北京交通大学---隧道设计与施工---第9部分软弱围岩的

主讲:谭忠盛隧道工程设计与施工北京交大隧道系第九部分软弱围岩的隧道施工（1）软弱围岩的自支护能力比较弱，甚至没有自支护能力。因此，在软弱围岩中施工最重要的是：如何提高围岩的自支护能力，来保证开挖及后续作业的进行。在软弱围岩中，提高围岩自支护能力的方法很多。根据国内外的施工经验，基本方法是控制围岩的松弛、流失。其原则是：稳定掌子面、及时闭合和加固地层。具体方法如下：1）稳定掌子面的方法正面喷混凝土和锚杆；超前支护；留核心土。2）及时闭合的方法临时仰拱或底部横撑；加强基脚；向底部地层注浆加固；底部锚杆；改变施工方法。3）加固地层注浆加固；超前支护；地表面加固。一、掌子面自稳性评价方法日本根据近9000个掌子面的数据，其中典型的崩塌事例列于下表。掌子面崩塌现象:（1）在断层中，根据断层破碎程度可能产生小的崩塌，也可能出现很大规模的崩塌，可能出现一次，也可能出现多次；（2）在互层围岩中，崩塌一般多是小规模的。例如第三纪的砂岩页岩互层，可能由于少量的涌水使固结度低的砂岩层流出，残留的泥岩也会呈块状剥落。崩塌的程度因砂岩的固结度、层理面间隔、层理面的固结度、砂岩层的滞水水量、水压等而异。崩塌的时间多在涌水状况有急剧变化的时期发生。（3）在强风化的围岩中，会产生比较大的崩塌，有涌水时崩塌的规模会更大；（4）在有层理面的容易崩塌的围岩中，会产生比较大规模的崩塌。根据层理面的强度、涌水的状况，在几小时内就会产生多次崩塌，瞬时发生大规模崩塌的情况也不少。（5）在砂层中，多发生比较小规模的和中等规模的崩塌。在没有涌水的砂砾层中，掌子面可能是自稳的，但会从拱顶发生小规模的掉落。评价指标及方法：表2列出有关评价掌子面稳定性的评价指标及方法。表3给出砂质围岩的掌子面自稳性的最简易的判断指标。表2评价指标和方法不稳定原因对象围岩评价方法评价指标沿龟裂、层理的崩塌龟裂性的岩层层状岩层块体理论不连续面情报（走向、倾斜、连续性、摩擦角、间隔等）ＲＭＲ法不连续面情报RQD、岩石强度因涌水压、凝聚力降低引起的崩塌土砂围岩未固结围岩均质系数细颗粒含有率颗粒组成、含水比、比重、单位体积重量、透水系数、涌水压因围岩强度不足，变形大引起的崩塌膨胀性围岩围岩强度比等颗粒组成、含水比、比重、液限、塑限、阳离子交换容量、单位体积重量、单轴抗压强度初期位移速度初期位移速度土砂围岩单位体积重量、凝聚力、内摩擦角未固结围岩准弹性系数净空位移表3掌子面稳定性评价（砂质围岩）围岩级别围岩状态分类指标相对密度（DR）细颗粒含有率(FC)IN掌子面基本稳定的围岩DR≥８０％FC≥１０％IL掌子面不稳定，只要有很小变化，就可能流出的围岩FC１０％特L掌子面稳定性显著差，开挖会引起重大变化的围岩DR８０％根据统计，涌水的影响很大，一般说掌子面涌水量在100L/min附近，可作为稳定和坍塌的判断基准，在500L/min以上几乎都是坍塌。埋深对掌子面的自稳定性也有很大影响。浅埋与深埋相比，主要是难以形成承载拱。同时，在这种情况下多数会有地形偏压、表层软弱堆积物、风化带等对隧道开挖有很大影响的特殊问题。地表下沉与埋深有密切关系。埋深大时，在隧道横断面内形成了承载拱，开挖引起的下沉局限在隧道周边，而埋深小时，没有形成承载拱，开挖下沉会直接达到地表面。在这种情况下，埋深小的隧道，因不能期待形成承载拱，故为防止支护下沉、增强支承力而应采取必要的措施，并研究采用药液压注、垂直锚杆等辅助工法。如图1所示，浅埋隧道的掌子面松弛将达到地表面，在横断面方向不能形成承载拱，在纵向的掌子面前方也形成不了承载拱。根据实测结果的分析，首先是接近掌子面前方的围岩急剧下沉，并向后方扩展，结果形成了图2所示的盆状的地表下沉。此下沉槽的坡度是与围岩中发生的剪应变相对应的。超过此限界后，如图所示就会发生地表开裂。图1埋深与隧道纵断面内的下沉a)开挖上半断面（埋深小时）；b)开挖下半断面（埋深小时）；c)开挖上半断面（埋深大时）；d)开挖下半断面（埋深小时）。图2地表下沉与地表二、稳定掌子面的方法有代表性的稳定掌子面的工法的分类列于表1。工法拱顶稳定掌子面稳定使用材料工法说明超前支护（超前锚杆、小导管等）◎○锚杆小导管（注浆）钢筋采用锚杆等提高前方围岩约束的方法使用小导管注浆加固掌子面插入角度：10～30；超前支护（钢插板等）◎○钢筋钢背板L型钢在掌子面自稳性差的围岩中，喷混凝土施工前有崩塌时，可采用此法。斜锚杆○○锚杆插入角度：45О～70О短管棚◎○管棚在没有凝聚力的围岩中采用。管长：5～7m；直径：小于45cm；视情况可进行注浆。正面喷混凝土◎喷混凝土提高掌子面正面的自稳性正面锚杆◎锚杆玻璃纤维锚杆保持掌子面自稳性的方法表1稳定掌子面工法的分类掌子面稳定性降低的原因，视围岩条件而异，在多数情况下，可考虑以下几点：•凝聚力不足而崩塌（未固结围岩、裂隙性围岩）；•因地下水而崩塌（未固结围岩、裂隙性围岩）；•因强度不足产生大变形而崩塌（膨胀性围岩）。此外，作为特殊情况，也有掌子面沿地质结构面挤出的情况。根据功能不同，稳定掌子面的方法可分为以下几种：•支持围岩的（超前支护、短管棚等）；•改良围岩的（注浆等）；•发挥锚杆作用的（斜锚杆、正面锚杆等）；•喷混凝土加强的等。1、超前支护超前支护是使用锚杆、单一钢管、钢筋等，沿隧道外轮廓以低角度打设的方式防止掉块，是加固掌子面前方围岩、约束围岩的方法。也可加设插板防止掉块。超前支护基本上是借助构件的抗弯刚度发挥作用的，因此，采用抗弯刚度大的构件是有利的。（1）单管用于没有凝聚力的围岩，防止拱顶松弛、崩落。一般采用34～48mm的钢管，以30～60cm的间隔和5～30的仰角打入。打入长度一般为掘进进尺的2～3倍。此法的主要问题是：在有砾石（孤石）或固结好的围岩中应用困难。其次是钢管下方的围岩易崩落，超挖大。为减少超挖可减少打入角度，使钢管从支护构件中通过。图1单钢管超前支护例（2）钢插板钢插板是在崩塌性显著的围岩中，以较大面积支护拱顶为的手段。钢插板的宽度一般采用15cm，长度为1.2~1.6m，以间隔30cm左右打入。一般都在拱顶120范围内施设。其实施例参见图2~图4。图2钢背板超前支护图3钢背板施工例图4钢插板施工示意图（3）注浆小导管注浆小导管是向掌子面附近的围岩注浆，以改善围岩状况，保证掌子面稳定的方法。实践证实：掌子面斜上方对隧道的稳定具有很大的影响，因此，开挖前改善此部分的状况，对增加隧道的稳定性是极为重要的。小导管注浆不仅是掌子面稳定的对策，也是改善隧道稳定性的对策，要充分加以研究和运用。小导管注浆视有无锚杆、药液的不同、改良深度等而不同。图5是一个施工例，成功运用于洞口有崩塌危险的地段。图6是采用布压注塞的压注锚杆实例，打入锚杆后，通过压注塞将水泥砂浆、水玻璃注入，压注压力2~5kg/cm2。压注材料不仅有水泥、水玻璃，还有以高压（30kg/cm2）压注的泡沫尿烷，此法的施工步骤见图7。图5小导管注浆例图6注浆锚杆图7压注泡沫尿烷的超前支护2、斜锚杆斜锚杆是作为支护结构的一部分轴力构件而发挥其作用的，用以改善拱顶斜上方的围岩。多采用在易崩塌的围岩中，作为支护拱顶的辅助方法。斜锚杆通常与系统锚杆同时施工。向掌子面拱部的斜上方，以50~80cm的间隔，在拱部60~100cm范围内，打入异型钢筋，锚固材采用砂浆。锚杆长3~4m，仰角30~60。包括通常锚杆在内的锚杆实施例见图8。图8锚杆的实例3、小管棚注浆小管棚的施工，基本上与注浆小导管相同。因超前支护范围大，多采用长度5～7m的钢管，以间隔30～60cm的距离打入。超前支护效果好，但费时，对施工循环有一定影响。4、掌子面正面喷混凝土正面喷射混凝土是在开挖后的自稳性差的开挖面喷射3~10cm左右的混凝土，覆盖掌子面，以防止掌子面松弛，提高掌子面的自稳性（图9）。喷混凝土不是作为轴力构件发挥作用的，是防止剥离的，常常与正面锚杆同时使用。此外通过观察喷射表面是否有龟裂发生，还可以获得有无崩塌发生的信息。5、正面锚杆正面锚杆是在掌子面有显著崩塌的情况下采用的。锚杆长2～3m，视崩塌情况施设。在膨胀性围岩中进行掌子面加强的施工例见图10。６、留核心土为了充分利用掌子面的空间支护效应，留核心土，也是比较有效的稳定掌子面的方法。图9正面喷射混凝土例图10膨胀性围岩的掌子面加强例三、控制地层松弛的加固地层的方法稳定围岩和控制地表下沉的方法包括：（1）压注法以加固围岩、止水为目的而采用的工法。向砂质土压注易于获得较好的效果，在黏性土中的效果不好。为进行有效地压注，要采用与围岩性质相适应的药液和方法。（2）冻结法在山岭隧道中采用较少，但其加固围岩、止水的效果非常好，可靠性高。在软弱粉砂层、大量涌水围岩、接近结构物施工的场合是很合适的。缺点是从准备时间到发挥效果的时间很长。（3）垂直锚杆法是一种用锚杆从隧道上方加固地层的一种方法。一般从地表面钻60～125mm的钻孔，而后插入钢筋。其作用是：利用砂浆和周边围岩的凝聚力控制下沉、利用抗剪能力防止洞口滑坡，施工实例较多。（4）管棚法一般多在洞口施工时采用。根据使用的钢管直径分类，有小直径钢管管棚和中、大直径钢管的管棚。在埋深小的隧道，正上方有建筑物时，也可采用此法。最近，利用特殊的钻孔机械，边钻孔、边注浆，在土砂隧道中产生较好的效果。（5）水平高压旋喷法在掌子面与隧道轴线平行，用特殊机械钻孔，同时向管体内高压喷射水泥浆液，形成50~70cm的圆柱体的工法。材料3天的强度可达8~10MPa，改善围岩的效果很高。是改善掌子面自稳性和控制地表下沉的较好的方法。但施工设备多，系统庞大。（6）隔断墙法一般作为止水的辅助工法采用，但也有用于控制地表下沉的对策而采用的。它可以降低开挖引起的地表下沉及其向周围的传播。在隧道两侧用刚性材料构筑地中墙，用以隔断下沉向周围的波及。施工时要注意地表条件的影响。（７）预衬砌法应该指出，控制围岩松弛和地表下沉的方法，许多是与止水方法相联系的，很难截然分开。为了说明的方便，一些方法将在地下水对策中加以说明。此处重点说明以下方法。1、地表垂直锚杆工法垂直锚杆工法是在隧道开挖之前，在隧道上部钻设直径100～120mm的钻孔，钻孔中插入粗钢筋（一般D＝25～32mm），再充填砂浆或水泥浆，在地中形成棒状的钢筋加固体，可以阻止因开挖产生的围岩变形，提高围岩的抗剪切强度。此工法广泛应用于：防止地表下沉、稳定隧道掌子面、处理偏压、防止坡面崩塌。尤其适用于浅埋的软弱围岩和滑坡地段等施工条件恶劣的地点。此工法优点是与开挖作业无干扰。但视地表的土地利用情况选用，适用性较差。目前在设计中，主要是采用经验的方法进行设计。如采用D25～32mm的钢筋，钻孔直径多采用100～120mm，间隔采用1.5×1.5～2.0×2.0。或者根据滑坡线及阻止坡体滑动的计算决定钢筋量、打设长度、打设间隔及钢筋直径等。其设计例见图1、图2。图1垂直锚杆工法设计例图2垂直锚杆工法施工例２、管棚工法管棚工法是在隧道开挖之前，沿隧道开挖断面外轮廓，以一定间隔与隧道平行钻孔、插入钢管，再从插入的钢管内压注充填水泥浆或砂浆，来增加钢管外周围岩的抗剪切强度，并使钢管与围岩一体化，由管棚和围岩构成的棚架体系。其效果可归纳为：粱效应：因钢管是先行施设的，在掘进时，钢管在掌子面和后方的支撑支持下，形成粱式结构，以防止围岩的崩塌和松弛。加强效应：钢管插入后，压注水泥浆，加强了钢管周边的围岩。⑴管棚的配置和形状一般说，多采用图3所示的形状。图3管棚的配置和形状⑵施工范围沿隧道轴向，管棚设置到多长范围要根据隧道周边的地形、地表结构物的状况等决定。管棚的终端位置，应达到防护对象的长度加上因开挖而造成的掌子面松弛范围。此工法施工可能的长度，根据钻孔机械的施工精度，可达80m，如施工地段更长时，应分段施工。⑶管棚配置间隔隧道在公路、铁道下方通过时，或者接近结构物施工时，或者隧道开挖对周边环境有直接影响时，或者在管棚间土粒子能够流出的软弱围岩时，为了能直接承受荷载、防止土粒子流出，应选用刚性大的、中直径（165.2mm～216.3mm