软弱围岩隧道预防坍方安全施工技术

软弱围围岩隧隧道预预防坍坍方安安全全施工工技术术铁道部部工程程管理理中心心二二○一○年八月月0前言言目前在在建隧隧道6600公里，，已规规划建建设隧隧道7600公里，，隧道道呈现现“三三多””特点点（隧道道数量量多、、长大大隧道道多、、风险险隧道道多））。其中中软弱弱围岩岩隧道道占有有相当当大的的比例例。软弱围围岩隧隧道施施工，，除地地质条条件差差，还还会遇遇到断断面大大、埋埋深浅浅、下下穿公公路或或建筑筑物等等情况况，从从而使使施工工更加加复杂杂，难难度更更大。。目前前，由由于技技术措措施不不合理理、施施工方方法不不当、、施工工工艺艺不到到位、、现场场管理理薄弱弱等环环节的的诸多多问题题，造造成了了大量量的隧隧道变变形和和坍方方事故故，损损失巨巨大，，教训训深刻刻。1如何提高软弱弱围岩隧道施施工水平，预预防变形和坍坍方，确保施施工安全，其其核心是抓住住软弱围岩隧隧道工程特点点，落实好“三超前、四四到位、一强强化”施工技术关键键环节。●三超前：超超前预报、超超前加固、超前支护●四到位：工工法选择到位位、支护措施施到位、快速封闭到位位、衬砌跟进进到位●一强化：强强化量测2目录1软弱围岩隧道道变形、坍方方事故案例2软弱围岩隧道道地质特征和和工程特点3软弱围岩隧道道施工技术31软弱围岩隧道道变形、坍方方事故案例41.1事故案例郑西客专南山山口隧道大坍坍方（2007年7月15日发生）。坍方段埋深86米，地质为强强风化粉砂岩岩及卵石土，，采取台阶法法施工。掌子子面初期支护护首先出现掉掉块、开裂，，3天后发生大坍坍方，坍方长长度146米，洞内初期期支护全部破破坏，造成地地表房屋开裂裂，经济损失失较大。坍方原因：快快速封闭不到到位、衬砌跟跟进不到位、、量测未到位位。（上台阶开挖挖83米，仰拱距掌掌子面126米，二衬距掌掌子面146米）。5南山口隧道大大坍方照片67贵广铁路东科科岭隧道涌砂砂坍方（2010年1月19日发生）。坍方段埋深21m（属浅埋），，地质为向斜斜构造全风化化花岗岩，呈呈砂状，开挖挖扰动后呈流流塑状，地表表为水田和常常年流水水沟沟。进口开挖挖到398米处，掌子面面施作超前小小导管时，突突然发生涌砂砂坍方，涌砂砂量约800立方，随后地地面出现坍陷陷，坍坑直径径约35米。涌砂坍方原因因：未进行超超前预报、未未进行超前加加固、未进行行超前支护8东科岭隧道涌涌砂坍方照片片9东科岭隧道地地面坍坑照片片10张集铁路旧堡堡隧道初期支支护开裂变形形（2010年2月26日发生）。变形段隧道埋埋深约300米，地质为麻麻粒岩夹辉绿绿岩脉，处于于F3断层影响带，，构造节理发发育，岩体破破碎。进口开开挖到4136米处，初期支支护工25b钢架发生变形形，变形速率率151mm/d，随后掌子面面后方30米范围内初期期支护扭曲变变形，喷射混混凝土开裂、、掉块，渗水水量增大。该段变形原因因：由于对工工程地质特性性认识不足，，工法选择不不到位、支护护措施不到位位。11旧堡隧道初期期支护变形开开裂照片12集包铁路新旗旗下营隧道坍坍方（2010年3月19日发生）。坍方段埋深约约70米，地质为变变质大理岩，，前期施工时时经常发生局局部掉块。进进口开挖到370米处。后方56米位置初期支支护（格栅钢钢架）失稳破破坏坍方，造造成多名作业业人员遇难。。坍方原因：支支护措施不到到位、快速封封闭不到位、、量测不到位位13新旗下营隧道道坍方照片142006年3月21日:武康二线王家家沟隧道坍方方，8人受困。5月16日:大丽线南场岭岭隧道洞口坍坍方，6人受困。5月21日:洛湛线双牌二二号隧道洞口口坍方，1死3伤。8月12日:郑西客专秦东东隧道坍方，，2人死亡。9月13日:武康二线系家家山一号隧道道坍方，2人死亡。2006年发生事故5起，造成5死3伤14人受困1.2事故统计与分分析统计2006年至今软弱围围岩隧道发生生事故152007年4月30日:太中银吴堡隧隧道坍方，4死1伤。7月15日:郑西客专南山山口隧道大坍坍方146米。8月6日:石太客专南庄庄隧道坍方，，2人死亡。8月6日:广深港客专水水田隧道洞口口坍方，2人死亡。9月2日:合宁线亭子山山二号隧道坍坍方，5人死亡。9月30日:兰青二线八盘盘峡二号隧道道坍方，8人受困。2007年发生事故7起，造成13死2伤8人受困162008年1月9日:兰青二线杨家家店隧道坍方方，2人死亡。1月20日:郑西客专盘东东隧道坍方，，3人死亡。3月21日:田德线百安隧隧道坍方，2死3伤。3月25日:包西线活沙兔兔隧道坍方，，4人死亡。7月15日:洛湛线古榄隧隧道坍方，1人死亡。8月29日:西格二线克土土隧道坍方，，4死7伤。2008年发生事故6起，造成16死10伤172009年2月17日:包西线寨山村村隧道坍方，，2人死亡。3月8日:石武客专木兰兰隧道坍方，，2死2伤。3月16日:向莆线宝台山山隧道坍方，，3死1伤。7月19日:襄渝二线杨家家沟隧道坍方方，2人死亡。8月1日:湘桂线梅子坳坳隧道洞口坍坍方，3人死亡。10月29日:包西线新响沙沙湾隧道坍方方，人员逃脱脱。12月19日:包西线邓家楼楼一号隧道坍坍方，6人受困。2009年发生事故7起，造成12死3伤6人受困182010年1月14日:南广线白云隧隧道突水突泥泥，5人死亡。3月19日:集包线新旗下下营隧道坍方方，10人死亡。7月11日:南黎线那适2号隧道坍方，，10人死亡。截止目前，2010年发生事故3起，已造成25人死亡19对统计数据进进行分析，软软弱围岩隧道道事故主要表表现在三个方方面：一是洞口坍方方，占20%。二是掌子面变变形坍方，占占33%。三是掌子面后后方坍方“关关门”，占47%。20据以上不完全全统计，从2006年到2010年目前为止，，4年多时间内，，软弱围岩隧隧道发生事故故28起，死亡71人，事故发生生之频繁，死死亡人数之多多，令人心痛痛。究其原因因，主要有两两个方面，一是客观上地地质和环境的的复杂性，二二是主观上技技术措施、施施工方法及工工艺、现场管管理等原因。。因此，提高对对软弱破碎围围岩的认识，，提高设计和和施工水平，，做到“三超前、四四到位、一强强化”，对杜绝工程程事故的发生生十分重要。。212软弱围岩隧道道地质特征和和工程特点222.1软弱围岩隧道道地质特征围岩强度低，，承载能力低低。如黏性土、粉粉土、砂类土土、黄土、全全风化岩体等等。节理发育、破破碎、自稳能能力差。如岩体破碎的的泥岩、页岩岩、砂岩、千千枚岩、板岩岩等。断层带散体结结构、自稳能能力极差。受构造影响，，断层带结构构面杂乱无序序，呈角砾、、縻棱状或碎碎裂结构，充充填泥质或泥泥夹岩屑。232.2软弱围岩隧道道工程特点软弱围岩强度度低、自稳能力差差，隧道开挖后地地应力重新分布，使隧道周边边产生较大的的松动圈。一一旦工程措施（包括设计措措施）和施工工方法不当，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，，软弱围岩隧道道施工的核心是“控制变形、防止坍方”。243软弱围岩隧道道施工技术25软弱围岩隧道道施工，应在在以下七个方方面予以重视视，实现标准准化施工管理理，从而避免免变形和坍方方事故的发生生。◆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263.1超前预报现场时常会遇遇到实际开挖挖揭示的地质质与设计提供供的地质存在在较大差异，，引起技术措措施和施工方方法的变化。。因此，除设设计阶段加强强地质勘察外外，施工阶段段也必须进行行超前地质预预报工作，这这一点尤为重重要。地质素描、物物探、超前钻钻探方法是软软弱围岩超前前预报的主要要手段。在破碎带和断断层地段，加加强超前长、、短钻孔，及及时探明隧道道前方地质情情况，特别是是地下水的发发育情况，严严禁在未探明明情况下盲目目开挖。27参建各方都应应该重视施工工阶段超前地地质预报工作作，建立责任任制，明确责责任和分工。。高和极高风风险隧道，必必须进行超前前地质预报的的专项设计。。283.2超前加固在断层破碎带带和软弱地层层，特别是富富含水时，必必须对围岩进进行超前加固固，改良地层层，确保隧道道安全施工。。必须配备专业业队伍、专业业设备，进行行专项设计，，保证加固效效果。目前，常用用的围岩加加固方法是是注浆法。。注注浆法主要要分全断面面注浆和局局部注浆两两种。在富富水断层地地带，常采采取全断面面注浆。29全断面注浆浆法钻孔数数量多，施施作周期长长；局部注注浆是针对对隧道前方方地层特点点，对薄弱弱部位进行行注浆，钻钻孔数量少少，施作周周期短。无论是全断断面注浆，，还是局部部注浆，都都要求必须须配备先进进的钻孔注注浆设备，，必须采取取信息化注注浆。30别岩槽隧道道F1断层全断面面注浆照片片31齐岳山隧道道F11断层信息化化注浆照片片32注浆加固范范围纵向加固长长度应根据据钻机能力力和地层特特点确定，，一般为20～30m。特殊地层层条件下，，应及时调调整纵向注注浆加固长长度，否则则既影响进进度，又影影响质量。。环向加固厚厚度一般为为3～5m，局部可增增加到5～8m。33中国产MGJ-50钻机中国产XY-2PCG钻机该类钻机最最大扭矩2000～3000N·m钻进速度3～5m/h34中国产MZ200钻机最大扭矩3400N·m钻进速度5～15m/h35日本产RDP-150钻机最大扭矩8000N·m钻进速度15～20m/h36日本矿岩RPD-180C多功能钻机机最大扭矩8000N·m，钻进速度度15～20m/h37意大利C6钻机最大扭矩13550N·m钻进速度20～30m/h38意大利产SM400钻机最大扭矩13630N·m钻进速度20～30m/h39德国KR805钻机最大扭矩27000N·m钻进速度25～30m/h403.3超前支护常用的超前前支护方式式有超前大大管棚和超超前小导管管两种。●超前大管棚棚：超前大大管棚一般般是在对沉沉降有严格格要求时使使用，适宜宜于浅埋洞洞口、堆积积体、砂土土质地层、、断层破碎碎带地层，，以及下穿穿公路、铁铁路、地面面建筑物时时采用。大大管棚一般般采用φ70mm～φ159mm的钢管，纵纵向长度10～100m根据工程需需要设置。。41洞内大管棚棚照片42设管棚工作作间：一般施作管管棚时都要要设置管棚棚工作间，，管棚工作作间按钻机机特点设计计，比隧道道断面加宽宽50～70cm，工作间长长度7～10m，如果只进进行一个循循环管棚施施作，管棚棚工作间比比较简单。。但如果循循环多时，，施作多个个管棚工作作间就存在在着三个问问题。43齐岳山隧道道F11断层前期管管棚工作间间照片44一是为施作作工作间，，隧道断面面加大后，，开挖难度度加大，开开挖安全风风险增加。。二是若循环环注浆后未未能按设计计开挖到位位，工作间间尺寸将满满足不了要要求，将无无法进行正正常管棚作作业。三是由于管管棚工作间间采取扩挖挖断面方法法，既增加加了开挖费费用，又增增加了回填填混凝土的的费用，浪浪费大。45无工作间管管棚施作技技术：在标准断面面采用顶进进器将管棚棚顶到开挖挖断面外。。该技术不需要扩大大断面，不不切割大量量的管棚，，降低了施施工风险，，提高了工工效，节约约了投资，，应大力推推广。46齐岳山隧道道F11断层后期无无管棚工作作间照片47●超前小导管管：超前小小导管是在在对施工安安全要求较较高的条件件下使用。。在破碎围围岩、堆积积体、砂土土质地层、、断层破碎碎带中普遍遍采用。当地层卡钻钻严重时，，可采用自自进式锚杆杆。小导管一般般采用φ32mm～φ60mm的钢管，纵纵向长度2.5～6m根据工程需需要设置。。小导管布设设后根据地地层稳定情情况，如需需要可进行行注浆，加加固周边地地层。48洞内超前小小导管施工工照片49●水平旋喷支支护：软塑塑土体、含含水砂层等等可采用水水平旋喷进进行超前加加固与支护护。50预切槽支护护：用特制的链链式机械切切刀沿断面面周边连续续切割出一一条厚约数数十厘米，，深数米的的窄槽，同同时应用与与切刀一体体化的混凝凝土灌注设设备注入混混凝土，形形成一个连连续的，起起预先支护护作用的混混凝土拱壳壳。然后在在“拱壳””支护下进进行工作面面的全断面面机械挖掘掘51预切槽法三三维示意523.4开挖工法常用的开挖挖工法有台台阶法、环环形导坑（（预留核心心土）法、、CD法、CRD法、双侧壁壁导坑法等等。开挖工法应应根据地质质情况和地地层加固情情况确定。。实施中根根据地质情情况和量测测成果及时时调整工法法。开挖工法选选择时，原原则上在确确保安全条条件下，应应从简单到到复杂，尽尽量减少开开挖步骤。。现场施工应应严格执行行设计工法法，不得擅擅自更改。。53●台阶法：：该工法一般般适合于Ⅳ级围岩，要要求台阶长长度不大于于1倍洞径，仰仰拱距掌子子面距离不不大于2倍洞径。54●环形导坑坑(预留核心土土)法：该方法利用用核心土稳稳定掌子面面，然后开开挖两侧边边墙、中部部核心土，，最后开挖挖仰拱。该该工法步骤骤多，工艺艺要求高。。55目前，软弱弱围岩大断断面隧道多多采用环形形导坑法（（三台阶七七步流水法法），出现现的问题也也最多，对对该工法技技术要求如如下（双线线隧道）：：上台阶每循循环开挖进进尺Ⅴ、Ⅵ级围岩不大大于1榀钢架，Ⅳ级不大于2榀。边墙开挖进进尺不大于于2榀。仰拱开挖前前必须完成成钢架锁脚脚锚杆（管管），每循循环开挖进进尺不大于于3m。初期支护封封闭成环位位置距掌子子面距离原原则上不宜宜不大于2倍洞径。根据地质、、量测情况况，设置临临时仰拱或或横撑。56环形导坑(预留核心土土法)照片57●CD法（中隔壁壁法）：该工法适合合于浅埋地地段或穿越越建（构））筑物时采采用，以减减少沉降，，防止坍方方。该工法法是将隧道道分为左右右两部分进进行开挖，，先在一侧侧采用台阶阶法分层开开挖及支护护，再开挖挖隧道另一一侧。每台台阶纵向长长度3～5m。初期支护护仰拱紧跟跟下台阶，，封闭成环环。58●CRD法（交叉中中隔壁法））：该工法在特特殊条件下下采用。该该工法是将将大断面隧隧道上、下下、左、右右分块开挖挖，并施作作初期支护护和临时横横撑（临时时仰拱），，每台阶纵纵向长度3～5m，步步封闭闭成环。59CRD工法开挖照照片60●双侧壁导导坑法：该工法在特特大断面等等特殊条件件下采用。。该工法先先开挖隧道道两侧导坑坑，再进行行中部开挖挖支护。工工法特点：：控制沉降降变形好，，但连接点点多，受力力复杂，对对工艺要求求高。61双侧壁导坑坑工法开挖挖照片62对于岩石强强度低，环环境要求高高的隧道应应采用单臂臂掘进机、、铣挖机、、机械破碎碎等开挖。。633.5初期支护初期支护方方式：锚网网喷；锚网网喷+钢拱架，钢钢架形式有有格栅钢架架、工字钢钢、H型钢。特殊殊地质条件件下使用喷喷钢纤维混混凝土。初期支护受受力特征：：隧道开挖挖后短时间间或变形量量小时，初初期支护与与地层共同同承受形变变压力。支支护不及时时或支护后后变形量过过大，岩体体松动后荷荷载加大，，由初期支支护完全被被动地承受受松动压力力。因此，，必须保证证初期支护护的强度和和刚度，及及时支护，，控制变形。64●初期支护仰仰拱（临时时仰拱）及及时闭合极极其重要，，闭合成环环后，提高高了结构的的承载能力力，从而有有效地控制制变形、避避免坍方。。65技术要求双线隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用用台阶法开开挖时，必必须设置锁锁脚锚杆（（管）等控控制拱（墙墙）脚位移移的措施。。双线隧道Ⅴ级围岩应设设置横向临临时支撑或或临时仰拱拱，临时支支撑采用型型钢，纵向向每2榀设1处。钢拱架宜采采用八字节节格栅拱架架。钢拱架应工工厂化制造造，出厂前前必须进行行检验、试试拼装。喷混凝土原原则上采用用湿喷工艺艺，特殊地地质条件下下可另行设设计。663.6监控量测监控量测是是软弱围岩岩隧道安全全施工的“眼睛”，是判断结结构稳定性性、指导软软弱围岩隧隧道安全施施工“最重要””的信息化手手段。不进进行监控量量测，将无无法保证软软弱围岩的的安全施工工。很多隧隧道的变形形与坍方是是因为没有有进行量测测、或没有有使用量测测成果才产产生的，教教训深刻。。67监控量测主主要包括拱拱顶下沉和和水平收敛敛，浅埋段段应进行地地表沉降量量测。目前前采用有尺尺量测的较较多。由于于隧道断面面大，采取取有尺量测测时，施工工干扰大、、耗时长。。应大力推推广采用全全站仪利用用贴片反射射进行量测测。68技术要求建立等级级管理、、信息反反馈和报报告制度度。隧道监控控量测必必须设置置专职人人员，培培训后上上岗，实实行专业业化管理理，城市市隧道要要引入第第三方监监测。量测断面面布置间间距Ⅳ级围岩10m（规程10～30m）、Ⅴ级围岩5m（规程5～10m）。拱顶下沉沉或水平平收敛速速率达5mm/d或位移累累计达100mm时，要暂暂停施工工，分析析产生原原因，提提出处理理措施。。采用有尺尺量测时时，测点点挂钩要要做成闭闭合三角角形，保保证不变变形、点点接触。。69拱顶下沉沉量测照照片70水平收敛敛量测照照片71全站仪量量测照片片723.7二次衬砌砌由于目前前初支＋＋二衬共共同承载载的设计计方法，，适时进进行二次次衬砌对对安全施施工十分分重要，，根据部部有关要要求：Ⅳ级围岩二二衬距掌掌子面距距离不大大于90m，Ⅴ级、Ⅵ级不大于于70m，这些经验验数据是是十分重重要的，，现场必必须严格格执行。。73下面介绍绍一下隧隧道洞口