軟弱圍巖隧道預(yù)防坍方安全施工技術(shù)

軟弱圍圍巖隧隧道預(yù)預(yù)防坍坍方安安全全施工工技術(shù)術(shù)鐵道部部工程程管理理中心心二二○一○年八月月0前言言目前在在建隧隧道6600公里，，已規(guī)規(guī)劃建建設(shè)隧隧道7600公里，，隧道道呈現(xiàn)現(xiàn)“三三多””特點點（隧道道數(shù)量量多、、長大大隧道道多、、風(fēng)險險隧道道多））。其中中軟弱弱圍巖巖隧道道占有有相當(dāng)當(dāng)大的的比例例。軟弱圍圍巖隧隧道施施工，，除地地質(zhì)條條件差差，還還會遇遇到斷斷面大大、埋埋深淺淺、下下穿公公路或或建筑筑物等等情況況，從從而使使施工工更加加復(fù)雜雜，難難度更更大。。目前前，由由于技技術(shù)措措施不不合理理、施施工方方法不不當(dāng)、、施工工工藝藝不到到位、、現(xiàn)場場管理理薄弱弱等環(huán)環(huán)節(jié)的的諸多多問題題，造造成了了大量量的隧隧道變變形和和坍方方事故故，損損失巨巨大，，教訓(xùn)訓(xùn)深刻刻。1如何提高軟弱弱圍巖隧道施施工水平，預(yù)預(yù)防變形和坍坍方，確保施施工安全，其其核心是抓住住軟弱圍巖隧隧道工程特點點，落實好“三超前、四四到位、一強強化”施工技術(shù)關(guān)鍵鍵環(huán)節(jié)?！袢埃撼邦A(yù)報、超超前加固、超前支護●四到位：工工法選擇到位位、支護措施施到位、快速封閉到位位、襯砌跟進進到位●一強化：強強化量測2目錄1軟弱圍巖隧道道變形、坍方方事故案例2軟弱圍巖隧道道地質(zhì)特征和和工程特點3軟弱圍巖隧道道施工技術(shù)31軟弱圍巖隧道道變形、坍方方事故案例41.1事故案例鄭西客專南山山口隧道大坍坍方（2007年7月15日發(fā)生）。坍方段埋深86米，地質(zhì)為強強風(fēng)化粉砂巖巖及卵石土，，采取臺階法法施工。掌子子面初期支護護首先出現(xiàn)掉掉塊、開裂，，3天后發(fā)生大坍坍方，坍方長長度146米，洞內(nèi)初期期支護全部破破壞，造成地地表房屋開裂裂，經(jīng)濟損失失較大。坍方原因：快快速封閉不到到位、襯砌跟跟進不到位、、量測未到位位。（上臺階開挖挖83米，仰拱距掌掌子面126米，二襯距掌掌子面146米）。5南山口隧道大大坍方照片67貴廣鐵路東科科嶺隧道涌砂砂坍方（2010年1月19日發(fā)生）。坍方段埋深21m（屬淺埋），，地質(zhì)為向斜斜構(gòu)造全風(fēng)化化花崗巖，呈呈砂狀，開挖挖擾動后呈流流塑狀，地表表為水田和常常年流水水溝溝。進口開挖挖到398米處，掌子面面施作超前小小導(dǎo)管時，突突然發(fā)生涌砂砂坍方，涌砂砂量約800立方，隨后地地面出現(xiàn)坍陷陷，坍坑直徑徑約35米。涌砂坍方原因因：未進行超超前預(yù)報、未未進行超前加加固、未進行行超前支護8東科嶺隧道涌涌砂坍方照片片9東科嶺隧道地地面坍坑照片片10張集鐵路舊堡堡隧道初期支支護開裂變形形（2010年2月26日發(fā)生）。變形段隧道埋埋深約300米，地質(zhì)為麻麻粒巖夾輝綠綠巖脈，處于于F3斷層影響帶，，構(gòu)造節(jié)理發(fā)發(fā)育，巖體破破碎。進口開開挖到4136米處，初期支支護工25b鋼架發(fā)生變形形，變形速率率151mm/d，隨后掌子面面后方30米范圍內(nèi)初期期支護扭曲變變形，噴射混混凝土開裂、、掉塊，滲水水量增大。該段變形原因因：由于對工工程地質(zhì)特性性認識不足，，工法選擇不不到位、支護護措施不到位位。11舊堡隧道初期期支護變形開開裂照片12集包鐵路新旗旗下營隧道坍坍方（2010年3月19日發(fā)生）。坍方段埋深約約70米，地質(zhì)為變變質(zhì)大理巖，，前期施工時時經(jīng)常發(fā)生局局部掉塊。進進口開挖到370米處。后方56米位置初期支支護（格柵鋼鋼架）失穩(wěn)破破壞坍方，造造成多名作業(yè)業(yè)人員遇難。。坍方原因：支支護措施不到到位、快速封封閉不到位、、量測不到位位13新旗下營隧道道坍方照片142006年3月21日:武康二線王家家溝隧道坍方方，8人受困。5月16日:大麗線南場嶺嶺隧道洞口坍坍方，6人受困。5月21日:洛湛線雙牌二二號隧道洞口口坍方，1死3傷。8月12日:鄭西客專秦東東隧道坍方，，2人死亡。9月13日:武康二線系家家山一號隧道道坍方，2人死亡。2006年發(fā)生事故5起，造成5死3傷14人受困1.2事故統(tǒng)計與分分析統(tǒng)計2006年至今軟弱圍圍巖隧道發(fā)生生事故152007年4月30日:太中銀吳堡隧隧道坍方，4死1傷。7月15日:鄭西客專南山山口隧道大坍坍方146米。8月6日:石太客專南莊莊隧道坍方，，2人死亡。8月6日:廣深港客專水水田隧道洞口口坍方，2人死亡。9月2日:合寧線亭子山山二號隧道坍坍方，5人死亡。9月30日:蘭青二線八盤盤峽二號隧道道坍方，8人受困。2007年發(fā)生事故7起，造成13死2傷8人受困162008年1月9日:蘭青二線楊家家店隧道坍方方，2人死亡。1月20日:鄭西客專盤東東隧道坍方，，3人死亡。3月21日:田德線百安隧隧道坍方，2死3傷。3月25日:包西線活沙兔兔隧道坍方，，4人死亡。7月15日:洛湛線古欖隧隧道坍方，1人死亡。8月29日:西格二線克土土隧道坍方，，4死7傷。2008年發(fā)生事故6起，造成16死10傷172009年2月17日:包西線寨山村村隧道坍方，，2人死亡。3月8日:石武客專木蘭蘭隧道坍方，，2死2傷。3月16日:向莆線寶臺山山隧道坍方，，3死1傷。7月19日:襄渝二線楊家家溝隧道坍方方，2人死亡。8月1日:湘桂線梅子坳坳隧道洞口坍坍方，3人死亡。10月29日:包西線新響沙沙灣隧道坍方方，人員逃脫脫。12月19日:包西線鄧家樓樓一號隧道坍坍方，6人受困。2009年發(fā)生事故7起，造成12死3傷6人受困182010年1月14日:南廣線白云隧隧道突水突泥泥，5人死亡。3月19日:集包線新旗下下營隧道坍方方，10人死亡。7月11日:南黎線那適2號隧道坍方，，10人死亡。截止目前，2010年發(fā)生事故3起，已造成25人死亡19對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進進行分析，軟軟弱圍巖隧道道事故主要表表現(xiàn)在三個方方面：一是洞口坍方方，占20%。二是掌子面變變形坍方，占占33%。三是掌子面后后方坍方“關(guān)關(guān)門”，占47%。20據(jù)以上不完全全統(tǒng)計，從2006年到2010年目前為止，，4年多時間內(nèi)，，軟弱圍巖隧隧道發(fā)生事故故28起，死亡71人，事故發(fā)生生之頻繁，死死亡人數(shù)之多多，令人心痛痛。究其原因因，主要有兩兩個方面，一是客觀上地地質(zhì)和環(huán)境的的復(fù)雜性，二二是主觀上技技術(shù)措施、施施工方法及工工藝、現(xiàn)場管管理等原因。。因此，提高對對軟弱破碎圍圍巖的認識，，提高設(shè)計和和施工水平，，做到“三超前、四四到位、一強強化”，對杜絕工程程事故的發(fā)生生十分重要。。212軟弱圍巖隧道道地質(zhì)特征和和工程特點222.1軟弱圍巖隧道道地質(zhì)特征圍巖強度低，，承載能力低低。如黏性土、粉粉土、砂類土土、黃土、全全風(fēng)化巖體等等。節(jié)理發(fā)育、破破碎、自穩(wěn)能能力差。如巖體破碎的的泥巖、頁巖巖、砂巖、千千枚巖、板巖巖等。斷層帶散體結(jié)結(jié)構(gòu)、自穩(wěn)能能力極差。受構(gòu)造影響，，斷層帶結(jié)構(gòu)構(gòu)面雜亂無序序，呈角礫、、縻棱狀或碎碎裂結(jié)構(gòu)，充充填泥質(zhì)或泥泥夾巖屑。232.2軟弱圍巖隧道道工程特點軟弱圍巖強度度低、自穩(wěn)能力差差，隧道開挖后地地應(yīng)力重新分布，使隧道周邊邊產(chǎn)生較大的的松動圈。一一旦工程措施（包括設(shè)計措措施）和施工工方法不當(dāng)，將極易發(fā)生初期支護變形侵限和隧道坍方等工程事故。因此，，軟弱圍巖隧道道施工的核心是“控制變形、防止坍方”。243軟弱圍巖隧道道施工技術(shù)25軟弱圍巖隧道道施工，應(yīng)在在以下七個方方面予以重視視，實現(xiàn)標準準化施工管理理，從而避免免變形和坍方方事故的發(fā)生生?！舫邦A(yù)報◆超前加固◆超前支護◆開挖工法◆初期支護◆二次襯砌◆監(jiān)控量測263.1超前預(yù)報現(xiàn)場時常會遇遇到實際開挖挖揭示的地質(zhì)質(zhì)與設(shè)計提供供的地質(zhì)存在在較大差異，，引起技術(shù)措措施和施工方方法的變化。。因此，除設(shè)設(shè)計階段加強強地質(zhì)勘察外外，施工階段段也必須進行行超前地質(zhì)預(yù)預(yù)報工作，這這一點尤為重重要。地質(zhì)素描、物物探、超前鉆鉆探方法是軟軟弱圍巖超前前預(yù)報的主要要手段。在破碎帶和斷斷層地段，加加強超前長、、短鉆孔，及及時探明隧道道前方地質(zhì)情情況，特別是是地下水的發(fā)發(fā)育情況，嚴嚴禁在未探明明情況下盲目目開挖。27參建各方都應(yīng)應(yīng)該重視施工工階段超前地地質(zhì)預(yù)報工作作，建立責(zé)任任制，明確責(zé)責(zé)任和分工。。高和極高風(fēng)風(fēng)險隧道，必必須進行超前前地質(zhì)預(yù)報的的專項設(shè)計。。283.2超前加固在斷層破碎帶帶和軟弱地層層，特別是富富含水時，必必須對圍巖進進行超前加固固，改良地層層，確保隧道道安全施工。。必須配備專業(yè)業(yè)隊伍、專業(yè)業(yè)設(shè)備，進行行專項設(shè)計，，保證加固效效果。目前，常用用的圍巖加加固方法是是注漿法。。注注漿法主要要分全斷面面注漿和局局部注漿兩兩種。在富富水?dāng)鄬拥氐貛?，常采采取全斷面面注漿。29全斷面注漿漿法鉆孔數(shù)數(shù)量多，施施作周期長長；局部注注漿是針對對隧道前方方地層特點點，對薄弱弱部位進行行注漿，鉆鉆孔數(shù)量少少，施作周周期短。無論是全斷斷面注漿，，還是局部部注漿，都都要求必須須配備先進進的鉆孔注注漿設(shè)備，，必須采取取信息化注注漿。30別巖槽隧道道F1斷層全斷面面注漿照片片31齊岳山隧道道F11斷層信息化化注漿照片片32注漿加固范范圍縱向加固長長度應(yīng)根據(jù)據(jù)鉆機能力力和地層特特點確定，，一般為20～30m。特殊地層層條件下，，應(yīng)及時調(diào)調(diào)整縱向注注漿加固長長度，否則則既影響進進度，又影影響質(zhì)量。。環(huán)向加固厚厚度一般為為3～5m，局部可增增加到5～8m。33中國產(chǎn)MGJ-50鉆機中國產(chǎn)XY-2PCG鉆機該類鉆機最最大扭矩2000～3000N·m鉆進速度3～5m/h34中國產(chǎn)MZ200鉆機最大扭矩3400N·m鉆進速度5～15m/h35日本產(chǎn)RDP-150鉆機最大扭矩8000N·m鉆進速度15～20m/h36日本礦巖RPD-180C多功能鉆機機最大扭矩8000N·m，鉆進速度度15～20m/h37意大利C6鉆機最大扭矩13550N·m鉆進速度20～30m/h38意大利產(chǎn)SM400鉆機最大扭矩13630N·m鉆進速度20～30m/h39德國KR805鉆機最大扭矩27000N·m鉆進速度25～30m/h403.3超前支護常用的超前前支護方式式有超前大大管棚和超超前小導(dǎo)管管兩種?！癯按蠊芘锱铮撼按蟠蠊芘镆话惆闶窃趯Τ脸两涤袊栏窀褚髸r使使用，適宜宜于淺埋洞洞口、堆積積體、砂土土質(zhì)地層、、斷層破碎碎帶地層，，以及下穿穿公路、鐵鐵路、地面面建筑物時時采用。大大管棚一般般采用φ70mm～φ159mm的鋼管，縱縱向長度10～100m根據(jù)工程需需要設(shè)置。。41洞內(nèi)大管棚棚照片42設(shè)管棚工作作間：一般施作管管棚時都要要設(shè)置管棚棚工作間，，管棚工作作間按鉆機機特點設(shè)計計，比隧道道斷面加寬寬50～70cm，工作間長長度7～10m，如果只進進行一個循循環(huán)管棚施施作，管棚棚工作間比比較簡單。。但如果循循環(huán)多時，，施作多個個管棚工作作間就存在在著三個問問題。43齊岳山隧道道F11斷層前期管管棚工作間間照片44一是為施作作工作間，，隧道斷面面加大后，，開挖難度度加大，開開挖安全風(fēng)風(fēng)險增加。。二是若循環(huán)環(huán)注漿后未未能按設(shè)計計開挖到位位，工作間間尺寸將滿滿足不了要要求，將無無法進行正正常管棚作作業(yè)。三是由于管管棚工作間間采取擴挖挖斷面方法法，既增加加了開挖費費用，又增增加了回填填混凝土的的費用，浪浪費大。45無工作間管管棚施作技技術(shù)：在標準斷面面采用頂進進器將管棚棚頂?shù)介_挖挖斷面外。。該技術(shù)不需要擴大大斷面，不不切割大量量的管棚，，降低了施施工風(fēng)險，，提高了工工效，節(jié)約約了投資，，應(yīng)大力推推廣。46齊岳山隧道道F11斷層后期無無管棚工作作間照片47●超前小導(dǎo)管管：超前小小導(dǎo)管是在在對施工安安全要求較較高的條件件下使用。。在破碎圍圍巖、堆積積體、砂土土質(zhì)地層、、斷層破碎碎帶中普遍遍采用。當(dāng)?shù)貙涌ㄣ@鉆嚴重時，，可采用自自進式錨桿桿。小導(dǎo)管一般般采用φ32mm～φ60mm的鋼管，縱縱向長度2.5～6m根據(jù)工程需需要設(shè)置。。小導(dǎo)管布設(shè)設(shè)后根據(jù)地地層穩(wěn)定情情況，如需需要可進行行注漿，加加固周邊地地層。48洞內(nèi)超前小小導(dǎo)管施工工照片49●水平旋噴支支護：軟塑塑土體、含含水砂層等等可采用水水平旋噴進進行超前加加固與支護護。50預(yù)切槽支護護：用特制的鏈鏈式機械切切刀沿斷面面周邊連續(xù)續(xù)切割出一一條厚約數(shù)數(shù)十厘米，，深數(shù)米的的窄槽，同同時應(yīng)用與與切刀一體體化的混凝凝土灌注設(shè)設(shè)備注入混混凝土，形形成一個連連續(xù)的，起起預(yù)先支護護作用的混混凝土拱殼殼。然后在在“拱殼””支護下進進行工作面面的全斷面面機械挖掘掘51預(yù)切槽法三三維示意523.4開挖工法常用的開挖挖工法有臺臺階法、環(huán)環(huán)形導(dǎo)坑（（預(yù)留核心心土）法、、CD法、CRD法、雙側(cè)壁壁導(dǎo)坑法等等。開挖工法應(yīng)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)質(zhì)情況和地地層加固情情況確定。。實施中根根據(jù)地質(zhì)情情況和量測測成果及時時調(diào)整工法法。開挖工法選選擇時，原原則上在確確保安全條條件下，應(yīng)應(yīng)從簡單到到復(fù)雜，盡盡量減少開開挖步驟?！，F(xiàn)場施工應(yīng)應(yīng)嚴格執(zhí)行行設(shè)計工法法，不得擅擅自更改。。53●臺階法：：該工法一般般適合于Ⅳ級圍巖，要要求臺階長長度不大于于1倍洞徑，仰仰拱距掌子子面距離不不大于2倍洞徑。54●環(huán)形導(dǎo)坑坑(預(yù)留核心土土)法：該方法利用用核心土穩(wěn)穩(wěn)定掌子面面，然后開開挖兩側(cè)邊邊墻、中部部核心土，，最后開挖挖仰拱。該該工法步驟驟多，工藝藝要求高。。55目前，軟弱弱圍巖大斷斷面隧道多多采用環(huán)形形導(dǎo)坑法（（三臺階七七步流水法法），出現(xiàn)現(xiàn)的問題也也最多，對對該工法技技術(shù)要求如如下（雙線線隧道）：：上臺階每循循環(huán)開挖進進尺Ⅴ、Ⅵ級圍巖不大大于1榀鋼架，Ⅳ級不大于2榀。邊墻開挖進進尺不大于于2榀。仰拱開挖前前必須完成成鋼架鎖腳腳錨桿（管管），每循循環(huán)開挖進進尺不大于于3m。初期支護封封閉成環(huán)位位置距掌子子面距離原原則上不宜宜不大于2倍洞徑。根據(jù)地質(zhì)、、量測情況況，設(shè)置臨臨時仰拱或或橫撐。56環(huán)形導(dǎo)坑(預(yù)留核心土土法)照片57●CD法（中隔壁壁法）：該工法適合合于淺埋地地段或穿越越建（構(gòu)））筑物時采采用，以減減少沉降，，防止坍方方。該工法法是將隧道道分為左右右兩部分進進行開挖，，先在一側(cè)側(cè)采用臺階階法分層開開挖及支護護，再開挖挖隧道另一一側(cè)。每臺臺階縱向長長度3～5m。初期支護護仰拱緊跟跟下臺階，，封閉成環(huán)環(huán)。58●CRD法（交叉中中隔壁法））：該工法在特特殊條件下下采用。該該工法是將將大斷面隧隧道上、下下、左、右右分塊開挖挖，并施作作初期支護護和臨時橫橫撐（臨時時仰拱），，每臺階縱縱向長度3～5m，步步封閉閉成環(huán)。59CRD工法開挖照照片60●雙側(cè)壁導(dǎo)導(dǎo)坑法：該工法在特特大斷面等等特殊條件件下采用。。該工法先先開挖隧道道兩側(cè)導(dǎo)坑坑，再進行行中部開挖挖支護。工工法特點：：控制沉降降變形好，，但連接點點多，受力力復(fù)雜，對對工藝要求求高。61雙側(cè)壁導(dǎo)坑坑工法開挖挖照片62對于巖石強強度低，環(huán)環(huán)境要求高高的隧道應(yīng)應(yīng)采用單臂臂掘進機、、銑挖機、、機械破碎碎等開挖。。633.5初期支護初期支護方方式：錨網(wǎng)網(wǎng)噴；錨網(wǎng)網(wǎng)噴+鋼拱架，鋼鋼架形式有有格柵鋼架架、工字鋼鋼、H型鋼。特殊殊地質(zhì)條件件下使用噴噴鋼纖維混混凝土。初期支護受受力特征：：隧道開挖挖后短時間間或變形量量小時，初初期支護與與地層共同同承受形變變壓力。支支護不及時時或支護后后變形量過過大，巖體體松動后荷荷載加大，，由初期支支護完全被被動地承受受松動壓力力。因此，，必須保證證初期支護護的強度和和剛度，及及時支護，，控制變形。64●初期支護仰仰拱（臨時時仰拱）及及時閉合極極其重要，，閉合成環(huán)環(huán)后，提高高了結(jié)構(gòu)的的承載能力力，從而有有效地控制制變形、避避免坍方。。65技術(shù)要求雙線隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用用臺階法開開挖時，必必須設(shè)置鎖鎖腳錨桿（（管）等控控制拱（墻墻）腳位移移的措施。。雙線隧道Ⅴ級圍巖應(yīng)設(shè)設(shè)置橫向臨臨時支撐或或臨時仰拱拱，臨時支支撐采用型型鋼，縱向向每2榀設(shè)1處。鋼拱架宜采采用八字節(jié)節(jié)格柵拱架架。鋼拱架應(yīng)工工廠化制造造，出廠前前必須進行行檢驗、試試拼裝。噴混凝土原原則上采用用濕噴工藝藝，特殊地地質(zhì)條件下下可另行設(shè)設(shè)計。663.6監(jiān)控量測監(jiān)控量測是是軟弱圍巖巖隧道安全全施工的“眼睛”，是判斷結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性性、指導(dǎo)軟軟弱圍巖隧隧道安全施施工“最重要””的信息化手手段。不進進行監(jiān)控量量測，將無無法保證軟軟弱圍巖的的安全施工工。很多隧隧道的變形形與坍方是是因為沒有有進行量測測、或沒有有使用量測測成果才產(chǎn)產(chǎn)生的，教教訓(xùn)深刻。。67監(jiān)控量測主主要包括拱拱頂下沉和和水平收斂斂，淺埋段段應(yīng)進行地地表沉降量量測。目前前采用有尺尺量測的較較多。由于于隧道斷面面大，采取取有尺量測測時，施工工干擾大、、耗時長。。應(yīng)大力推推廣采用全全站儀利用用貼片反射射進行量測測。68技術(shù)要求建立等級級管理、、信息反反饋和報報告制度度。隧道監(jiān)控控量測必必須設(shè)置置專職人人員，培培訓(xùn)后上上崗，實實行專業(yè)業(yè)化管理理，城市市隧道要要引入第第三方監(jiān)監(jiān)測。量測斷面面布置間間距Ⅳ級圍巖10m（規(guī)程10～30m）、Ⅴ級圍巖5m（規(guī)程5～10m）。拱頂下沉沉或水平平收斂速速率達5mm/d或位移累累計達100mm時，要暫暫停施工工，分析析產(chǎn)生原原因，提提出處理理措施。。采用有尺尺量測時時，測點點掛鉤要要做成閉閉合三角角形，保保證不變變形、點點接觸。。69拱頂下沉沉量測照照片70水平收斂斂量測照照片71全站儀量量測照片片723.7二次襯砌砌由于目前前初支＋＋二襯共共同承載載的設(shè)計計方法，，適時進進行二次次襯砌對對安全施施工十分分重要，，根據(jù)部部有關(guān)要要求：Ⅳ級圍巖二二襯距掌掌子面距距離不大大于90m，Ⅴ級、Ⅵ級不大于于70m，這些經(jīng)驗驗數(shù)據(jù)是是十分重重要的，，現(xiàn)場必必須嚴格格執(zhí)行。。73下面介紹紹一下隧隧道洞口