軟巖隧道設(shè)計(jì)課件

精心設(shè)計(jì)，確保軟弱圍巖隧道

工程安全匯報(bào)內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)源四、軟弱圍巖變形控制技術(shù)三、軟弱圍巖隧道設(shè)計(jì)

3五、體會(huì)與建議六、結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)鐵路路網(wǎng)的完善，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，特別是高速鐵路和客運(yùn)專線的大量修建，隧道建設(shè)規(guī)模和技術(shù)水平也踏上了一個(gè)新的臺(tái)階;然而，軟弱圍巖隧道坍方、作業(yè)人員傷亡等事故卻時(shí)有發(fā)生，隧道建設(shè)的安全現(xiàn)狀無(wú)法與當(dāng)前的形勢(shì)相適應(yīng)。從設(shè)計(jì)源頭上解決當(dāng)前軟弱圍巖隧道建設(shè)過(guò)程中存在的問(wèn)題，是非常必要和及時(shí)的。

半個(gè)多世紀(jì)來(lái)，我院在西南山區(qū)鐵路隧道的建設(shè)中，既積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，也有不少教訓(xùn)和體會(huì)，根據(jù)會(huì)議安排，下面我就軟弱圍巖隧道工程設(shè)計(jì)方面做簡(jiǎn)要匯報(bào)，不妥之處，敬請(qǐng)領(lǐng)導(dǎo)批評(píng)指正。一、軟弱圍巖的工程特征(一)軟弱圍巖主要工程地質(zhì)特點(diǎn)軟弱圍巖一般是指巖質(zhì)軟弱、承載力低、節(jié)理裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)破碎的圍巖，工程地質(zhì)特點(diǎn)有：(1)巖體破碎松散、粘結(jié)力差：一般為土層、巖體全風(fēng)化層、擠壓破碎帶等構(gòu)成的圍巖，由于結(jié)構(gòu)破碎松散，巖體間的粘結(jié)力差，開挖洞室后，僅靠顆粒間的摩擦效應(yīng)和微弱膠結(jié)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。(3)巖體結(jié)構(gòu)面軟弱、易滑塌：主要是存在于受結(jié)構(gòu)面切割影響嚴(yán)重的塊狀巖體中，由于結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)強(qiáng)度較低，開挖后周邊巖體極易沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)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(zhì)性質(zhì)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(shí)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(yīng)力進(jìn)行重新調(diào)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

若這種變形不進(jìn)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(guò)大，發(fā)生掌子面擠出坍方；另一類是支護(hù)下沉過(guò)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(dāng)隧道上部覆土較淺時(shí)，隧道內(nèi)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?shù)那闆r。這種坍方對(duì)隧道工程的建設(shè)和環(huán)境的危害性極大。整體失穩(wěn)坍方工程實(shí)例洞頂?shù)乇硐菘佣④浫鯂鷰r隧道潛在安全風(fēng)險(xiǎn)源（2）土質(zhì)隧道土質(zhì)隧道強(qiáng)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(hù)強(qiáng)度不足，將導(dǎo)致變形大、嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)局部坍塌等安全風(fēng)險(xiǎn)。土質(zhì)隧道塌方冒頂及洞內(nèi)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(yīng)力，由于軟巖抗壓強(qiáng)度低，開挖過(guò)程中洞壁巖體剝離，位移極為顯著，變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，隧底常出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。通過(guò)該段時(shí)，若支護(hù)不足，可能造成支護(hù)變形過(guò)度、侵限，甚至塌方等安全風(fēng)險(xiǎn)。

支護(hù)大變形嚴(yán)重侵入凈空實(shí)例（4）斷層破碎帶由于斷層上下兩盤的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(guò)斷層破碎帶時(shí)易發(fā)生塌方、掌子面突泥、突水等安全風(fēng)險(xiǎn)。隧道斷層破碎帶及塌方（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(fēng)化剝蝕面，巖體較為軟弱、破碎，隧道通過(guò)時(shí)，在掌子面上方或前方，易發(fā)生塌方、涌泥等安全風(fēng)險(xiǎn)。隧道接觸帶塌方三、軟弱圍巖隧道設(shè)計(jì)（一）、軟弱圍巖隧道設(shè)計(jì)理論在隧道工程的設(shè)計(jì)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(diǎn)，還必須清楚地認(rèn)識(shí)到隧道不同于地面建筑物的3個(gè)主要特點(diǎn)：（1）隧道是由圍巖和多種支護(hù)結(jié)構(gòu)兩部分組成的，即：

隧道=圍巖+支護(hù)圍巖與支護(hù)共同承擔(dān)山體的壓力。圖圍巖與支護(hù)共同受力（二）、隧道支護(hù)設(shè)計(jì)根據(jù)新奧法原理，軟弱圍巖隧道支護(hù)一般采用復(fù)合襯砌。復(fù)合襯砌由初期支護(hù)、二次襯砌兩部分組成。隧道開挖后先實(shí)施噴射混凝土、錨桿、鋼拱架等與圍巖密貼的初期支護(hù)，約束圍巖變形，并根據(jù)變形監(jiān)控量測(cè)結(jié)果，適時(shí)施作二次襯砌。圖

復(fù)合襯砌圖1、初期支護(hù)設(shè)計(jì)初期支護(hù)是由噴射混凝土、錨桿、鋼架組成的聯(lián)合支護(hù)體系，是復(fù)合襯砌隧道的主要承載結(jié)構(gòu)。初期支護(hù)設(shè)計(jì)-噴射混凝土為達(dá)到設(shè)計(jì)目的，軟弱圍巖中噴混凝土施工要求做到：噴混凝土應(yīng)采用濕噴工藝濕噴法其噴射混合料進(jìn)入噴射機(jī)前已經(jīng)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(zhǔn)確控制，利于水泥的水化，施工粉塵小，回彈少，混凝土均質(zhì)性好，強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。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(shí)施作。初期支護(hù)設(shè)計(jì)-錨桿錨桿作為初期支護(hù)的另一主要構(gòu)件，設(shè)計(jì)施工中是必不可少的，特別是在軟弱圍巖中，其對(duì)圍巖的加固作用十分明顯。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(hù)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(hù)措施。軟弱圍巖中錨桿的主要作用是通過(guò)形成具有一定厚度的“加固圈”來(lái)“加固圍巖”?！凹庸倘Α背袚?dān)外層圍巖傳來(lái)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(duì)圍巖的加固是通過(guò)錨桿周圍的水泥砂漿與圍巖的粘結(jié)力來(lái)實(shí)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2）軟弱圍巖錨桿設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)：錨桿的布置一般沿洞室周邊徑向均勻布置，必要時(shí)底部也要加錨桿；為保證加固帶有一定厚度，錨桿的長(zhǎng)度與間距之比一般為2:1；為防止錨桿間圍巖坍落，還應(yīng)配合網(wǎng)噴混凝土，噴層主要承擔(dān)錨桿間的局部坍塌荷載；為達(dá)到設(shè)計(jì)目的，軟弱圍巖錨桿施工中要求做到：錨桿錨固可靠，全長(zhǎng)粘結(jié)；要用墊板，且墊板要求與巖面緊貼。初期支護(hù)設(shè)計(jì)-鋼架鋼架分型鋼鋼架與格柵鋼架兩種，一般應(yīng)與錨桿、噴混凝土共同使用。圖鋼架斷面圖格柵鋼架1）鋼架的作用鋼架的作用有四點(diǎn)：一是噴混凝土發(fā)揮作用前支撐圍巖；二是對(duì)噴射混凝土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；三是作為超前支護(hù)的支點(diǎn)；四是與錨桿、噴射混凝土共同發(fā)揮初期支護(hù)的作用。2）鋼架適用范圍鋼架的最大特點(diǎn)是剛度大，架設(shè)后能夠立即承載受力。因此，多用于軟弱破碎或土質(zhì)圍巖中，需要控制圍巖變形迅速發(fā)展的場(chǎng)合。如淺埋、偏壓及土層隧道等。鋼架的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)：一般采用工字鋼，或“八字結(jié)”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(yīng)設(shè)縱向連接構(gòu)件；鋼架拱腳及墻腳應(yīng)有控制鋼架位移和下沉的措施。

為達(dá)到設(shè)計(jì)目的，鋼架的施工要求做到：接頭是整個(gè)鋼架的薄弱環(huán)節(jié)，必須加強(qiáng);鋼架應(yīng)直立安裝，并用混凝土預(yù)制塊與圍巖頂緊；型鋼鋼架應(yīng)預(yù)留注漿孔，及時(shí)對(duì)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(zhǎng)時(shí)，要注意防止失穩(wěn)。2、二次襯砌設(shè)計(jì)軟弱圍巖中二次襯砌也是主要承載結(jié)構(gòu)，二次襯砌與初期支護(hù)共同承擔(dān)較大的后期圍巖變形壓力，應(yīng)適時(shí)施作。二次襯砌設(shè)計(jì)（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(chǔ)備，保障運(yùn)營(yíng)的安全。（2）二次襯砌的設(shè)計(jì)與施工要點(diǎn)二次襯砌原則上應(yīng)適時(shí)施做。軟弱圍巖二次襯砌應(yīng)帶仰拱，與邊墻應(yīng)圓順連接，減少應(yīng)力集中。為達(dá)到設(shè)計(jì)目的，軟弱圍巖二次襯砌施工要求做到：二次襯砌應(yīng)先施工仰拱，分段整體澆注。二次襯砌背后空洞應(yīng)回填密實(shí)。四、軟弱圍巖變形控制技術(shù)1、控制掌子面變形、坍塌的技術(shù)掌子面過(guò)大的變形將導(dǎo)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(jī)械設(shè)備的損失最大，在設(shè)計(jì)施工中都應(yīng)該引起高度重視?？刂普谱用孀冃巍⑻募夹g(shù)-超前支護(hù)常見的控制掌子面變形、坍塌的技術(shù)有：（1）超前支護(hù)超前支護(hù)是一種“先支后挖”技術(shù)，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(hù)有：超前錨桿、超前小導(dǎo)管注漿、超前大管棚。圖超前支護(hù)示意圖控制掌子面變形、坍塌的技術(shù)-超前支護(hù)軟弱圍巖超前支護(hù)施工中要求做到1）超前管棚必須按設(shè)計(jì)要求進(jìn)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(hù)作用，管棚外露部分應(yīng)焊接于鋼架上?？刂普谱用孀冃巍⑻募夹g(shù)-掌子面錨桿（2）掌子面錨桿設(shè)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(hù)變形。掌子面錨桿的長(zhǎng)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(shù)-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(chǎng)使用較多的另一種維持掌子面穩(wěn)定的支護(hù)措施。圖掌子面混凝土封閉控制掌子面變形、坍塌的技術(shù)-（4）掌子面預(yù)留核心土掌子面預(yù)留核心土防止掌子面失穩(wěn)、坍方是隧道中運(yùn)用最廣、最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施之一。核心土核心土核心土2、控制落底開挖坍方技術(shù)隧道上臺(tái)階開挖支護(hù)完成，下一道工序就是下臺(tái)階落底開挖。這道工序風(fēng)險(xiǎn)極大。落底時(shí)上半部支護(hù)基礎(chǔ)懸空，失去支撐，很容易引起支護(hù)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(guān)鍵技術(shù)是在開挖前給上半斷面支護(hù)結(jié)構(gòu)提供一個(gè)臨時(shí)或永久的基礎(chǔ)，控制支護(hù)拱腳的快速下沉。常見的控制拱腳下沉技術(shù)有：（1）鎖腳錨管技術(shù)鎖腳錨管當(dāng)它作為承載結(jié)構(gòu)時(shí)，主要是傳遞來(lái)自于上部初期支護(hù)的壓力，因此，應(yīng)盡量沿拱腳切線方向設(shè)置。若施作不到位，將降低錨管作用效果。圖鎖腳錨管（2）臨時(shí)仰拱技術(shù)臨時(shí)仰拱在臺(tái)階法開挖的軟巖大斷面隧道中經(jīng)常使用，能讓上臺(tái)階臨時(shí)封閉成環(huán)，有效地控制上半段面支護(hù)的沉降，保證下臺(tái)階開挖的安全。圖臺(tái)階法臨時(shí)仰拱（3）擴(kuò)大拱腳技術(shù)擴(kuò)大拱腳是通過(guò)展寬基礎(chǔ)，減小地基壓力的方法，實(shí)現(xiàn)控制支護(hù)沉降的又一種有效的技術(shù)手段。其關(guān)鍵是基礎(chǔ)要有足夠的寬度，設(shè)計(jì)寬度一般為0.8～1.0m。施作時(shí)，若拱腳寬度不夠，將造成沉降過(guò)大，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。圖擴(kuò)大拱腳3、工程實(shí)例成功實(shí)施的超大斷面軟弱圍巖隧道工程實(shí)例：六沾鐵路烏蒙山二號(hào)隧道。隧道出口為四線車站隧道，全長(zhǎng)610m，其最大開挖寬度達(dá)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(guò)泥巖、頁(yè)巖夾砂巖等地層。針對(duì)跨度超大、圍巖軟弱的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)采用核心土、超前預(yù)支護(hù)、邊墻設(shè)臺(tái)的拱跨式結(jié)構(gòu)，有效地控制了支護(hù)的變形。目前大跨開挖已基本完成，未出現(xiàn)坍塌問(wèn)題。圖六沾鐵路烏蒙山二號(hào)隧道實(shí)例五、體會(huì)與建議1、遵循“選線四原則”，從設(shè)計(jì)源頭降低軟弱圍巖隧道風(fēng)險(xiǎn)隧道位置的選擇在重視洞口地形、地質(zhì)條件的同時(shí)，應(yīng)充分考慮隧道洞身地質(zhì)條件，隧道位置應(yīng)盡量避免或減少通過(guò)軟弱圍巖地段。在選線設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循以下“選線四原則”：（1）選擇構(gòu)造簡(jiǎn)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(yīng)力方向，爭(zhēng)取垂直巖層走向；（4）避開或遠(yuǎn)離斷層破碎帶，必須穿過(guò)時(shí)，宜大角度穿過(guò)；并應(yīng)注意選擇在斷層、特別是活動(dòng)斷層的被動(dòng)盤內(nèi)通過(guò)。2、充分貫徹“早進(jìn)晚出”的原則，強(qiáng)化軟弱圍巖隧道進(jìn)洞設(shè)計(jì)洞口位置的選擇充分考慮施工、運(yùn)營(yíng)安全和環(huán)保要求，遵循“早進(jìn)晚出”的原則。有條件時(shí)應(yīng)盡量接長(zhǎng)明洞，不要為了縮短隧道的長(zhǎng)度而偏壓、拉槽進(jìn)洞，使洞口處挖深過(guò)大，破壞山體坡面的穩(wěn)定和植被，給施工和運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)隱患。進(jìn)洞成功實(shí)例進(jìn)洞失敗實(shí)例

軟弱圍巖隧道宜采用超前管棚進(jìn)洞，并對(duì)洞口臨時(shí)開挖坡面采取錨桿（索）、壓漿、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土等支護(hù)措施；同時(shí)，在開挖進(jìn)洞之前，還應(yīng)做好地表防排水系統(tǒng)，以確保隧道進(jìn)洞安全。3、高風(fēng)險(xiǎn)軟弱圍巖雙線長(zhǎng)隧道，宜采用雙洞單線分修方案高風(fēng)險(xiǎn)軟弱圍巖雙線長(zhǎng)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(shí)控制圍巖和支護(hù)變形，防止坍方事故的發(fā)生。4、加強(qiáng)地質(zhì)勘察工作，細(xì)化軟弱巖層工程特性判釋重視軟弱圍巖地段的地質(zhì)勘察工作，開展綜合勘探，查明其工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，圍巖合理定級(jí)。對(duì)于通過(guò)軟弱圍巖地段的隧道，地質(zhì)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(guò)地質(zhì)測(cè)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(chǔ)上布置鉆探工作，通過(guò)鉆探、孔內(nèi)綜合測(cè)井、原位測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)，進(jìn)一步細(xì)化軟弱圍巖在隧道洞身段的分布段落和工程特性。為彌補(bǔ)勘察工作的局限性，應(yīng)加強(qiáng)施工地質(zhì)特別是超前地質(zhì)預(yù)報(bào)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(yīng)高度重視局部的小構(gòu)造、不同巖性的接觸帶、層間不利的結(jié)構(gòu)面組合對(duì)隧道穩(wěn)定性的不利影響。5、針對(duì)軟弱圍巖的工程特性，設(shè)計(jì)方案應(yīng)做到“三個(gè)有利于”軟弱圍巖的力學(xué)特性是強(qiáng)度低、承載力低，隧道開挖后變形大。因此，針對(duì)圍巖與隧道變形的控制措施是設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。設(shè)計(jì)應(yīng)做到“三個(gè)有利于”：（1）開挖方法的設(shè)計(jì)應(yīng)有利于保護(hù)圍巖，減小塑性區(qū)范圍，最大限度地調(diào)動(dòng)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(yù)加固等設(shè)計(jì)；（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)有利于支護(hù)結(jié)構(gòu)盡快封閉，形成整體穩(wěn)定的封閉環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以達(dá)到減小支護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)未封閉之前，輔助工程措施的設(shè)計(jì)應(yīng)有利于控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體下沉；例如采用大拱腳或拱腳支撐樁等措施。6、加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)配合，積極開展信息化設(shè)計(jì)隧道施工