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軟弱圍巖隧道安全施工技術

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更新時間： 2014年08月22日

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內容摘要

一、軟弱圍巖隧道的工程特征
二、軟弱圍巖隧道潛在安全風險源
三、軟弱圍巖隧道設計
四、軟弱圍巖變形控制技術
五、體會與建議
六、結束語

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軟弱圍巖隧道安全施工技術
匯 報 內 容
一、軟弱圍巖隧道的工程特征
二、軟弱圍巖隧道潛在安全風險源
三、軟弱圍巖隧道設計 
四、軟弱圍巖變形控制技術 
五、體會與建議 
六、結束語

隨著我國鐵路路網的完善，建設標準的提高，特別是高速鐵路和客運專線的大量修建，隧道建設規(guī)模和技術水平也踏上了一個新的臺階;然而，軟弱圍巖隧道坍方、作業(yè)人員傷亡等事故卻時有發(fā)生，隧道建設的安全現(xiàn)狀無法與當前的形勢相適應。從設計源頭上解決當前軟弱圍巖隧道建設過程中存在的問題，是非常必要和及時的。
    我國是世界鐵路隧道大國。據統(tǒng)計，截止目前，我國鐵路隧道通車運營長度已達到6000公里，在建隧道約6600公里，規(guī)劃設計長度約7600公里，預計到2020年，我國鐵路隧道總長將達2萬公里左右，位居世界第一。
    我院承擔的任務主要集中在西南山區(qū)，地形、地質條件復雜，一方面，隧道多；另一方面，隧道通過軟弱圍巖地段長，如：全長462km的成蘭線，隧道長度就達到322km，隧線比70%，Ⅳ、Ⅴ級圍巖的比重75％，且多為千枚巖、板巖等軟弱圍巖地層。
    這些都從客觀上增大了隧道設計在安全方面的風險。

半個多世紀來，我院在西南山區(qū)鐵路隧道的建設中，既積累了一定的經驗，也有不少教訓和體會，根據會議安排，下面我就軟弱圍巖隧道工程設計方面做簡要匯報，不妥之處，敬請領導批評指正。
(一)軟弱圍巖主要工程地質特點
    軟弱圍巖一般是指巖質軟弱、承載力低、節(jié)理裂隙發(fā)育、結構破碎的圍巖，工程地質特點有：
(1)巖體破碎松散、粘結力差：一般為土層、巖體全風化層、擠壓破碎帶等構成的圍巖，由于結構破碎松散，巖體間的粘結力差，開挖洞室后，僅靠顆粒間的摩擦效應和微弱膠結作用成拱，這類巖體極不穩(wěn)定，尤其是在淺埋地段容易發(fā)生坍塌冒頂。
(2)圍巖強度低、遇水易軟化：一般以頁巖、泥巖、片巖、炭質巖、千枚巖等為代表的軟質巖地層，由于其強度低、穩(wěn)定性差，開挖暴露后易風化、遇水易軟化，尤其是深埋地段受高應力影響容易發(fā)生塑性變形，造成洞室內擠。
(3)巖體結構面軟弱、易滑塌：主要是存在于受結構面切割影響嚴重的塊狀巖體中，由于結構面的粘結強度較低，開挖后周邊巖體極易沿結構面產生松弛、滑移和墜落等變形破壞現(xiàn)象。
（二）、軟弱圍巖的變形與破壞特征
    軟弱圍巖的工程地質性質決定了它在隧道工程中的變形特征，即開挖后自穩(wěn)能力差，表現(xiàn)出“自穩(wěn)時間短、易坍塌”的特征。
    由于隧道的開挖，使先前支撐隧道洞身圍巖被移走，洞壁臨空；造成圍巖應力進行重新調整，圍巖與洞壁均向隧道凈空方向變形。
這種變形由三部分組成：
一是，隧道正前方掌子面的水平位移，表現(xiàn)為掌子面的水平鼓出;
二是，掌子面前方圍巖下沉，淺埋隧道表現(xiàn)為地表下沉，形成沉降槽;
圖  掌子面鼓出/地表沉降槽
    三是，剛開挖的隧道洞壁出現(xiàn)收斂變形，表現(xiàn)為拱頂下沉和邊墻內移;
圖 拱頂下沉和邊墻內移
    若這種變形不進行控制，則可能發(fā)生隧道坍方。
常見的隧道坍方類型可以歸納為兩類：
    一是掌子面水平變形過大，發(fā)生掌子面擠出坍方；
    另一類是支護下沉過大，出現(xiàn)整體失穩(wěn)坍方。
 圖 掌子面擠出坍方                 圖 整體失穩(wěn)坍方
    當隧道上部覆土較淺時，隧道內的變形可能發(fā)展到地表，引起地表變形開裂，甚至出現(xiàn)坍塌冒頂的情況。這種坍方對隧道工程的建設和環(huán)境的危害性極大。
整體失穩(wěn)坍方工程實例 
洞頂地表陷坑
    針對軟弱圍巖隧道的支護變形、塌方等風險，從地質角度進行分析總結，其潛在安全風險源主要有6種情況：
（1）軟弱圍巖淺埋、偏壓
    軟弱圍巖淺埋地段，隧道施工時拱部一般難于成拱，在未采取足夠措施前，軟弱圍巖淺埋隧道易發(fā)生局部塌方；軟弱圍巖偏壓地段，隧道支護結構將承受顯著的不對稱荷載，施工期間易造成初期支護縱向開裂或錯臺，變形過大甚至塌方。
圖 地形引起的偏壓
圖 地質引起的偏壓 
（2）土質隧道
    土質隧道強度低、自穩(wěn)性差，與巖石隧道相比要承受更大的荷載，若初期支護強度不足，將導致變形大、嚴重時會出現(xiàn)局部坍塌等安全風險。
土質隧道塌方冒頂及洞內松散坍體
（3）大埋深軟巖隧道
    在大埋深軟巖地段，一般存在較高的地應力，由于軟巖抗壓強度低，開挖過程中洞壁巖體剝離，位移極為顯著，變形持續(xù)時間長，隧底常出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。
    通過該段時，若支護不足，可能造成支護變形過度、侵限，甚至塌方等安全風險。
  支護大變形嚴重侵入凈空實例
（4）斷層破碎帶
    由于斷層上下兩盤的相對運動，常使斷層面附近巖石破碎成碎石和粉末狀，形成斷層破碎帶，其巖體一般自穩(wěn)性極差，且常伴有地下水，隧道通過斷層破碎帶時易發(fā)生塌方、掌子面突泥、突水等安全風險。
隧道
斷層破碎帶及塌方
（5）結構面發(fā)育的塊狀巖體地段
    塊狀圍巖的力學特性是巖石單體強度較高、承載力較高，但因結構面發(fā)育，受其切割制約，特別是在有地下水組合作用的條件下，巖體整體穩(wěn)定性差，這類圍巖隧道坍塌的特點是個別巖塊失穩(wěn)，造成較大范圍巖塊突然坍塌。
坍塌巖塊
結構面發(fā)育
（6）不同巖層接觸帶地段
    由于不同巖層，巖性差異大，加之常伴有地下水，在接觸面附近常發(fā)育有風化剝蝕面，巖體較為軟弱、破碎，隧道通過時，在掌子面上方或前方，易發(fā)生塌方、涌泥等安全風險。
隧道
接觸帶塌方
（一）、軟弱圍巖隧道設計理論
    在隧道工程的設計與施工中，除了了解軟弱圍巖隧道“自穩(wěn)差、易坍塌”的工程特點，還必須清楚地認識到隧道不同于地面建筑物的力學3個主要特點：
（1）隧道是由圍巖和多種支護結構兩部分組成的，即：
      隧道 = 圍巖 + 支護
    圍巖與支護共同承擔山體的壓力。
圖 圍巖與支護共同受力
隧道工程的3個主要特點
   （2）隧道承受的壓力具有不確定性。
   （3）支護體系是控制圍巖變形的關鍵。
    為有效控制隧道工程安全風險，避免或減少坍方事故發(fā)生，應以“充分調動圍巖的承載能力，有效控制圍巖變形和松弛”為設計理念，按新奧法原理進行軟弱圍巖隧道設計。
（二）、隧道支護設計
    根據新奧法原理，軟弱圍巖隧道支護一般采用復合襯砌。
    復合襯砌由初期支護、二次襯砌兩部分組成。
    隧道開挖后先實施噴射混凝土、錨桿、鋼拱架等與圍巖密貼的初期支護，約束圍巖變形，并根據變形監(jiān)控量測結果，適時施作二次襯砌。
圖 復合襯砌圖
1、初期支護設計
    初期支護是由噴射混凝土、錨桿、鋼架組成的聯(lián)合支護體系，是復合襯砌隧道的主要承載結構。
初期支護設計 - 噴射混凝土
    噴射混凝土的作用
    噴混凝土能及時、有效地防止開挖面巖層的松散、離層和掉落，是有效地保護圍巖、防止坍方的重要手段。
填充裂隙                     界面附著防掉塊
    噴混凝土與圍巖的粘附是發(fā)揮噴混凝土支護效果的保證，也是噴混凝土最主要的力學作用。
圖 噴射混凝土與圍巖
初期支護設計 - 噴射混凝土
軟弱圍巖中噴混凝土設計及施工要點:
噴混凝土應具有必要的早期強度，以盡快對圍巖提拱支承力，24小時抗壓強度不應低于10MPa。
噴混凝土應有足夠的后期強度，強度等級不應低于C25。
與圍巖應具有足夠的粘附強度，使噴混凝土與圍巖盡快形成整體，阻止圍巖松動下滑，與圍巖的粘結強度不應低于0.5MPa。
軟弱圍巖采用鋼筋網噴混凝土，增強噴混凝土的抗剪強度、提高粘附性。
初期支護設計 - 噴射混凝土
為達到設計目的，軟弱圍巖中噴混凝土施工要求做到：
噴混凝土應采用濕噴工藝
  濕噴法其噴射混合料進入噴射機前已經按規(guī)定加入水拌合均勻，因此較干噴工藝具有水灰比能準確控制，利于水泥的水化，施工粉塵小，回彈少，混凝土均質性好，強度高的優(yōu)點。
噴混凝土必須與巖面密貼，不可有空洞，以保證良好的共同受力狀態(tài)
噴混凝土必須快速、及時施作。
初期支護設計 - 錨桿
    錨桿作為初期支護的另一主要構件，設計施工中是必不可少的，特別是在軟弱圍巖中，其對圍巖的加固作用十分明顯。
初期支護設計 -錨桿
1）軟弱圍巖中錨桿的作用
    在軟弱圍巖中單憑噴射混凝土往往難以抵抗圍巖的巨大形變壓力，不能有效地保證支護的可靠性。在這種情況下，需要將噴射混凝土與錨桿聯(lián)合使用，并把錨桿作為主要的支護措施。
    軟弱圍巖中錨桿的主要作用是通過形成具有一定厚度的“加固圈”來“加固圍巖”。 “加固圈”承擔外層圍巖傳來的荷載，使得最后傳到噴射混凝土層的荷載大為減小。
    錨桿對圍巖的加固是通過錨桿周圍的水泥砂漿與圍巖的粘結力來實現(xiàn)的，因此需保證錨固可靠，且錨桿墊板必須與巖面緊貼。
錨桿
隧道
加固圈
初期支護設計 -錨桿
2）軟弱圍巖錨桿設計與施工要點：
錨桿的布置一般沿洞室周邊徑向均勻布置，必要時底部也要加錨桿；
為保證加固帶有一定厚度，錨桿的長度與間距之比一般為2:1；
為防止錨桿間圍巖坍落，還應配合網噴混凝土，噴層主要承擔錨桿間的局部坍塌荷載；
  為達到設計目的，軟弱圍巖錨桿施工中要求做到：
錨桿錨固可靠，全長粘結；
要用墊板，且墊板要求與巖面緊貼。
初期支護設計 -鋼架
    鋼架分型鋼鋼架與格柵鋼架兩種，一般應與錨桿、噴混凝土共同使用。
圖 鋼架斷面圖
格柵鋼架
初期支護設計 -鋼架
1）鋼架的作用
鋼架的作用有四點：
    一是噴混凝土發(fā)揮作用前支撐圍巖；
    二是對噴射混凝土進行補強；
    三是作為超前支護的支點；
    四是與錨桿、噴射混凝土共同發(fā)揮初期支護的作用。
2）鋼架適用范圍
    鋼架的最大特點是剛度大，架設后能夠立即承載受力。因此，多用于軟弱破碎或土質圍巖中，需要控制圍巖變形迅速發(fā)展的場合。如淺埋、偏壓及土層隧道等。
初期支護設計 -鋼架
鋼架的設計與施工要點：
一般采用工字鋼，或“八字結”形聯(lián)系鋼筋的格柵鋼架；
鋼架間距一般為0.6～1.0m。
為增加鋼架的整體性，每榀鋼架間應設縱向連接構件；
鋼架拱腳及墻腳應有控制鋼架位移和下沉的措施。
  為達到設計目的，鋼架的施工要求做到：
接頭是整個鋼架的薄弱環(huán)節(jié)，必須加強;
鋼架應直立安裝，并用混凝土預制塊與圍巖頂緊；
型鋼鋼架應預留注漿孔，及時對噴混凝土層后回填注漿，保證與圍巖密貼；
分部開挖鋼架落底接長時，要注意防止失穩(wěn)。
2、二次襯砌設計
    軟弱圍巖中二次襯砌也是主要承載結構，二次襯砌與初期支護共同承擔較大的后期圍巖變形壓力，應適時施作。
二次襯砌設計 
（1）二次襯砌的作用
    軟弱圍巖隧道中，二次襯砌的主要作用：一是承載，二是安全儲備，保障運營的安全。
（2）二次襯砌的設計與施工要點
二次襯砌原則上應在初期支護的位移收斂后施作，但對于淺埋軟弱圍巖隧道，當初期支護位移不收斂時，應適時施做二次襯砌，此時二次襯砌結構應適當加強。
軟弱圍巖二次襯砌應帶仰拱，與邊墻應圓順連接，減少應力集中。
  為達到設計目的，軟弱圍巖二次襯砌施工要求做到：
二次襯砌應先施工仰拱，分段整體澆注 。
二次襯砌背后空洞應回填密實。
1、控制掌子面變形、坍塌的技術
     掌子面過大的變形將導致坍塌事故的發(fā)生。這種事故占隧道坍方事故的比例最高，造成的人員、機械設備的損失最大，在設計施工中都應該引起高度重視。
控制掌子面變形、坍塌的技術 - 超前支護
    常見的控制掌子面變形、坍塌的技術有：
（1）超前支護
    超前支護是一種 “先支后挖”技術，是控制隧道掌子面前方圍巖變形，防止隧道掌子面坍塌的主要手段。
    常用的超前支護有：超前錨桿、超前小導管注漿、超前大管棚。
圖 超前支護示意圖
控制掌子面變形、坍塌的技術 - 超前支護
軟弱圍巖超前支護施工中要求做到
1）超前管棚必須按設計要求進行壓漿，以起到加固圍巖的作用。
2）為保證管棚與鋼架的聯(lián)合支護作用，管棚外露部分應焊接于鋼架上。
控制掌子面變形、坍塌的技術 - 掌子面錨桿
（2）掌子面錨桿
    設置掌子面錨桿的目的是控制圍巖開挖后的先行位移和掌子面位移，也是給大斷面開挖創(chuàng)造條件，有利于控制先行和后期圍巖、支護變形。
    掌子面錨桿的長度一般都在10～20m 之間，宜優(yōu)先采用易于切割的玻璃纖維錨桿。
圖 掌子面錨桿
控制掌子面變形、坍塌的技術 -掌子面噴混凝土封閉
（3）掌子面噴混凝土封閉
    掌子面噴混凝土是現(xiàn)場使用較多的另一種維持掌子面穩(wěn)定的支護措施。
圖 掌子面混凝土封閉
控制掌子面變形、坍塌的技術 -（4）掌子面預留核心土
    掌子面預留核心土防止掌子面失穩(wěn)、坍方是隧道中運用最廣、最簡單、最經濟的技術措施之一。
核心土
核心土
核心土
2、控制落底開挖坍方技術
    隧道上臺階開挖支護完成，下一道工序就是下臺階落底開挖。這道工序風險極大。落底時上半部支護基礎懸空，失去支撐，很容易引起支護和圍巖失穩(wěn)、坍方。
    這種事故一旦發(fā)生，容易造成前方掌子面作業(yè)人員被困和傷亡。
    落底開挖的關鍵技術是在開挖前給上半斷面支護結構提供一個臨時或永久的基礎，控制支護拱腳的快速下沉。
常見的控制拱腳下沉技術有：
（1）鎖腳錨管技術
    鎖腳錨管當它作為承載結構時，主要是傳遞來自于上部初期支護的壓力，因此，應盡量沿拱腳切線方向設置。若施作不到位，將降低錨管作用效果。
圖 鎖腳錨管
（2）臨時仰拱技術
    臨時仰拱在臺階法開挖的軟巖大斷面隧道中經常使用，能讓上臺階臨時封閉成環(huán)，有效地控制上半段面支護的沉降，保證下臺階開挖的安全。
圖 臺階法臨時仰拱
（3）擴大拱腳技術
    擴大拱腳是通過展寬基礎，減小地基壓力的方法，實現(xiàn)控制支護沉降的又一種有效的技術手段。
    其關鍵是基礎要有足夠的寬度，設計寬度一般為0.8～1.0m。施作時，若拱腳寬度不夠，將造成沉降過大，達不到設計要求。
圖 擴大拱腳
3、工程實例
    成功實施的超大斷面軟弱圍巖隧道工程實例：六沾鐵路烏蒙山二號隧道。
    隧道出口為四線車站隧道，全長610m，其最大開挖寬度達28.42m，最大開挖面積為354.30m2，為單跨交通隧道的世界之最。
    隧道洞身主要通過泥巖、頁巖夾砂巖等地層。針對跨度超大、圍巖軟弱的特點，結構采用核心土、超前預支護、邊墻設臺的拱跨式結構，有效地控制了支護的變形。目前開挖已基本完成，未出現(xiàn)坍塌問題。
圖 六沾鐵路烏蒙山二號隧道實例
1、遵循“選線四原則”，從設計源頭降低軟弱圍巖隧道風險
    隧道位置的選擇在重視洞口地形、地質條件的同時，應充分考慮隧道洞身地質條件，隧道位置應盡量避免或減少通過軟弱圍巖地段。
在選線設計時，要遵循以下“選線四原則”：
（1）選擇構造簡單，地層單一，地下水不發(fā)育，巖體完整性較好的地段；
（2）盡量減少傍山、淺埋段，避免短隧道群。
（3）隧道洞身宜平行水平最大主應力方向，爭取垂直巖層走向；
（4）避開或遠離斷層破碎帶，必須穿過時，宜大角度穿過；并應注意選擇在斷層、特別是活動斷層的被動盤內通過。
2、充分貫徹“早進晚出”的原則，強化軟弱圍巖隧道進洞設計
    洞口位置的選擇充分考慮施工、運營安全和環(huán)保要求，遵循“早進晚出”的原則。有條件時應盡量接長明洞，不要為了縮短隧道的長度而偏壓、拉槽進洞，使洞口處挖深過大，破壞山體坡面的穩(wěn)定和植被，給施工和運營安全帶來隱患。
進洞成功實例                  進洞失敗實例     
    軟弱圍巖隧道宜采用超前管棚進洞，并對洞口臨時開挖坡面采取錨桿（索）、壓漿、鋼筋網、噴射混凝土等支護措施；同時，在開挖進洞之前，還應做好地表防排水系統(tǒng)，以確保隧道進洞安全。
3、高風險軟弱圍巖雙線長隧道，宜采用雙洞單線分修方案
    高風險軟弱圍巖雙線長隧道宜采用上下行分修，修建兩座單線隧道，由于隧道開挖跨度、斷面減小，有利于施工時控制圍巖和支護變形，防止坍方事故的發(fā)生。
4、加強地質勘察工作，細化軟弱巖層工程特性判釋
    重視軟弱圍巖地段的地質勘察工作，開展綜合勘探，查明其工程地質、水文地質條件，圍巖合理定級。
    對于通過軟弱圍巖地段的隧道，地質勘察工作的主要目的是確定軟弱圍巖在隧道洞身上的分布段落、工程特性。
    通過地質測繪輔以槽探、平硐等方法，了解軟弱巖層的分布層位，綜合地面物探成果初步確定軟弱圍巖在洞身的分布段落。在此基礎上布置鉆探工作，通過鉆探、孔內綜合測井、原位測試和室內試驗，進一步細化軟弱圍巖在隧道洞身段的分布段落和工程特性。
    為彌補勘察工作的局限性，應加強施工地質特別是超前地質預報工作，在開挖環(huán)境下、圍巖的受力、地下水的徑流條件均有所變化，應高度重視局部的小構造、不同巖性的接觸帶、層間不利的結構面組合對隧道穩(wěn)定性的不利影響。

5、針對軟弱圍巖的工程特性，設計方案應做到“三個有利于”
    軟弱圍巖的力學特性是強度低、承載力低，隧道開挖后變形大。因此，針對圍巖與隧道變形的控制措施是設計的要點。設計應做到“三個有利于”：
（1）開挖方法的設計應有利于保護圍巖，減小塑性區(qū)范圍，最大限度地調動圍巖的承載作用，控制圍巖的變形量；例如采用弱爆破、圍巖預加固等設計；
（2）支護結構的設計應有利于支護結構盡快封閉，形成整體穩(wěn)定的封閉環(huán)狀結構，以達到減小支護自身變形的目的；例如采用有利于快封閉的CD/CRD等工法；
（3）支護結構未封閉之前，輔助工程措施的設計應有利于控制支護結構的整體下沉；例如采用大拱腳或拱腳支撐樁等措施。

6、加強現(xiàn)場配合，積極開展信息化設計
    隧道施工圖一般是通過施工前的地質勘察，按工程類比或標準設計進行設計的，正確與否或與實際的符合程度需要通過施工的檢驗; 因此應重視施工過程中的調查和監(jiān)測等信息的收集、分析，開展信息化設計，及時對施工圖設計進行有針對性的設計修正。
    信息化設計是從設計角度出發(fā)防止軟弱圍巖隧道坍方的最有效手段。信息化設計的基礎是：監(jiān)控量測、超前預報。
    監(jiān)控量測是確保軟弱圍巖隧道施工安全的“哨兵”, 是隧道施工不可缺少的一道工序。通過監(jiān)測動態(tài)信息，及時評價圍巖及支護結構體系的穩(wěn)定性狀態(tài)，用以指導設計、施工，確保施工安全。

監(jiān)控量測工作各單位職責
設計  設計應將監(jiān)控量測、超前預報方案納入設計文件，根據工程地質條件、埋深、洞外環(huán)境、施工方案等明確監(jiān)測項目、監(jiān)測頻率、監(jiān)測及資料整理分析要求，提出變形控制基準及信息反饋要求。
施工   施工單位，在編制施工組織時必須將監(jiān)控量測工作列入施工流程，并由專業(yè)隊伍來實施。
監(jiān)理   監(jiān)理單位應做到每天檢查監(jiān)控量測記錄和報告。
建設   建設管理單位應嚴格審查監(jiān)控量測實施計劃，當監(jiān)控量測數據出現(xiàn)異常時，應及時簽發(fā)預警通知或暫停施工。

我國鐵路的快速發(fā)展，為我們提供了一個高起點的技術發(fā)展平臺，同時也為廣大工程技術人員展示才華提供了大的舞臺。我們將按照部黨組的要求，牢固樹立“不留遺憾，不當罪人，建不朽工程”的質量理念，進一步加大科技投入，開展隧道設計系統(tǒng)集成研究；不斷提高技術水平、加強技術管理、確保勘察設計質量，為我國從隧道修建大國成為隧道修建強國做出我們應有的貢獻。

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