软弱围岩隧道工程安全设计

精心设计，确保软弱围岩隧道

工程安全汇报内容一、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四、软弱围岩变形控制技术三、软弱围岩隧道设计

3五、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、软弱围岩的工程特征(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二、软弱围岩隧道潜在安全风险源

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）不同摘岩层接爆触带地疯段由于不捷同岩层躁，岩性惨差异大锄，加之百常伴有丧地下水牌，在接蠢触面附坝近常发武育有风外化剥蚀烦面，岩再体较为纺软弱、受破碎，眉隧道通蚂过时，告在掌子撇面上方梯或前方职，易发蹄生塌方州、涌泥霞等安全煌风险。隧道接触带肿塌方三、软弱绝围岩隧道委设计（一）芹、软弱扮围岩隧赢道设计叹理论在隧道工棚程的设计示与施工中机，除了了甩解软弱围钟岩隧道“自稳差积、易坍涝塌”的工程梦特点，拌还必须醋清楚地宗认识到着隧道不交同于地辞面建筑愈物的3个主要特渡点：（1）隧道是代由围岩和予多种支护斜结构两部眯分组成的陈，即：隧道=围岩+支护围岩与势支护共绩同承担伤山体的脊压力。图围若岩与支叠护共同研受力隧道工怎程的3个主要特层点（2）隧道榆承受的星压力具猛有不确净定性。（3）支护体禽系是控制葱围岩变形储的关键。为有效控痒制隧道工新程安全风姑险，避免枣或减少坍眠方事故发谷生，应以“充分调搏动围岩闸的承载业能力，运有效控蒸制围岩柔变形和踢松弛”为设计燃理念，纪按新奥瓦法原理扒进行软悟弱围岩垄隧道设名计。（二）、陶隧道支护绳设计根据新叛奥法原微理，软漫弱围岩闯隧道支轿护一般白采用复嗓合衬砌鼠。复合衬玻砌由初嚼期支护朴、二次王衬砌两溜部分组地成。隧道开挖锻后先实施宵喷射混凝悦土、锚杆寇、钢拱架布等与围岩月密贴的初舰期支护，夺约束围岩棒变形，并全根据变形核监控量测途结果，适究时施作二优次衬砌。图复合衬砌争图1、初期方支护设非计初期支猫护是由外喷射混挺凝土、丘锚杆、颈钢架组承成的联榨合支护沾体系，腊是复合摊衬砌隧裕道的主肤要承载耕结构。初期支绿护设计-喷射混轮凝土喷射混仪凝土的滚作用喷混凝土门能及时、新有效地防妙止开挖面怨岩层的松罚散、离层淘和掉落，场是有效地音保护围岩晋、防止坍果方的重要触手段。填充裂铸隙对界面裙附着防捆掉块喷混凝土私与围岩的晃粘附是发扯挥喷混凝录土支护效秒果的保证型，也是喷碑混凝土最游主要的力物学作用。图喷射运混凝土与坏围岩初期支就护设计-喷射混凝诉土软弱围岩茧中喷混凝坝土设计及在施工要点:喷混凝大土应具肝有必要巧的早期准强度，帅以尽快茅对围岩捕提拱支窜承力，24小时抗慢压强度妻不应低核于10M段Pa。喷混凝犁土应有防足够的庙后期强汽度，强躲度等级炭不应低狂于C25。与围岩应泉具有足够替的粘附强绘度，使喷芽混凝土与新围岩尽快作形成整体及，阻止围杰岩松动下挠滑，与围淡岩的粘结急强度不应坟低于0.5叉MPa。软弱围岩尿采用钢筋阀网喷混凝程土，增强允喷混凝土纷的抗剪强吐度、提高削粘附性。初期支护合设计-喷射混凝胳土为达到架设计目维的，软例弱围岩畅中喷混远凝土施近工要求敏做到：喷混凝奶土应采免用湿喷捏工艺湿喷法其隔喷射混合合料进入喷限射机前已骄经按规定智加入水拌佣合均匀，誓因此较干翠喷工艺具势有水灰比拜能准确控粥制，利于检水泥的水胳化，施工帅粉尘小，致回弹少，赤混凝土均赶质性好，永强度高的燥优点。喷混凝土亩必须与岩鸽面密贴，宵不可有空服洞，以保前证良好的岭共同受力掏状态喷混凝匪土必须耐快速、冒及时施蚁作。初期支护疤设计-锚杆锚杆作徒为初期捏支护的脾另一主桂要构件葵，设计盐施工中佣是必不笋可少的屡，特别术是在软韵弱围岩勾中，其蒸对围岩额的加固予作用十键分明显雹。1）软弱围门岩中锚杆叉的作用在软弱围持岩中单凭渴喷射混凝艺土往往难引以抵抗围尿岩的巨大回形变压力帮，不能有平效地保证门支护的可扮靠性。在挥这种情况骆下，需要左将喷射混葡凝土与锚谈杆联合使袄用，并把总锚杆作为笋主要的支姻护措施。软弱围亩岩中锚撤杆的主副要作用珍是通过浴形成具技有一定姥厚度的“加固圈”来“加固围脆岩”。“加固圈”承担外层魂围岩传来壳的荷载，写使得最后某传到喷射擦混凝土层饿的荷载大荡为减小。锚杆对羡围岩的咸加固是逼通过锚滤杆周围净的水泥乞砂浆与父围岩的承粘结力傅来实现搞的，因咱此需保菌证锚固夸可靠，月且锚杆港垫板必号须与岩列面紧贴译。锚杆隧道加固圈2）软弱围码岩锚杆设抬计与施工竞要点：锚杆的布讽置一般沿挠洞室周边赢径向均匀刑布置，必毅要时底部湖也要加锚臭杆；为保证籍加固带局有一定臭厚度，飘锚杆的颂长度与千间距之吹比一般效为2:1；为防止锚牌杆间围岩欧坍落，还罩应配合网蹲喷混凝土钓，喷层主闲要承担锚若杆间的局泰部坍塌荷浓载；为达到蛋设计目碑的，软横弱围岩载锚杆施模工中要搏求做到僚：锚杆锚槽固可靠腿，全长牌粘结；要用垫板原，且垫板蛙要求与岩千面紧贴。初期支护趟设计-钢架钢架分型斗钢钢架与纤格栅钢架伯两种，一驾般应与锚敢杆、喷混宫凝土共同饶使用。图钢架遗断面图格栅钢腾架1）钢架的释作用钢架的淡作用有斩四点：一是喷辟混凝土蚕发挥作危用前支龙撑围岩词；二是对喷楼射混凝土崇进行补强慌；三是作松为超前弄支护的傻支点；四是与教锚杆、辟喷射混逐凝土共没同发挥思初期支倾护的作甘用。2）钢架适政用范围钢架的腹最大特妥点是刚仇度大，油架设后沟能够立阵即承载兼受力。妙因此，轨多用于逮软弱破爸碎或土业质围岩趁中，需踪蝶要控制涂围岩变年形迅速兽发展的惜场合。传如浅埋罩、偏压崇及土层少隧道等笛。钢架的蒜设计与陡施工要坦点：一般采去用工字进钢，或“八字结”形联系钢辫筋的格栅康钢架；钢架间距尖一般为0.6～1.0蛙m。为增加钢助架的整体似性，每榀宋钢架间应勒设纵向连苦接构件；钢架拱脚掏及墙脚应系有控制钢既架位移和贡下沉的措渔施。为达到桌设计目劲的，钢普架的施稻工要求蚀做到：接头是整甲个钢架的僚薄弱环节逐，必须加振强;钢架应直粪立安装，张并用混凝盲土预制块陷与围岩顶最紧；型钢钢岛架应预俗留注浆般孔，及亡时对喷娃混凝土化层后回呼填注浆租，保证粗与围岩化密贴；分部开播挖钢架朵落底接篮长时，达要注意谷防止失矿稳。2、二次衬肤砌设计软弱围岩阳中二次衬摄砌也是主山要承载结用构，二次腥衬砌与初才期支护共招同承担较格大的后期扇围岩变形晚压力，应先适时施作剖。二次衬砌塘设计（1）二次衬庙砌的作用软弱围技岩隧道墨中，二延次衬砌甘的主要饲作用：筛一是承端载，二绿是安全叛储备，贩保障运老营的安罩全。（2）二次滤衬砌的卵设计与此施工要纱点二次衬砌铅原则上应学适时施做巩。软弱围休岩二次些衬砌应哀带仰拱守，与边坟墙应圆舟顺连接锡，减少唐应力集遣中。为达到俱设计目鸡的，软读弱围岩脏二次衬调砌施工滥要求做隶到：二次衬砌龄应先施工窃仰拱，分服段整体浇私注。二次衬振砌背后对空洞应做回填密夺实。四、软辉弱围岩失变形控序制技术1、控制掌松子面变形芦、坍塌的抚技术掌子面窗过大的舌变形将封导致坍详塌事故鸣的发生餐。这种结事故占筝隧道坍坛方事故卡的比例肢最高，插造成的烧人员、统机械设开备的损暑失最大混，在设们计施工叉中都应惜该引起垃高度重怀视。控制掌子欲面变形、鞭坍塌的技娃术-超前支唯护常见的控字制掌子面门变形、坍扬塌的技术域有：（1）超前园支护超前支护商是一种“先支后嚷挖”技术，蹦是控制李隧道掌惜子面前求方围岩白变形，纯防止隧彩道掌子鸡面坍塌洁的主要处手段。常用的映超前支凝护有：完超前锚端杆、超违前小导骆管注浆践、超前李大管棚大。图超前则支护示意挺图控制掌挥子面变离形、坍暑塌的技笨术-超前支竟护软弱围葱岩超前心支护施楼工中要想求做到1）超前管弟棚必须按粮设计要求偿进行压浆美，以起到跌加固围岩缎的作用。2）为保证良管棚与钢袄架的联合舞支护作用搜，管棚外睛露部分应圈焊接于钢妹架上。控制掌子责面变形、围坍塌的技馒术-掌子面寻锚杆（2）掌子面大锚杆设置掌盏子面锚沃杆的目泄的是控换制围岩纤开挖后选的先行惭位移和降掌子面肢位移，植也是给秋大断面记开挖创欢造条件钓，有利控于控制顿先行和均后期围千岩、支龄护变形尚。掌子面黄锚杆的利长度一怀般都在10～20m之间，宜敏优先采用悬易于切割渣的玻璃纤验维锚杆。图掌子摇面锚杆控制掌子倘面变形、槽坍塌的技舞术-掌子面喷乖混凝土封慎闭（3）掌子寨面喷混棍凝土封控闭掌子面槐喷混凝斗土是现摸场使用胡较多的刮另一种沸维持掌宅子面稳飘定的支革护措施摄。图掌子评面混凝土情封闭控制掌子还面变形、晃坍塌的技吩术-（4）掌子面膀预留核心耳土掌子面供预留核胜心土防郊止掌子黄面失稳愁、坍方咬是隧道缩慧中运用弱最广、牧最简单述、最经听济的技诱术措施御之一。核心土核心土核心土2、控制轰落底开让挖坍方俱技术隧道上台对阶开挖支柜护完成，谋下一道工询序就是下明台阶落底隆开挖。这示道工序风购险极大。举落底时上酿半部支护咸基础悬空弄，失去支熄撑，很容余易引起支琴护和围岩州失稳、坍锣方。这种事故巡寿一旦发生延，容易造石成前方掌饭子面作业骑人员被困天和伤亡。落底开挖告的关键技搂术是在开滤挖前给上郑半断面支屯护结构提国供一个临骆时或永久底的基础，预控制支护叔拱脚的快恰速下沉。常见的控谢制拱脚下睬沉技术有凯：（1）锁脚孤锚管技蚁术锁脚锚本管当它缸作为承京载结构跳时，主端要是传幼递来自代于上部丝式初期支岩护的压业力，因慈此，应待尽量沿旗拱脚切景线方向欺设置。建若施作研不到位川，将降洒低锚管障作用效惊果。图锁教脚锚管（2）临时讯仰拱技劲术临时仰拱膛在台阶法禁开挖的软既岩大断面商隧道中经叙常使用，着能让上台虚阶临时封眼闭成环，筝有效地控玻制上半段编面支护的宇沉降，保获证下台阶镜开挖的安另全。图台阶侵法临时仰顽拱（3）扩大病拱脚技略术扩大拱两脚是通灶过展宽撇基础，疗减小地泊基压力新的方法忙，实现略控制支什护沉降和的又一棚种有效桂的技术分手段。其关键它是基础企要有足张够的宽赴度，设净计宽度氏一般为0.8～1.0m。施作速时，若阳拱脚宽德度不够渣，将造亡成沉降租过大，螺达不到折设计要熊求。图扩大钩拱脚3、工程实浅例成功实施汤的超大断并面软弱围纲岩隧道工结程实例：炎六沾铁路狐乌蒙山二披号隧道。隧道出口哈为四线车撤站隧道，霉全长610m，其最大卸开挖宽度卧达28.4牺2m，最大钢开挖面毁积为354摆.30先m2，为单跨规交通隧道岩的世界之甲最。隧道洞身纸主要通过有泥岩、页批岩夹砂岩肢等地层。它针对跨度锣超大、围亡岩软弱的钉特点，结并构采用核尿心土、超祖前预支护法、边墙设抓台的拱跨重式结构，教有效地控佛制了支护所的变形。腔目前大跨其开挖已基狱本完成，听未出现坍和塌问题。图六沾舍铁路乌蒙书山二号隧赛道实例五、体誉会与建何议1、遵循“选线四爬原则”，从设计烂源头降低肤软弱围岩作隧道风险隧道位置叫的选择在悄重视洞口语地形、地与质条件的兵同时，应刑充分考虑臣隧道洞身胃地质条件奋，隧道位扫置应尽量圆避免或减写少通过软职弱围岩地缓段。在选线涌设计时耍，要遵葬循以下“选线四原天则”：（1）选择掩构造简湖单，地落层单一克，地下请水不发检育，岩差体完整患性较好努的地段肢；（2）尽量减栋少傍山、除浅埋段，令避免短隧蚊道群。（3）隧道洞栽身宜平行微水平最大撕主应力方糕向，争取兵垂直岩层杯走向；（4）避开或锋远离断层普破碎带，划必须穿过削时，宜大伸角度穿过百；并应注倘意选择在假断层、特窃别是活动康断层的被愉动盘内通档过。2、充分腹贯彻“早进晚出”的原则，壶强化软弱卧围岩隧道吨进洞设计洞口位背置的选正择充分掠考虑施远工、运下营安全既和环保翅要求，思遵循“早进晚出”的原则拔。有条益件时应颠尽量接录长明洞穗，不要蒙为了缩不短隧道半的长度碍而偏压圾、拉槽笼进洞，在使洞口什处挖深伞过大，庸破坏山笋体坡面放的稳定挣和植被亡，给施政工和运旱营安全供带来隐版患。进洞成功撕实例饭进洞失尝败实例软弱围政岩隧道度宜采用蜻超前管害棚进洞移，并对晋洞口临蚀时开挖纠坡面采裤取锚杆夹（索）闪、压浆捎、钢筋秋网、喷孙射混凝熄土等支市护措施客；同时减，在开帅挖进洞晒之前，炊还应做成好地表厘防排水截系统，崖以确保撒隧道进论洞安全伯。3、高风险归软弱围岩魄双线长隧邀道，宜采辰用双洞单涨线分修方龄案高风险软么弱围岩双袜线长隧道瞧宜采用上茶下行分修掘，修建两朋座单线隧壶道，由于亩隧道开挖窄跨度、断刃面减小，岛有利于施半工时控制略围岩和支熊护变形，指防止坍方虚事故的发桥生。4、加强地株质勘察工碧作，细化锹软弱岩层丽工程特性冲判释重视软委弱围岩跟地段的妄地质勘崭察工作景，开展似综合勘观探，查羞明其工酒程地质铲、水文沫地质条窗件，围众岩合理号定级。对于通奸过软弱亚围岩地丙段的隧餐道，地页质勘察泄工作的趁主要目顾的是确器定软弱斗围岩在紫隧道洞上身上的析分布段假落、工扑程特性杂。通过地质汪测绘辅以什槽探、平社硐等方法到，了解软发弱岩层的苏分布层位黎，综合地狂面物探成湖果初步确骨定软弱围悦岩在洞身躲的分布段霸落。在此刊基础上布楼置钻探工揪作，通过省钻探、孔趴内综合测变井、原位帽测试和室厉内试验，趣进一步细缠化软弱围晒岩在隧道摊洞身段的型分布段落薪和工程特嫁性。为弥补担勘察工任作的局严限性，封应加强高施工地绍质特别音是超前盼地质预仇报工作饼，在开射挖环境售下、围额岩的受夺力、地恰下水的虚径流条器件均有斜所变化尼，应高存度重视文局部的津小构造支、不同窃岩性的沃接触带冬、层间凉不利的柏结构面披组合对乎隧道稳辰定性的狗不利影输响。5、针对软熔弱围岩的甲工程特性须，设计方肾案应做到“三个有利墙于”软弱围岩党的力学特崖性是强度绒低、承载悲力低，隧邪道开挖后刮变形大。逼因此，针戏对围岩与敢隧道变形徐的控制措昌施是设计侧的要点。乞设计应做后到“三个有通利于”：（1）开挖变方法的轰设计应膛有利于汪保护围乳岩，减衡小塑性枝区范围摘，最大骄限度地移调动围会岩的承央载作用喜，控制糠围岩的委变形量既；例如青采用弱昌爆破、腥围岩预矿加固等蒙设计；（2）支护李结构的锣设计应跟有利于朽支护结允构尽快纱封闭，津形成整型体稳定虎的封闭泻环状结娇构，以物达到减培小支护甩自身变却形的目顶的；例容如采用急有利于物快封闭仪的CD/誉CRD等工法挂；（3）支护结艳构未封闭厨之前，辅茧助工程措住施的设计枪应有利于板控制支护沸结构的整邀体下沉；朋例如采用能大拱脚或弓拱脚支撑成桩等措施肆。6、加强券现场配贫合，积鼠极开展疯信息化即设计隧道施榆工图一室