土分为老黄土和新黄土;非湿陷性黄土和湿陷性黄土等。黄土在一定压力作用下,受水浸湿后,土的结构受到破坏而发生显著下沉现象的,称其为湿陷性黄土。开始出现湿陷时的压力,称为湿陷起始压力,湿陷起始压力一般有随深度而渐增的趋势。黄土受水浸湿后在自重压力下发生湿陷的,称自重湿陷性黄土;在自重压力下浸湿不发生湿陷,但在附加压力下发生湿陷的,称非自重湿陷性黄土。含水量对黄土的力学性质有重要影响,进而影响隧道的稳定性。黄土含水量可以分为三个等级,针对不
8、同黄土含水量采用不同的支护、加固措施。黄土隧道是指修建于黄土体内的隧道。相对于一般岩石而言,黄土强度低,遇水软化或湿陷,所以,黄土隧道施工中极易发生洞内坍塌和地表沉陷等问题。我国黄土地区自西向东主要分布在新疆、青海、甘肃,宁夏、陕西、山西、河南、河北、山东、内蒙古、辽宁,吉林等地,总面积达631000km2,占国土面积的6.6%左右。湿陷性黄土对工程建设的影响很大,主要分布在黄土层的表层,以新黄土及新近堆积的黄土为主,其厚度一般在20m以内。由于黄土隧道分布广,施工难度大,建成后出现问题多,我国从上世纪60年代起,铁路系统和公路系统先后进行了数十项专题研究,并取得了富有成效的科研成果,为我国成
9、功建设大量黄土隧道奠定了基础。黄土地貌黄土地貌黄土地貌一般可分为“塬、梁、峁”三大类型以及河谷阶地、冲积和洪积平原等。1黄土塬:面积较大的平坦高地,有陡峻边缘,通常由黄土所构成,在黄土塬顶部表层广泛分布着黄土质土。2黄土梁:地形呈长条状的垄岗,两旁夹以深谷,垄岗高度大体保持一致。也是由黄土所构成,但也有少数上更新统和全新统新近堆积的黄土质土,如陇中、陇东、陕北、晋南、柴达木盆地香日德附近等地区。3黄土峁:指个体独立或连续的黄土丘陵,由于地形严重切割,沟谷斜坡地带往往分布着新近堆积的湿陷性强的黄土质土。4河谷阶地:包括现代河流的河漫滩、超漫滩,低级阶地、高级阶地、河谷范围内的各种斜坡地带以及河谷
10、两侧的一些沟谷等地貌。5冲积洪积平原:分布着全新统的黄土质土,一般具有较弱的湿陷性,当含粘土颗粒较多时,湿陷性较小或无湿陷性,如陕西关中、河南、河北等黄土冲积洪积平原。黄土堆积时代主要在第四纪,包括老黄土和新黄土。老黄土是下更新统的午城黄土(Q1)和中更新统的离石黄土(Q2)的统称,其大孔结构多经压密,一般没有湿陷性或仅在Q2黄土的上部有轻微湿陷性。覆盖在上述黄土上部硬阶地上的上更新统马兰黄土(Q3)及全新统的新近堆积黄土(Q4),称为新黄土,土质均匀,较疏松,大孔和虫孔发育,具垂直节理,有较严重的湿陷性。黄土地层对隧道施工的影响主要有:(1 1)黄土节理:在红棕色或深褐色的古土壤黄土层,常具
11、有各方向的构造节)黄土节理:在红棕色或深褐色的古土壤黄土层,常具有各方向的构造节理,有的原生节理呈理,有的原生节理呈X X型,成对出现,并有一定延续性。在隧道开挖时,土体型,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。如果这种地层位于坑道顶部,则极易产生容易顺着节理张松或剪断。如果这种地层位于坑道顶部,则极易产生“塌顶塌顶”。如果位于侧壁,则普遍出现侧壁掉土,若施工时处理不当,常会引起较。如果位于侧壁,则普遍出现侧壁掉土,若施工时处理不当,常会引起较大的坍塌。大的坍塌。(2 2)黄土冲沟地段:隧道在黄土冲沟或塬边地段施工时,当隧道在较长的范)黄土冲沟地段:隧道在黄土冲沟
12、或塬边地段施工时,当隧道在较长的范围内沿着冲沟或塬边平行走向,而覆盖较薄或偏压很大的情况下,容易发生围内沿着冲沟或塬边平行走向,而覆盖较薄或偏压很大的情况下,容易发生较大的坍塌或滑坡现象。较大的坍塌或滑坡现象。(3 3)黄土溶洞与陷穴:黄土溶洞与陷穴,是黄土地区经常见到的不良地质现)黄土溶洞与陷穴:黄土溶洞与陷穴,是黄土地区经常见到的不良地质现象,隧道若修建在其上方,则有基础下沉的危害。隧道若修建在其下方,常象,隧道若修建在其上方,则有基础下沉的危害。隧道若修建在其下方,常有发生冒顶的危险。隧道若修建在其邻侧,则有可能承受偏压。有发生冒顶的危险。隧道若修建在其邻侧,则有可能承受偏压。(4 4)
13、水对黄土隧道施工的影响;在含有地下水的黄土层中修建隧道,由于黄)水对黄土隧道施工的影响;在含有地下水的黄土层中修建隧道,由于黄土在干燥时很坚固,承压力也较高,施工可顺利进行。当其受水浸湿后,呈土在干燥时很坚固,承压力也较高,施工可顺利进行。当其受水浸湿后,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,如果支护措施满足不了变化后的情况,极容易造成坍塌。力,如果支护措施满足不了变化后的情况,极容易造成坍塌。黄土地层对隧道施工的黄土地层对隧道施工的原则:原则:短开挖;少扰动;强支护;实回填;严治水;勤测量。钢
14、筋、模板、砂、石、钢筋、模板、砂、石、水泥、外加剂、止水水泥、外加剂、止水带、带、减水剂、粉煤灰、减水剂、粉煤灰、锚杆锚杆黄土地层对隧道施工黄土地层对隧道施工的原则:的原则:黄土地层对隧道施工的施工方法:(1 1)黄土隧道施工,应做好黄土中构造节理的产状与分布状况的调查。对因构造节理)黄土隧道施工,应做好黄土中构造节理的产状与分布状况的调查。对因构造节理切割而形成的不稳定部位,在施工时加强支护措施,防止坍塌,以策安全施工。切割而形成的不稳定部位,在施工时加强支护措施,防止坍塌,以策安全施工。(2 2)施工中应遵循)施工中应遵循“短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤量测短开挖、少扰动、强支
15、护、实回填、严治水、勤量测”的施工原的施工原则,紧凑施工工序,精心组织施工。则,紧凑施工工序,精心组织施工。(3 3)开挖方法宜采用短台阶法或分部开挖法(留核心法),初期支护应紧跟开挖面施)开挖方法宜采用短台阶法或分部开挖法(留核心法),初期支护应紧跟开挖面施作。作。(4 4)黄土围岩开挖后暴露时间过长,围岩周壁风化至内部,围岩体松弛加快,进而发)黄土围岩开挖后暴露时间过长,围岩周壁风化至内部,围岩体松弛加快,进而发生坍方。因此,宜采用复合式衬砌,开挖后以喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢支撑作生坍方。因此,宜采用复合式衬砌,开挖后以喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢支撑作初期支护,以形成严密的支护体系。
16、必要时可采用超前锚杆、管棚支撑加固围岩。在初期支护,以形成严密的支护体系。必要时可采用超前锚杆、管棚支撑加固围岩。在初期支护基本稳定后,进行永久支护衬砌。衬砌背后回填要密实,尤其是拱顶回填。初期支护基本稳定后,进行永久支护衬砌。衬砌背后回填要密实,尤其是拱顶回填。(5 5)做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程,并妥善处理好陷穴、裂缝,以免地面)做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程,并妥善处理好陷穴、裂缝,以免地面积水浸蚀洞体周围,造成土体坍塌。在含有地下水的黄土层中施工时,洞内应施作良积水浸蚀洞体周围,造成土体坍塌。在含有地下水的黄土层中施工时,洞内应施作良好的排水设施。水量较大时,应采用井点
17、降水等法将地下水位降至隧道衬砌底部以下,好的排水设施。水量较大时,应采用井点降水等法将地下水位降至隧道衬砌底部以下,以改善施工条件加快施工速度。在干燥无水的黄土层中施工,应管理好施工用水,不以改善施工条件加快施工速度。在干燥无水的黄土层中施工,应管理好施工用水,不使废水漫流。使废水漫流。黄土隧道施工的注意事项:(1)施工中如发现工作面有失稳现象,应及时用喷射混凝土封闭、)施工中如发现工作面有失稳现象,应及时用喷射混凝土封闭、加设锚杆、架立钢支撑等加强支护。加设锚杆、架立钢支撑等加强支护。试验表明,在黄土隧道中喷射混凝土和砂浆锚杆作为施工临时支试验表明,在黄土隧道中喷射混凝土和砂浆锚杆作为施工临
18、时支护效果良好。护效果良好。(2)施工时特别注意拱脚与墙脚处断面,如超挖过大,应用浆)施工时特别注意拱脚与墙脚处断面,如超挖过大,应用浆砌片石回填。如发现该处土体承载力不够,应立即采取相应措施进行砌片石回填。如发现该处土体承载力不够,应立即采取相应措施进行加固。加固。(3)黄土隧道施工,宜先作仰拱,如果不能先作仰拱时,可在)黄土隧道施工,宜先作仰拱,如果不能先作仰拱时,可在开挖与灌筑仰拱前,为防止边墙向内位移,应加设横撑。开挖与灌筑仰拱前,为防止边墙向内位移,应加设横撑。(4)施工中如发现不安全因素时,应暂停开挖,加强临时支护,)施工中如发现不安全因素时,应暂停开挖,加强临时支护,以便采取适应
19、性的工序安排。以便采取适应性的工序安排。施工案例:郑西铁路客运专线秦东隧道工程特征分析工程特征分析(一)工程特点(一)工程特点1、技术标准高、质量要求严技术标准高、质量要求严本客运专线基础工程要求满足基础工程要求满足350km/h350km/h设计时速目标设计时速目标;采用无碴轨道系统,工后沉降量控制在工后沉降量控制在15mm15mm范围内范围内;基础工程基础工程100100年使用寿命的要年使用寿命的要求求;因而对隧道开挖、支护、基底处理、二衬砌等每一道工序的施工工艺质量都提出了很高的要求。2、围岩自稳能力差、开挖断面大、防排水要求高围岩自稳能力差、开挖断面大、防排水要求高本隧道为黄土隧道,围
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