高地应力软岩大变形隧道施工技术措施

1、高地应力软岩大变形隧道施工技术措施软岩大变形是指在高地应力环境下，隧道开挖后围岩发生侧鼓、底鼓等严重 挤压变形，挤压变形量超出常规围岩变形量的现象，是围岩柔性破坏时应变能很 快释放造成的一种动力失稳现象。工程概况某隧道为铁路单线隧道，隧址区内新构造运动强烈，活动断裂发育，存在构 造应力相对集中的地质环境条件，局部埋深较大的隧道可能遭遇高地应力工程环 境，特别是隧道埋深过大时，板岩、千枚岩等软质围岩可能发生软岩大变形；局 部构造应力强烈的区域，破碎的硬质岩也可能出现大变形现象。沿线易发生软岩 大变形的地层主要为三叠系、泥盆系及志留系千枚岩、板岩地层.该隧道埋深大、 软质岩发育地段，以I级及II级

2、软岩大变形为主。隧道在DK28+888DK36+415段主要为绿泥片岩及片岩，层厚普遍小于3cm， 属极薄层中薄层，灰绿色为主，矿物成分以绿泥石、云母、石英为主，变晶结 构，薄片状构造为主，岩质软弱，节理裂隙发育，岩体破碎，部分段落呈中厚层 状构造，岩体较破碎，该段落富水程度中等，绿泥片岩浸水后强度急剧降低。其 中DK29+765DK36+415段具轻微中等的变形潜势。软岩大变形段的基本特性变形量大：变形量远超常规预留变形量。初期支护变形速度快：隧道变形量测开始阶段，变形速率快，最大变 形速率时间一般发生在边墙下台阶落底至仰拱闭合成环前。变形持续时间长：大变形区段变形时间从开挖至衬砌浇筑前，一

3、般30d 或更长。施工难度大，安全风险高：开裂变形持续不断，易发生大面积失稳坍 塌，处置塌方难度大。软岩大变形段的施工情况软岩大变形表现形式多样，主要表现在边墙挤压纵向变形开裂，拱顶下沉环 向变形开裂，钢架凸起变形、扭曲，边墙变形侵限拆换拱，初支喷射混凝土鼓包 掉块，隧底初支受力鼓起，掌子面岩石崩解滑坍，应力集中部位明显开裂掉块， 局部二衬开裂等现象。软岩大变形控制技术措施及施工技术从主动加固围岩，发挥围岩自承能力，控制围岩塑性区发展出发，提出高地 应力软岩隧道大变形主动控制技术要点为“加深地质、主动控制、强化锚杆、工 法配套、优化工艺”二十字方针。软岩大变形地层采用优化边墙曲率、大拱脚施 工

4、工艺、软岩大变形隧道锚杆快速控制变形施工工艺、引进NPR锚索、加大预留 变形量、加强超前地质预报、加强支护及管超前、预注浆、短进尺、弱爆破、快 封闭、控步距、勤量测等措施。（1）优化边墙曲率单线铁路隧道高而窄的断面对结构受力稳定是不利的，为控制边墙收敛，优 化隧道初期支护的边墙曲率，改善结构受力。优化措施：初期支护边墙内半径r2=6.93m优化为r2=5.99m，边墙最大跨外 扩53cm。优化前断面如下图所示。图2.2.3-1优化前断面优化后断面如下图所示。图2.2.3-2优化后断面大拱脚施工工艺在隧道软岩大变形段落，为有效控制拱顶下沉，尤其是施工中、下导坑或施 作仰拱初期支护期间控制钢架下沉

5、变形，隧道钢架设置大拱脚。大拱脚钢架采用 型钢与隧道拱架焊接，在工厂加工完成后运至施工现场使用，大拱脚型钢与拱架 连接处必须满焊。大拱脚设置于各台阶拱脚处，钢架在初喷一层混凝土后安装架 设，拱脚下设混凝土垫块。根据以往现场施工反馈，大拱脚施工工艺对控制拱顶 下沉下沉效果显著，同时对初支收敛也起到一定的作用。大拱脚施工示意图如下图所示。大拱脚施工示意图软岩大变形隧道锚杆快速控制变形施工工法锚杆是软岩大变形隧道施工中重要的支护措施,特别是长锚杆为控制大变形 发展的常用措施。快速施作锚杆支护系统，对处置软岩隧道大变形危害十分重要。1）工法特点根据开挖工法不同的空间条件采用“长短锚杆”“分次施作”方式

6、。采用锚杆台车等大型设备实现锚杆快速施工。能快速控制隧道变形。2）工艺原理根据围岩岩性、强度、应力、埋深、层厚、产状结构特点等判断围岩的变形 类型,选取合理的锚杆型式，根据开挖工法的工序空间和监控量测情况使用锚杆 台车适时快速施作长短锚杆，采用快凝早强注浆材料实现锚杆的快速锚固受力， 快速控制隧道变形。在施工过程中，先期施工短锚杆，用于初期变形控制，减少隧道变形。在下台 阶完成后，成型隧道的空间具备机械化作业条件，根据变形情况适时施作长锚杆， 一方面控制深部围岩的变形，另一方面其锚入弹性区，将加固组合拱结构悬吊于 深部稳定岩体，使浅部围岩和深部围岩共同作用，协调变形。软岩大变形隧道施工 中采取

7、长短锚杆合理设计组合，形成群锚效应，可以有效限制隧道围岩塑性区发 展，约束围岩变形速率，保证隧道施工安全。3）施工工艺流程及操作要点施工工艺流程软岩大变形隧道锚杆快速控制变形施工工艺流程如下图所示。判识隧道大变形情况，合理选择锚杆型式对于锚杆钻孔后一定时间内围岩能够自稳，不会立刻发生塌孔缩孔的大变形 隧道,选用普通中空锚杆;对于锚杆钻孔后孔壁发生塌孔，甚至在钻孔过程中就会 发生塌孔,无法在钻杆拔出后送人杆体的大变形隧道，则选用自钻式中空锚杆。锚杆孔位放样锚杆施工前技术人员应按设计要求的锚杆位置和间距,将锚杆孔口位置放样 到初期支护混凝土上，用油漆标识，并向班组进行详细地技术交底,要求明确锚杆

8、孔位、锚杆数量、锚杆长度、锚杆角度等。开挖挂网、拱架架设、喷射混凝土支护，预留长锚杆锚垫板凹槽喷射混凝土完成时将长锚杆孔位放样到喷射混凝土表面上，用小钢铲和锉刀在孔位切出长20cmX宽20cmX深10cm的锚垫板安装凹槽。软岩大变形隧道锚杆快速控制变形施工工艺流程图长锚杆施工采用锚杆台车、多臂凿岩台锚杆孔，按照标识的锚杆孔口位置，垂直岩面或垂 直岩层层理面角度钻进，孔深达到要求后，人工安装锚杆杆体，安装止浆塞和排气 管。止浆塞要求与孔口围岩紧密接触，当有缝隙时，应采用速凝剂对缝隙进行封 堵。场地平整和锚杆台车就位采用挖掘机对长锚杆施作区域地面进行整平，为锚杆台车或多功能凿岩台车 等就位提供场地

9、条件，操作人员提前进行施工准备，检查机械设备情况，保证施工 步序顺利衔接。钻孔和杆体安装锚杆台车或钻注一体机按照放样的锚杆孔位和要求的角度快速钻孔,孔深达 到要求后,安装锚杆杆体、止浆塞和排气管。锚杆注浆注浆材料采用快凝早强注浆料，砂浆搅拌机搅拌，按施工配合比和设计投料 顺序将快凝早强注浆材料及水放人搅拌机，充分拌和。用注浆泵将注浆液压入锚 杆孔内，直至排气孔内流浓浆方可停止，并将锚杆注浆口和孔口封堵。安装垫板，拧紧螺母锚垫板安装时应对准预留的凹槽，垫板应与凹槽内的喷射混凝土面密贴。垫板与螺母安装时浆体强度应达到10MPa,不应过早或过晚，安装时间应根 据试验确定。采用扭力扳手对锚杆的锚固力进

10、行检测。变形监控量测，动态调整锚杆参数根据监控量测数据，及时分析围岩的变形情况，评估锚杆和初期支护对大变 形控制的效果，反馈至设计人员动态调整锚杆型式、长度和直径等参数。（4）引进NPR锚索当初期支护措施不能满足变形控制时，根据以往软岩大变形隧道的施工经验， 将超前注浆小导管、环向注浆锚杆和环向注浆小导管，替换为环向系统NPR恒 阻锚索，规格有L-500cm和L-1000cm两种型式。L-500cm和L-1000cm两种锚 索，间隔布置，即一个循环L-500cm、下一循环采用L-1000cm。根据以往施工经验，施做NPR锚索后，累计变形基本控制在20cm以内，仅 有个别地方出现了初支混凝土掉块

11、、剥落现象，初支变形基本得到了有效控制。1）施工原理依据新奥法理论，采用复合式衬砌结构形式，即通过“外锚内支”的围岩体 内加固和隧道衬砌结构共同受力的原理进行结构设计。通过加强外部围岩体内加 固强度、环向使用NPR恒阻锚索对围岩体进行加固，采用长短锚索结合的方式， 以期达到对外部围岩深层加固的目的。从而达到抑制变形的作用。2）NPR锚索施工工艺流程开挖后进行初喷防护f铺设钢筋网f确定锚索位置，固定“W”型钢带钻机 就位，进行钻孔f清孔f安装锚固剂（锚固剂规格型号根据钻孔孔径选择）f插 入锚索f搅拌锚固f放置锚垫板f安装锚具f张拉锚固。3）施工要点及操作平整场地采用挖掘机对爆破后的掌子面进行平整

12、，以便锚索施工。清理岩面且对岩面进行加固对开挖后的岩面进行危石清理，并对危险部位采用必要的支撑。测量放样测量组根据锚索环纵向间距，对孔位进行测量放样。钻孔采用气动锚索钻机，钻孔直径为32mm钻，钻头及钻杆根据围岩情况需在 厂家定制，孔深为5300mm和10300mm两种，遇到卡钻或塌孔情况需在废孔旁边 重新打设。扩孔采用中95mm钻头扩孔（矿用特制钻头），扩孔深度为600mm。扩孔时应注意 孔口中心与首次打孔的孔口中心对齐，不可偏斜。放置锚固剂锚索采用树脂药卷端头锚固，每根锚索采用3卷Z2360或Z3540树脂锚固 剂。安装锚索锚索采用防腐锚索，需在厂家定制。采用人工将锚索放入对应孔内，锚索外

13、 漏长度为15-30cm。W型钢带及防护网安装W型钢带在厂家定制完后运至施工现场，安装时，将W型钢带上孔洞与围岩 上钻孔对齐，其余钻孔位置在空洞中心进行，以保证锚索及恒阻器顺利安装，安 装W型钢带同时将聚酯纤维增强塑料防护网安装完毕。如下图所示。W型钢带及防护网安装托盘、恒阻器、锚具依次安装托盘、恒阻器、锚具。如下图所示。锚索恒阻器托盘及恒阻器安装依次安装托盘、恒阻器、锚具。如下图所示。锚索恒阻器托盘及恒阻器安装张拉张拉力为45MPa，一次张拉到位。如达不到要求，应及时补打。场地清理锚索施工完毕后，对场地进行清理，以便进行下道工序。锚索效果如下图所锚索效果加大预留变形量预留变形量要依据围岩量测

14、收敛及沉降值确定，目的是杜绝变形值过大造成 初期支护侵入二次衬砌范围内。I级软岩大变形地段预留变形量调整为15cm，II级软岩大变形地段预留变 形量调整为25cm。施工中根据监控量测数据动态调整，如若初期支护依旧大幅 度侵入二次衬砌范围，则考虑双层钢架支护。加强超前地质预报对地质进行超前探测，作出准确的预报是施工的重点及关键。隧道施工过程 的地质超前预报预测，主要是根据地表和已经开挖的隧道的地质调查和各种探测 方法取得的资料，以及地质推断法预测开挖工作面前方一定长度范围内围岩的工 程地质条件，本风险段采取物探和钻探两大类预测方法，物探具体方法为：地震 波反射波法、地质雷达探测法、红外探测法和时

15、域瞬变电磁法;钻探具体方法为： 超前地质钻孔、加深炮孔。各种主要预报方法如下：1）地质素描：大变形段落采用每循环地质素描，填写施工地质围岩级别判 定卡，建立地质素描管理台帐。地质素描过程中发现地质出现异常情况，可能影 响施工安全时，立即采用相应的施工技术措施。2）物探法地震波反射法采用地震波反射法，每次预报距离不大于120m，搭接不小于20m。地质雷达探测法每25m施作一次，一次范围为30m，两次搭接不小于5m。红外探测法判定探测点前方有无水体存在及其方位，每25m施作一次，一次范围为30m， 两次搭接不小于5m。时域瞬变电磁法探测地层中存在的地下水体，断层破碎带、溶洞、溶隙、暗河等。每60m

16、施 作一次，一次范围为70m，两次搭接不小于10m。3）钻探法超前地质钻孔采用冲击钻和回转钻取岩芯，钻孔直径76。活动断裂带超前探测长度80 100m，搭接长度不小于10m，其余地段超前探测长度不小于30m，搭接长度不小 于5m。加深炮孔加深炮孔超前探测，利用风钻在隧道开挖工作面钻小孔径浅孔获取地质信息， 加深炮孔较爆破孔深3m以上，孔数、孔径根据地质复杂程度确定。（7）加强支护措施1）将拱墙设置H=16cm的格栅钢架或118工字钢钢架调整为全环I18、I20a 或H175的型钢钢架，钢架间距100cm或80cm。2）将拱墙C25喷射混凝土调整为全环C30钢纤维喷射混凝土。3）仰拱及二次衬砌由

17、40cm厚的素混凝土调整为45cm或50cm厚的钢筋混 凝土。4）边墙径向注浆，642热轧无缝钢管，间距2.2*2.0 （纵向*环向）m,加 固范围5m,压注水泥浆液。5）边墙配合钢架设置8根或12根R32自进式锚杆，锚杆长6m6）拱架拱脚处钢架连接筋调整为型钢刚性连接。（8）管超前、预注浆、短进尺、弱爆破、快封闭、控步距、勤量测1）管超前、预注浆为确保施工安全，1级大变形段落超前支护采用6 42小导管超前支护；II 级大变形段落加强超前支护，采用6 89管棚+642小导管注浆预支护；并注浆加 固。2）短进尺、弱爆破施工采用短台阶法或短台阶临时横撑法施工，若仍不能满足要求则采用CRD 发或双侧

18、壁法开挖。上台阶每循环开挖支护进尺II级大变形段落不得大于1棉钢架间距，I级大 变形段落不得大于2棉钢架间距。边墙每循环开挖支护进尺不得大于2棉钢架。 仰拱每次开挖不得超过3m。优先选择机械开挖，如若爆破则采用间隔空眼、微差爆破技术，以及左右侧 不均衡装药爆破技术，尽量减少对围岩的扰动。短台阶法上台阶高度4m，中台阶2.9m3m，下台阶高度3m3.2m，上台阶台阶长度 控制在35m，中、下台阶长度控制在5m8m，初支封闭成环距离掌子面不大于 30m。开挖施工工艺如下图所示。短台阶临时横撑法上台阶高度4m，中台阶2.9m3m，下台阶高度3m3.2m，初支封闭成环距 离掌子面不大于15m。短台阶临时横撑法如下图所示。出渣MBtrM tULEf#ARV羲图者三有价快开括题志护工Z流曜图短台阶法开挖工艺出渣MBtrM tULEf#ARV羲图者三有价快开括题志护工Z流曜图短台阶法开挖工艺短台阶临时横撑法图示3）快封闭、控步距及时封闭仰拱，特别是仰拱初支，是减小变形、提高围岩稳定性的有效措施 之一。隧道施工安全步距控制严格按照规范相关要求进行控制执行以下标准：大变 形地段控制隧道安全步距，按如下标准：仰拱初支封闭成环距掌子