软岩隧道变形控制及施工

软岩隧道变形控制及施工方俊波中铁隧道集团二O一三年三月汇报内容第一章前言第二章软弱围岩工程特征第三章软岩隧道潜在安全风险源3第四章软岩隧道施工技术第六章体会与建议第五章软岩隧道变形控制施工实例随着我国铁路路网的完善，建设标准的提高，特别是高速铁路和客运专线的大量修建，隧道建设规模和技术水平也踏上了一个新的台阶;然而，软弱围岩隧道坍方、作业人员伤亡等事故却时有发生，隧道建设的安全现状无法与当前的形势相适应。解决当前软弱围岩隧道建设过程中存在的问题，是非常必要和及时的。第一章前言由于隧道长且地质复杂，我国目前的设计工作还远未达到能超前规避施工风险的程度，这些都从客观上增大了隧道施工在安全方面的风险。而且由于施工技术措施不合理、施工方法不当、施工工艺不到位、现场管理薄弱等环节的诸多问题，造成了大量的隧道变形和坍方事故，损失巨大，教训深刻。第一章前言目前，如何提高软弱围岩隧道施工水平，预防变形和坍方，确保施工安全，其核心是抓住软弱围岩隧道工程特点，落实好“三超前、四到位、一强化”施工技术关键环节。●三超前：超前预报、超前加固、超前支护●四到位：工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌跟进到位●一强化：强化监控量测近十多年来，我们在长大复杂地质铁路隧道的施工中，既积累了一定软岩隧道变形控制及施工管理的经验，也有不少教训和体会。乌鞘岭隧道9#斜井第一章前言太中银铁路兴旺峁隧道第二章软弱围岩工程特征地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土类矿物的松、散、软、弱岩层的总称。常具有以下特征：（1）围岩强度低，承载能力低。如黏性土、粉土、砂类土、黄土、全风化岩体等。（2）节理发育、破碎、自稳能力差。如岩体破碎的泥岩、页岩、砂岩、千枚岩、板岩等。（3）断层带散体结构、自稳能力极差。受构造影响，断层带结构面杂乱无序，呈角砾、縻棱状或碎裂结构，充填泥质或泥夹岩屑。软弱围岩强度低、自稳能力差，隧道开挖后地应力重新分布，使隧道周边产生较大的松动圈。一旦工程措施（包括设计措施）和施工方法不当，将极易发生初期支护变形侵限和隧道坍方等工程事故。因此，软弱围岩隧道施工的核心是“控制变形、防止坍方”。一、地质特征一般为土层、岩体全风化层、挤压破碎带等构成的围岩，由于结构破碎松散，岩体间的粘结力差，开挖洞室后，仅靠颗粒间的摩擦效应和微弱胶结作用成拱，这类岩体极不稳定，尤其是在浅埋地段容易发生坍塌冒顶。岩体破碎松散、粘结力差第二章软弱围岩工程特征一般以页岩、泥岩、片岩、炭质岩、千枚岩等为代表的软质岩地层，由于其强度低、稳定性差，开挖暴露后易风化、遇水易软化，尤其是深埋地段受高应力影响容易发生塑性变形，造成洞室内挤。围岩强度低、遇水易软化无水地段千枚岩有水地段千枚岩遇水后软化成泥状的千枚岩第二章软弱围岩工程特征主要是存在于受结构面切割影响严重的块状岩体中，由于结构面的粘结强度较低，开挖后周边岩体极易沿结构面产生松弛、滑移和坠落等变形破坏现象。岩体结构面软弱、易滑塌有水地段软弱围岩工作面围岩松驰、坠落第二章软弱围岩工程特征软弱围岩的工程地质性质决定了它在隧道工程中的变形特征，即开挖后自稳能力差，表现出“自稳时间短、易坍塌”的特征。由于隧道的开挖，使先前支撑隧道洞身围岩被移走，洞壁临空；造成围岩应力进行重新调整，围岩与洞壁均向隧道净空方向变形。二、软弱围岩的变形与破坏特征这种变形由三部分组成：（1）隧道正前方掌子面的水平位移，表现为掌子面的水平鼓出;（2）掌子面前方围岩下沉，浅埋隧道表现为地表下沉，形成沉降槽;（3）刚开挖的隧道洞壁出现收敛变形，表现为拱顶下沉和边墙内移;第二章软弱围岩工程特征若这种变形不进行控制，则可能发生隧道坍方。常见的隧道坍方类型可以归纳为两类：（1）掌子面水平变形过大，发生掌子面挤出坍方；（2）支护下沉过大，出现整体失稳坍方。对于浅埋隧道而言：当隧道上部覆土较浅时，隧道内的变形可能发展到地表，引起地表变形开裂，甚至出现坍塌冒顶的情况。这种坍方对隧道工程的建设和环境的危害性极大。第二章软弱围岩工程特征某隧道涌砂坍方（2010年1月19日发生）。坍方段埋深21m（属浅埋），地质为向斜构造全风化花岗岩，呈砂状，开挖扰动后呈流塑状，地表为水田和常年流水水沟。进口开挖到398米处，掌子面施作超前小导管时，突然发生涌砂坍方，涌砂量约800立方，随后地面出现坍陷，坍坑直径约35米。涌砂坍方原因：未进行超前预报、未进行超前加固、未进行超前支护第二章软弱围岩工程特征针对软弱围岩隧道的支护变形、塌方等风险，从地质角度进行分析总结，其潜在安全风险源主要有6种情况：（1）软弱围岩浅埋、偏压软弱围岩浅埋地段，隧道施工时拱部一般难于成拱，在未采取足够措施前，软弱围岩浅埋隧道易发生局部塌方；软弱围岩偏压地段，隧道支护结构将承受显著的不对称荷载，施工期间易造成初期支护纵向开裂或错台，变形过大甚至塌方。图地形引起的偏压图地质引起的偏压第三章软岩隧道潜在安全风险（2）土质隧道土质隧道强度低、自稳性差，与岩石隧道相比要承受更大的荷载，若初期支护强度不足，将导致变形大、严重时会出现局部坍塌等安全风险。土质隧道塌方冒顶及洞内松散坍体第三章软岩隧道潜在安全风险（3）大埋深软岩隧道在大埋深软岩地段，一般存在较高的地应力，由于软岩抗压强度低，开挖过程中洞壁岩体剥离，位移极为显著，变形持续时间长，隧底常出现隆起现象。通过该段时，若支护不足，可能造成支护变形过度、侵限，甚至塌方等安全风险。支护大变形严重侵入净空实例第三章软岩隧道潜在安全风险（4）断层破碎带由于断层上下两盘的相对运动，常使断层面附近岩石破碎成碎石和粉末状，形成断层破碎带，其岩体一般自稳性极差，且常伴有地下水，隧道通过断层破碎带时易发生塌方、掌子面突泥、突水等安全风险。隧道断层破碎带及塌方第三章软岩隧道潜在安全风险（5）结构面发育的块状岩体地段块状围岩的力学特性是岩石单体强度较高、承载力较高，但因结构面发育，受其切割制约，特别是在有地下水组合作用的条件下，岩体整体稳定性差，这类围岩隧道坍塌的特点是个别岩块失稳，造成较大范围岩块突然坍塌。坍塌岩块结构面发育第三章软岩隧道潜在安全风险（6）不同岩层接触带地段由于不同岩层，岩性差异大，加之常伴有地下水，在接触面附近常发育有风化剥蚀面，岩体较为软弱、破碎，隧道通过时，在掌子面上方或前方，易发生塌方、涌泥等安全风险。隧道接触带塌方第三章软岩隧道潜在安全风险软弱围岩隧道施工，应在以下七个方面予以重视，实现标准化施工管理，从而避免变形和坍方事故的发生：超前预报、超前加固、超前支护、开挖工法、初期支护、二次衬砌、监控量测。第四章软岩隧道施工技术1、超前预报现场时常会遇到实际开挖揭示的地质与设计提供的地质存在较大差异，引起技术措施和施工方法的变化。因此，除设计阶段加强地质勘察外，施工阶段也必须进行超前地质预报工作，这一点尤为重要。（1）地质素描、物探、超前钻探方法是软弱围岩超前预报的主要手段。（2）在破碎带和断层地段，加强超前长、短钻孔，及时探明隧道前方地质情况，特别是地下水的发育情况，严禁在未探明情况下盲目开挖。（3）应该重视施工阶段超前地质预报工作，建立责任制，明确责任和分工。高和极高风险隧道，根据有关规定，施工单位有权要求设计方进行超前地质预报的专项设计。2、超前加固在断层破碎带和软弱地层，特别是富含水时，必须对围岩进行超前加固，改良地层，确保隧道安全施工。（1）必须配备专业队伍、专业设备，进行专项设计，保证加固效果。（2）目前，常用的围岩加固方法是注浆法。注浆法主要分全断面注浆和局部注浆两种。在富水断层地带，常采取全断面注浆。全断面注浆法钻孔数量多，施作周期长；局部注浆是针对隧道前方地层特点，对薄弱部位进行注浆，钻孔数量少，施作周期短。无论是全断面注浆，还是局部注浆，都要求必须配备先进的钻孔注浆设备，必须采取信息化注浆。纵向加固长度应根据钻机能力和地层特点确定，一般为20～30m。特殊地层条件下，应及时调整纵向注浆加固长度，否则既影响进度，又影响质量。环向加固厚度一般为3～5m，局部可增加到5～8m。第四章软岩隧道施工技术3、超前支护常用的超前支护方式有超前大管棚和超前小导管两种。（1）超前大管棚：超前大管棚一般是在对沉降有严格要求时使用，适宜于浅埋洞口、堆积体、砂土质地层、断层破碎带地层，以及下穿公路、铁路、地面建筑物时采用。大管棚一般采用φ70mm～φ159mm的钢管，纵向长度10～100m根据工程需要设置。洞内大管棚支护施工洞口大管棚支护施工第四章软岩隧道施工技术设管棚工作间：一般施作管棚时都要设置管棚工作间，管棚工作间按钻机特点设计，比隧道断面加宽50～70cm，工作间长度7～10m，如果只进行一个循环管棚施作，管棚工作间比较简单。但如果循环多时，施作多个管棚工作间就存在着三个问题。一是为施作工作间，隧道断面加大后，开挖难度加大，开挖安全风险增加。二是若循环注浆后未能按设计开挖到位，工作间尺寸将满足不了要求，将无法进行正常管棚作业。三是由于管棚工作间采取扩挖断面方法，既增加了开挖费用，又增加了回填混凝土的费用，浪费大。第四章软岩隧道施工技术无工作间管棚施作技术：在标准断面采用顶进器将管棚顶到开挖断面外。该技术不需要扩大断面，不切割大量的管棚，降低了施工风险，提高了工效，节约了投资，应大力推广。超前管棚超前管棚超前管棚止浆墙洞内无管棚工作室施工管棚第四章软岩隧道施工技术（2）超前小导管：超前小导管是在对施工安全要求较高的条件下使用。在破碎围岩、堆积体、砂土质地层、断层破碎带中普遍采用。当地层卡钻严重时，可采用自进式锚杆。小导管一般采用φ32mm～φ60mm的钢管，纵向长度2.5～6m根据工程需要设置。小导管布设后根据地层稳定情况，如需要可进行注浆，加固周边地层。第四章软岩隧道施工技术4、开挖工法常用的开挖工法有台阶法、环形导坑（预留核心土）法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等。开挖工法应根据地质情况和地层加固情况确定。实施中根据地质情况和量测成果及时调整工法。开挖工法选择时，原则上在确保安全条件下，应从简单到复杂，尽量减少开挖步骤。现场施工应严格执行设计工法，不得擅自更改。（1）台阶法：该工法一般适合于Ⅳ级围岩，要求台阶长度不大于1倍洞径，仰拱距掌子面距离不大于2倍洞径。第四章软岩隧道施工技术（2）环形导坑(预留核心土)法：该方法利用核心土稳定掌子面，然后开挖两侧边墙、中部核心土，最后开挖仰拱。该工法步骤多，工艺要求高。目前，软弱围岩大断面隧道多采用环形导坑法（三台阶七步流水法），出现的问题也最多，对该工法技术要求如下（双线隧道）：1）上台阶每循环开挖进尺Ⅴ、Ⅵ级围岩不大于1榀钢架，Ⅳ级不大于2榀。边墙开挖进尺不大于2榀。2）仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆（管），每循环开挖进尺不大于3m。初期支护封闭成环位置距掌子面距离原则上不宜不大于2倍洞径。3）根据地质、量测情况，设置临时仰拱或横撑。第四章软岩隧道施工技术第四章软岩隧道施工技术（3）CD法（中隔壁法）：该工法适合于浅埋地段或穿越建（构）筑物时采用，以减少沉降，防止坍方。该工法是将隧道分为左右两部分进行开挖，先在一侧采用台阶法分层开挖及支护，再开挖隧道另一侧。每台阶纵向长度3～5m。初期支护仰拱紧跟下台阶，封闭成环。（4）CRD法（交叉中隔壁法）：该工法在特殊条件下采用。该工法是将大断面隧道上、下、左、右分块开挖，并施作初期支护和临时横撑（临时仰拱），每台阶纵向长度3～5m，步步封闭成环。3~5m3~5m3~5m3~5m3~5m3~5m①②③④⑤⑥第四章软岩隧道施工技术（5）双侧壁导坑法：该工法在特大断面等特殊条件下采用。该工法先开挖隧道两侧导坑，再进行中部开挖支护。工法特点：控制沉降变形好，但连接点多，受力复杂，对工艺要求高。①ⅡⅠⅡⅠ②③④⑤⑥ⅡⅠⅡⅠⅣⅢⅣⅢⅤⅥⅦⅤⅥⅣⅢ第四章软岩隧道施工技术5、初期支护初期支护方式：锚网喷；锚网喷+钢拱架，钢架形式有格栅钢架、工字钢、H型钢。特殊地质条件下使用喷钢纤维混凝土。（1）初期支护受力特征：隧道开挖后短时间或变形量小