隧道軟弱圍巖施工技術(shù)

隧道軟弱圍巖施工技術(shù)第1頁/共61頁

隨著我國鐵路路網(wǎng)的完善，建設(shè)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(shè)規(guī)模和技術(shù)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(shè)的安全現(xiàn)狀無法與當前的形勢相適應(yīng)。從設(shè)計源頭上解決當前軟弱圍巖隧道建設(shè)過程中存在的問題，是非常必要和及時的。第2頁/共61頁

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(shè)計長度約7600公里，預(yù)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(dān)的任務(wù)主要集中在西南山區(qū)，地形、地質(zhì)條件復(fù)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(shè)計在安全方面的風(fēng)險。第3頁/共61頁

半個多世紀來，我院在西南山區(qū)鐵路隧道的建設(shè)中，既積累了一定的經(jīng)驗，也有不少教訓(xùn)和體會，根據(jù)會議安排，下面我就軟弱圍巖隧道工程設(shè)計方面做簡要匯報，不妥之處，敬請領(lǐng)導(dǎo)批評指正。第4頁/共61頁一、軟弱圍巖的工程特征第5頁/共61頁(一)軟弱圍巖主要工程地質(zhì)特點軟弱圍巖一般是指巖質(zhì)軟弱、承載力低、節(jié)理裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)破碎的圍巖，工程地質(zhì)特點有：(1)巖體破碎松散、粘結(jié)力差：一般為土層、巖體全風(fēng)化層、擠壓破碎帶等構(gòu)成的圍巖，由于結(jié)構(gòu)破碎松散，巖體間的粘結(jié)力差，開挖洞室后，僅靠顆粒間的摩擦效應(yīng)和微弱膠結(jié)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。第6頁/共61頁(2)圍巖強度低、遇水易軟化：一般以頁巖、泥巖、片巖、炭質(zhì)巖、千枚巖等為代表的軟質(zhì)巖地層，由于其強度低、穩(wěn)定性差，開挖暴露后易風(fēng)化、遇水易軟化，尤其是深埋地段受高應(yīng)力影響容易發(fā)生塑性變形，造成洞室內(nèi)擠。第7頁/共61頁(3)巖體結(jié)構(gòu)面軟弱、易滑塌：主要是存在于受結(jié)構(gòu)面切割影響嚴重的塊狀巖體中，由于結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)強度較低，開挖后周邊巖體極易沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生松弛、滑移和墜落等變形破壞現(xiàn)象。第8頁/共61頁（二）、軟弱圍巖的變形與破壞特征軟弱圍巖的工程地質(zhì)性質(zhì)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(yīng)力進行重新調(diào)整，圍巖與洞壁均向隧道凈空方向變形。第9頁/共61頁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/地表沉降槽第10頁/共61頁

三是，剛開挖的隧道洞壁出現(xiàn)收斂變形，表現(xiàn)為拱頂下沉和邊墻內(nèi)移;圖拱頂下沉和邊墻內(nèi)移第11頁/共61頁

若這種變形不進行控制，則可能發(fā)生隧道坍方。常見的隧道坍方類型可以歸納為兩類：一是掌子面水平變形過大，發(fā)生掌子面擠出坍方；另一類是支護下沉過大，出現(xiàn)整體失穩(wěn)坍方。

圖掌子面擠出坍方圖整體失穩(wěn)坍方第12頁/共61頁

當隧道上部覆土較淺時，隧道內(nèi)的變形可能發(fā)展到地表，引起地表變形開裂，甚至出現(xiàn)坍塌冒頂?shù)那闆r。這種坍方對隧道工程的建設(shè)和環(huán)境的危害性極大。整體失穩(wěn)坍方工程實例洞頂?shù)乇硐菘拥?3頁/共61頁二、軟弱圍巖隧道潛在安全風(fēng)險源第14頁/共61頁

針對軟弱圍巖隧道的支護變形、塌方等風(fēng)險，從地質(zhì)角度進行分析總結(jié)，其潛在安全風(fēng)險源主要有6種情況：（1）軟弱圍巖淺埋、偏壓軟弱圍巖淺埋地段，隧道施工時拱部一般難于成拱，在未采取足夠措施前，軟弱圍巖淺埋隧道易發(fā)生局部塌方；軟弱圍巖偏壓地段，隧道支護結(jié)構(gòu)將承受顯著的不對稱荷載，施工期間易造成初期支護縱向開裂或錯臺，變形過大甚至塌方。圖地形引起的偏壓圖地質(zhì)引起的偏壓第15頁/共61頁（2）土質(zhì)隧道土質(zhì)隧道強度低、自穩(wěn)性差，與巖石隧道相比要承受更大的荷載，若初期支護強度不足，將導(dǎo)致變形大、嚴重時會出現(xiàn)局部坍塌等安全風(fēng)險。土質(zhì)隧道塌方冒頂及洞內(nèi)松散坍體第16頁/共61頁（3）大埋深軟巖隧道在大埋深軟巖地段，一般存在較高的地應(yīng)力，由于軟巖抗壓強度低，開挖過程中洞壁巖體剝離，位移極為顯著，變形持續(xù)時間長，隧底常出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。通過該段時，若支護不足，可能造成支護變形過度、侵限，甚至塌方等安全風(fēng)險。

支護大變形嚴重侵入凈空實例第17頁/共61頁（4）斷層破碎帶由于斷層上下兩盤的相對運動，常使斷層面附近巖石破碎成碎石和粉末狀，形成斷層破碎帶，其巖體一般自穩(wěn)性極差，且常伴有地下水，隧道通過斷層破碎帶時易發(fā)生塌方、掌子面突泥、突水等安全風(fēng)險。隧道斷層破碎帶及塌方第18頁/共61頁（5）結(jié)構(gòu)面發(fā)育的塊狀巖體地段塊狀圍巖的力學(xué)特性是巖石單體強度較高、承載力較高，但因結(jié)構(gòu)面發(fā)育，受其切割制約，特別是在有地下水組合作用的條件下，巖體整體穩(wěn)定性差，這類圍巖隧道坍塌的特點是個別巖塊失穩(wěn)，造成較大范圍巖塊突然坍塌。坍塌巖塊結(jié)構(gòu)面發(fā)育第19頁/共61頁（6）不同巖層接觸帶地段由于不同巖層，巖性差異大，加之常伴有地下水，在接觸面附近常發(fā)育有風(fēng)化剝蝕面，巖體較為軟弱、破碎，隧道通過時，在掌子面上方或前方，易發(fā)生塌方、涌泥等安全風(fēng)險。隧道接觸帶塌方第20頁/共61頁三、軟弱圍巖隧道設(shè)計第21頁/共61頁（一）、軟弱圍巖隧道設(shè)計理論在隧道工程的設(shè)計與施工中，除了了解軟弱圍巖隧道“自穩(wěn)差、易坍塌”的工程特點，還必須清楚地認識到隧道不同于地面建筑物的力學(xué)3個主要特點：（1）隧道是由圍巖和多種支護結(jié)構(gòu)兩部分組成的，即：

隧道=圍巖+支護圍巖與支護共同承擔(dān)山體的壓力。圖圍巖與支護共同受力第22頁/共61頁隧道工程的3個主要特點（2）隧道承受的壓力具有不確定性。（3）支護體系是控制圍巖變形的關(guān)鍵。為有效控制隧道工程安全風(fēng)險，避免或減少坍方事故發(fā)生，應(yīng)以“充分調(diào)動圍巖的承載能力，有效控制圍巖變形和松弛”為設(shè)計理念，按新奧法原理進行軟弱圍巖隧道設(shè)計。第23頁/共61頁（二）、隧道支護設(shè)計根據(jù)新奧法原理，軟弱圍巖隧道支護一般采用復(fù)合襯砌。復(fù)合襯砌由初期支護、二次襯砌兩部分組成。隧道開挖后先實施噴射混凝土、錨桿、鋼拱架等與圍巖密貼的初期支護，約束圍巖變形，并根據(jù)變形監(jiān)控量測結(jié)果，適時施作二次襯砌。圖

復(fù)合襯砌圖第24頁/共61頁1、初期支護設(shè)計初期支護是由噴射混凝土、錨桿、鋼架組成的聯(lián)合支護體系，是復(fù)合襯砌隧道的主要承載結(jié)構(gòu)。第25頁/共61頁初期支護設(shè)計-噴射混凝土噴射混凝土的作用噴混凝土能及時、有效地防止開挖面巖層的松散、離層和掉落，是有效地保護圍巖、防止坍方的重要手段。填充裂隙界面附著防掉塊

噴混凝土與圍巖的粘附是發(fā)揮噴混凝土支護效果的保證，也是噴混凝土最主要的力學(xué)作用。圖噴射混凝土與圍巖第26頁/共61頁初期支護設(shè)計-噴射混凝土軟弱圍巖中噴混凝土設(shè)計及施工要點:噴混凝土應(yīng)具有必要的早期強度，以盡快對圍巖提拱支承力，24小時抗壓強度不應(yīng)低于10MPa。噴混凝土應(yīng)有足夠的后期強度，強度等級不應(yīng)低于C25。與圍巖應(yīng)具有足夠的粘附強度，使噴混凝土與圍巖盡快形成整體，阻止圍巖松動下滑，與圍巖的粘結(jié)強度不應(yīng)低于0.5MPa。軟弱圍巖采用鋼筋網(wǎng)噴混凝土，增強噴混凝土的抗剪強度、提高粘附性。第27頁/共61頁初期支護設(shè)計-噴射混凝土為達到設(shè)計目的，軟弱圍巖中噴混凝土施工要求做到：噴混凝土應(yīng)采用濕噴工藝濕噴法其噴射混合料進入噴射機前已經(jīng)按規(guī)定加入水拌合均勻，因此較干噴工藝具有水灰比能準確控制，利于水泥的水化，施工粉塵小，回彈少，混凝土均質(zhì)性好，強度高的優(yōu)點。噴混凝土必須與巖面密貼，不可有空洞，以保證良好的共同受力狀態(tài)噴混凝土必須快速、及時施作。第28頁/共61頁初期支護設(shè)計-錨桿錨桿作為初期支護的另一主要構(gòu)件，設(shè)計施工中是必不可少的，特別是在軟弱圍巖中，其對圍巖的加固作用十分明顯。第29頁/共61頁初期支護設(shè)計-錨桿1）軟弱圍巖中錨桿的作用在軟弱圍巖中單憑噴射混凝土往往難以抵抗圍巖的巨大形變壓力，不能有效地保證支護的可靠性。在這種情況下，需要將噴射混凝土與錨桿聯(lián)合使用，并把錨桿作為主要的支護措施。軟弱圍巖中錨桿的主要作用是通過形成具有一定厚度的“加固圈”來“加固圍巖”?！凹庸倘Α背袚?dān)外層圍巖傳來的荷載，使得最后傳到噴射混凝土層的荷載大為減小。

錨桿對圍巖的加固是通過錨桿周圍的水泥砂漿與圍巖的粘結(jié)力來實現(xiàn)的，因此需保證錨固可靠，且錨桿墊板必須與巖面緊貼。錨桿隧道加固圈第30頁/共61頁初期支護設(shè)計-錨桿2）軟弱圍巖錨桿設(shè)計與施工要點：錨桿的布置一般沿洞室周邊徑向均勻布置，必要時底部也要加錨桿；為保證加固帶有一定厚度，錨桿的長度與間距之比一般為2:1；為防止錨桿間圍巖坍落，還應(yīng)配合網(wǎng)噴混凝土，噴層主要承擔(dān)錨桿間的局部坍塌荷載；為達到設(shè)計目的，軟弱圍巖錨桿施工中要求做到：錨桿錨固可靠，全長粘結(jié)；要用墊板，且墊板要求與巖面緊貼。第31頁/共61頁初期支護設(shè)計-鋼架鋼架分型鋼鋼架與格柵鋼架兩種，一般應(yīng)與錨桿、噴混凝土共同使用。圖鋼架斷面圖格柵鋼架第32頁/共61頁初期支護設(shè)計-鋼架1）鋼架的作用鋼架的作用有四點：一是噴混凝土發(fā)揮作用前支撐圍巖；二是對噴射混凝土進行補強；三是作為超前支護的支點；四是與錨桿、噴射混凝土共同發(fā)揮初期支護的作用。2）鋼架適用范圍鋼架的最大特點是剛度大，架設(shè)后能夠立即承載受力。因此，多用于軟弱破碎或土質(zhì)圍巖中，需要控制圍巖變形迅速發(fā)展的場合。如淺埋、偏壓及土層隧道等。第33頁/共61頁初期支護設(shè)計-鋼架鋼架的設(shè)計與施工要點：一般采用工字鋼，或“八字結(jié)”形聯(lián)系鋼筋的格柵鋼架；鋼架間距一般為0.6～1.0m。為增加鋼架的整體性，每榀鋼架間應(yīng)設(shè)縱向連接構(gòu)件；鋼架拱腳及墻腳應(yīng)有控制鋼架位移和下沉的措施。

為達到設(shè)計目的，鋼架的施工要求做到：接頭是整個鋼架的薄弱環(huán)節(jié)，必須加強;鋼架應(yīng)直立安裝，并用混凝土預(yù)制塊與圍巖頂緊；型鋼鋼架應(yīng)預(yù)留注漿孔，及時對噴混凝土層后回填注漿，保證與圍巖密貼；分部開挖鋼架落底接長時，要注意防止失穩(wěn)。第34頁/共61頁2、二次襯砌設(shè)計軟弱圍巖中二次襯砌也是主要承載結(jié)構(gòu)，二次襯砌與初期支護共同承擔(dān)較大的后期圍巖變形壓力，應(yīng)適時施作。第35頁/共61頁二次襯砌設(shè)計（1）二次襯砌的作用軟弱圍巖隧道中，二次襯砌的主要作用：一是承載，二是安全儲備，保障運營的安全。（2）二次襯砌的設(shè)計與施工要點二次襯砌原則上應(yīng)在初期支護的位移收斂后施作，但對于淺埋軟弱圍巖隧道，當初期支護位移不收斂時，應(yīng)適時施做二次襯砌，此時二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)適當加強。軟弱圍巖二次襯砌應(yīng)帶仰拱，與邊墻應(yīng)圓順連接，減少應(yīng)力集中。為達到設(shè)計目的，軟弱圍巖二次襯砌施工要求做到：二次襯砌應(yīng)先施工仰拱，分段整體澆注。二次襯砌背后空洞應(yīng)回填密實。第36頁/共61頁四、軟弱圍巖變形控制技術(shù)第37頁/共61頁1、控制掌子面變形、坍塌的技術(shù)掌子面過大的變形將導(dǎo)致坍塌事故的發(fā)生。這種事故占隧道坍方事故的比例最高，造成的人員、機械設(shè)備的損失最大，在設(shè)計施工中都應(yīng)該引起高度重視。第38頁/共61頁控制掌子面變形、坍塌的技術(shù)-超前支護常見的控制掌子面變形、坍塌的技術(shù)有：（1）超前支護超前支護是一種“先支后挖”技術(shù)，是控制隧道掌子面前方圍巖變形，防止隧道掌子面坍塌的主要手段。常用的超前支護有：超前錨桿、超前小導(dǎo)管注漿、超前大管棚。圖超前支護示意圖第39頁/共61頁控制掌子面變形、坍塌的技術(shù)-超前支護軟弱圍巖超前支護施工中要求做到1）超前管棚必須按設(shè)計要求進行壓漿，以起到加固圍巖的作用。2）為保證管棚與鋼架的聯(lián)合支護作用，管棚外露部分應(yīng)焊接于鋼架上。第40頁/共61頁控制掌子面變形、坍塌的技術(shù)-掌子面錨桿（2）掌子面錨桿設(shè)置掌子面錨桿的目的是控制圍巖開挖后的先行位移和掌子面位移，也是給大斷面開挖創(chuàng)造條件，有利于控制先行和后期圍巖、支護變形。掌子面錨桿的長度一般都在10～20m之間，宜優(yōu)先采用易于切割的玻璃纖維錨桿。圖掌子面錨桿第41頁/共61頁控制掌子面變形、坍塌的技術(shù)-掌子面噴混凝土封閉（3）掌子面噴混凝土封閉掌子面噴混凝土是現(xiàn)場使用較多的另一種維持掌子面穩(wěn)定的支護措施。圖掌子面混凝土封閉第42頁/共61頁控制掌子面變形、坍塌的技術(shù)-（4）掌子面預(yù)留核心土掌子面預(yù)留核心土防止掌子面失穩(wěn)、坍方是隧道中運用最廣、最簡單、最經(jīng)濟的技術(shù)措施之一。核心土核心土核心土第43頁/共61頁2、控制落底開挖坍方技術(shù)隧道上臺階開挖支護完成，下一道工序就是下臺階落底開挖。這道工序風(fēng)險極大。落底時上半部支護基礎(chǔ)懸空，失去支撐，很容易引起支護和圍巖失穩(wěn)、坍方。這種事故一旦發(fā)生，容易造成前方掌子面作業(yè)人員被困和傷亡。落底開挖的關(guān)鍵技術(shù)是在開挖前給上半斷面支護結(jié)構(gòu)提供一個臨時或永久的基礎(chǔ)，控制支護拱腳的快速下沉。第44頁/共61頁常見的控制拱腳下沉技術(shù)有：（1）鎖腳錨管技術(shù)鎖腳錨管當它作為承載結(jié)構(gòu)時，主要是傳遞來自于上部初期支護的壓力，因此，應(yīng)盡量沿拱腳切線方向設(shè)置。若施作不到位，將降低錨管作用效果。圖鎖腳錨管第45頁/共61頁（2）臨時仰拱技術(shù)臨時仰拱在臺階法開挖的軟巖大斷面隧道中經(jīng)常使用，能讓上臺階臨時封閉成環(huán)，有效地控制上半段面支護的沉降，保證下臺階開挖的安全。圖臺階法臨時仰拱第46頁/共61頁（3）擴大拱腳技術(shù)擴大拱腳是通過展寬基礎(chǔ)，減小地基壓力的方法，實現(xiàn)控制支護沉降的又一種有效的技術(shù)手段。其關(guān)鍵是基礎(chǔ)要有足夠的寬度，設(shè)計寬度一般為0.8～1.0m。施作時，若拱腳寬度不夠，將造成沉降過大，達不到設(shè)計要求。圖擴大拱腳第47頁/共61頁3、工程實例成功實施的超大斷面軟弱圍巖隧道工程實例：六沾鐵路烏蒙山二號隧道。隧道出口為四線車站隧道，全長610m，其最大開挖寬度達28.42m，最大開挖面積為354.30m2，為單跨交通隧道的世界之最。隧道洞身主要通過泥巖、頁巖夾砂巖等地層。針對跨度超大、圍巖軟弱的特點，結(jié)構(gòu)采用核心土、超前預(yù)支護、邊墻設(shè)臺的拱跨式結(jié)構(gòu)，有效地控制了支護的變形。目前開挖已基本完成，未出現(xiàn)坍塌問題。圖六沾鐵路烏蒙山二號隧道實例第48頁/共61頁五、體會與建議第49頁/共61頁1、遵循“選線四原則”，從設(shè)計源頭降低軟弱圍巖隧道風(fēng)險隧道位置的選擇在重視洞口地形、地質(zhì)條件的同時，應(yīng)充分考慮隧道洞身地質(zhì)條件，隧道位置應(yīng)盡量避免或減少通過軟弱圍巖地段。在選線設(shè)計時，要遵循以下“選線四原則”：（1）選擇構(gòu)造簡單，地層單一，地下水不發(fā)育，巖體完整性較好的地段；（2）盡量減少傍山、淺埋段，避免短隧道群。（3）隧道洞身宜平行水平最大主應(yīng)力方向，爭取垂直巖層走向；（4）避開或遠離斷層破碎帶，必須穿過時，宜大角度穿過；并應(yīng)注意選擇在斷層、特別是活動斷層的被動盤內(nèi)通過。第50頁/共61頁2、充分貫徹“早進晚出”的原則，強化軟弱圍巖隧道進洞設(shè)計洞口位置的選擇充分考慮施工、運營安全和環(huán)保要求，遵循“早進晚出”的原則。有條件時應(yīng)盡量接長明洞，不要為了縮短隧道的長度而偏壓、拉槽進洞，使洞口處挖深過大，破壞山體坡面的穩(wěn)定和植被，給施工和運營安全帶來隱患。進洞成功實例進洞失敗實例第51頁/共61頁

軟弱圍巖隧道宜采用超前管棚進洞，并對洞口臨時開挖坡面采取錨桿（索）、壓漿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土等支護措施；同時，在開挖進洞之前，還應(yīng)做好地表防排水系統(tǒng)，以確保隧道進洞安全。第52頁/共61頁3、高風(fēng)險軟弱圍巖雙線長隧道，宜采用雙洞單線分修方案高風(fēng)險軟弱圍巖雙線長隧道宜采用上下行分修，修建兩座單線隧道，由于隧道開挖跨度、斷面減小，有利于施工時控制圍巖和支護變形，防止坍方事故的發(fā)生。4、加強地質(zhì)勘察工作，細化軟弱巖層工程特性判釋重視軟弱圍巖地段的地質(zhì)勘察工作，開展綜合勘探，查明其工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，圍巖合理定級。對于通過軟弱圍巖地段的隧道，地質(zhì)勘察工作的主要目的是確定軟弱圍巖在隧道洞身上的分布段落、工程特性。第53頁/共61頁

通過地質(zhì)測繪輔以槽探、平硐等方法，了解軟弱巖層的分布層位，綜合地面物探成果初步確定軟弱圍巖在洞身的分布段落。在此基礎(chǔ)上布置鉆探工作，通過鉆探、孔內(nèi)綜合測井、原位測試和室內(nèi)試驗，進一步細化軟弱圍巖在隧道洞身段的分布段落和工程特性。為彌補勘察工作的局限性，應(yīng)加強施工地質(zhì)特別是超前地質(zhì)預(yù)報工作，在開挖環(huán)境下、圍巖的受力、地下水的徑流條件均有所變化，應(yīng)高度重視局部的小構(gòu)造、不同巖性的接觸帶、層間不利的結(jié)構(gòu)面組合對隧道穩(wěn)定性的不利影響。第54頁/共61頁5、針對軟弱圍巖的工程特性，設(shè)計方案應(yīng)做到“三個有利于”軟弱圍巖的力學(xué)特性是強度低、承載力低，隧道開挖后變形大。因此，針對圍巖與隧道變形的控制措施是設(shè)計的要點。設(shè)計應(yīng)做到“三個有利于”：（1）開挖方法的設(shè)計應(yīng)有利于保護圍巖，減小塑性區(qū)范圍，最大限度地調(diào)動圍巖的承載作用，控制圍巖的變形量；例如采用弱爆破、圍巖預(yù)加固等設(shè)計；（2）支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)有利于支護結(jié)構(gòu)盡快封閉，形成整體穩(wěn)定的封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以達到減小支護自身變形的目的；例