高地应力条件下隧道开挖施工方案

1、.1 高地应力隧道开挖施工方案高地应力隧道开挖施工方案 .2 一、一、高地应力地质特点高地应力地质特点 1、围岩产生岩爆 2、围岩收敛变形大 3、围岩软夹层易挤出 4、围岩钻孔出现饼状岩芯 5、开挖时候没有渗水现象 6、开挖时候有瓦斯突出 7、水平初始应力分量大大超过其上覆盖层的 岩体的重量 .3 8、围岩距离隧道掌子面远近不 同 9、隧道中掌子面开挖暴露时间 长短不同，围岩发生岩爆频数不 同 .4 二、二、高地应力地质隧道施工的难高地应力地质隧道施工的难 点与重点。点与重点。 高地应力地质环境的隧道施工开挖过程中， 有很多的难点和重点。例如，构造应力引 起的具有破坏性的挤压变形，在软岩变形

2、区域，一般形变较大，需要二次衬砌；高 地应力区域容易发生塌方和岩爆，在施工 过程中困难较大，是施工开挖过程主要克 服的重难点。 .5 .6 .7 岩爆：也称冲击地压，它是一种岩体中聚积的弹 性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致 岩石爆裂并弹射出来的现象。深埋地下工程在施 工过程中常见的动力破坏现象，当岩体中聚积的 高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破 坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂， 使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。 岩爆往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏 和人员伤亡，已成为岩石地下工程和岩石力学领 域的世界性难题。 .8 （一）岩爆的预测及施工措施 地质预报：当隧道

3、埋深较大时，每一开挖 循环结束后，进行一次地质调查，绘制开 挖工作面的地质素描图和地质展示图，根 据地质调查结果，进行地质预报。 岩体二 次应力场现场测试：采用钻孔应力解除和 应力恢复测试方法，分段对洞壁及掌子面 现场测定围岩表层岩体二次应力场。同时 进行现场岩石点荷载强度试验，利用洞壁 切向应力洞壁岩石单轴抗压强度Rb来预报 岩爆和判定等级高地应力区域隧道施工 .9 施工措施：施工支护和安全防护： 增设临 时防护设施，对靠近开挖工作面，易发生 岩爆区段的主要施工机械安装防护网和防 护棚架，施工人员配发钢盔和防弹背心， 掌子面加挂钢丝网。 根据地质预报和现场测试结果分析，对可 能发生岩爆地段喷

4、钢纤维砼，钢纤维掺量 5%左右，喷层厚度810cm，对于轻微光 爆可能效预防，以确保表层能够承受较大 变形而不改开裂。 .10 调整围岩加应力状态，消除或减轻岩爆： 喷洒高压水：爆破后立即向工作面及附 近洞壁岩体喷洒高压水，喷洒范围延长到 离工作面100m处，施作锚杆时，再利用锚 杆孔向岩体深处洼水，以增强岩体的塑性， 减弱岩体的脆性，经常保持岩体的潮湿状 态，可降低岩爆的强烈程度。 .11 超前应力解除：在强烈岩爆区，可在隧 道两侧拱脚附近打地应力释放孔，孔深 3.0m，间距0.51.0m，拱部则以010的仰 角打超前应力释放孔，孔径42mm以上，孔 深根据钻机性能，尽可能加深，使前方拱 部

5、围岩的高地应力提前释放。 使用岩台车 施工时，在掌子面周边拱线处钻两排 4.5m5m深的炮眼，炮眼间距50cm，外插 用30度左右，间隔装药，引爆后在拱部 23m以上的岩体内部形成一个爆破松动圈， 截断岩体内部应力的集中，使岩体本身形 成一个保护层。 .12 软岩变形的预测及施工措施： 高地应力区段的隧道围岩类别较低时，易 发生塌方及软岩塑性大变形等变形破裂现 象，可建立一套围岩变形跟踪监测系统， 来了解和判定围岩是否有大变形现象，这 个系统由长度分别为3.5m、3m、2m、1m、 0.2m、3.5m元根22的钢筋简易位移传递 杆组成，钢筋用锚固剂固结在孔底。 .13 由于离开挖洞越高，其变形

6、越小，较3.5m 传递杆或视为座标杆，通过定时测量它与 其他不同深度的传递杆间的相对位移，可 以得到围岩不同深度的经向位移，再辅以 其他常规量测平段得出的数据，作为判定 围岩是否发生变形的依据。 .14 措施： 在施工中，除减轻爆破对围岩的扰动，利 用喷、锚网、钢栅等强支护手段加强支护 外，提前释放应力，根据量测结果及时施 作二次衬砌，并封闭成环，都有利于隧道 的安全施工。 .15 三、三、高地应力地质隧道施工流程高地应力地质隧道施工流程 和施工顺序和施工顺序 （1）、施工原则： 1、早发现，便于及时作出对应措施和准 备工作，在开挖面上钻设超前密集小孔， 或从开挖面向内钻孔和在一定深度内爆破，

7、 在一定范围内形成破碎带，降低洞室周围 围岩的应力，释放能量。 2、临时性和永久性防护措施，在一定程 度上对施工人员进行隔离，设计支护结构， 宜采用柔性支护。 .16 3、设计中采取降落措施；切断应力释放槽， 尽量避免因开挖引起应力集中。 .17 （2）、施工方法： 1、超前地质预报：1超前排孔。在隧道掌 子面开挖地面以上1.5米位置，左右两侧各 钻一个孔，孔深56米，每两个循环交替 进，通过钻探明前方围岩地质表现，可以 帮助推断高地应力的情况。2地质素描。在 开挖后对掌子面，左右边墙揭示的围岩产 状、岩性等进行描述绘图，分析判断前方 1020米范围围岩情况。 .18 2、超前支护加固：针对围

8、岩为水平岩层易 产生塌方，拱部120度范围设置砂浆超前锚 杆，长度3.5米，环伺间距20米，纵伺间距 2.5米，水平搭接长度不小于1.0米，外插角 10度，超前锚杆配合钢架使用，超前锚杆 置于钢架腹部与钢架共同受力，可有效遏 制拱顶坍塌。 .19 3、高地应力开挖。开挖采用短进尺，弱爆 破，选用“三台阶五部开挖法”上台阶3 5米，中台阶68米，下台阶68米， 中下台阶开挖时左右锚开12米，三台 阶纵长度控制在1.51.8米，四级围岩每 循环进尺控制在23米，开挖采用减振 光面爆破，根据围岩情况和爆破效果及时 调整爆破参数，装药量在0.50.65千克/ 每立方，不耦合系数不小于2.0，采用小药

9、卷，条件允许下，先行开挖导坑提前释放 应力，断面3.02.5米。 .20 4、系统支护加固1初喷混凝土：开挖后，岩体要经 过1小时左右方产生坍塌掉块，钻爆完毕后，及时 初喷4cm厚C20混凝土封闭围岩，增强围岩的自 稳能力。2锚杆、钢筋网：出渣完毕及时施作初期 支护，拱部、边墙均设置。3砂浆锚杆，长2.5米， 间距1.00.6米，同时安装8号钢筋网片，间距 20cm20cm，钢筋网片密贴初喷混凝土面，并 用定位锚杆进行固定。4钢架:全环安装18号工字 钢架，安装钢筋前，清除底脚虚渣及杂物，超挖 部分必须采用同等级混凝土固填，及早封闭成环， 施工过程中，工字钢作用效果较好，有效遏制围 岩变形，钢

10、架架设完毕，及时喷20cm厚C20混凝 土。 .21 四、四、高地应力地质隧道施工阶段高地应力地质隧道施工阶段 划分划分 （一）围岩岩爆性质预测阶段： 、地质预报：当隧道埋深较大时，每 一开挖循环结束后，进行一次地质调查， 绘制开挖工作面的地质素描图和地质展示 图，根据地质调查结果，进行地质预报。 .22 、岩体二次应力场现场测试：采用钻孔 应力解除和应力恢复测试方法，分段对洞 壁及掌子面现场测定围岩表层岩体二次应 力场。同时进行现场岩石点荷载强度试验， 利用洞壁切向应力洞壁岩石单轴抗压强度 Rb来预报岩爆和判定等级。 .23 （2）施工爆破阶段： 1）、施工支护和安全防护： 增设临时防护设施

11、，对靠近开挖工作面， 易发生岩爆区段的主要施工机械安装防护 网和防护棚架，施工人员配发钢盔和防弹 背心，掌子面加挂钢丝网。 根据地质预报和现场测试结果分析，对可 能发生岩爆地段喷钢纤维砼，钢纤维掺量 5%左右，喷层厚度810cm，对于轻微光 爆可能效预防，以确保表层能够承受较大 变形而不改开裂。 .24 对于中等岩爆地段，采用锚杆加固岩体， 同时改变洞壁岩体的应力状态，改变岩爆 的触发条件，控制岩爆发生的前两阶段的 发展，从而防止岩爆的发生。锚杆施作应 及时，长度为2.5m左右，间距视现场民政 部而定，在中等和强烈岩爆区，除了安装 系统锚杆外，再配合网喷或喷钢纤维砼等 综合防治手段，以控制岩爆

12、的强烈程度， 当岩爆特别严重时，增加钢拱架支护，拱 架之间用22钢筋焊连并焊接到锚杆外露外 露端上。 .25 2）、调整围岩加应力状态，消除或减轻岩 爆： 喷洒高压水：爆破后立即向工作面及附 近洞壁岩体喷洒高压水，喷洒范围延长到 离工作面100m处，施作锚杆时，再利用锚 杆孔向岩体深处洼水，以增强岩体的塑性， 减弱岩体的脆性，经常保持岩体的潮湿状 态，可降低岩爆的强烈程度。 .26 超前应力解除：在强烈岩爆区，可在隧道 两侧拱脚附近打地应力释放孔，孔深3.0m， 间距0.51.0m，拱部则以010的仰角打超 前应力释放孔，孔径42mm以上，孔深根据 钻机性能，尽可能加深，使前方拱部围岩 的高地

13、应力提前释放。 使用岩台车施工时，在掌子面周边拱线处 钻两排4.5m5m深的炮眼，炮眼间距50cm， 外插用30度左右，间隔装药，引爆后在拱 部23m以上的岩体内部形成一个爆破松动 圈，截断岩体内部应力的集中，使岩体本 身形成一个保护层。 .27 3）、根据岩爆稳定，大多数隧道断面都形成 了一种不规则的梯形，因此，将隧道洞室 直接开挖成不规则梯形的断面开头，也有 得于防止岩爆。另外，采用线孔爆破，减 少一次装药量，拉大不同部位的炮眼的管 段信间隔，从而延长爆破时间，减少爆破 动应力声的叠加，降低岩爆的频率和强度 衬砌工作紧跟开挖工序，减少岩层暴露时 间，有利于减少岩爆的发生。 .28 （3）、

14、围岩软岩变形的预测及维护阶段： 高地应力区段的隧道围岩类别较低时，易发生塌 方及软岩塑性大变形等变形破裂现象，可建立一 套围岩变形跟踪监测系统，来了解和判定围岩是 否有大变形现象，这个系统由长度分别为3.5m、 3m、2m、1m、0.2m、3.5m元根22的钢筋简易 位移传递杆组成，钢筋用锚固剂固结在孔底。由 于离开挖洞越高，其变形越小，较3.5m传递杆或 视为座标杆，通过定时测量它与其他不同深度的 传递杆间的相对位移，可以得到围岩不同深度的 经向位移，再辅以其他常规量测平段得出的数据， 作为判定围岩是否发生变形的依据。 .29 在施工中，除减轻爆破对围岩的扰动，利 用喷、锚网、钢栅等强支护手

15、段加强支护 外，提前释放应力，根据量测结果及时施 作二次衬砌，并封闭成环，都有利于隧道 的安全施工。 .30 五、五、高地应力地质隧道施工方法高地应力地质隧道施工方法 及施工机械及施工机械 隧道施工开挖方法采用“五台阶三部开挖 法”，开挖爆破采用减振光面爆破法。施 工开挖过程中采用的机械主要是凿岩台车、 喷锚台车。 .31 凿岩台车凿岩台车由钻臂、推进器、底盘、台车架、 稳车机构、风水系统、液压系统、操纵系 统等部分组成 .32 1-动力系统；2-底盘；3-台车架；4-凿岩机；5-钻臂； 6-推进器；7-稳车机构 .33 .34 锚杆台车锚杆台车是在隧道施工中用于围岩支护的 专用设备。在需要锚

16、杆支护的地方用锚杆 台车进行钻孔、注浆、插入锚杆，全套工 序均由锚杆台车完成，如图所示为锚杆台 车示意图。锚杆台车由台车底盘、大臂、 锚杆机头等组成。 .35 .36 .37 混凝土喷射机混凝土喷射机 射混凝土有干喷和湿喷两种 方式。干喷是先用搅拌机将骨料和水泥干 拌均匀，投入喷射机料斗，同时加入速凝 剂，用压缩空气将混合料输送到喷头，在 喷头处加水喷向岩面。湿喷是水加在搅拌 机里，投入喷射机的是已拌好的成品混凝 土，速凝剂在喷头处加入。喷射机是喷混 凝土的关键设备，分干式喷射机和湿式喷 射机两种 .38 .39 隧道衬砌模板台车隧道衬砌模板台车由一部台车和数套钢模 板组成。模板以型钢为骨架，

17、上铺钢板形 成外壳，并设有收拢机构，通过安装在台 车上的电动液压装置，进行立模与拆模作 业。模板与台车各自为独立系统，每段衬 砌灌注混凝土完毕后，台车可与模板脱离， 衬砌混凝土由模板结构支撑。台车将后面 另一段已灌混凝土可以拆模的模板收拢后， 由电平车牵引，穿过安装好的模板后，到 达前方预灌注段进行立模作业。 .40 1-模板；2-台车；3-托架；4-垂直油缸；5-侧向油缸； 6-液压操纵台；7-电动机；8-油箱；9-作业窗 .41 全断面隧道掘进机全断面隧道掘进机是一种在岩层中挖掘隧 道的机械。其特点是用机械法破碎切削岩 石（刀头直径与开挖隧道的直径大小一致， 故称全断面开挖），挖掘与出渣同

18、时进行。 掘进机的直径一般为21lm，最大可达 15m。可挖掘的岩石硬度为岩石单轴抗压强 度20200MPa，最大近300MPa。 .42 .43 六、六、高地应力地质隧道质量验收标高地应力地质隧道质量验收标 准与方法准与方法 1、隧道门边坡、仰坡开挖范围及尺寸应符合 设计 要求隧道门边坡、仰坡开挖范围及尺寸应符合设 计要求。 检验数量：施工单位、监理单位全验。 检验方法：查对设计图，观察、尺量。 隧道门端墙、翼墙、挡土墙基底的地基承载力必 须符合设计要求。 .44 2、检验数量：施工单位每个洞口检测不少于3处， 当洞口处岩土体不均匀时应适当增加检测点；监 理单位见证检测不少于1处。 检验方法

19、：施工单位采用静力触探试验或标准贯 入试验检测，必要时采用载荷试验检测；监理单 位检查全部检测报告并进行见证检测。 .45 3、 洞口工程砌筑所用砂浆的配合比应根据材料性 能、砂浆的技术条件和设计要求进行配合比设计， 并通过适配试验调整后确定。砂浆配合比设计、 试件制作、养护及抗压强度取值应符合铁路混 凝土与砌体工程施工质量验收标准 （TB104242003）附录E的规定。 检验数量：施工单位对同类型、同强度等级的 砂浆至少进行一次砂浆配合比设计；监理单位检 查配合比选定单。 .46 4、洞口工程砌筑所用砂浆的强度等级必须符合设 计要求。用于检查砂浆强度的试件应在搅拌机出 料口随机抽样制作。

20、检验数量：同类型、同强度等级每100m为一批， 不足100m也按一批计。施工位位每批检验一次； 监理单位检查试验报告。 检验方法：施工单位进行砂浆强度试验; 监理单位 检查砂浆强度试验报告并进行见证取样检测或平 行检验。 .47 5、 洞口工程砌体的砌缝宽度、位置和砌筑方式应 符合表4.3.9的规定。 检验数量：施工单位、监理单位全部检查。 检验方法：观察和尺量。 6、 砌体砌筑完毕应及时覆盖，并经常洒水保持湿 润，常温下养护期不得小于7d。 检验数量：施 工单位、监理单位全面检查。 检验方法：观察。 .48 7、沉降缝、泄水孔、反滤层的位置和数量应符合设 计要求。 检验数量：施工单位全面检查

21、。 检验方法：观察、尺量和计数检查。 8、 钢筋原材料进场检验必须符合本标准第7.3.1条 的规定。 钢筋品种、级别、规格和数量必须符合设计要求。 检验数量：施工单位、监理单位全面检查。 检验方法：观察，钢尺检查。 .49 七、七、高地应力地质隧道施工质量管高地应力地质隧道施工质量管 理控制措施理控制措施 审核重点隧道施工场地总布置图方案审核重点隧道施工场地总布置图方案 ： 施工场地 布置应结合工程规模、工期、地形特点、弃渣场 和水源等情况，本着因地制宜、充分利用地形、 合理布置、统筹安排的原则进行，并符合下列要 求： .50 (1) 以洞口作业区为中心布置施工场地。施工场地应 事先规划，分期

22、安排，并减少与现有道路交叉和 干扰。 (2) 长隧道洞外应有大型机械设备安装、维修和存放 的场地。 (3) 机械设备、附属车间、加工场应相对集中。仓库 应靠近公路，并设有专用线。 (4) 合理布置大堆材料（砂石料）、施工备品及回收 材料堆放场地的位置。 .51 (5) 生活服务设施应集中布置在宿舍、保健和办公室 用房的附近，洞口段为不良地质时，不应在洞顶 修建房屋高压水池和其他建筑。 (6) 运输便道、场区道路和临时排水设施等，应统一 规划，做到合理布局、形成网络。 (7) 危险品库房按有关规定办理。 (8) 检查开工准备条件，审批开工报告。 .52 对地方料的使用进行审核对地方料的使用进行审

23、核： （1） 审查进场原材料质量证明文件。建设单位供 应的原材料质量证明文件应齐全。施工单位自行 采购的原材料，检查采购合同复印件、生产厂家 资质证明等。 （2） 通过外观检查、见证取样检测或平行检验等 方式，按现行“验标”的规定对实物进行检查验 收。 （3） 检查原材料存放。要求施工单位对原材料进 场时间、产地、数量、批次、品种、规格和检验 情况分别作出明显标识。 .53 高地应力下软岩大变形高地应力下软岩大变形： 在高地应力条件下，软岩抗压强度不够，易发生 大范围的裂纹变形，须督促施工单位采取以下措 施： (1)采用预裂爆破，少扰动围岩，尽量保留围岩原有 承载能力。 (2)长短锚杆结合，缩

24、小锚杆间距，形成加固圈。 (3)尽早施工仰拱（必要时仰拱也用锚杆加固），形 成围岩闭合结构。 (4)加强监控量测，及时反馈。 (5)预留足够变形量，支护采用可缩式钢架。 .54 八、八、高地应力地质隧道施工安全设高地应力地质隧道施工安全设 计计 1贯彻国家有关安全法规、标准，严格按照隧道及 附属工程的施工技术规范、安全技术规定和设计 要求组织施工。 2、深入贯彻“安全第一，预防为主”的方针，加 强安全生产，科学管理，施工队、班组要指派责 任心强的同志担任专职安全员和义务安全员。 3、临时设施，严禁侵占道路及安全防护等设施， 同时应符合防火、防尘、防爆、防洪、防盗、防 雷电等安全和文明施工的要求。