CN111365072B - 一种裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察结构及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察结构及方法，包括：巨型洞室开挖支护预设计；中导洞开挖；记录中导洞的裂隙位置、规模、产状、性质，综合地质分析后，推测出整个巨型洞室范围内地质条件和裂隙分布情况；左边导洞和右边导洞开挖；记录揭露出的左边导洞和右边导洞的裂隙位置、规模、产状、性质，并与中导洞记录情况比对；连线确定整个巨型洞室内裂隙分布等地质结构体情况；综合分析裂隙位置、规模、产状、性质，进行岩土工程评价，提供设计、施工所需的岩土参数、岩体分界和岩体完整性情况，计算软件数值模拟，调整确定巨型洞室支护参数和施工方案；开挖预留岩柱，形成整个巨型洞室。本发明确保大跨度巨型洞室的安全施工和快速完成。
Description
技术领域
本发明涉及隧道和地下工程勘察设计与施工技术领域，尤其涉及一种裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察结构及方法。
背景技术
地下施工是在地应力环境之中展开的，开挖将使工程周围岩体失去原有的平衡状态，使其在一个有限的范围内产生应力重新分布，这一应力重分布是地下岩石自行组织稳定的过程，因此，充分发挥围岩的自稳能力是实现岩体地下工程稳定最经济、最可靠的方法。可当岩体因断层、裂隙、节理密集带等地质结构面较多，岩体无法进行自稳时，将引起岩体产生变形、位移甚至破坏。
地质资料是洞室围岩稳定计算的基础，数值计算只有正确的“输入”才能有合理的“输出”，有效搜集到正确的地质信息是隧道施工安全的前提条件。岩体并不是绝对完整的，破裂是岩石的特征之一，多裂隙岩体因不连续破裂面组成的结构面，往往是随机集合而成的。前期勘察阶段所收集的地质信息时常并不能够全面地提供隧道开挖面前方的地质情况，可能会遗漏某些地质灾害，特别是断层和岩溶地区的岩溶形态多变所带来的施工困难。现有的勘察手段，多为“点”状勘探，可直观的取得地质信息，如裂隙的问距，但有的像裂隙长度往往很难确定；而工程物探，则受环境因素的干扰和仪器测量精度的局限等因素影响，往往不能完全揭露地质的复杂状况。
目前世界上超大跨度洞室少之又少，再因地质岩性差异可借鉴方案几乎为零，洞库支护设计实际上多是根据其它大型开挖工程的一般经验而定，而不是完全根据规范标准分类或有限元、FLAC3D、MIDAS、3DEC等计算软件来确定。而裂隙分布状态更直接决定了大跨巨型洞室的稳定性，因此巨型洞室开挖对裂隙分布精确探测的要求很高。
盲目施工的危害之大，不言而喻。地质环境的不可预知性决定了隧道工程的风险之高，如何准确预判裂隙结构面发育情况，掌握不良地质体分布形态，是地下工程设计和施工的重要前提。传统勘察方法很难精确查明岩层的裂隙发育情况和可能塌落块体的分布，给巨型跨度洞室稳定性分析和支护设计带来很大难度，因此提出导洞勘察法来精确探明巨型洞室范围内岩体当中的裂隙结构面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察结构及方法，确保大跨度巨型洞室的安全施工和快速完成，减小施工风险和提高施工效率，减小了施工坍塌掉块安全风险。
为实现上述目的，本发明的一种裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察方法的具体技术方案为：
一种裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察方法，包括以下步骤：
步骤一，进行巨型洞室开挖支护预设计；
步骤二，进行中导洞开挖；
步骤三，中导洞揭露出岩体裂隙时，现场记录裂隙位置、规模、产状、性质，综合地质分析后，初步推测出整个巨型洞室范围内地质条件和裂隙分布情况；
步骤四，进行左边导洞和右边导洞开挖；
步骤五，左边导洞和右边导洞开挖过程中，现场记录揭露出的裂隙位置、规模、产状、性质，并与中导洞记录情况比对；通过三个导洞揭露出的裂隙产状形态，连线确定整个巨型洞室内裂隙分布等地质结构体情况；
步骤六，根据导洞实际开挖揭露的地质情况综合分析裂隙位置、规模、产状、性质后，进行岩土工程评价，提供设计、施工所需的岩土参数、岩体分界和岩体完整性情况，通过计算软件数值模拟，调整确定巨型洞室支护参数和施工方案；
步骤七，根据调整后的参数开挖预留岩柱，形成整个巨型洞室。
一种裂隙岩体巨型洞室的导洞精确勘察结构，巨型洞室通过分区分序包括中导洞、左边导洞、右边导洞，其中：
中导洞位于待开挖巨型洞室的中部拱顶，形状为直墙拱形，拱部形状利用巨型洞室拱部开挖轮廓线；
左边导洞和右边导洞位于巨型洞室的两侧拱脚，与中导洞呈品字形布置，边墙和拱部形状利用巨型洞室开挖轮廓线。
本发明的一种裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察结构及方法的优点在于：
1)适用于建设巨型洞室隧道，利用导洞法开挖揭露裂隙结构面推测巨型洞室范围内地质条件和潜在不良地质体；利用纵向导洞能够精确查明巨型洞室范围内裂隙分布情况，使得支护参数和施工方案更有针对性，确保大跨度巨型洞室的安全施工和快速完成；
2)在多裂隙岩体巨型洞室设计施工过程时，可以在巨型洞室成型前(即开挖预留岩柱前)，有效探明整个巨型洞室不良地质体的发育规模及性质，利用纵向导洞精确查明巨型洞室范围内裂隙分布情况，查明岩体当中裂隙结构面和不良地质体，能够查明巨型洞室穿越地层地质资料并精确提供裂隙分布等地质参数资料，使得支护参数和施工方案更有针对性，实现对大型地下洞库工程的施工阶段精确地质勘察，保证多裂隙岩体巨型洞室的开挖稳定，确保大跨度巨型洞室的安全施工和快速完成，减小施工风险和提高施工效率，减小了施工坍塌掉块安全风险；
3)通过揭露裂隙结构面，进一步分析预判不良地质体露头位置，提前加固支护方案，保证人员和设备安全，避免了盲目施工；
4)不影响施工进度，不占用施工成本，可与施工同步进行，降低了勘察经济成本，提高了工作效率。
附图说明
图1是本发明的勘察导洞的布置示意图；
图2是本发明的中导洞开挖揭露裂隙结构面的平面示意图；
图3是本发明的边导洞分步开挖揭露裂隙结构面的平面示意图；
图4是本发明的三导洞连线确定巨型洞室裂隙结构面的平面示意图；
图5是本发明的综合分析已揭露裂隙结构面空间关系的三维模拟示意图。
图中：1、中导洞；2、边导洞。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察结构及方法做进一步详细的描述。
如图1至图5所示，其示为本发明的一种裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察结构及方法，在多裂隙岩体巨型洞室设计施工过程时，利用导洞查明岩体中裂隙结构面和不良地质体的方法，保障巨型洞室安全施工。
本发明以巨型洞室为工程背景，提供了一种多裂隙岩体巨型洞室利用导洞进行勘察的有效方法，适用于建设巨型洞室隧道，利用导洞法开挖揭露裂隙结构面推测巨型洞室范围内地质条件和潜在不良地质体。本发明实施例所述勘察方法具体实施方法为：
步骤一，利用钻探及物探资料进行巨型洞室开挖支护预设计。
具体来说，隧道开挖时，在开挖端头“横向分块、竖向分层”，形成多个工作区，按序开挖。如图1所示，将巨型洞室分区分序，包括中导洞、左边导洞、右边导洞、导洞支护和预留岩柱。其中，中导洞位于待开挖巨型洞室的中部拱顶，形状为直墙拱形，拱部形状利用巨型洞室拱部开挖轮廓线；左边导洞和右边导洞位于巨型洞室的两侧拱脚，与中导洞呈品字形布置，边墙和拱部形状利用巨型洞室开挖轮廓线；导洞内部设置导洞支护，拱部支护利用巨型洞室的拱部支护；中导洞和左边导洞、右边导洞之间为预留岩柱。
步骤二，进行中导洞1开挖，导洞尺寸小，便于风险控制。导洞位于整个扁平拱状巨型洞室拱冠最高点，埋深最浅，可控制地层情况。
如图1所示，先开挖中导洞1，之后再开挖两侧边导洞2(即左边导洞和右边导洞)；通过中导洞1和两侧边导洞2的三个导洞即可确定整个巨型洞室内裂隙分布等地质结构体情况。具体来说，中导洞、左边导洞、右边导洞开挖宽度尺寸5～10m。
步骤三，中导洞1揭露出岩体裂隙时，地质人员现场记录裂隙位置、规模、产状、性质，综合地质分析后，初步推测出整个巨型洞室范围内地质条件和裂隙分布情况；然后进行中导洞支护。
其中，导洞支护采用锚杆或锚索联合喷射混凝土结构。
先进行中导洞1进行开挖，因为中导洞1位于整个扁平拱状巨型洞室拱冠最高点，埋深最浅，可控制地层情况；在中导洞1的开挖过程中，先后揭露出f2-1和f1-1裂隙结构，分别记录其出露位置、产状、规模、性质和岩体力学参数取值等；然后根据中导洞1已揭露的f2-1和f1-1粗略推测出整个巨型洞室范围内裂隙分布情况，如图2所示，f1-1、f2-1为中导洞开挖揭露裂隙结构面，实线为实际开挖揭露结构面，虚线为未开挖岩体中推测结构面。。
步骤四，进行左边导洞和右边导洞开挖，边导洞位于巨型洞室两侧边界处，可范围性探明巨型洞室内裂隙长度规模。
具体来说，左边导洞和右边导洞开挖滞后中导洞开挖掌子面20m以上，导洞开挖采用弱爆破、短进尺，保护预留岩柱。
当中导洞1开挖支护结束后，进行两侧边导洞2开挖；边导洞2位于巨型洞室边界处，可范围性探明整个巨型洞室范围内地质条件和裂隙分布情况。
步骤五，左边导洞和右边导洞开挖过程中，同样现场记录揭露出的裂隙位置、规模、产状、性质，并与中导洞记录情况比对；通过三个导洞揭露出的裂隙产状形态，可连线确定整个巨型洞室内裂隙分布等地质结构体情况；然后进行左边导洞和右边导洞支护。
具体来说，当边导洞2开挖至图2推测裂隙结构面附近时，根据裂隙性质和掌子面实际情况预判开挖面前方不良地质形态，提前对裂隙周边围岩做好注浆、锚喷等超前支护措施。
因地质构造的性质及形态多变，如张性裂隙、褶皱、地层压缩及剪切位移等因素，边导洞2开挖揭露出裂隙结构面f1-2、f1-3、f2-2、f2-3时，f1-2、f1-3出露位置与图二推测出的出露位置有一定差异，如图3所示，f1-1、f2-1为①步中导洞开挖揭露裂隙结构面，f1-2、f1-3、f2-2、f2-3分别为两侧边导洞开挖揭露裂隙结构面。
当中导洞1和两侧边导洞2的三个导洞全部开挖完成后，即可利用三个导洞实际揭露出的裂隙结构面f1-1、f1-2、f1-3和f2-1、f2-2、f2-3，连线确定出f1-4、f1-5和f2-4、f2-5在预留岩柱中的出露位置；此时，整个巨型洞室的裂隙分布情况已基本探明，如图4所示，f1-1、f2-1为中导洞开挖揭露裂隙结构面，f1-2、f1-3、f2-2、f2-3分别为两侧边导洞开挖揭露裂隙结构面，f1-4、f1-5、f2-4、f2-5分别为未开挖的预留岩柱中推测裂隙结构面。
步骤六，根据导洞实际开挖揭露的地质情况综合分析裂隙位置、规模、产状、性质后，进行岩土工程评价，提供设计、施工所需的岩土参数、岩体分界和岩体完整性情况，通过计算软件数值模拟，调整确定巨型洞室支护参数和施工方案。
具体来说，计算分析软件采用能够模拟裂隙岩体性质的离散元计算软件，及时调整支护参数和施工方案。
在中导洞1和两侧边导洞2的三个导洞开挖完成后，也可在洞身不同位置采集有代表性的完整岩块和性质差异的软弱结构面试样，进行室内岩石力学实验，确定岩体类型容重γ、粘聚力C、内摩擦角
弹模E、泊松比μ等参数取值，再借助计算程序对开挖后的洞室可能要发生的变形进行洞室应力变形模拟研究，指出洞室可能出现的塑性区及大变形部位，从而指导洞室开挖、支护方案制定。
步骤七，根据调整后的参数开挖预留岩柱，形成整个巨型洞室。
具体来说，预留岩柱(即中导洞1和两侧边导洞2之间的部位)是巨型洞室开挖成洞的关键，利用前三个导洞连线确定的裂隙结构面分布情况，综合分析已揭露裂隙结构面在巨型洞室范围内的空间位置组合关系，如图5所示，f1和f2为模拟结构面在巨型洞室范围内空间组合潜在块体三维示意图；开挖时，提前对预留岩柱中f1-4、f1-5和f2-4、f2-5进行支护(锚索、锚杆、注浆、喷锚、挂网等)体系加固措施，特别是f1-4和f2-5在预留岩柱KO+110里程处组成的“X”型切割，再与岩层层面、节理面、悬空面等组合关系，将岩体切割成多个破碎块体，易造成掉块、冒顶、溜塌等施工风险。最后，拆除其余部位，洞型初成。
综上所述，本发明中首先利用钻探及物探资料进行巨型洞室开挖支护预设计，然后进行小断面中导洞开挖，记录揭露地质情况并推测整个洞室地质条件和裂隙分布；接着进行左右两侧边导洞开挖，通过三个导洞再次确定整个巨型洞室内裂隙分布等地质结构体情况；最后根据实际地质条件调整支护参数形成巨型洞室。
本发明还公开了一种裂隙岩体巨型洞室的导洞精确勘察结构，巨型洞室通过分区分序包括中导洞、左边导洞、右边导洞，其中：中导洞位于待开挖巨型洞室的中部拱顶，形状为直墙拱形，拱部形状利用巨型洞室拱部开挖轮廓线；左边导洞和右边导洞位于巨型洞室的两侧拱脚，与中导洞呈品字形布置，边墙和拱部形状利用巨型洞室开挖轮廓线。
进一步，导洞内部设置导洞支护，拱部支护利用巨型洞室的拱部支护；中导洞和所述左边导洞、右边导洞之间为预留岩柱。
本发明一种裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察结构及方法，适用于建设巨型洞室隧道，利用导洞法开挖揭露裂隙结构面推测巨型洞室范围内地质条件和潜在不良地质体；利用纵向导洞能够精确查明巨型洞室范围内裂隙分布情况，使得支护参数和施工方案更有针对性，确保大跨度巨型洞室的安全施工和快速完成；在多裂隙岩体巨型洞室设计施工过程时，可以在巨型洞室成型前(即开挖预留岩柱前)，有效探明整个巨型洞室不良地质体的发育规模及性质，利用纵向导洞精确查明巨型洞室范围内裂隙分布情况，查明岩体当中裂隙结构面和不良地质体，能够查明巨型洞室穿越地层地质资料并精确提供裂隙分布等地质参数资料，使得支护参数和施工方案更有针对性，实现对大型地下洞库工程的施工阶段精确地质勘察，保证多裂隙岩体巨型洞室的开挖稳定，确保大跨度巨型洞室的安全施工和快速完成，减小施工风险和提高施工效率，减小了施工坍塌掉块安全风险；通过揭露裂隙结构面，进一步分析预判不良地质体露头位置，提前加固支护方案，保证人员和设备安全，避免了盲目施工；不影响施工进度，不占用施工成本，可与施工同步进行，降低了勘察经济成本，提高了工作效率。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (5)
1.一种裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，进行巨型洞室开挖支护预设计；将巨型洞室分区分序，包括中导洞、左边导洞、右边导洞、导洞支护和预留岩柱，其中：中导洞位于待开挖巨型洞室的中部拱顶，形状为直墙拱形，拱部形状利用巨型洞室拱部开挖轮廓线；左边导洞和右边导洞位于巨型洞室的两侧拱脚，与中导洞呈品字形布置，边墙和拱部形状利用巨型洞室开挖轮廓线；中导洞和所述左边导洞、右边导洞之间为预留岩柱；通过中导洞和两侧边导洞的三个导洞即可确定整个巨型洞室内裂隙分布等地质结构体情况；
步骤二，进行中导洞开挖，导洞内部设置导洞支护，拱部支护利用巨型洞室的拱部支护；
步骤三，中导洞揭露出岩体裂隙时，现场记录裂隙位置、规模、产状、性质，综合地质分析后，初步推测出整个巨型洞室范围内地质条件和裂隙分布情况；
步骤四，进行左边导洞和右边导洞开挖，导洞内部设置导洞支护，拱部支护利用巨型洞室的拱部支护；
步骤五，左边导洞和右边导洞开挖过程中，现场记录揭露出的裂隙位置、规模、产状、性质，并与中导洞记录情况比对；通过三个导洞揭露出的裂隙产状形态，连线确定整个巨型洞室内裂隙分布等地质结构体情况；
步骤六，根据导洞实际开挖揭露的地质情况综合分析裂隙位置、规模、产状、性质后，进行岩土工程评价，提供设计、施工所需的岩土参数、岩体分界和岩体完整性情况；通过采用能够模拟裂隙岩体性质的离散元计算软件进行数值模拟，对开挖后的洞室进行洞室应力变形模拟研究，指出洞室可能出现的塑性区及大变形部位，从而指导和调整确定巨型洞室支护参数和施工方案；利用前述三个导洞连线确定的裂隙结构面分布情况，综合分析已揭露裂隙结构面在巨型洞室范围内的空间位置组合关系，找出不利裂隙结构面，提前对预留岩柱中的破碎块体进行加固；
步骤七，根据调整后的参数开挖预留岩柱，形成整个巨型洞室。
2.根据权利要求1所述的裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察方法，其特征在于，在步骤三中，现场记录后对中导洞进行支护。
3.根据权利要求1所述的裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察方法，其特征在于，在步骤四中，左边导洞和右边导洞开挖滞后中导洞开挖掌子面20m以上，导洞开挖采用弱爆破、短进尺，保护预留岩柱。
4.根据权利要求1所述的裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察方法，其特征在于，在步骤五中，现场记录后对左边导洞和右边导洞进行支护。
5.根据权利要求2或4所述的裂隙岩体巨型洞室的导洞勘察方法，其特征在于，导洞支护采用锚杆或锚索联合喷射混凝土结构。
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