高地應力軟巖大變形隧道施工技術措施

1、高地應力軟巖大變形隧道施工技術措施軟巖大變形是指在高地應力環(huán)境下，隧道開挖后圍巖發(fā)生側鼓、底鼓等嚴重 擠壓變形，擠壓變形量超出常規(guī)圍巖變形量的現(xiàn)象，是圍巖柔性破壞時應變能很 快釋放造成的一種動力失穩(wěn)現(xiàn)象。工程概況某隧道為鐵路單線隧道，隧址區(qū)內(nèi)新構造運動強烈，活動斷裂發(fā)育，存在構 造應力相對集中的地質(zhì)環(huán)境條件，局部埋深較大的隧道可能遭遇高地應力工程環(huán) 境，特別是隧道埋深過大時，板巖、千枚巖等軟質(zhì)圍巖可能發(fā)生軟巖大變形；局 部構造應力強烈的區(qū)域，破碎的硬質(zhì)巖也可能出現(xiàn)大變形現(xiàn)象。沿線易發(fā)生軟巖 大變形的地層主要為三疊系、泥盆系及志留系千枚巖、板巖地層.該隧道埋深大、 軟質(zhì)巖發(fā)育地段，以I級及II級

2、軟巖大變形為主。隧道在DK28+888DK36+415段主要為綠泥片巖及片巖，層厚普遍小于3cm， 屬極薄層中薄層，灰綠色為主，礦物成分以綠泥石、云母、石英為主，變晶結 構，薄片狀構造為主，巖質(zhì)軟弱，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，部分段落呈中厚層 狀構造，巖體較破碎，該段落富水程度中等，綠泥片巖浸水后強度急劇降低。其 中DK29+765DK36+415段具輕微中等的變形潛勢。軟巖大變形段的基本特性變形量大：變形量遠超常規(guī)預留變形量。初期支護變形速度快：隧道變形量測開始階段，變形速率快，最大變 形速率時間一般發(fā)生在邊墻下臺階落底至仰拱閉合成環(huán)前。變形持續(xù)時間長：大變形區(qū)段變形時間從開挖至襯砌澆筑前，一

3、般30d 或更長。施工難度大，安全風險高：開裂變形持續(xù)不斷，易發(fā)生大面積失穩(wěn)坍 塌，處置塌方難度大。軟巖大變形段的施工情況軟巖大變形表現(xiàn)形式多樣，主要表現(xiàn)在邊墻擠壓縱向變形開裂，拱頂下沉環(huán) 向變形開裂，鋼架凸起變形、扭曲，邊墻變形侵限拆換拱，初支噴射混凝土鼓包 掉塊，隧底初支受力鼓起，掌子面巖石崩解滑坍，應力集中部位明顯開裂掉塊， 局部二襯開裂等現(xiàn)象。軟巖大變形控制技術措施及施工技術從主動加固圍巖，發(fā)揮圍巖自承能力，控制圍巖塑性區(qū)發(fā)展出發(fā)，提出高地 應力軟巖隧道大變形主動控制技術要點為“加深地質(zhì)、主動控制、強化錨桿、工 法配套、優(yōu)化工藝”二十字方針。軟巖大變形地層采用優(yōu)化邊墻曲率、大拱腳施 工

4、工藝、軟巖大變形隧道錨桿快速控制變形施工工藝、引進NPR錨索、加大預留 變形量、加強超前地質(zhì)預報、加強支護及管超前、預注漿、短進尺、弱爆破、快 封閉、控步距、勤量測等措施。（1）優(yōu)化邊墻曲率單線鐵路隧道高而窄的斷面對結構受力穩(wěn)定是不利的，為控制邊墻收斂，優(yōu) 化隧道初期支護的邊墻曲率，改善結構受力。優(yōu)化措施：初期支護邊墻內(nèi)半徑r2=6.93m優(yōu)化為r2=5.99m，邊墻最大跨外 擴53cm。優(yōu)化前斷面如下圖所示。圖2.2.3-1優(yōu)化前斷面優(yōu)化后斷面如下圖所示。圖2.2.3-2優(yōu)化后斷面大拱腳施工工藝在隧道軟巖大變形段落，為有效控制拱頂下沉，尤其是施工中、下導坑或施 作仰拱初期支護期間控制鋼架下沉

5、變形，隧道鋼架設置大拱腳。大拱腳鋼架采用 型鋼與隧道拱架焊接，在工廠加工完成后運至施工現(xiàn)場使用，大拱腳型鋼與拱架 連接處必須滿焊。大拱腳設置于各臺階拱腳處，鋼架在初噴一層混凝土后安裝架 設，拱腳下設混凝土墊塊。根據(jù)以往現(xiàn)場施工反饋，大拱腳施工工藝對控制拱頂 下沉下沉效果顯著，同時對初支收斂也起到一定的作用。大拱腳施工示意圖如下圖所示。大拱腳施工示意圖軟巖大變形隧道錨桿快速控制變形施工工法錨桿是軟巖大變形隧道施工中重要的支護措施,特別是長錨桿為控制大變形 發(fā)展的常用措施?？焖偈┳麇^桿支護系統(tǒng)，對處置軟巖隧道大變形危害十分重要。1）工法特點根據(jù)開挖工法不同的空間條件采用“長短錨桿”“分次施作”方式

6、。采用錨桿臺車等大型設備實現(xiàn)錨桿快速施工。能快速控制隧道變形。2）工藝原理根據(jù)圍巖巖性、強度、應力、埋深、層厚、產(chǎn)狀結構特點等判斷圍巖的變形 類型,選取合理的錨桿型式，根據(jù)開挖工法的工序空間和監(jiān)控量測情況使用錨桿 臺車適時快速施作長短錨桿，采用快凝早強注漿材料實現(xiàn)錨桿的快速錨固受力， 快速控制隧道變形。在施工過程中，先期施工短錨桿，用于初期變形控制，減少隧道變形。在下臺 階完成后，成型隧道的空間具備機械化作業(yè)條件，根據(jù)變形情況適時施作長錨桿， 一方面控制深部圍巖的變形，另一方面其錨入彈性區(qū)，將加固組合拱結構懸吊于 深部穩(wěn)定巖體，使淺部圍巖和深部圍巖共同作用，協(xié)調(diào)變形。軟巖大變形隧道施工 中采取

7、長短錨桿合理設計組合，形成群錨效應，可以有效限制隧道圍巖塑性區(qū)發(fā) 展，約束圍巖變形速率，保證隧道施工安全。3）施工工藝流程及操作要點施工工藝流程軟巖大變形隧道錨桿快速控制變形施工工藝流程如下圖所示。判識隧道大變形情況，合理選擇錨桿型式對于錨桿鉆孔后一定時間內(nèi)圍巖能夠自穩(wěn)，不會立刻發(fā)生塌孔縮孔的大變形 隧道,選用普通中空錨桿;對于錨桿鉆孔后孔壁發(fā)生塌孔，甚至在鉆孔過程中就會 發(fā)生塌孔,無法在鉆桿拔出后送人桿體的大變形隧道，則選用自鉆式中空錨桿。錨桿孔位放樣錨桿施工前技術人員應按設計要求的錨桿位置和間距,將錨桿孔口位置放樣 到初期支護混凝土上，用油漆標識，并向班組進行詳細地技術交底,要求明確錨桿

8、孔位、錨桿數(shù)量、錨桿長度、錨桿角度等。開挖掛網(wǎng)、拱架架設、噴射混凝土支護，預留長錨桿錨墊板凹槽噴射混凝土完成時將長錨桿孔位放樣到噴射混凝土表面上，用小鋼鏟和銼刀在孔位切出長20cmX寬20cmX深10cm的錨墊板安裝凹槽。軟巖大變形隧道錨桿快速控制變形施工工藝流程圖長錨桿施工采用錨桿臺車、多臂鑿巖臺錨桿孔，按照標識的錨桿孔口位置，垂直巖面或垂 直巖層層理面角度鉆進，孔深達到要求后，人工安裝錨桿桿體，安裝止?jié){塞和排氣 管。止?jié){塞要求與孔口圍巖緊密接觸，當有縫隙時，應采用速凝劑對縫隙進行封 堵。場地平整和錨桿臺車就位采用挖掘機對長錨桿施作區(qū)域地面進行整平，為錨桿臺車或多功能鑿巖臺車 等就位提供場地

9、條件，操作人員提前進行施工準備，檢查機械設備情況，保證施工 步序順利銜接。鉆孔和桿體安裝錨桿臺車或鉆注一體機按照放樣的錨桿孔位和要求的角度快速鉆孔,孔深達 到要求后,安裝錨桿桿體、止?jié){塞和排氣管。錨桿注漿注漿材料采用快凝早強注漿料，砂漿攪拌機攪拌，按施工配合比和設計投料 順序將快凝早強注漿材料及水放人攪拌機，充分拌和。用注漿泵將注漿液壓入錨 桿孔內(nèi)，直至排氣孔內(nèi)流濃漿方可停止，并將錨桿注漿口和孔口封堵。安裝墊板，擰緊螺母錨墊板安裝時應對準預留的凹槽，墊板應與凹槽內(nèi)的噴射混凝土面密貼。墊板與螺母安裝時漿體強度應達到10MPa,不應過早或過晚，安裝時間應根 據(jù)試驗確定。采用扭力扳手對錨桿的錨固力進

10、行檢測。變形監(jiān)控量測，動態(tài)調(diào)整錨桿參數(shù)根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，及時分析圍巖的變形情況，評估錨桿和初期支護對大變 形控制的效果，反饋至設計人員動態(tài)調(diào)整錨桿型式、長度和直徑等參數(shù)。（4）引進NPR錨索當初期支護措施不能滿足變形控制時，根據(jù)以往軟巖大變形隧道的施工經(jīng)驗， 將超前注漿小導管、環(huán)向注漿錨桿和環(huán)向注漿小導管，替換為環(huán)向系統(tǒng)NPR恒 阻錨索，規(guī)格有L-500cm和L-1000cm兩種型式。L-500cm和L-1000cm兩種錨 索，間隔布置，即一個循環(huán)L-500cm、下一循環(huán)采用L-1000cm。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，施做NPR錨索后，累計變形基本控制在20cm以內(nèi)，僅 有個別地方出現(xiàn)了初支混凝土掉塊

11、、剝落現(xiàn)象，初支變形基本得到了有效控制。1）施工原理依據(jù)新奧法理論，采用復合式襯砌結構形式，即通過“外錨內(nèi)支”的圍巖體 內(nèi)加固和隧道襯砌結構共同受力的原理進行結構設計。通過加強外部圍巖體內(nèi)加 固強度、環(huán)向使用NPR恒阻錨索對圍巖體進行加固，采用長短錨索結合的方式， 以期達到對外部圍巖深層加固的目的。從而達到抑制變形的作用。2）NPR錨索施工工藝流程開挖后進行初噴防護f鋪設鋼筋網(wǎng)f確定錨索位置，固定“W”型鋼帶鉆機 就位，進行鉆孔f清孔f安裝錨固劑（錨固劑規(guī)格型號根據(jù)鉆孔孔徑選擇）f插 入錨索f攪拌錨固f放置錨墊板f安裝錨具f張拉錨固。3）施工要點及操作平整場地采用挖掘機對爆破后的掌子面進行平整

12、，以便錨索施工。清理巖面且對巖面進行加固對開挖后的巖面進行危石清理，并對危險部位采用必要的支撐。測量放樣測量組根據(jù)錨索環(huán)縱向間距，對孔位進行測量放樣。鉆孔采用氣動錨索鉆機，鉆孔直徑為32mm鉆，鉆頭及鉆桿根據(jù)圍巖情況需在 廠家定制，孔深為5300mm和10300mm兩種，遇到卡鉆或塌孔情況需在廢孔旁邊 重新打設。擴孔采用中95mm鉆頭擴孔（礦用特制鉆頭），擴孔深度為600mm。擴孔時應注意 孔口中心與首次打孔的孔口中心對齊，不可偏斜。放置錨固劑錨索采用樹脂藥卷端頭錨固，每根錨索采用3卷Z2360或Z3540樹脂錨固 劑。安裝錨索錨索采用防腐錨索，需在廠家定制。采用人工將錨索放入對應孔內(nèi)，錨索外

13、 漏長度為15-30cm。W型鋼帶及防護網(wǎng)安裝W型鋼帶在廠家定制完后運至施工現(xiàn)場，安裝時，將W型鋼帶上孔洞與圍巖 上鉆孔對齊，其余鉆孔位置在空洞中心進行，以保證錨索及恒阻器順利安裝，安 裝W型鋼帶同時將聚酯纖維增強塑料防護網(wǎng)安裝完畢。如下圖所示。W型鋼帶及防護網(wǎng)安裝托盤、恒阻器、錨具依次安裝托盤、恒阻器、錨具。如下圖所示。錨索恒阻器托盤及恒阻器安裝依次安裝托盤、恒阻器、錨具。如下圖所示。錨索恒阻器托盤及恒阻器安裝張拉張拉力為45MPa，一次張拉到位。如達不到要求，應及時補打。場地清理錨索施工完畢后，對場地進行清理，以便進行下道工序。錨索效果如下圖所錨索效果加大預留變形量預留變形量要依據(jù)圍巖量測

14、收斂及沉降值確定，目的是杜絕變形值過大造成 初期支護侵入二次襯砌范圍內(nèi)。I級軟巖大變形地段預留變形量調(diào)整為15cm，II級軟巖大變形地段預留變 形量調(diào)整為25cm。施工中根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整，如若初期支護依舊大幅 度侵入二次襯砌范圍，則考慮雙層鋼架支護。加強超前地質(zhì)預報對地質(zhì)進行超前探測，作出準確的預報是施工的重點及關鍵。隧道施工過程 的地質(zhì)超前預報預測，主要是根據(jù)地表和已經(jīng)開挖的隧道的地質(zhì)調(diào)查和各種探測 方法取得的資料，以及地質(zhì)推斷法預測開挖工作面前方一定長度范圍內(nèi)圍巖的工 程地質(zhì)條件，本風險段采取物探和鉆探兩大類預測方法，物探具體方法為：地震 波反射波法、地質(zhì)雷達探測法、紅外探測法和時

15、域瞬變電磁法;鉆探具體方法為： 超前地質(zhì)鉆孔、加深炮孔。各種主要預報方法如下：1）地質(zhì)素描：大變形段落采用每循環(huán)地質(zhì)素描，填寫施工地質(zhì)圍巖級別判 定卡，建立地質(zhì)素描管理臺帳。地質(zhì)素描過程中發(fā)現(xiàn)地質(zhì)出現(xiàn)異常情況，可能影 響施工安全時，立即采用相應的施工技術措施。2）物探法地震波反射法采用地震波反射法，每次預報距離不大于120m，搭接不小于20m。地質(zhì)雷達探測法每25m施作一次，一次范圍為30m，兩次搭接不小于5m。紅外探測法判定探測點前方有無水體存在及其方位，每25m施作一次，一次范圍為30m， 兩次搭接不小于5m。時域瞬變電磁法探測地層中存在的地下水體，斷層破碎帶、溶洞、溶隙、暗河等。每60m

16、施 作一次，一次范圍為70m，兩次搭接不小于10m。3）鉆探法超前地質(zhì)鉆孔采用沖擊鉆和回轉鉆取巖芯，鉆孔直徑76?；顒訑嗔褞С疤綔y長度80 100m，搭接長度不小于10m，其余地段超前探測長度不小于30m，搭接長度不小 于5m。加深炮孔加深炮孔超前探測，利用風鉆在隧道開挖工作面鉆小孔徑淺孔獲取地質(zhì)信息， 加深炮孔較爆破孔深3m以上，孔數(shù)、孔徑根據(jù)地質(zhì)復雜程度確定。（7）加強支護措施1）將拱墻設置H=16cm的格柵鋼架或118工字鋼鋼架調(diào)整為全環(huán)I18、I20a 或H175的型鋼鋼架，鋼架間距100cm或80cm。2）將拱墻C25噴射混凝土調(diào)整為全環(huán)C30鋼纖維噴射混凝土。3）仰拱及二次襯砌由

17、40cm厚的素混凝土調(diào)整為45cm或50cm厚的鋼筋混 凝土。4）邊墻徑向注漿，642熱軋無縫鋼管，間距2.2*2.0 （縱向*環(huán)向）m,加 固范圍5m,壓注水泥漿液。5）邊墻配合鋼架設置8根或12根R32自進式錨桿，錨桿長6m6）拱架拱腳處鋼架連接筋調(diào)整為型鋼剛性連接。（8）管超前、預注漿、短進尺、弱爆破、快封閉、控步距、勤量測1）管超前、預注漿為確保施工安全，1級大變形段落超前支護采用6 42小導管超前支護；II 級大變形段落加強超前支護，采用6 89管棚+642小導管注漿預支護；并注漿加 固。2）短進尺、弱爆破施工采用短臺階法或短臺階臨時橫撐法施工，若仍不能滿足要求則采用CRD 發(fā)或雙側

18、壁法開挖。上臺階每循環(huán)開挖支護進尺II級大變形段落不得大于1棉鋼架間距，I級大 變形段落不得大于2棉鋼架間距。邊墻每循環(huán)開挖支護進尺不得大于2棉鋼架。 仰拱每次開挖不得超過3m。優(yōu)先選擇機械開挖，如若爆破則采用間隔空眼、微差爆破技術，以及左右側 不均衡裝藥爆破技術，盡量減少對圍巖的擾動。短臺階法上臺階高度4m，中臺階2.9m3m，下臺階高度3m3.2m，上臺階臺階長度 控制在35m，中、下臺階長度控制在5m8m，初支封閉成環(huán)距離掌子面不大于 30m。開挖施工工藝如下圖所示。短臺階臨時橫撐法上臺階高度4m，中臺階2.9m3m，下臺階高度3m3.2m，初支封閉成環(huán)距 離掌子面不大于15m。短臺階臨時橫撐法如下圖所示。出渣MBtrM tULEf#ARV羲圖者三有價快開括題志護工Z流曜圖短臺階法開挖工藝出渣MBtrM tULEf#ARV羲圖者三有價快開括題志護工Z流曜圖短臺階法開挖工藝短臺階臨時橫撐法圖示3）快封閉、控步距及時封閉仰拱，特別是仰拱初支，是減小變形、提高圍巖穩(wěn)定性的有效措施 之一。隧道施工安全步距控制嚴格按照規(guī)范相關要求進行控制執(zhí)行以下標準：大變 形地段控制隧道安全步距，按如下標準：仰拱初支封閉成環(huán)距掌子