高地应力条件下隧道开挖施工方案

高地应力隧道开挖施工方案铁工1204班第二组一、高地应力地质特点1、围岩产生岩爆2、围岩收敛变形大3、围岩软夹层易挤出4、围岩钻孔出现饼状岩芯5、开挖时候没有渗水现象6、开挖时候有瓦斯突出7、水平初始应力分量大大超过其上覆盖层的岩体的重量8、围岩距离隧道掌子面远近不同9、隧道中掌子面开挖暴露时间长短不同，围岩发生岩爆频数不同二、高地应力地质隧道施工的难点与重点。•高地应力地质环境的隧道施工开挖过程中，有很多的难点和重点。例如，构造应力引起的具有破坏性的挤压变形，在软岩变形区域，一般形变较大，需要二次衬砌；高地应力区域容易发生塌方和岩爆，在施工过程中困难较大，是施工开挖过程主要克服的重难点。•岩爆：也称冲击地压，它是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象，当岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。•岩爆往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。（一）岩爆的预测及施工措施•地质预报：当隧道埋深较大时，每一开挖循环结束后，进行一次地质调查，绘制开挖工作面的地质素描图和地质展示图，根据地质调查结果，进行地质预报。岩体二次应力场现场测试：采用钻孔应力解除和应力恢复测试方法，分段对洞壁及掌子面现场测定围岩表层岩体二次应力场。同时进行现场岩石点荷载强度试验，利用洞壁切向应力洞壁岩石单轴抗压强度Rb来预报岩爆和判定等级高地应力区域隧道施工•施工措施：施工支护和安全防护：增设临时防护设施，对靠近开挖工作面，易发生岩爆区段的主要施工机械安装防护网和防护棚架，施工人员配发钢盔和防弹背心，掌子面加挂钢丝网。•根据地质预报和现场测试结果分析，对可能发生岩爆地段喷钢纤维砼，钢纤维掺量5%左右，喷层厚度8~10cm，对于轻微光爆可能效预防，以确保表层能够承受较大变形而不改开裂。调整围岩加应力状态，消除或减轻岩爆：•①喷洒高压水：爆破后立即向工作面及附近洞壁岩体喷洒高压水，喷洒范围延长到离工作面100m处，施作锚杆时，再利用锚杆孔向岩体深处洼水，以增强岩体的塑性，减弱岩体的脆性，经常保持岩体的潮湿状态，可降低岩爆的强烈程度。•②超前应力解除：在强烈岩爆区，可在隧道两侧拱脚附近打地应力释放孔，孔深3.0m，间距0.5~1.0m，拱部则以0~10的仰角打超前应力释放孔，孔径42mm以上，孔深根据钻机性能，尽可能加深，使前方拱部围岩的高地应力提前释放。使用岩台车施工时，在掌子面周边拱线处钻两排4.5m~5m深的炮眼，炮眼间距50cm，外插用30度左右，间隔装药，引爆后在拱部2~3m以上的岩体内部形成一个爆破松动圈，截断岩体内部应力的集中，使岩体本身形成一个保护层。软岩变形的预测及施工措施：高地应力区段的隧道围岩类别较低时，易发生塌方及软岩塑性大变形等变形破裂现象，可建立一套围岩变形跟踪监测系统，来了解和判定围岩是否有大变形现象，这个系统由长度分别为3.5m、3m、2m、1m、0.2m、3.5m元根Φ22的钢筋简易位移传递杆组成，钢筋用锚固剂固结在孔底。由于离开挖洞越高，其变形越小，较3.5m传递杆或视为座标杆，通过定时测量它与其他不同深度的传递杆间的相对位移，可以得到围岩不同深度的经向位移，再辅以其他常规量测平段得出的数据，作为判定围岩是否发生变形的依据。措施：•在施工中，除减轻爆破对围岩的扰动，利用喷、锚网、钢栅等强支护手段加强支护外，提前释放应力，根据量测结果及时施作二次衬砌，并封闭成环，都有利于隧道的安全施工。三、高地应力地质隧道施工流程和施工顺序（1）、施工原则：1、早发现，便于及时作出对应措施和准备工作，在开挖面上钻设超前密集小孔，或从开挖面向内钻孔和在一定深度内爆破，在一定范围内形成破碎带，降低洞室周围围岩的应力，释放能量。2、临时性和永久性防护措施，在一定程度上对施工人员进行隔离，设计支护结构，宜采用柔性支护。•3、设计中采取降落措施；切断应力释放槽，尽量避免因开挖引起应力集中。（2）、施工方法：1、超前地质预报：1超前排孔。在隧道掌子面开挖地面以上1.5米位置，左右两侧各钻一个孔，孔深5—6米，每两个循环交替进，通过钻探明前方围岩地质表现，可以帮助推断高地应力的情况。2地质素描。在开挖后对掌子面，左右边墙揭示的围岩产状、岩性等进行描述绘图，分析判断前方10——20米范围围岩情况。•2、超前支护加固：针对围岩为水平岩层易产生塌方，拱部120度范围设置砂浆超前锚杆，长度3.5米，环伺间距20米，纵伺间距2.5米，水平搭接长度不小于1.0米，外插角10度，超前锚杆配合钢架使用，超前锚杆置于钢架腹部与钢架共同受力，可有效遏制拱顶坍塌。•3、高地应力开挖。开挖采用短进尺，弱爆破，选用“三台阶五部开挖法”上台阶3——5米，中台阶6——8米，下台阶6——8米，中下台阶开挖时左右锚开1——2米，三台阶纵长度控制在1.5——1.8米，四级围岩每循环进尺控制在2——3米，开挖采用减振光面爆破，根据围岩情况和爆破效果及时调整爆破参数，装药量在0.5——0.65千克/每立方，不耦合系数不小于2.0，采用小药卷，条件允许下，先行开挖导坑提前释放应力，断面3.0╳2.5米。4、系统支护加固1初喷混凝土：开挖后，岩体要经过1小时左右方产生坍塌掉块，钻爆完毕后，及时初喷4cm厚C20混凝土封闭围岩，增强围岩的自稳能力。2锚杆、钢筋网：出渣完毕及时施作初期支护，拱部、边墙均设置。3砂浆锚杆，长2.5米，间距1.0╳0.6米，同时安装8号钢筋网片，间距20cm╳20cm，钢筋网片密贴初喷混凝土面，并用定位锚杆进行固定。4钢架:全环安装18号工字钢架，安装钢筋前，清除底脚虚渣及杂物，超挖部分必须采用同等级混凝土固填，及早封闭成环，施工过程中，工字钢作用效果较好，有效遏制围岩变形，钢架架设完毕，及时喷20cm厚C20混凝土。四、高地应力地质隧道施工阶段划分（一）围岩岩爆性质预测阶段：①、地质预报：当隧道埋深较大时，每一开挖循环结束后，进行一次地质调查，绘制开挖工作面的地质素描图和地质展示图，根据地质调查结果，进行地质预报。•②、岩体二次应力场现场测试：采用钻孔应力解除和应力恢复测试方法，分段对洞壁及掌子面现场测定围岩表层岩体二次应力场。同时进行现场岩石点荷载强度试验，利用洞壁切向应力洞壁岩石单轴抗压强度Rb来预报岩爆和判定等级。（2）施工爆破阶段：1）、施工支护和安全防护：增设临时防护设施，对靠近开挖工作面，易发生岩爆区段的主要施工机械安装防护网和防护棚架，施工人员配发钢盔和防弹背心，掌子面加挂钢丝网。根据地质预报和现场测试结果分析，对可能发生岩爆地段喷钢纤维砼，钢纤维掺量5%左右，喷层厚度8~10cm，对于轻微光爆可能效预防，以确保表层能够承受较大变形而不改开裂。对于中等岩爆地段，采用锚杆加固岩体，同时改变洞壁岩体的应力状态，改变岩爆的触发条件，控制岩爆发生的前两阶段的发展，从而防止岩爆的发生。锚杆施作应及时，长度为2.5m左右，间距视现场民政部而定，在中等和强烈岩爆区，除了安装系统锚杆外，再配合网喷或喷钢纤维砼等综合防治手段，以控制岩爆的强烈程度，当岩爆特别严重时，增加钢拱架支护，拱架之间用Φ22钢筋焊连并焊接到锚杆外露外露端上。2）、调整围岩加应力状态，消除或减轻岩爆：①喷洒高压水：爆破后立即向工作面及附近洞壁岩体喷洒高压水，喷洒范围延长到离工作面100m处，施作锚杆时，再利用锚杆孔向岩体深处洼水，以增强岩体的塑性，减弱岩体的脆性，经常保持岩体的潮湿状态，可降低岩爆的强烈程度。②超前应力解除：在强烈岩爆区，可在隧道两侧拱脚附近打地应力释放孔，孔深3.0m，间距0.5~1.0m，拱部则以0~10的仰角打超前应力释放孔，孔径42mm以上，孔深根据钻机性能，尽可能加深，使前方拱部围岩的高地应力提前释放。使用岩台车施工时，在掌子面周边拱线处钻两排4.5m~5m深的炮眼，炮眼间距50cm，外插用30度左右，间隔装药，引爆后在拱部2~3m以上的岩体内部形成一个爆破松动圈，截断岩体内部应力的集中，使岩体本身形成一个保护层。3）、根据岩爆稳定，大多数隧道断面都形成了一种不规则的梯形，因此，将隧道洞室直接开挖成不规则梯形的断面开头，也有得于防止岩爆。另外，采用线孔爆破，减少一次装药量，拉大不同部位的炮眼的管段信间隔，从而延长爆破时间，减少爆破动应力声的叠加，降低岩爆的频率和强度衬砌工作紧跟开挖工序，减少岩层暴露时间，有利于减少岩爆的发生。（3）、围岩软岩变形的预测及维护阶段：•高地应力区段的隧道围岩类别较低时，易发生塌方及软岩塑性大变形等变形破裂现象，可建立一套围岩变形跟踪监测系统，来了解和判定围岩是否有大变形现象，这个系统由长度分别为3.5m、3m、2m、1m、0.2m、3.5m元根Φ22的钢筋简易位移传递杆组成，钢筋用锚固剂固结在孔底。由于离开挖洞越高，其变形越小，较3.5m传递杆或视为座标杆，通过定时测量它与其他不同深度的传递杆间的相对位移，可以得到围岩不同深度的经向位移，再辅以其他常规量测平段得出的数据，作为判定围岩是否发生变形的依据。•在施工中，除减轻爆破对围岩的扰动，利用喷、锚网、钢栅等强支护手段加强支护外，提前释放应力，根据量测结果及时施作二次衬砌，并封闭成环，都有利于隧道的安全施工。五、高地应力地质隧道施工方法及施工机械隧道施工开挖方法采用“五台阶三部开挖法”，开挖爆破采用减振光面爆破法。施工开挖过程中采用的机械主要是凿岩台车、喷锚台车。•凿岩台车由钻臂、推进器、底盘、台车架、稳车机构、风水系统、液压系统、操纵系统等部分组成1-动力系统；2-底盘；3-台车架；4-凿岩机；5-钻臂；6-推进器；7-稳车机构•锚杆台车是在隧道施工中用于围岩支护的专用设备。在需要锚杆支护的地方用锚杆台车进行钻孔、注浆、插入锚杆，全套工序均由锚杆台车完成，如图所示为锚杆台车示意图。锚杆台车由台车底盘、大臂、锚杆机头等组成。•混凝土喷射机射混凝土有干喷和湿喷两种方式。干喷是先用搅拌机将骨料和水泥干拌均匀，投入喷射机料斗，同时加入速凝剂，用压缩空气将混合料输送到喷头，在喷头处加水喷向岩面。湿喷是水加在搅拌机里，投入喷射机的是已拌好的成品混凝土，速凝剂在喷头处加入。喷射机是喷混凝土的关键设备，分干式喷射机和湿式喷射机两种•隧道衬砌模板台车由一部台车和数套钢模板组成。模板以型钢为骨架，上铺钢板形成外壳，并设有收拢机构，通过安装在台车上的电动液压装置，进行立模与拆模作业。模板与台车各自为独立系统，每段衬砌灌注混凝土完毕后，台车可与模板脱离，衬砌混凝土由模板结构支撑。台车将后面另一段已灌混凝土可以拆模的模板收拢后，由电平车牵引，穿过安装好的模板后，到达前方预灌注段进行立模作业。1-模板；2-台车；3-托架；4-垂直油缸；5-侧向油缸；•6-液压操纵台；7-电动机；8-油箱；9-作业窗•全断面隧道掘进机是一种在岩层中挖掘隧道的机械。其特点是用机械法破碎切削岩石（刀头直径与开挖隧道的直径大小一致，故称全断面开挖），挖掘与出渣同时进行。掘进机的直径一般为2～1lm，最大可达15m。可挖掘的岩石硬度为岩石单轴抗压强度20～200MPa，最大近300MPa。六、高地应力地质隧道质量验收标准与方法1、隧道门边坡、仰坡开挖范围及尺寸应符合设计要求隧道门边坡、仰坡开挖范围及尺寸应符合设计要求。检验数量：施工单位、监理单位全验。检验方法：查对设计图，观察、尺量。隧道门端墙、翼墙、挡土墙基底的地基承载力必须符合设计要求。2、检验数量：施工单位每个洞口检测不少于3处，当洞口处岩土体不均匀时应适当增加检测点；监理单位见证检测不少于1处。检验方法：施工单位采用静力触探试验或标准贯入试验检测，必要时采用载荷试验检测；监理单位检查全部检测报告并进行见证检测。3、洞口工程砌筑所用砂浆的配合比应根据材料性能、砂浆的技术条件和设计要求进行配合比设计，并通过适配试验调整后确定。砂浆配合比设计、试件制作、养护及抗