中铁二院软弱围岩隧道安全施工技术共61

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。这种变形形由三部部分组成成：一是，隧隧道正前前方掌子子面的水水平位移移，表现现为掌子子面的水水平鼓出出;二是，掌掌子面前前方围岩岩下沉，，浅埋隧隧道表现现为地表表下沉，，形成沉沉降槽;图掌掌子面鼓鼓出/地表沉降降槽三是，刚开开挖的隧道道洞壁出现现收敛变形形，表现为为拱顶下沉沉和边墙内内移;图拱顶下下沉和边墙墙内移若这种变形形不进行控控制，则可可能发生隧隧道坍方。。常见的隧道道坍方类型型可以归纳纳为两类：：一是掌子面面水平变形形过大，发发生掌子面面挤出坍方方；另一类是支支护下沉过过大，出现现整体失稳稳坍方。图掌子面面挤出坍方方图图整整体失稳坍坍方当隧道上部部覆土较浅浅时，隧道道内的变形形可能发展展到地表，，引起地表表变形开裂裂，甚至出出现坍塌冒冒顶的情况况。这种坍坍方对隧道道工程的建建设和环境境的危害性性极大。整体失稳坍方方工程实例洞顶地表陷坑坑二、软弱围围岩隧道潜在在安全风险源源针对软弱围岩岩隧道的支护护变形、塌方方等风险，从从地质角度进进行分析总结结，其潜在安安全风险源主主要有6种情况：（1）软弱围岩浅浅埋、偏压软弱围岩浅埋埋地段，隧道道施工时拱部部一般难于成成拱，在未采采取足够措施施前，软弱围围岩浅埋隧道道易发生局部部塌方；软弱弱围岩偏压地地段，隧道支支护结构将承承受显著的不不对称荷载，，施工期间易易造成初期支支护纵向开裂裂或错台，变变形过大甚至至塌方。图地形引起起的偏压图地质引起起的偏压（2）土质隧道土质隧道强度度低、自稳性性差，与岩石石隧道相比要要承受更大的的荷载，若初初期支护强度度不足，将导导致变形大、、严重时会出出现局部坍塌塌等安全风险险。土质隧道塌方方冒顶及洞内内松散坍体（3）大埋深软岩岩隧道在大埋深软岩岩地段，一般般存在较高的的地应力，由由于软岩抗压压强度低，开开挖过程中洞洞壁岩体剥离离，位移极为为显著，变形形持续时间长长，隧底常出出现隆起现象象。通过该段时，，若支护不足足，可能造成成支护变形过过度、侵限，，甚至塌方等等安全风险。。支护大变形严严重侵入净空空实例（4）断层破碎带带由于断层上下下两盘的相对对运动，常使使断层面附近近岩石破碎成成碎石和粉末末状，形成断断层破碎带，，其岩体一般般自稳性极差差，且常伴有有地下水，隧隧道通过断层层破碎带时易易发生塌方、、掌子面突泥泥、突水等安安全风险。隧道断层破碎带及及塌方（5）结构面发育育的块状岩体体地段块状围岩的力力学特性是岩岩石单体强度度较高、承载载力较高，但但因结构面发发育，受其切切割制约，特特别是在有地地下水组合作作用的条件下下，岩体整体体稳定性差，，这类围岩隧隧道坍塌的特特点是个别岩岩块失稳，造造成较大范围围岩块突然坍坍塌。坍塌岩块结构面发育（6）不同岩层接接触带地段由于不同岩层层，岩性差异异大，加之常常伴有地下水水，在接触面面附近常发育育有风化剥蚀蚀面，岩体较较为软弱、破破碎，隧道通通过时，在掌掌子面上方或或前方，易发发生塌方、涌涌泥等安全风风险。隧道道接触触带带塌塌方方三、、软软弱弱围围岩岩隧隧道道设设计计（一一））、、软软弱弱围围岩岩隧隧道道设设计计理理论论在隧隧道道工工程程的的设设计计与与施施工工中中，，除除了了了了解解软软弱弱围围岩岩隧隧道道“自稳稳差差、、易易坍坍塌塌”的工工程程特特点点，，还还必必须须清清楚楚地地认认识识到到隧隧道道不不同同于于地地面面建建筑筑物物的的力力学学3个主主要要特特点点：：（1）隧隧道道是是由由围围岩岩和和多多种种支支护护结结构构两两部部分分组组成成的的，，即即：：隧道道=围岩岩+支护护围岩岩与与支支护护共共同同承承担担山山体体的的压压力力。。图围围岩岩与与支支护护共共同同受受力力隧道道工工程程的的3个主主要要特特点点（2）隧隧道道承承受受的的压压力力具具有有不不确确定定性性。。（3）支护体系系是控制围围岩变形的的关键。为有效控制制隧道工程程安全风险险，避免或或减少坍方方事故发生生，应以“充分调动围围岩的承载载能力，有有效控制围围岩变形和和松弛”为设计理念念，按新奥奥法原理进进行软弱围围岩隧道设设计。（二）、隧隧道支护设设计根据新奥法法原理，软软弱围岩隧隧道支护一一般采用复复合衬砌。。复合衬砌由由初期支护护、二次衬衬砌两部分分组成。隧道开挖后后先实施喷喷射混凝土土、锚杆、、钢拱架等等与围岩密密贴的初期期支护，约约束围岩变变形，并根根据变形监监控量测结结果，适时时施作二次次衬砌。图复合衬砌图图1、初期支护护设计初期支护是是由喷射混混凝土、锚锚杆、钢架架组成的联联合支护体体系，是复复合衬砌隧隧道的主要要承载结构构。初期支护设设计-喷射混凝土土喷射混凝土土的作用喷混凝土能能及时、有有效地防止止开挖面岩岩层的松散散、离层和和掉落，是是有效地保保护围岩、、防止坍方方的重要手手段。填充裂隙界界面附着着防掉块喷混凝土与与围岩的粘粘附是发挥挥喷混凝土土支护效果果的保证，，也是喷混混凝土最主主要的力学学作用。图喷射混混凝土与围围岩初期支护设设计-喷射混凝土土软弱围岩中中喷混凝土土设计及施施工要点:喷混凝土应应具有必要要的早期强强度，以尽尽快对围岩岩提拱支承承力，24小时时抗抗压压强强度度不不应应低低于于10MPa。喷混混凝凝土土应应有有足足够够的的后后期期强强度度，，强强度度等等级级不不应应低低于于C25。与围围岩岩应应具具有有足足够够的的粘粘附附强强度度，，使使喷喷混混凝凝土土与与围围岩岩尽尽快快形形成成整整体体，，阻阻止止围围岩岩松松动动下下滑滑，，与与围围岩岩的的粘粘结结强强度度不不应应低低于于0.5MPa。软弱弱围围岩岩采采用用钢钢筋筋网网喷喷混混凝凝土土，，增增强强喷喷混混凝凝土土的的抗抗剪剪强强度度、、提提高高粘粘附附性性。。初期期支支护护设设计计-喷射射混混凝凝土土为达达到到设设计计目目的的，，软软弱弱围围岩岩中中喷喷混混凝凝土土施施工工要要求求做做到到：：喷混混凝凝土土应应采采用用湿湿喷喷工工艺艺湿喷喷法法其其喷喷射射混混合合料料进进入入喷喷射射机机前前已已经经按按规规定定加加入入水水拌拌合合均均匀匀，，因因此此较较干干喷喷工工艺艺具具有有水水灰灰比比能能准准确确控控制制，，利利于于水水泥泥的的水水化化，，施施工工粉粉尘尘小小，，回回弹弹少少，，混混凝凝土土均均质质性性好好，，强强度度高高的的优优点点。。喷混凝土必须须与岩面密贴贴，不可有空空洞，以保证证良好的共同同受力状态喷混凝土必须须快速、及时时施作。初期支护设计计-锚杆锚杆作为初期期支护的另一一主要构件，，设计施工中中是必不可少少的，特别是是在软弱围岩岩中，其对围围岩的加固作作用十分明显显。初期支护设计计-锚杆1）软弱围岩中中锚杆的作用用在软弱围岩中中单凭喷射混混凝土往往难难以抵抗围岩岩的巨大形变变压力，不能能有效地保证证支护的可靠靠性。在这种种情况下，需需要将喷射混混凝土与锚杆杆联合使用，，并把锚杆作作为主要的支支护措施。软弱围岩中锚锚杆的主要作作用是通过形形成具有一定定厚度的“加固圈”来“加固围岩”。“加固圈”承担外层围岩岩传来的荷载载，使得最后后传到喷射混混凝土层的荷荷载大为减小小。锚杆对围岩的的加固是通过过锚杆周围的的水泥砂浆与与围岩的粘结结力来实现的的，因此需保保证锚固可靠靠，且锚杆垫垫板必须与岩岩面紧贴。锚杆杆隧道道加固固圈圈初期期支支护护设设计计-锚杆杆2）软软弱弱围围岩岩锚锚杆杆设设计计与与施施工工要要点点：：锚杆杆的的布布置置一一般般沿沿洞洞室室周周边边径径向向均均匀匀布布置置，，必必要要时时底底部部也也要要加加锚锚杆杆；；为保证加固带带有一定厚度度，锚杆的长长度与间距之之比一般为2:1；为防止锚杆间间围岩坍落，，还应配合网网喷混凝土，，喷层主要承承担锚杆间的的局部坍塌荷荷载；为达到设计目目的，软弱围围岩锚杆施工工中要求做到到：锚杆锚固可靠靠，全长粘结结；要用垫板，且且垫板要求与与岩面紧贴。。初期支护设计计-钢架钢架分型钢钢钢架与格栅钢钢架两种，一一般应与锚杆杆、喷混凝土土共同使用。。图钢架断面面图格栅钢架初期支护设计计-钢架1）钢架的作用用钢架的作用有有四点：一是喷混凝土土发挥作用前前支撑围岩；；二是对喷射混混凝土进行补补强；三是作为超前前支护的支点点；四是与锚杆、、喷射混凝土土共同发挥初初期支护的作作用。2）钢架适用范范围钢架的最大大特点是刚刚度大，架架设后能够够立即承载载受力。因因此，多用用于软弱破破碎或土质质围岩中，，需要控制制围岩变形形迅速发展展的场合。。如浅埋、、偏压及土土层隧道等等。初期支护设设计-钢架钢架的设计计与施工要要点：一般采用工工字钢，或或“八字结”形联系钢筋筋的格栅钢钢架；钢架间距一一般为0.6～1.0m。为增加钢架架的整体性性，每榀钢钢架间应设设纵向连接接构件；钢架拱脚及及墙脚应有有控制钢架架位移和下下沉的措施施。为达到设计计目的，钢钢架的施工工要求做到到：接头是整个个钢架的薄薄弱环节，，必须加强强;钢架应直立立安装，并并用混凝土土预制块与与围岩顶紧紧；型钢钢架应应预留注浆浆孔，及时时对喷混凝凝土层后回回填注浆，，保证与围围岩密贴；；分部开挖钢钢架落底接接长时，要要注意防止止失稳。2、二次衬砌砌设计软弱围岩中中二次衬砌砌也是主要要承载结构构，二次衬衬砌与初期期支护共同同承担较大大的后期围围岩变形压压力，应适适时施作。。二次衬砌设设计（1）二次衬砌砌的作用软弱围岩隧隧道中，二二次衬砌的的主要作用用：一是承承载，二是是安全储备备，保障运运营的安全全。（2）二次衬砌砌的设计与与施工要点点二次衬砌原原则上应在在初期支护护的位移收收敛后施作作，但对于于浅埋软弱弱围岩隧道道，当初期期支护位移移不收敛时时，应适时时施做二次次衬砌，此此时二次衬衬砌结构应应适当加强强。软弱围围岩二二次衬衬砌应应带仰仰拱，，与边边墙应应圆顺顺连接接，减减少应应力集集中。。为达到到设计计目的的，软软弱围围岩二二次衬衬砌施施工要要求做做到：：二次衬衬砌应应先施施工仰仰拱，，分段段整体体浇注注。。二次衬衬砌背背后空空洞应应回填填密实实。四、软软弱围围岩变变形控控制技技术1、控制制掌子子面变变形、、坍塌塌的技技术掌子面面过大大的变变形将将导致致坍塌塌事故故的发发生。。这种种事故故占隧隧道坍坍方事事故的的比例例最高高，造造成的的人员员、机机械设设备的的损失失最大大，在在设计计施工工中都都应该该引起起高度度重视视。控制掌掌子面面变形形、坍坍塌的的技术术-超前支支护常见的的控制制掌子子面变变形、、坍塌塌的技技术有有：（1）超前前支护护超前支支护是是一种种“先支后后挖”技术，，是控控制隧隧道掌掌子面面前方方围岩岩变形形，防防止隧隧道掌掌子面面坍塌塌的主主要手手段。。常用的的超前前支护护有：：超前前锚杆杆、超超前小小导管管注浆浆、超超前大大管棚棚。图超前前支护示示意图控制掌子子面变形形、坍塌塌的技术术-超前支护护软弱围岩岩超前支支护施工工中要求求做到1）超前管管棚必须须按设计计要求进进行压浆浆，以起起到加固固围岩的的作用。。2）为保证证管棚与与钢架的的联合支支护作用用，管棚棚外露部部分应焊焊接于钢钢架上。。控制掌子子面变形形、坍塌塌的技术术-掌子面锚锚杆（2）掌子面面锚杆设置掌子子面锚杆杆的目的的是控制制围岩开开挖后的的先行位位移和掌掌子面位位移，也也是给大大断面开开挖创造造条件，，有利于于控制先先行和后后期围岩岩、支护护变形。。掌子面锚锚杆的长长度一般般都在10～20m之间，宜宜优先采采用易于于切割的的玻璃纤纤维锚杆杆。图掌子子面锚杆杆控制掌子子面变形形、坍塌塌的技术术-掌子面喷喷混凝土土封闭（3）掌子面面喷混凝凝土封闭闭掌子面喷喷混凝土土是现场场使用较较多的另另一种维维持掌子子面稳定定的支护护措施。。图掌子子面混凝凝土封闭闭控制掌子子面变形形、坍塌塌的技术术-（4）掌子面面预留核核心土掌子面预预留核心心土防止止掌子面面失稳、、坍方是是隧道中中运用最最广、最最简单、、最经济济的技术术措施之之一。核心土核心土核心土2、控制落落底开挖挖坍方技技术隧道上台台阶开挖挖支护完完成，下下一道工工序就是是下台阶阶落底开开挖。这这道工序序风险极极大。落落底时上上半部支支护基础础悬空，，失去支支撑，很很容易引引起支护护和围岩岩失稳、、坍方。。这种事故故一旦发发生，容容易造成成前方掌掌子面作作业人员员被困和和伤亡。。落底开挖的的关键技术术是在开挖挖前给上半半断面支护护结构提供供一个临时时或永久的的基础，控控制支护拱拱脚的快速速下沉。常见的控制制拱脚下沉沉技术有：：（1）锁脚锚管管技术锁脚锚管当当它作为承承载结构时时，主要是是传递来自自于上部初初期支护的的压力，因因此，应尽尽量沿拱脚脚切线方向向设置。若若施作不到到位，将降降低锚管作作用效果。。图锁脚锚锚管（2）临时仰拱拱技术临时仰拱在在台阶法开开挖的软岩岩大断面隧隧道中经常常使用，能能让上台阶阶临时封闭闭成环，有有效地控制制上半段面面支护的沉沉降，保证证下台阶开开挖的安全全。图台阶法法临时仰拱拱（3）扩大拱脚脚技术扩大拱脚是是通过展宽宽基础，减减小地基压压力的方法法，实现控控制支护沉沉降的又一一种有效的的技术手段段。其关键是基基础要有足足够的宽度度，设计宽宽度一般为为0.8～1.0m。施施作作时时，，若若拱拱脚脚宽宽度度不不够够，，将将造造成成沉沉降降过过大大，，达达不不到到设设计计要要求求。。图扩扩大大拱拱脚脚3、工工程程实实例例成功功实实施施的的超超大大断断面面软软弱弱围围岩岩隧隧道道工工程程实实例例：：六六沾沾铁铁路路乌乌蒙蒙山山二二号号隧隧道道。。隧道道出出口口为为四四线线车车站站隧隧道道，，全全长长610m，其其最最大大开开挖挖宽宽度度达达28.42m，最最大大开开挖挖面面积积为为354.30m2，为单跨交通通隧道的世界界之最。隧道洞身主要要通过泥岩、、页岩夹砂岩岩等地层。针针对跨度超大大、围岩软弱弱的特点，结结构采用核心心土、超前预预支护、边墙墙设台的拱跨跨式结构，有有效地控制了了支护的变形形。目前开挖挖已基本完成成，未出现坍坍塌问题。图六沾铁路路乌蒙山二号号隧道实例五、体会与建建议1、遵循“选线四原则”，从设计源头头降低软弱围围岩隧道风险险隧道位置的选选择在重视洞洞口地形、地地质条件的同同时，应充分分考虑隧道洞洞身地质条件件，隧道位置置应尽量避免免或减少通过过软弱围岩地地段。在选线设计时时，要遵循以以下“选线四原则”：（1）选择构造简简单，地层单单一，地下水水不发育，岩岩体完整性较较好的地段；；（2）尽量减少傍傍山、浅埋段段，避免短隧隧道群。（3）隧道洞身宜宜平行水平最最大主应力方方向，争取垂垂直岩层走向向；（4）避开或远离离断层破碎带带，必须穿过过时，宜大角角度穿过；并并应注意选择择在断层、特特别是活动断断层的被动盘盘内通过。2、充分贯彻“早进晚出”的原则，强化化软弱围岩隧隧道进洞设计计洞口位置的选选择充分考虑虑施工、运营营安全和环保保要求，遵循循“早进晚出”的原则。有条条件时应尽量量接长明洞，，不要为了缩缩短隧道的长长度而偏压、、拉槽进洞，，使洞口处挖挖深过大，破破坏山体坡面面的稳定和植植被，给施工工和运营安全全带来隐患。。进洞成成功实实例进进洞失失败实实例软弱围围岩隧隧道宜宜采用用超前前管棚棚进洞洞，并并对洞洞口临临时开开挖坡坡面采采取锚锚杆（（索））、压压浆、、钢筋筋网、、喷射射混凝凝土等等支护护措施施；同同时，，在开开挖进进洞之之前，，还应应做好好地表表防排排水系系统，，以确确保隧隧道进进洞安安全。。3、高风风险软软弱围围岩双双线长长隧道道，宜宜采用用双洞洞单线线分修修方案案高风险险软弱弱围岩岩双线线长隧隧道宜宜采用用上下下行分分修，，修建建两座座单线线隧道道，由由于隧隧道开开挖跨跨度、、断面面减小小，有有利于于施工工时控控制围围岩和和支护护变形形，防防止坍坍方事事故的的发生生。4、加强地质质勘察工作作，细化软软弱岩层工工程特性判判释重视软弱围围岩地段的的地质勘察察工作，开开展综合勘勘探，查明明其工程地地质、水文文地质条件件，围岩合合理定级。。对于通过软软弱围岩地地段的隧道道，地质勘勘察工作的的主要目的的是确定软软弱围岩在在隧道洞身身上的分布布段落、工工程特性。。通过地质测测绘辅以槽槽探、平硐硐等方法，，了解软弱弱岩层的分分布层位，，综合地面面物探成果果初步确定定软弱围岩岩在洞身的的分布段落落。在此基基础上布置置钻探工作作，通过钻钻探、孔内内综合测井井、原位测测试和室内内试验，进进一步细化化软弱围岩岩在隧道洞洞身段的分分布段落和和工程特性性。为弥补勘察察工作的局局限性，应应加强施工工地质特别别是超前地地质预报工工作，在开开挖环境下下、围岩的的受力、地地下水的径径流条件均均有所变化化，应高度度重视局部部的小构造造、不同岩岩性的接触触带、层间间不利的结结构面组合合对隧道稳稳定性的不不利影响。。5、针对软软弱围岩岩的工程程特性，，设计方方案应做做到“三个有利利于”软弱围岩岩的力学学特性是是强度低低、承载载力低，，隧道开开挖后变变形大。。因此，，针对围围岩与隧隧道变形形的控制制措施是是设计的的要点。。设计应应做到“三个有利利于”：（1）开挖方方法的设设计应有有利于保保护围岩岩，减小小塑性区区范围，，最大限限度地调调动围岩岩的承载载作用，，控制围围岩的变变形量；；例如采采用弱爆爆破、围围岩预加加固等设设计；（2）支护结结构的设设计应有有利于支支护结构构尽快封封闭，形形成整体体稳定的的封闭环环状结构构，以达达到减小小支护自自身变形形的目的的；例如如采用有有利于快快封闭的的CD/CRD等工法；；（3）支护结结构未封封闭之前前，辅助助工程措措施的