软岩隧道施工技术全解

0软岩隧道事故案例分析及安全施工技术1目录1软岩隧道变形、坍方灾害案例2软岩隧道灾害分析3软岩隧道施工技术2一、软岩隧道变形、坍方灾害案例31.宜万铁路石院子隧道洞口段大坍方05年5月24日，石院子隧道出口边仰坡防护后采取上台阶进洞。8月9日，上台阶开挖86米，变形速率达到52mm/d，初期支护开裂、变形。6天后发生大坍方，洞口段已施工的86米全部坍满。坍方段为强风化页岩，岩体破碎，埋深5～20米。坍方主要原因为洞口段处理措施不当、上台阶开挖距离过长初期支护未及时闭合、初期支护强度和刚度不足等。4隧道变形坍方过程坍方前坍方中坍方后52.郑西客专南山口隧道大坍方2007年7月15日，郑西客专南山口隧道采取长台阶法施工，掌子面初期支护出现掉块、开裂，3天后，隧道发生大坍方，坍方长度146米，地表房屋开裂，经济损失较大。坍方段为强风化粉砂岩，隧道埋深86米。坍方原因属施工方法不当，初期支护长时间不闭合，二次衬砌距掌子面距离太长。（上台阶开挖83米，仰拱距掌子面126米，二衬距掌子面146米）6南山口隧道大坍方照片73.贵广铁路东科岭隧道涌砂坍方2010年1月19日，东科岭隧道进口开挖398米，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。坍方段地层为向斜构造全风化花岗岩，隧道埋深21m，地表为水田和常年流水水沟。涌砂坍方原因为超前预测预报不到位，未发现不良地质。目前施工受困，变形仍在处理中。8东科岭隧道涌砂坍方照片9东科岭隧道地面坍坑照片104.张集铁路旧堡隧道初期支护开裂变形2010年2月26日，旧堡隧道进口开挖到4136米，初期支护I25b钢架发生变形，变形速率达到151mm/d，随后掌子面后方30米范围内初期支护扭曲变形，喷射混凝土开裂、掉块，渗水量增大。变形段为麻粒岩夹辉绿岩脉，处于F3断层影响带，构造节理发育，岩体破碎，隧道埋深约300米。该段变形主要原因是对工程地质特性认识不足，施工方法和支护措施与地质条件不匹配。目前施工受困，变形仍在处理中。11旧堡隧道初期支护变形开裂照片12二、软岩隧道灾害分析13将2006年至今软岩隧道发生灾害进行统计，结果如下：2006年3月21日，武康二线王家沟隧道发生坍方，8人受困。2006年5月16日，大丽铁路南场岭隧道洞口发生坍方，6人受困。2006年5月21日，洛湛铁路双牌二号隧道洞口发生坍方，造成1死3伤。142006年8月12日，郑西客专秦东隧道发生坍方，造成2人死亡。2006年9月13日，武康二线系家山一号隧道发生坍方，造成2人死亡。2007年4月30日，太中银铁路吴堡隧道发生坍方，造成4死1伤。2007年7月15日，郑西客专南山口隧道发生大坍方，坍方146米，造成巨大经济损失。152007年8月6日，石太客专南庄隧道发生坍方，造成2人死亡。2007年8月6日，广深港客专水田隧道洞口发生坍方，造成2人死亡。2007年9月2日，合宁铁路亭子山二号隧道发生坍方，造成5人死亡。2007年9月30日，兰青二线八盘峡二号隧道坍方，8人受困。2007年11月20日，宜万铁路高阳寨隧道洞口发生坍方，造成35死1伤。162008年1月9日，兰青二线杨家店隧道发生坍方，造成2人死亡。2008年1月20日，郑西客专盘东隧道发生坍方，造成3人死亡。2008年3月21日，田德铁路百安隧道发生坍方，造成2死3伤。2008年3月25日，包西铁路活沙兔隧道发生坍方，造成4人死亡。2008年7月15日，洛湛铁路古榄隧道发生坍方，造成1人死亡。172008年8月29日，西格二线克土隧道发生坍方，造成4死7伤。2009年2月17日，包西铁路寨山村隧道发生坍方，造成2人死亡。2009年3月8日，石武客专木兰隧道发生坍方，造成2死2伤。2009年3月16日，向莆铁路宝台山隧道发生坍方，造成3死1伤。2009年7月19日，襄渝二线杨家沟隧道发生坍方，造成2人死亡。182009年8月1日，湘桂铁路梅子坳隧道洞口发生坍方，造成3人死亡。2009年10月29日，包西铁路新响沙湾隧道发生坍方，人员逃脱。2009年12月19日，包西铁路邓家楼一号隧道发生坍方，6人受困。2010年1月14日，南广铁路白云隧道发生突水突泥，造成5人死亡。2010年3月19日，集包铁路新旗下营隧道发生坍方，造成10人死亡。19据不完全统计，2006年至今4年时间，以上隧道施工共发生灾害28起，死亡96人，折合每年7起，每年死亡24人，灾害发生次数之多，死亡率之高，令人震惊和心寒。究其原因，除客观地质条件外，在施工方法、设计刚度、仰拱及时跟进闭合成环等方面，也存在着一定的不足，因此，加强软岩隧道的设计与施工，减少灾害的发生十分急迫。20对统计数据进行分析，软岩隧道灾害主要表现在三个方面：一是洞口坍方，二是掌子面变形坍方，三是掌子面后方坍方关门。统计表明：洞口坍方占20%，掌子面变形坍方占33%，掌子面后方坍方关门占47%。21三、软岩隧道施工技术22软岩隧道施工，应在超前预报、超前注浆、超前支护、开挖工法、初期支护、监控量测、二次衬砌、洞口处理八个方面予以重视，实现标准化管理与施工，从而最大程度地避免变形和坍方灾害的发生。231.超前地质预报目前，一些隧道实际开挖地质与设计地质存在较大出入，这就给现场的安全施工带来影响。因此，除设计单位加强地勘外，施工单位必须加强超前地质预报工作，探测隧道前方是否发育断层、破碎带，是否有地下水存在。特别是接近断层时，必须加强长短钻孔，杜绝在未探明情况下发生突水突泥和变形坍方灾害。242.注浆加固在断层破碎带或软弱地层，特别是富含水时，对不良地层进行注浆加固，改良地层，这是一种很有效的安全施工方法。但目前很多单位做不到，最主要的原因有两个方面，一是无专业设备，二是无专业队伍。这样即保证不了注浆质量，也保证不了注浆进度。目前，注浆方法有全断面帷幕注浆和信息化注浆，这两种方法都取得了很好的注浆效果。25别岩槽隧道F1断层全断面帷幕注浆照片26齐岳山隧道F11断层信息化注浆照片27齐岳山隧道F11断层注浆后开挖照片283.超前预支护常用的超前预支护方式有超前大管棚、超前小导管和超前锚杆三种。●超前大管棚：大管棚一般采用φ70mm～φ150mm的钢管，沿隧道开挖轮廓线外120°～150°范围布置，环向间距30～50cm。纵向长度10～100m根据工程需要设置。管棚内注满水泥砂浆或水泥浆，以提高管棚刚度，减少开挖时土体沉降、坍塌。长管棚在堆积体、砂土质地层、断层破碎带及下穿公路、铁路、地表建筑物等条件下广泛采用。29洞内大管棚施工照片30●超前小导管：小导管一般采用φ32mm～φ60mm的钢管，沿隧道开挖轮廓线外90°～120°范围布置，环向间距20～40cm。纵向长度2.5～6m根据工程需要设置。小导管布设后应注浆，加固周边地层，减少开挖时土体沉降、坍塌。小导管在破碎围岩、堆积体、砂土质地层、断层破碎带中普遍采用。31洞内超前小导管施工照片32●超前锚杆：超前锚杆一般采用φ20mm～φ25mm的钢筋，沿隧道开挖轮廓线外90°～120°范围布置，环向间距20～40cm。纵向长度3～5m根据工程需要设置。超前锚杆起到棚架作用，减少开挖时破碎岩体局部坍塌。超前锚杆一般在破碎围岩下采用。不好成孔时，也可采用自进式锚杆超前支护。33超前小导管破裂面超前支护的核心问题是，超前支护长度必须超过开挖断面形成的破裂面，否则，根本就起不到超前支护作用，隧道开挖时会发生掌子面滑坍。344.开挖工法目前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、双侧壁导坑法六种。开挖工法选择时，应本着由易到繁的顺序，现场实施中应加强监测，根据监测数据及时调整开挖工法。现场施工中应严格按设计开挖工法进行。如需要调整，应履行变更程序，现场不得擅自更改施工方法。35●台阶法：台阶法一般适合于Ⅳ级围岩，要求台阶长度不大于1倍洞径，台阶高度根据机械设备确定。目前很多单位采取长台阶施工（远大于1倍洞径），造成初期支护不能及时闭合，仰拱不能紧跟，二衬不能及时施作，出现大量坍方灾害。36●环形导坑预留核心土法：该方法利用核心土稳定掌子面，然后开挖两侧边墙和中部核心土，最后开挖仰拱。目前该方法应用较多，但也有不少隧道出现了变形、坍方问题。主要集中在三个方面需要进一步研究解决。37一是拱部开挖高度过低，造成拱脚处为小角度扁平结构，受力不好，易产生变形。二是各台阶拉的过长，仰拱不能及时施作。因此，要求采取这种方法时，全断面封闭成环长度不能超过2倍洞径。三是现场不能及时根据监测数据加强初期支护、增设横向支撑或临时仰拱形成闭合成环，从而导致变形、坍方。38环形导坑预留核心土法照片39●CD法（中隔壁法）：该方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。该方法在特殊条件下采用，施工安全度高，但进度较慢。一般在浅埋地段或穿越建（构）筑物时采用，减少沉降，防止坍方。40●CRD法（交叉中隔壁法）：该方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支撑，步步封闭成环。该方法在特殊条件下采用。3~5m3~5m3~5m3~5m3~5m3~5m①②③④⑤⑥41CRD工法开挖照片42●双侧壁导坑法：该方法是采用先开挖隧道两侧导坑，进行初期支护和临时支护，再进行中部开挖支护的施工方法，该方法在特殊条件下采用。①ⅡⅠⅡⅠ②③④⑤⑥ⅡⅠⅡⅠⅣⅢⅣⅢⅤⅥⅦⅤⅥⅣⅢ43双侧壁导坑工法开挖照片445.初期支护隧道开挖后短时间或变形量小时，初期支护与地层共同承受形变压力。时间长时或变形量大时，由初期支护完全承受松散压力。松散压力形变压力t1t2T（开挖后时间）Q（荷载）U（变形量）u1在短时间内或变形量小的情况下初期支护与地层共同作用承受形变压力，时间较长或变形量达到一定程度初期支护承受松散压力松散压力形变压力t1t2T（开挖后时间）Q（荷载）U（变形量）u1在短时间内或变形量小的情况下初期支护与地层共同作用承受形变压力，时间较长或变形量达到一定程度初期支护承受松散压力45●初期支护要考虑隧道施工具有时空效应的特性，要有合理的强度和刚度。原则上宁强勿弱，一次到位。●在高地应力条件下，可考虑采用双层支护，或H型钢架，及时施作长锚杆。采用喷射钢纤维混凝土以达到早强、高强目的。466.监控量测监控量测是指导软岩隧道安全施工的一种重要的信息化手段。特别是目前隧道开挖断面大，监测更为重要。●目前常采用全站仪进行非接触式量测。47●Ⅳ级围岩每10～30米布设一个监测断面，Ⅴ级、Ⅵ级每5～10米布设一个监测断面。浅埋地段应布置地表沉降监测点，纵向间距5～10米，横向间距2～5米，布置范围为2倍的“隧道埋深+隧道宽度”。●根据隧道变形速率和累计变形量制定变形控制基准值。确定变形量和变形速率在什么样条件下可以正常开挖，什么样情况下加强支护，什么样条件下应停止掌子面掘进，立即加设横撑或临时仰拱。这些在目前工程施工中普遍存在差距。487.二次衬砌及时进行二次衬砌对安全施工十分重要，根据部有关要求：Ⅳ级围岩二衬距掌子面距离不大于90米，Ⅴ级、Ⅵ级不大于70米，这些经验数据是十分重要的，现场必须严格执行。衬砌结构设计时，对于变形量大的段落、地下水发育段落，衬砌应适当加强，以防止出现衬砌开裂。498.洞口处理避免浅埋隧道洞口发生大滑坍应注意以下几个问题。●一次刷坡到位，不允许上半断面刷坡后进洞，这样，进洞后再刷下半断面时易引起洞口滑坍。●“早进晚出”，对洞口不良地质可采取加长明洞、管棚法进洞等措施。●尽早施作洞口工程。50洞口坍方照片519.特殊工法在特殊地质和环境条件下，可采取特殊工法，以确保施工安全。●软弱破碎地层中采用新意法对掌子面进行超前加固后可进行全断面开挖，不但可加快施工进度，而且施工安全度高。52●软塑土体、含水砂层等可采用水平旋喷进行超前支护。53●对于基础承载力底、易软化的地层可采用斜向钢管桩对拱脚进行支撑。54●对于岩石强度低环境要求高的隧道可采用单臂掘进机、铣挖机开挖。55结语近年来，软