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软弱围岩隧道安全施工技术

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更新时间： 2014年08月22日

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内容摘要

一、软弱围岩隧道的工程特征
二、软弱围岩隧道潜在安全风险源
三、软弱围岩隧道设计
四、软弱围岩变形控制技术
五、体会与建议
六、结束语

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软弱围岩隧道安全施工技术
汇 报 内 容
一、软弱围岩隧道的工程特征
二、软弱围岩隧道潜在安全风险源
三、软弱围岩隧道设计 
四、软弱围岩变形控制技术 
五、体会与建议 
六、结束语

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。从设计源头上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。
    我国是世界铁路隧道大国。据统计，截止目前，我国铁路隧道通车运营长度已达到6000公里，在建隧道约6600公里，规划设计长度约7600公里，预计到2020年，我国铁路隧道总长将达2万公里左右，位居世界第一。
    我院承担的任务主要集中在西南山区，地形、地质条件复杂，一方面，隧道多；另一方面，隧道通过软弱围岩地段长，如：全长462km的成兰线，隧道长度就达到322km，隧线比70%，Ⅳ、Ⅴ级围岩的比重75％，且多为千枚岩、板岩等软弱围岩地层。
    这些都从客观上增大了隧道设计在安全方面的风险。

半个多世纪来，我院在西南山区铁路隧道的建设中，既积累了一定的经验，也有不少教训和体会，根据会议安排，下面我就软弱围岩隧道工程设计方面做简要汇报，不妥之处，敬请领导批评指正。
(一)软弱围岩主要工程地质特点
    软弱围岩一般是指岩质软弱、承载力低、节理裂隙发育、结构破碎的围岩，工程地质特点有：
(1)岩体破碎松散、粘结力差：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。
(2)围岩强度低、遇水易软化：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。
(3)岩体结构面软弱、易滑塌：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。
（二）、软弱围岩的变形与破坏特征
    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。
这种变形由三部分组成：
一是，隧道正前方掌子面的水平位移，表现为掌子面的水平鼓出;
二是，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;
图  掌子面鼓出/地表沉降槽
    三是，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;
图 拱顶下沉和边墙内移
    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：
    一是掌子面水平变形过大，发生掌子面挤出坍方；
    另一类是支护下沉过大，出现整体失稳坍方。
 图 掌子面挤出坍方                 图 整体失稳坍方
    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。
整体失稳坍方工程实例 
洞顶地表陷坑
    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 
（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
（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
（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
（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
（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
（一）、软弱围岩隧道设计理论
    在隧道工程的设计与施工中，除了了解软弱围岩隧道“自稳差、易坍塌”的工程特点，还必须清楚地认识到隧道不同于地面建筑物的力学3个主要特点：
（1）隧道是由围岩和多种支护结构两部分组成的，即：
      隧道 = 围岩 + 支护
    围岩与支护共同承担山体的压力。
图 围岩与支护共同受力
隧道工程的3个主要特点
   （2）隧道承受的压力具有不确定性。
   （3）支护体系是控制围岩变形的关键。
    为有效控制隧道工程安全风险，避免或减少坍方事故发生，应以“充分调动围岩的承载能力，有效控制围岩变形和松弛”为设计理念，按新奥法原理进行软弱围岩隧道设计。
（二）、隧道支护设计
    根据新奥法原理，软弱围岩隧道支护一般采用复合衬砌。
    复合衬砌由初期支护、二次衬砌两部分组成。
    隧道开挖后先实施喷射混凝土、锚杆、钢拱架等与围岩密贴的初期支护，约束围岩变形，并根据变形监控量测结果，适时施作二次衬砌。
图 复合衬砌图
1、初期支护设计
    初期支护是由喷射混凝土、锚杆、钢架组成的联合支护体系，是复合衬砌隧道的主要承载结构。
初期支护设计 - 喷射混凝土
    喷射混凝土的作用
    喷混凝土能及时、有效地防止开挖面岩层的松散、离层和掉落，是有效地保护围岩、防止坍方的重要手段。
填充裂隙                     界面附着防掉块
    喷混凝土与围岩的粘附是发挥喷混凝土支护效果的保证，也是喷混凝土最主要的力学作用。
图 喷射混凝土与围岩
初期支护设计 - 喷射混凝土
软弱围岩中喷混凝土设计及施工要点:
喷混凝土应具有必要的早期强度，以尽快对围岩提拱支承力，24小时抗压强度不应低于10MPa。
喷混凝土应有足够的后期强度，强度等级不应低于C25。
与围岩应具有足够的粘附强度，使喷混凝土与围岩尽快形成整体，阻止围岩松动下滑，与围岩的粘结强度不应低于0.5MPa。
软弱围岩采用钢筋网喷混凝土，增强喷混凝土的抗剪强度、提高粘附性。
初期支护设计 - 喷射混凝土
为达到设计目的，软弱围岩中喷混凝土施工要求做到：
喷混凝土应采用湿喷工艺
  湿喷法其喷射混合料进入喷射机前已经按规定加入水拌合均匀，因此较干喷工艺具有水灰比能准确控制，利于水泥的水化，施工粉尘小，回弹少，混凝土均质性好，强度高的优点。
喷混凝土必须与岩面密贴，不可有空洞，以保证良好的共同受力状态
喷混凝土必须快速、及时施作。
初期支护设计 - 锚杆
    锚杆作为初期支护的另一主要构件，设计施工中是必不可少的，特别是在软弱围岩中，其对围岩的加固作用十分明显。
初期支护设计 -锚杆
1）软弱围岩中锚杆的作用
    在软弱围岩中单凭喷射混凝土往往难以抵抗围岩的巨大形变压力，不能有效地保证支护的可靠性。在这种情况下，需要将喷射混凝土与锚杆联合使用，并把锚杆作为主要的支护措施。
    软弱围岩中锚杆的主要作用是通过形成具有一定厚度的“加固圈”来“加固围岩”。 “加固圈”承担外层围岩传来的荷载，使得最后传到喷射混凝土层的荷载大为减小。
    锚杆对围岩的加固是通过锚杆周围的水泥砂浆与围岩的粘结力来实现的，因此需保证锚固可靠，且锚杆垫板必须与岩面紧贴。
锚杆
隧道
加固圈
初期支护设计 -锚杆
2）软弱围岩锚杆设计与施工要点：
锚杆的布置一般沿洞室周边径向均匀布置，必要时底部也要加锚杆；
为保证加固带有一定厚度，锚杆的长度与间距之比一般为2:1；
为防止锚杆间围岩坍落，还应配合网喷混凝土，喷层主要承担锚杆间的局部坍塌荷载；
  为达到设计目的，软弱围岩锚杆施工中要求做到：
锚杆锚固可靠，全长粘结；
要用垫板，且垫板要求与岩面紧贴。
初期支护设计 -钢架
    钢架分型钢钢架与格栅钢架两种，一般应与锚杆、喷混凝土共同使用。
图 钢架断面图
格栅钢架
初期支护设计 -钢架
1）钢架的作用
钢架的作用有四点：
    一是喷混凝土发挥作用前支撑围岩；
    二是对喷射混凝土进行补强；
    三是作为超前支护的支点；
    四是与锚杆、喷射混凝土共同发挥初期支护的作用。
2）钢架适用范围
    钢架的最大特点是刚度大，架设后能够立即承载受力。因此，多用于软弱破碎或土质围岩中，需要控制围岩变形迅速发展的场合。如浅埋、偏压及土层隧道等。
初期支护设计 -钢架
钢架的设计与施工要点：
一般采用工字钢，或“八字结”形联系钢筋的格栅钢架；
钢架间距一般为0.6～1.0m。
为增加钢架的整体性，每榀钢架间应设纵向连接构件；
钢架拱脚及墙脚应有控制钢架位移和下沉的措施。
  为达到设计目的，钢架的施工要求做到：
接头是整个钢架的薄弱环节，必须加强;
钢架应直立安装，并用混凝土预制块与围岩顶紧；
型钢钢架应预留注浆孔，及时对喷混凝土层后回填注浆，保证与围岩密贴；
分部开挖钢架落底接长时，要注意防止失稳。
2、二次衬砌设计
    软弱围岩中二次衬砌也是主要承载结构，二次衬砌与初期支护共同承担较大的后期围岩变形压力，应适时施作。
二次衬砌设计 
（1）二次衬砌的作用
    软弱围岩隧道中，二次衬砌的主要作用：一是承载，二是安全储备，保障运营的安全。
（2）二次衬砌的设计与施工要点
二次衬砌原则上应在初期支护的位移收敛后施作，但对于浅埋软弱围岩隧道，当初期支护位移不收敛时，应适时施做二次衬砌，此时二次衬砌结构应适当加强。
软弱围岩二次衬砌应带仰拱，与边墙应圆顺连接，减少应力集中。
  为达到设计目的，软弱围岩二次衬砌施工要求做到：
二次衬砌应先施工仰拱，分段整体浇注 。
二次衬砌背后空洞应回填密实。
1、控制掌子面变形、坍塌的技术
     掌子面过大的变形将导致坍塌事故的发生。这种事故占隧道坍方事故的比例最高，造成的人员、机械设备的损失最大，在设计施工中都应该引起高度重视。
控制掌子面变形、坍塌的技术 - 超前支护
    常见的控制掌子面变形、坍塌的技术有：
（1）超前支护
    超前支护是一种 “先支后挖”技术，是控制隧道掌子面前方围岩变形，防止隧道掌子面坍塌的主要手段。
    常用的超前支护有：超前锚杆、超前小导管注浆、超前大管棚。
图 超前支护示意图
控制掌子面变形、坍塌的技术 - 超前支护
软弱围岩超前支护施工中要求做到
1）超前管棚必须按设计要求进行压浆，以起到加固围岩的作用。
2）为保证管棚与钢架的联合支护作用，管棚外露部分应焊接于钢架上。
控制掌子面变形、坍塌的技术 - 掌子面锚杆
（2）掌子面锚杆
    设置掌子面锚杆的目的是控制围岩开挖后的先行位移和掌子面位移，也是给大断面开挖创造条件，有利于控制先行和后期围岩、支护变形。
    掌子面锚杆的长度一般都在10～20m 之间，宜优先采用易于切割的玻璃纤维锚杆。
图 掌子面锚杆
控制掌子面变形、坍塌的技术 -掌子面喷混凝土封闭
（3）掌子面喷混凝土封闭
    掌子面喷混凝土是现场使用较多的另一种维持掌子面稳定的支护措施。
图 掌子面混凝土封闭
控制掌子面变形、坍塌的技术 -（4）掌子面预留核心土
    掌子面预留核心土防止掌子面失稳、坍方是隧道中运用最广、最简单、最经济的技术措施之一。
核心土
核心土
核心土
2、控制落底开挖坍方技术
    隧道上台阶开挖支护完成，下一道工序就是下台阶落底开挖。这道工序风险极大。落底时上半部支护基础悬空，失去支撑，很容易引起支护和围岩失稳、坍方。
    这种事故一旦发生，容易造成前方掌子面作业人员被困和伤亡。
    落底开挖的关键技术是在开挖前给上半断面支护结构提供一个临时或永久的基础，控制支护拱脚的快速下沉。
常见的控制拱脚下沉技术有：
（1）锁脚锚管技术
    锁脚锚管当它作为承载结构时，主要是传递来自于上部初期支护的压力，因此，应尽量沿拱脚切线方向设置。若施作不到位，将降低锚管作用效果。
图 锁脚锚管
（2）临时仰拱技术
    临时仰拱在台阶法开挖的软岩大断面隧道中经常使用，能让上台阶临时封闭成环，有效地控制上半段面支护的沉降，保证下台阶开挖的安全。
图 台阶法临时仰拱
（3）扩大拱脚技术
    扩大拱脚是通过展宽基础，减小地基压力的方法，实现控制支护沉降的又一种有效的技术手段。
    其关键是基础要有足够的宽度，设计宽度一般为0.8～1.0m。施作时，若拱脚宽度不够，将造成沉降过大，达不到设计要求。
图 扩大拱脚
3、工程实例
    成功实施的超大断面软弱围岩隧道工程实例：六沾铁路乌蒙山二号隧道。
    隧道出口为四线车站隧道，全长610m，其最大开挖宽度达28.42m，最大开挖面积为354.30m2，为单跨交通隧道的世界之最。
    隧道洞身主要通过泥岩、页岩夹砂岩等地层。针对跨度超大、围岩软弱的特点，结构采用核心土、超前预支护、边墙设台的拱跨式结构，有效地控制了支护的变形。目前开挖已基本完成，未出现坍塌问题。
图 六沾铁路乌蒙山二号隧道实例
1、遵循“选线四原则”，从设计源头降低软弱围岩隧道风险
    隧道位置的选择在重视洞口地形、地质条件的同时，应充分考虑隧道洞身地质条件，隧道位置应尽量避免或减少通过软弱围岩地段。
在选线设计时，要遵循以下“选线四原则”：
（1）选择构造简单，地层单一，地下水不发育，岩体完整性较好的地段；
（2）尽量减少傍山、浅埋段，避免短隧道群。
（3）隧道洞身宜平行水平最大主应力方向，争取垂直岩层走向；
（4）避开或远离断层破碎带，必须穿过时，宜大角度穿过；并应注意选择在断层、特别是活动断层的被动盘内通过。
2、充分贯彻“早进晚出”的原则，强化软弱围岩隧道进洞设计
    洞口位置的选择充分考虑施工、运营安全和环保要求，遵循“早进晚出”的原则。有条件时应尽量接长明洞，不要为了缩短隧道的长度而偏压、拉槽进洞，使洞口处挖深过大，破坏山体坡面的稳定和植被，给施工和运营安全带来隐患。
进洞成功实例                  进洞失败实例     
    软弱围岩隧道宜采用超前管棚进洞，并对洞口临时开挖坡面采取锚杆（索）、压浆、钢筋网、喷射混凝土等支护措施；同时，在开挖进洞之前，还应做好地表防排水系统，以确保隧道进洞安全。
3、高风险软弱围岩双线长隧道，宜采用双洞单线分修方案
    高风险软弱围岩双线长隧道宜采用上下行分修，修建两座单线隧道，由于隧道开挖跨度、断面减小，有利于施工时控制围岩和支护变形，防止坍方事故的发生。
4、加强地质勘察工作，细化软弱岩层工程特性判释
    重视软弱围岩地段的地质勘察工作，开展综合勘探，查明其工程地质、水文地质条件，围岩合理定级。
    对于通过软弱围岩地段的隧道，地质勘察工作的主要目的是确定软弱围岩在隧道洞身上的分布段落、工程特性。
    通过地质测绘辅以槽探、平硐等方法，了解软弱岩层的分布层位，综合地面物探成果初步确定软弱围岩在洞身的分布段落。在此基础上布置钻探工作，通过钻探、孔内综合测井、原位测试和室内试验，进一步细化软弱围岩在隧道洞身段的分布段落和工程特性。
    为弥补勘察工作的局限性，应加强施工地质特别是超前地质预报工作，在开挖环境下、围岩的受力、地下水的径流条件均有所变化，应高度重视局部的小构造、不同岩性的接触带、层间不利的结构面组合对隧道稳定性的不利影响。

5、针对软弱围岩的工程特性，设计方案应做到“三个有利于”
    软弱围岩的力学特性是强度低、承载力低，隧道开挖后变形大。因此，针对围岩与隧道变形的控制措施是设计的要点。设计应做到“三个有利于”：
（1）开挖方法的设计应有利于保护围岩，减小塑性区范围，最大限度地调动围岩的承载作用，控制围岩的变形量；例如采用弱爆破、围岩预加固等设计；
（2）支护结构的设计应有利于支护结构尽快封闭，形成整体稳定的封闭环状结构，以达到减小支护自身变形的目的；例如采用有利于快封闭的CD/CRD等工法；
（3）支护结构未封闭之前，辅助工程措施的设计应有利于控制支护结构的整体下沉；例如采用大拱脚或拱脚支撑桩等措施。

6、加强现场配合，积极开展信息化设计
    隧道施工图一般是通过施工前的地质勘察，按工程类比或标准设计进行设计的，正确与否或与实际的符合程度需要通过施工的检验; 因此应重视施工过程中的调查和监测等信息的收集、分析，开展信息化设计，及时对施工图设计进行有针对性的设计修正。
    信息化设计是从设计角度出发防止软弱围岩隧道坍方的最有效手段。信息化设计的基础是：监控量测、超前预报。
    监控量测是确保软弱围岩隧道施工安全的“哨兵”, 是隧道施工不可缺少的一道工序。通过监测动态信息，及时评价围岩及支护结构体系的稳定性状态，用以指导设计、施工，确保施工安全。

监控量测工作各单位职责
设计  设计应将监控量测、超前预报方案纳入设计文件，根据工程地质条件、埋深、洞外环境、施工方案等明确监测项目、监测频率、监测及资料整理分析要求，提出变形控制基准及信息反馈要求。
施工   施工单位，在编制施工组织时必须将监控量测工作列入施工流程，并由专业队伍来实施。
监理   监理单位应做到每天检查监控量测记录和报告。
建设   建设管理单位应严格审查监控量测实施计划，当监控量测数据出现异常时，应及时签发预警通知或暂停施工。

我国铁路的快速发展，为我们提供了一个高起点的技术发展平台，同时也为广大工程技术人员展示才华提供了大的舞台。我们将按照部党组的要求，牢固树立“不留遗憾，不当罪人，建不朽工程”的质量理念，进一步加大科技投入，开展隧道设计系统集成研究；不断提高技术水平、加强技术管理、确保勘察设计质量，为我国从隧道修建大国成为隧道修建强国做出我们应有的贡献。

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