軟巖隧道設計

匯報內容一、軟弱圍巖隧道的工程特征二、軟弱圍巖隧道潛在安全風險源四、軟弱圍巖變形控制技術三、軟弱圍巖隧道設計

3五、體會與建議六、結束語

隨著我國鐵路路網(wǎng)的完善，建設標準的提高，特別是高速鐵路和客運專線的大量修建，隧道建設規(guī)模和技術水平也踏上了一個新的臺階;然而，軟弱圍巖隧道坍方、作業(yè)人員傷亡等事故卻時有發(fā)生，隧道建設的安全現(xiàn)狀無法與當前的形勢相適應。從設計源頭上解決當前軟弱圍巖隧道建設過程中存在的問題，是非常必要和及時的。

我國是世界鐵路隧道大國。據(jù)統(tǒng)計，截止目前，我國鐵路隧道通車運營長度已達到6000公里，在建隧道約6600公里，規(guī)劃設計長度約7600公里，預計到2020年，我國鐵路隧道總長將達2萬公里左右，位居世界第一。我院承擔的任務主要集中在西南山區(qū)，地形、地質條件復雜，一方面，隧道多；另一方面，隧道通過軟弱圍巖地段長，如：全長462km的成蘭線，隧道長度就達到322km，隧線比70%，Ⅳ、Ⅴ級圍巖的比重75％，且多為千枚巖、板巖等軟弱圍巖地層。這些都從客觀上增大了隧道設計在安全方面的風險。

半個多世紀來，我院在西南山區(qū)鐵路隧道的建設中，既積累了一定的經(jīng)驗，也有不少教訓和體會，根據(jù)會議安排，下面我就軟弱圍巖隧道工程設計方面做簡要匯報，不妥之處，敬請領導批評指正。一、軟弱圍巖的工程特征(一)軟弱圍巖主要工程地質特點軟弱圍巖一般是指巖質軟弱、承載力低、節(jié)理裂隙發(fā)育、結構破碎的圍巖，工程地質特點有：(1)巖體破碎松散、粘結力差：一般為土層、巖體全風化層、擠壓破碎帶等構成的圍巖，由于結構破碎松散，巖體間的粘結力差，開挖洞室后，僅靠顆粒間的摩擦效應和微弱膠結作用成拱，這類巖體極不穩(wěn)定，尤其是在淺埋地段容易發(fā)生坍塌冒頂。(2)圍巖強度低、遇水易軟化：一般以頁巖、泥巖、片巖、炭質巖、千枚巖等為代表的軟質巖地層，由于其強度低、穩(wěn)定性差，開挖暴露后易風化、遇水易軟化，尤其是深埋地段受高應力影響容易發(fā)生塑性變形，造成洞室內擠。(3)巖體結構面軟弱、易滑塌：主要是存在于受結構面切割影響嚴重的塊狀巖體中，由于結構面的粘結強度較低，開挖后周邊巖體極易沿結構面產(chǎn)生松弛、滑移和墜落等變形破壞現(xiàn)象。（二）、軟弱圍巖的變形與破壞特征軟弱圍巖的工程地質性質決定了它在隧道工程中的變形特征，即開挖后自穩(wěn)能力差，表現(xiàn)出“自穩(wěn)時間短、易坍塌”的特征。由于隧道的開挖，使先前支撐隧道洞身圍巖被移走，洞壁臨空；造成圍巖應力進行重新調整，圍巖與洞壁均向隧道凈空方向變形。這種變形由三部分組成：一是，隧道正前方掌子面的水平位移，表現(xiàn)為掌子面的水平鼓出;二是，掌子面前方圍巖下沉，淺埋隧道表現(xiàn)為地表下沉，形成沉降槽;圖掌子面鼓出/地表沉降槽三是，剛剛開挖的的隧道洞洞壁出現(xiàn)現(xiàn)收斂變變形，表表現(xiàn)為拱拱頂下沉沉和邊墻墻內移;圖拱頂頂下沉和和邊墻內內移若這種變變形不進進行控制制，則可可能發(fā)生生隧道坍坍方。常見的隧隧道坍方方類型可可以歸納納為兩類類：一是掌子子面水平平變形過過大，發(fā)發(fā)生掌子子面擠出出坍方；；另一類是是支護下下沉過大大，出現(xiàn)現(xiàn)整體失失穩(wěn)坍方方。圖掌子子面擠出出坍方圖圖整整體失失穩(wěn)坍方方當隧道上上部覆土土較淺時時，隧道道內的變變形可能能發(fā)展到到地表，，引起地地表變形形開裂，，甚至出出現(xiàn)坍塌塌冒頂?shù)牡那闆r。。這種坍坍方對隧隧道工程程的建設設和環(huán)境境的危害害性極大大。整體失穩(wěn)穩(wěn)坍方工工程實例例洞頂?shù)乇肀硐菘佣?、軟軟弱圍巖巖隧道潛潛在安全全風險源源針對軟弱弱圍巖隧隧道的支支護變形形、塌方方等風險險，從地地質角度度進行分分析總結結，其潛潛在安全全風險源源主要有有6種情況：：（1）軟弱圍圍巖淺埋埋、偏壓壓軟弱圍巖巖淺埋地地段，隧隧道施工工時拱部部一般難難于成拱拱，在未未采取足足夠措施施前，軟軟弱圍巖巖淺埋隧隧道易發(fā)發(fā)生局部部塌方；；軟弱圍圍巖偏壓壓地段，，隧道支支護結構構將承受受顯著的的不對稱稱荷載，，施工期期間易造造成初期期支護縱縱向開裂裂或錯臺臺，變形形過大甚甚至塌方方。圖地形形引起的的偏壓圖地質質引起的的偏壓（2）土質隧隧道土質隧道道強度低低、自穩(wěn)穩(wěn)性差，，與巖石石隧道相相比要承承受更大大的荷載載，若初初期支護護強度不不足，將將導致變變形大、、嚴重時時會出現(xiàn)現(xiàn)局部坍坍塌等安安全風險險。土質隧道道塌方冒冒頂及洞洞內松散散坍體（3）大埋深深軟巖隧隧道在大埋深深軟巖地地段，一一般存在在較高的的地應力力，由于于軟巖抗抗壓強度度低，開開挖過程程中洞壁壁巖體剝剝離，位位移極為為顯著，，變形持持續(xù)時間間長，隧隧底常出出現(xiàn)隆起起現(xiàn)象。。通過該段段時，若若支護不不足，可可能造成成支護變變形過度度、侵限限，甚至至塌方等等安全風風險。支護大變變形嚴重重侵入凈凈空實例例（4）斷層破破碎帶由于斷層層上下兩兩盤的相相對運動動，常使使斷層面面附近巖巖石破碎碎成碎石石和粉末末狀，形形成斷層層破碎帶帶，其巖巖體一般般自穩(wěn)性性極差，，且常伴伴有地下下水，隧隧道通過過斷層破破碎帶時時易發(fā)生生塌方、、掌子面面突泥、、突水等等安全風風險。隧道斷層破碎碎帶及塌塌方（5）結構面面發(fā)育的的塊狀巖巖體地段段塊狀圍巖巖的力學學特性是是巖石單單體強度度較高、、承載力力較高，，但因結結構面發(fā)發(fā)育，受受其切割割制約，，特別是是在有地地下水組組合作用用的條件件下，巖巖體整體體穩(wěn)定性性差，這這類圍巖巖隧道坍坍塌的特特點是個個別巖塊塊失穩(wěn)，，造成較較大范圍圍巖塊突突然坍塌塌。坍塌巖塊塊結構面發(fā)發(fā)育（6）不同巖巖層接觸觸帶地段段由于不同同巖層，，巖性差差異大，，加之常常伴有地地下水，，在接觸觸面附近近常發(fā)育育有風化化剝蝕面面，巖體體較為軟軟弱、破破碎，隧隧道通過過時，在在掌子面面上方或或前方，，易發(fā)生生塌方、、涌泥等等安全風風險。隧道接觸帶塌塌方三、軟弱弱圍巖隧隧道設計計（一）、、軟弱圍圍巖隧道道設計理理論在隧道工工程的設設計與施施工中，，除了了了解軟弱弱圍巖隧隧道“自穩(wěn)差、、易坍塌塌”的工程特特點，還還必須清清楚地認認識到隧隧道不同同于地面面建筑物物的3個主要特特點：（1）隧道是是由圍巖巖和多種種支護結結構兩部部分組成成的，即即：隧道=圍巖+支護圍巖與支護共共同承擔山體體的壓力。圖圍巖與支支護共同受力力隧道工程的3個主要特點（2）隧道承受的的壓力具有不不確定性。（3）支護體系是是控制圍巖變變形的關鍵。。為有效控制隧隧道工程安全全風險，避免免或減少坍方方事故發(fā)生，，應以“充分調動圍巖巖的承載能力力，有效控制制圍巖變形和和松弛”為設計理念，，按新奧法原原理進行軟弱弱圍巖隧道設設計。（二）、隧道道支護設計根據(jù)新奧法原原理，軟弱圍圍巖隧道支護護一般采用復復合襯砌。復合襯砌由初初期支護、二二次襯砌兩部部分組成。隧道開挖后先先實施噴射混混凝土、錨桿桿、鋼拱架等等與圍巖密貼貼的初期支護護，約束圍巖巖變形，并根根據(jù)變形監(jiān)控控量測結果，，適時施作二二次襯砌。圖復合襯砌圖1、初期支護護設計初期支護是是由噴射混混凝土、錨錨桿、鋼架架組成的聯(lián)聯(lián)合支護體體系，是復復合襯砌隧隧道的主要要承載結構構。初期支護設設計-噴射混凝土土噴射混凝土土的作用噴混凝土能能及時、有有效地防止止開挖面巖巖層的松散散、離層和和掉落，是是有效地保保護圍巖、、防止坍方方的重要手手段。填充裂隙界界面附著著防掉塊噴混凝土與與圍巖的粘粘附是發(fā)揮揮噴混凝土土支護效果果的保證，，也是噴混混凝土最主主要的力學學作用。圖噴射混混凝土與圍圍巖初期支護設設計-噴射混凝土土軟弱圍巖中中噴混凝土土設計及施施工要點:噴混凝土應應具有必要要的早期強強度，以盡盡快對圍巖巖提拱支承承力，24小時抗壓強強度不應低低于10MPa。噴混凝土應應有足夠的的后期強度度，強度等等級不應低低于C25。與圍巖應具具有足夠的的粘附強度度，使噴混混凝土與圍圍巖盡快形形成整體，，阻止圍巖巖松動下滑滑，與圍巖巖的粘結強強度不應低低于0.5MPa。軟弱圍巖采采用鋼筋網(wǎng)網(wǎng)噴混凝土土，增強噴噴混凝土的的抗剪強度度、提高粘粘附性。初期支護設設計-噴射混凝土土為達到設計計目的，軟軟弱圍巖中中噴混凝土土施工要求求做到：噴混凝土應應采用濕噴噴工藝濕噴法其噴噴射混合料料進入噴射射機前已經(jīng)經(jīng)按規(guī)定加加入水拌合合均勻，因因此較干噴噴工藝具有有水灰比能能準確控制制，利于水水泥的水化化，施工粉粉塵小，回回彈少，混混凝土均質質性好，強強度高的優(yōu)優(yōu)點。噴混凝土必必須與巖面面密貼，不不可有空洞洞，以保證證良好的共共同受力狀狀態(tài)噴混凝土必必須快速、、及時施作作。初期支護設設計-錨桿錨桿作為初初期支護的的另一主要要構件，設設計施工中中是必不可可少的，特特別是在軟軟弱圍巖中中，其對圍圍巖的加固固作用十分分明顯。1）軟弱圍巖巖中錨桿的的作用在軟弱圍巖巖中單憑噴噴射混凝土土往往難以以抵抗圍巖巖的巨大形形變壓力，，不能有效效地保證支支護的可靠靠性。在這這種情況下下，需要將將噴射混凝凝土與錨桿桿聯(lián)合使用用，并把錨錨桿作為主主要的支護護措施。軟弱圍巖中中錨桿的主主要作用是是通過形成成具有一定定厚度的“加固圈”來“加固圍巖”?！凹庸倘Α背袚鈱訃鷰r傳傳來的荷載，使使得最后傳到噴噴射混凝土層的的荷載大為減小小。錨桿對圍巖的加加固是通過錨桿桿周圍的水泥砂砂漿與圍巖的粘粘結力來實現(xiàn)的的，因此需保證證錨固可靠，且且錨桿墊板必須須與巖面緊貼。。錨桿隧道加固圈2）軟弱圍巖錨桿桿設計與施工要要點：錨桿的布置一般般沿洞室周邊徑徑向均勻布置，，必要時底部也也要加錨桿；為保證加固帶有有一定厚度，錨錨桿的長度與間間距之比一般為為2:1；為防止錨桿間圍圍巖坍落，還應應配合網(wǎng)噴混凝凝土，噴層主要要承擔錨桿間的的局部坍塌荷載載；為達到設計目的的，軟弱圍巖錨錨桿施工中要求求做到：錨桿錨固可靠，，全長粘結；要用墊板，且墊墊板要求與巖面面緊貼。初期支護設計-鋼架鋼架分型鋼鋼架架與格柵鋼架兩兩種，一般應與與錨桿、噴混凝凝土共同使用。。圖鋼架斷面圖圖格柵鋼架1）鋼架的作用鋼架的作用有四四點：一是噴混凝土發(fā)發(fā)揮作用前支撐撐圍巖；二是對噴射混凝凝土進行補強；；三是作為超前支支護的支點；四是與錨桿、噴噴射混凝土共同同發(fā)揮初期支護護的作用。2）鋼架適用范圍圍鋼架的最大特點點是剛度大，架架設后能夠立即即承載受力。因因此，多用于軟軟弱破碎或土質質圍巖中，需要要控制圍巖變形形迅速發(fā)展的場場合。如淺埋、、偏壓及土層隧隧道等。鋼架的設計與施施工要點：一般采用工字鋼鋼，或“八字結”形聯(lián)系鋼筋的格格柵鋼架；鋼架間距一般為為0.6～1.0m。為增加鋼架的整整體性，每榀鋼鋼架間應設縱向向連接構件；鋼架拱腳及墻腳腳應有控制鋼架架位移和下沉的的措施。為達到設計目的的，鋼架的施工工要求做到：接頭是整個鋼架架的薄弱環(huán)節(jié)，，必須加強;鋼架應直立安裝裝，并用混凝土土預制塊與圍巖巖頂緊；型鋼鋼架應預留留注漿孔，及時時對噴混凝土層層后回填注漿，，保證與圍巖密密貼；分部開挖鋼架落落底接長時，要要注意防止失穩(wěn)穩(wěn)。2、二次襯砌設計計軟弱圍巖中二二次襯砌也是是主要承載結結構，二次襯襯砌與初期支支護共同承擔擔較大的后期期圍巖變形壓壓力，應適時時施作。二次襯砌設計計（1）二次襯砌的的作用軟弱圍巖隧道道中，二次襯襯砌的主要作作用：一是承承載，二是安安全儲備，保保障運營的安安全。（2）二次襯砌的的設計與施工工要點二次襯砌原則則上應適時施施做。軟弱圍巖二次次襯砌應帶仰仰拱，與邊墻墻應圓順連接接，減少應力力集中。為達到設計目目的，軟弱圍圍巖二次襯砌砌施工要求做做到：二次襯砌應先先施工仰拱，，分段整體澆澆注。二次襯砌背后后空洞應回填填密實。四、軟弱圍巖巖變形控制技技術1、控制掌子面面變形、坍塌塌的技術掌子面過大的的變形將導致致坍塌事故的的發(fā)生。這種種事故占隧道道坍方事故的的比例最高，，造成的人員員、機械設備備的損失最大大，在設計施施工中都應該該引起高度重重視?？刂普谱用孀冏冃?、坍塌的的技術-超前支護常見的控制掌掌子面變形、、坍塌的技術術有：（1）超前支護超前支護是一一種“先支后挖”技術，是控制制隧道掌子面面前方圍巖變變形，防止隧隧道掌子面坍坍塌的主要手手段。常用的超前支護有有：超前錨桿、超超前小導管注漿、、超前大管棚。圖超前支護示意意圖控制掌子面變形、、坍塌的技術-超前支護軟弱圍巖超前支護護施工中要求做到到1）超前管棚必須按按設計要求進行壓壓漿，以起到加固固圍巖的作用。2）為保證管棚與鋼鋼架的聯(lián)合支護作作用，管棚外露部部分應焊接于鋼架架上?？刂普谱用孀冃巍?、坍塌的技術-掌子面錨桿（2）掌子面錨桿設置掌子面錨桿的的目的是控制圍巖巖開挖后的先行位位移和掌子面位移移，也是給大斷面面開挖創(chuàng)造條件，，有利于控制先行行和后期圍巖、支支護變形。掌子面錨桿的長度度一般都在10～20m之間，宜優(yōu)先采用用易于切割的玻璃璃纖維錨桿。圖掌子面錨桿控制掌子面變形、、坍塌的技術-掌子面噴混凝土封封閉（3）掌子面噴混凝土土封閉掌子面噴混凝土是是現(xiàn)場使用較多的的另一種維持掌子子面穩(wěn)定的支護措措施。圖掌子面混凝土土封閉控制掌子面變形、、坍塌的技術-（4）掌子面預留核心心土掌子面預留核心土土防止掌子面失穩(wěn)穩(wěn)、坍方是隧道中中運用最廣、最簡簡單、最經(jīng)濟的技技術措施之一。核心土核心土核心土2、控制落底開挖坍坍方技術隧道上臺階開挖支支護完成，下一道道工序就是下臺階階落底開挖。這道道工序風險極大。。落底時上半部支支護基礎懸空，失失去支撐，很容易易引起支護和圍巖巖失穩(wěn)、坍方。這種事故一旦發(fā)生生，容易造成前方方掌子面作業(yè)人員員被困和傷亡。落底開挖的關鍵技技術是在開挖前給給上半斷面支護結結構提供一個臨時時或永久的基礎，，控制支護拱腳的的快速下沉。常見的控制拱腳下下沉技術有：（1）鎖腳錨管技術鎖腳錨管當它作為為承載結構時，主主要是傳遞來自于于上部初期支護的的壓力，因此，應應盡量沿拱腳切線線方向設置。若施施作不到位，將降降低錨管作用效果果。圖鎖腳錨管（2）臨時仰拱技術臨時仰拱在臺階法法開挖的軟巖大斷斷面隧道中經(jīng)常使使用，能讓上臺階階臨時封閉成環(huán)，，有效地控制上半半段面支護的沉降降，保證下臺階開開挖的安全。圖臺階法臨時仰仰拱（3）擴大拱腳技術擴大拱腳是通過展展寬基礎，減小地地基壓力的方法，，實現(xiàn)控制支護沉沉降的又一種有效效的技術手段。其關鍵是基礎要有有足夠的寬度，設設計寬度一般為0.8～1.0m。施作時，若拱腳腳寬度不夠，將造造成沉降過大，達達不到設計要求。。圖擴大拱腳3、工程實例成功實施的超大斷斷面軟弱圍巖隧道道工程實例：六沾沾鐵路烏蒙山二號號隧道。隧道出口為四線車車站隧道，全長610m，其最大開挖寬度度達28.42m，最大開挖面積為為354.30m2，為單跨交通隧道道的世界之最。隧道洞身主要通過過泥巖、頁巖夾砂砂巖等地層。針對對跨度超大、圍巖巖軟弱的特點，結結構采用核心土、、超前預支護、邊邊墻設臺的拱跨式式結構，有效地控控制了支護的變形形。目前大跨開挖挖已基本完成，未未出現(xiàn)坍塌問題。。圖六沾鐵路烏蒙蒙山二號隧道實例例五、體會與建議1、遵循“選線四原則”，從設計源頭降低低軟弱圍巖隧道風風險隧道位置的選擇在在重視洞口地形、、地質條件的同時時，應充分考慮隧隧道洞身地質條件件，隧道位置應盡盡量避免或減少通通過軟弱圍巖地段段。在選線設計時，要要遵循以下“選線四原則”：（1）選擇構造簡單，，地層單一，地下下水不發(fā)育，巖體體完整性較好的地地段；（2）盡量減少傍山、、淺埋段，避免短短隧道群。（3）隧道洞身宜平行行水平最大主應力力方向，爭取垂直直巖層走向；（4）避開或遠離斷層層破碎帶，必須穿穿過時，宜大角度度穿過；并應注意意選擇在斷層、特特別是活動斷層的的被動盤內通過。。2、充分貫徹“早進晚出”的原則，強化軟弱弱圍巖隧道進洞設設計洞口位置的選擇充充分考慮施工、運運營安全和環(huán)保要要求，遵循“早進晚出”的原則。有條件時時應盡量接長明洞洞，不要為了縮短短隧道的長度而偏偏壓、拉槽進洞，，使洞口處挖深過過大，破壞山體坡坡面的穩(wěn)定和植被被，給施工和運營營安全帶來隱患。。進洞成功實例進進洞失敗實例軟弱圍巖隧道宜采采用超前管棚進洞洞，并對洞口臨時時開挖坡面采取錨錨桿（索）、壓漿漿、鋼筋網(wǎng)、噴射射混凝土等支護措措施；同時，在開開挖進洞之前，還還應做好地表防排排水系統(tǒng)，以確保保隧道進洞安全。。3、高風險軟弱圍巖巖雙線長隧道，宜宜采用雙洞單線分分修方案高風險軟弱圍巖雙雙線長隧道宜采用用上下行分修，修修建兩座單線隧道道，由于隧道開挖挖跨度、斷面減小小，有利于施工時時控制圍巖和支護護變形，防止坍方方事故的發(fā)生。4、加強地質勘察工工作，細化軟弱巖巖層工程特性判釋釋重視軟弱圍巖地段段的地質勘察工作作，開展綜合勘探探，查明其工程地地質、水文地質條條件，圍巖合理定定級。對于通過軟弱圍巖巖地段的隧道，地地質勘察工作的主主要目的是確定軟軟弱圍巖在隧道洞洞身上的分布段落落、工程特性。通過地質測繪輔以以槽探、平硐等方方法，了解軟弱巖巖層的分布層位，，綜合地面物探成成果初步確定軟弱弱圍巖在洞身的分分布段落。在此基基礎上布置鉆探工工作，通過鉆探、、孔內綜合測井、、原位測試和室內內試驗，進一步細細化軟弱圍巖在隧隧道洞身段的分布布段落和工程特性性。為彌補勘勘察工作作的局限限性，應應加強施施工地質質特別是是超前地地質預報報工作，，在開挖挖環(huán)境下下、圍巖巖的受力力、地下下水的徑徑流條件件均有所所變化，，應高度度重視局局部的小小構造、、不同巖巖性的接接觸帶、、層間不不利的結結構面組組合對隧隧道穩(wěn)定定性的不不利影響響。5、針對軟軟弱圍巖巖的工程程特性，，設計方方案應做做到“三個有利利于”軟弱圍巖巖的力學學特性是是強度低低、承載載力低，，隧道開開挖后變變形大。。因此，，針對圍圍巖與隧隧道變形形的控制制措施是是設計的的要點。。設計應應做到“三個有利利于”：（1）開挖方方法的設設計應有有利于保保護圍巖巖，減小小塑性區(qū)區(qū)范圍，，最大限限度地調調動圍巖巖的承載載作用，，控制圍圍巖的變變形量；；例如采采用弱爆爆破、圍圍巖預加加固等設設計；（2）支護護結構構的設設計應應有利利于支支護結結構盡盡快封封閉，，形成成整體體穩(wěn)定定的封封閉環(huán)環(huán)狀結結構，，以達達到減減小支支護自自身變變形的的目的的；例例如采采用有有利于于快封封閉的的CD/CRD等工法法；（3）支護護結構構未封封閉之之前，，輔助助工程程措施施的設設計應應有利利于控