軟巖隧道施工

1、軟巖隧道施工軟巖隧道施工 工程軟巖 軟巖分類 軟巖隧道破壞機(jī)理 軟巖隧道特點 軟巖隧道變形破壞的主要特征 軟巖隧道病害的原因簡述 軟巖隧道設(shè)計與施工建議 軟巖隧道支護(hù)對策 防止軟巖隧道病害方法 軟巖隧道開挖方式工程軟巖工程軟巖 是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工程巖體。隧道工程軟巖亦稱松軟巖層，不僅是指圍巖巖體松軟，而且指圍巖不穩(wěn)定或極不穩(wěn)定。軟巖是一種特殊的巖類，從巖石固有的特性來說，它具有軟的形態(tài)，而從工程應(yīng)用的觀點來看，它又是“弱”的，進(jìn)入軟巖狀態(tài)的隧道，其強(qiáng)度特性、泥質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)面特點及其塑性變形力學(xué)特點差異很大。 軟巖分類軟巖分類 軟巖可分為4大類： 1、膨脹性軟巖 2、高應(yīng)力

2、軟巖 3、節(jié)理化軟巖 4、復(fù)合型軟巖 軟巖隧道破壞機(jī)理軟巖隧道破壞機(jī)理 在隧道開挖過程中，由于巖體的天然應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，引起隧道周圍巖體的卸荷回彈和應(yīng)力重分布，當(dāng)這種回彈應(yīng)力和重分布應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度所能承受的范圍時，將造成巖體的失穩(wěn)破壞 。軟巖隧道特點軟巖隧道特點 （1）承載力低、變形大 （2）圍巖不穩(wěn)定 （3）安全隱患大 （4）變形速率大，收斂時間長，變形控制難 （5）運營病害嚴(yán)重 （6）投資增加軟巖隧道開挖方法軟巖隧道開挖方法 中隔壁（CD）法 交叉中隔壁（CRD法） 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法 中隔壁法（中隔壁法（CD法）法） 左、右側(cè)各工作面每循環(huán)進(jìn)尺不得超過設(shè)計一榀拱架距離，左、右側(cè)開挖完成

3、后應(yīng)及時施作初期支護(hù)和中隔壁臨時支護(hù)。 左右部上中臺階高度不大于3.5m，左右各臺階長度3-5m，左右兩側(cè)縱向距離小于1-2倍隧道直徑，且不大于15m。周邊輪廓應(yīng)盡量圓順，減少應(yīng)力集中。當(dāng)開挖形成全斷面時，應(yīng)及時完成全斷面初期支護(hù)閉合。 根據(jù)監(jiān)控量測信息，初期支護(hù)穩(wěn)定后拆除中隔壁臨時支護(hù)，中隔壁的拆除應(yīng)滯后于仰拱，一次拆除長度不宜大于15m，并加強(qiáng)監(jiān)控量測，拆除后應(yīng)立即施作二次襯砌。 應(yīng)配備適合導(dǎo)坑開挖的小型機(jī)械設(shè)備、機(jī)具，提高導(dǎo)坑開挖效率。 交叉中隔壁法（交叉中隔壁法（CRD法）法） 上臺階開挖循環(huán)進(jìn)尺控制在1榀拱架距離內(nèi)，中下臺階控制在1-2榀拱架距離。 上、中臺階高度控制為2.5m臺階長

4、度為3-5m，左右兩側(cè)縱向距離宜小于1倍隧道洞涇。周邊輪廓應(yīng)盡量圓順，減小應(yīng)力集中。當(dāng)開挖形成全斷面時，應(yīng)及時完成全斷面初期支護(hù)閉合。 中隔壁臨時支護(hù)的拆除參照CD法。 采用CRD法施工宜設(shè)置臨時仰拱，步步成環(huán)，開挖自上而下，交叉進(jìn)行。 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法 兩側(cè)壁導(dǎo)坑和中部上臺階每循環(huán)進(jìn)尺控制在1榀拱架距離（0.5-0.75m）內(nèi)，下臺階可控制在兩榀拱架距離內(nèi)（1-1.5m）。 側(cè)壁導(dǎo)坑形狀應(yīng)近于橢圓形斷面，導(dǎo)坑斷面宜為正個斷面的13，導(dǎo)坑跨度不應(yīng)大于0.3倍隧道寬度；左右導(dǎo)坑施工時，前后錯開距離為10-15m，中間土體滯后側(cè)壁10-15m；左右部的臺階開挖高度不應(yīng)超過3.5m，臺階長度

5、控制在2-3m，周邊輪廓應(yīng)盡量圓順，減小應(yīng)力集中。 中隔壁臨時支護(hù)的拆除參照CD法相關(guān)要求。軟巖隧道變形破壞的主要特征軟巖隧道變形破壞的主要特征 （1）軟巖隧道變形具有蠕變變形三階段的規(guī)律，并具有明顯的時間效應(yīng) （2）軟巖隧道多為環(huán)向受壓，且非對稱 （3）軟巖隧道變形隨深度增加而增大 （4）軟巖的失水和吸水均可造成軟巖發(fā)生膨脹變形破壞或泥化破壞 （5）底板圍巖承載力不足造成隧道結(jié)構(gòu)整體沉降 （6）支護(hù)時間不適宜，從而破壞隧道支護(hù)結(jié)構(gòu) 軟巖隧道病害的原因簡述軟巖隧道病害的原因簡述 內(nèi)在的地質(zhì)因素認(rèn)識不全面內(nèi)在的地質(zhì)因素認(rèn)識不全面 （1）工程地質(zhì) 對于軟巖大多數(shù)時候?qū)ζ鋸?qiáng)度、剛度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育狀況和

6、膠結(jié)程度比較重視，開挖方法和支護(hù)結(jié)構(gòu)多從這方面考慮，只顧及短期穩(wěn)定，往往忽視膠結(jié)物的性能、膨脹性礦物的含量等，這些均是軟巖隧道后期變形和造成隧道支護(hù)荷載劇增的內(nèi)在因素。 （2）水文地質(zhì) 水的影響包括圍巖固有含水、地下徑流水及工程用水，水是軟巖隧道變形、破壞之源，尤其是對膨脹巖。水不僅造成粘土質(zhì)巖的膨脹，同時降低巖石強(qiáng)度。 外部因素考慮不周全外部因素考慮不周全 隧道施工是連續(xù)不間斷持續(xù)推進(jìn)、鄰近隧道（左、右洞）大多同期施工等產(chǎn)生的擾動應(yīng)力、應(yīng)力重分布多次且持續(xù)時間較長、相互疊加等外部因素與圍巖固有的垂直應(yīng)力、構(gòu)造殘余應(yīng)力共同疊加對隧道變形影響更大。 施工排水處理不當(dāng)施工排水處理不當(dāng) 水是軟巖隧道

7、變形、破壞之源，尤其是對膨脹巖。水不僅造成粘土質(zhì)巖的膨脹，同時降低巖石強(qiáng)度。 施工時往往只是簡單的疏排，造成地下水通過圍巖裂隙流徑通道浸泡圍巖，同時施工水（如錨桿鉆孔水、其他排放水）和隧道底板、拱墻腳積水浸泡圍巖，使得圍巖膨脹、軟化、泥化。 時空效應(yīng)作用時空效應(yīng)作用 時間因素流變是軟巖特性之一，隧道變形和時間密切相關(guān)。二襯開裂隧道均在初支未收斂時開始二襯，甚至在初支完成不足1周即施做二襯。 步距：二襯與掌子面保持一定距離，一是給圍巖預(yù)留變形時間，二是減小掌子面爆破震動對二襯的不利影響，三是作業(yè)掌子面開挖、支護(hù)作業(yè)空間的需要。 超前預(yù)支護(hù)效果不好超前預(yù)支護(hù)效果不好 超前管棚間距過大或外插角控制不

8、好，開挖時割除，造成圍巖變形、坍塌；超前小導(dǎo)管長度與開挖高度不匹配，巖土破裂線超出小導(dǎo)管支護(hù)長度，引起圍巖滑移變形；注漿固結(jié)圍巖未達(dá)到效果，開挖時圍巖變形或坍塌。 初支背后空隙未注漿回填初支背后空隙未注漿回填 初期支護(hù)背后脫空，圍巖與支護(hù)不密貼，不能共同承載，違背新奧法原理（圍巖與支護(hù)共同形成支護(hù)體、共同承載），造成圍巖無約束變形，使得松動圈（荷載體）加大，圍巖及支護(hù)變形破壞。 初期支護(hù)未及時封閉初期支護(hù)未及時封閉 無論是臺階法開挖還是CD法開挖或者雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖，初期支護(hù)都應(yīng)封閉成環(huán)，約束變形，提高承載能力。若開口支護(hù)，支護(hù)腳必須有效鎖定，防止沉降或水平移動（內(nèi)移），從而約束變形。 不重視

9、仰拱不重視仰拱 仰拱未設(shè)置與拱墻等強(qiáng)的初期支護(hù)及二次襯砌，在構(gòu)造應(yīng)力和邊墻重力應(yīng)力作用下隆起或破壞；仰拱與拱墻隨意連接，不能側(cè)墻剪應(yīng)力作用下位移、破壞二襯；仰拱分幅施工，縱向施工縫未處理好，消弱承載力；仰拱基底應(yīng)力不滿足荷載要求，引起沉降。 軟巖隧道設(shè)計與施工建議軟巖隧道設(shè)計與施工建議 軟巖隧道支護(hù)原理軟巖隧道支護(hù)原理 根據(jù)軟巖的特性，考慮目前通行的新奧法施工原理，軟巖隧道支護(hù)依然應(yīng)充分利用和發(fā)揮自承能力。支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮以下一些因素： 剛性支護(hù)與適度泄壓相結(jié)合剛性支護(hù)與適度泄壓相結(jié)合 必須改變傳統(tǒng)的單純提高支護(hù)剛度的思想，支護(hù)結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度應(yīng)與加固圍巖、提高圍自承能力相結(jié)合，與圍巖變形及強(qiáng)度相匹配

10、，單純提高支護(hù)剛度既不經(jīng)濟(jì)也難以抵抗強(qiáng)大的地應(yīng)力荷載。 卸壓、加固與支護(hù)相結(jié)合卸壓、加固與支護(hù)相結(jié)合 根據(jù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造分析圍巖應(yīng)力的作用形態(tài)，找出主要影響應(yīng)力，統(tǒng)籌考慮.對高地應(yīng)力區(qū)，要卸得充分；對大變形區(qū)，要讓得適度；對松散破碎區(qū)，要注意整體加固；及時支護(hù)并非即刻支護(hù)，但對隧道圍巖整體要支護(hù)住 堅持信息化指導(dǎo)堅持信息化指導(dǎo) 必須進(jìn)行圍巖變形量測、支護(hù)內(nèi)力監(jiān)測、圍巖應(yīng)力監(jiān)測，準(zhǔn)確掌握圍巖及支護(hù)變形的活動狀態(tài)、受力狀態(tài)和穩(wěn)定情況，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果確定二次支護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)，確定補(bǔ)強(qiáng)時間，二襯時間和仰拱封閉時間 軟巖隧道支護(hù)對策軟巖隧道支護(hù)對策 根據(jù)現(xiàn)代巖石力學(xué)理論：隧道圍巖既是支護(hù)壓力的根源，又是抵抗

11、平衡原巖應(yīng)力的承載體，而且是主要的承載結(jié)構(gòu)體。支護(hù)的作用在于維護(hù)和提高松動圍巖的殘余強(qiáng)度，充分發(fā)揮圍巖的承載能力。因此，在軟巖隧道支護(hù)中，要遵循以下幾方面原則： 封閉巖面，維護(hù)和保持圍巖殘余強(qiáng)度封閉巖面，維護(hù)和保持圍巖殘余強(qiáng)度 隧道開挖后及時噴混凝土封閉巖面，防止水蝕、風(fēng)化，減少圍巖強(qiáng)度損失；采用利于保持圍巖強(qiáng)度的方法，如：光面爆破或非爆破開挖。 采取技術(shù)措施，提高圍巖殘余強(qiáng)度采取技術(shù)措施，提高圍巖殘余強(qiáng)度 （1）快速支護(hù)，促成圍巖二維應(yīng)力盡快轉(zhuǎn)換成三維應(yīng)力狀態(tài)，可有效提高圍巖殘余強(qiáng)度。 （2）采用密布長錨桿將破碎圍巖錨固起來，恢復(fù)和提高破裂圍巖的殘余強(qiáng)度，形成具有較高承載能力和可塑性的錨固層

12、。 （3）隧道開挖后，洞內(nèi)徑向注漿加固圍巖，提高松動圈圍巖強(qiáng)度。 （4）預(yù)注漿加固地層巖石強(qiáng)度，是淺埋和斷層破碎帶及未固結(jié)松散巖土提高強(qiáng)度及承載力最為有效的途徑。 優(yōu)化技術(shù)方案，充分發(fā)揮圍巖承載能力優(yōu)化技術(shù)方案，充分發(fā)揮圍巖承載能力 （1）優(yōu)化隧道斷面。軟巖隧道中，圓形隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的承裁能力最大(均勻應(yīng)力場)，軟巖隧道斷面盡可能采用圓形斷面或近似圓形斷面，杜絕直墻斷面和無仰拱斷面。 （2）支護(hù)結(jié)構(gòu)全斷面等強(qiáng)。軟巖隧道支護(hù)所承受的荷載主要是圍巖的變形壓力，它來自于隧道的四周，包括隧道底扳。支護(hù)結(jié)構(gòu)必須全周等強(qiáng)，否則任意薄弱環(huán)節(jié)（包括底板）都可能造成支護(hù)整體失敗。 （3）初期支護(hù)適度柔性。軟巖隧道

13、中，圍巖變形壓力是支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要荷載，一般剛性支護(hù)難以抵抗強(qiáng)大的圍巖壓力而破壞，使圍巖處于事實上的無支護(hù)狀態(tài)。采用適度柔性的支護(hù)（如：錨網(wǎng)噴混凝土和可伸縮型鋼支架），可實現(xiàn)收縮讓壓，減少支護(hù)受力，讓圍巖發(fā)揮更大承載能力。 (4)剛性二次襯砌提供最終支護(hù)體系，穩(wěn)定圍巖。軟巖隧道采用一次強(qiáng)阻力剛性支護(hù)來維護(hù)圍巖是不能成功的，應(yīng)在圍巖變形趨于穩(wěn)定后適時施做二次襯砌，給隧道圍巖提供最終支護(hù)強(qiáng)度和剛度，以保持隧道校長時間的穩(wěn)定性和安全儲備。 （5）提高地基承載力，防止整體沉降。隧道及圍巖既是承載體也是荷載體，軟弱、可壓縮的軟弱地基（包括仰拱及墻腳）應(yīng)進(jìn)行改良處理（如：注漿、管樁及其他改良方法），提高底板

14、圍巖承載力，有效抑制整體沉降。 防止軟巖隧道病害方法防止軟巖隧道病害方法 軟巖隧道施工方法選擇十分重要，甚至是隧道建設(shè)成敗的關(guān)鍵。軟巖隧道的施工技術(shù)方案、施工方法和施工組織管理應(yīng)遵循“保圍巖、嚴(yán)控水、強(qiáng)基腳、穩(wěn)巖壁、早封閉、保圍巖、嚴(yán)控水、強(qiáng)基腳、穩(wěn)巖壁、早封閉、剛二襯、勤量測剛二襯、勤量測”的原則。 施工方案必須從維護(hù)圍巖穩(wěn)定出發(fā)（保圍巖）施工方案必須從維護(hù)圍巖穩(wěn)定出發(fā)（保圍巖） 維護(hù)圍巖穩(wěn)定，保護(hù)圍巖殘余應(yīng)力和提高圍巖自身承載能力是新奧法的基本原理。具體可采取以下措施： （1）超前預(yù)支護(hù)（管超前）。根據(jù)圍巖的穩(wěn)定情況，采用管棚（洞口淺埋破碎段及斷層破碎帶）或小導(dǎo)管（一般軟巖段）或鋼插板（流

15、沙、淤泥質(zhì)土或特別軟弱土層、沙層、黃土層、坍方處理）等手段對圍巖進(jìn)行超前支護(hù)，可有效抑制開挖過程中圍巖的變形或坍塌，防止圍巖松動而降低強(qiáng)度及穩(wěn)定性。 （2）注漿固結(jié)（嚴(yán)注漿）。大多數(shù)軟弱圍巖的結(jié)構(gòu)面間隙大，沙土、礫石土、角礫巖、強(qiáng)風(fēng)化巖粒和破碎帶孔隙率大、密實度差，這類圍巖自身強(qiáng)度和穩(wěn)定性極差，通過注漿充填和粘結(jié)，有利于圍巖整體化，可極大提高圍巖強(qiáng)度和承載力。淺埋段可從地表向下整體注漿固結(jié)；埋深較大段落可從洞內(nèi)采用帷幕注漿加固一定范圍圍巖（一般不宜小于洞身輪廓外5m）；開挖時可基本穩(wěn)定段落可在初支后進(jìn)行徑向注漿加固（一般不宜小于洞身輪廓外3m）；一般軟巖段應(yīng)對支護(hù)背后進(jìn)行回填注漿，保證初支與圍

16、巖密貼，共同受力。注漿材料可采用水泥砂漿（孔隙率較大）、水泥漿（孔隙率一般）、超細(xì)水泥漿（孔隙率很小）、水泥水玻璃雙液漿（地下水豐富地段）。 （3）弱爆破或非爆破開挖（少擾動）。采用光面爆破、微震松動爆破，有條件時采用機(jī)械挖掘，不得已時可采用人工挖掘，盡可能減少人為擾動圍巖。 提高支護(hù)基腳牢固性是防止支護(hù)失效的基礎(chǔ)（強(qiáng)基腳）提高支護(hù)基腳牢固性是防止支護(hù)失效的基礎(chǔ)（強(qiáng)基腳） 支護(hù)破壞往往是因為基腳不牢固在圍巖側(cè)壓力作用下內(nèi)移，在圍巖重力應(yīng)力作用下沉降，使得支護(hù)整體變形降效，甚至破壞失效，造成圍巖大變形或失穩(wěn)坍塌。必須對支護(hù)金屬構(gòu)件或其他構(gòu)件的基腳鎖定，常用水平鎖腳錨桿或樹樁鎖腳錨桿將圍巖與支護(hù)牢

17、固連接；基腳必須放置于未破壞或浸蝕的原巖上，并防止水浸泡；將基腳噴混凝土擴(kuò)大（一般50cm）或大塊木板（混凝土板）塞墊是必要的；特別軟弱的土質(zhì)、流沙質(zhì)、斷層泥帶、飽和高液限全風(fēng)化巖土、采空區(qū)、下伏巖溶等仰拱基底應(yīng)預(yù)先進(jìn)行基底處理（可改良土、可設(shè)置管樁、換填等）。 開挖方法有利于墻壁及掌子面穩(wěn)定（穩(wěn)巖壁）開挖方法有利于墻壁及掌子面穩(wěn)定（穩(wěn)巖壁） 軟巖失穩(wěn)很多時候是因為側(cè)壁及掌子面圍巖剪切滑移造成拱部及整體失穩(wěn)坍塌，不得忽視。對于大斷面可以采用微臺階法、臺階法、CD法、CRD法降低邊墻高度和洞室跨度，增加邊墻約束；掌子面臺階長度與高度匹配（長度大于破裂面23m）；掌子面噴混凝土（510cm）臨時支

18、護(hù)；邊墻支護(hù)強(qiáng)度與拱部等強(qiáng)。 支護(hù)盡早封閉成環(huán)有利于結(jié)構(gòu)承載（早封閉）支護(hù)盡早封閉成環(huán)有利于結(jié)構(gòu)承載（早封閉） 由于軟巖易風(fēng)化、變形快、來壓快，開挖后及時支護(hù)，仰拱盡早封閉成環(huán)；分部開挖應(yīng)設(shè)臨時仰拱封閉。拱墻初期支護(hù)及臨時仰拱應(yīng)與開挖同步，每循環(huán)封閉。仰拱及可略滯后開挖，但不宜大于30m，同時考慮變形情況必要時緊跟開挖面。 二襯強(qiáng)度及剛度必須考慮承載（剛二襯）二襯強(qiáng)度及剛度必須考慮承載（剛二襯） 規(guī)范規(guī)定的軟弱圍巖不收斂時及早二襯，針對圍巖的地質(zhì)情況應(yīng)甄別對待二襯后變形能穩(wěn)定、二襯后繼續(xù)變形。 軟巖僅靠初期支護(hù)是不能滿足抗壓要求，同時軟巖初支需要一定柔性滿足變形需求，加之軟巖的流變壓力，必須考慮二襯承受一定壓力，其強(qiáng)度和剛度應(yīng)滿足這種需求，一般應(yīng)考慮鋼筋混凝土，且全斷面等強(qiáng)（含仰拱）。二襯時間應(yīng)根據(jù)變形量測信息確定，正常收斂變形時，應(yīng)在基本趨于穩(wěn)定時二襯，減少二襯壓力；變形不收斂或異常突變時，應(yīng)立即進(jìn)行加強(qiáng)的二襯，防止圍巖及初支過大變形破壞或失穩(wěn)坍塌 加強(qiáng)量測，保證信息化建設(shè)管理（勤量測）加強(qiáng)量測，保證信息化建設(shè)管理（勤量測） 監(jiān)控量測是新奧法的支柱之一，也是軟巖隧道施工管理的必須手段。通過監(jiān)控量測及其數(shù)據(jù)分析，對隧道的變形及穩(wěn)定進(jìn)行可靠判斷，根據(jù)量測結(jié)果確定支護(hù)參數(shù)