软弱围岩隧道预防坍方安全施工技术

软弱围岩隧道预防坍方安全施工技术目前在建隧道6600公里，已规划建设隧道7600公里，隧道呈现“三多”特点（隧道数量多、长大隧道多、风险隧道多）。其中软弱围岩隧道占有相当大的比例。软弱围岩隧道施工，除地质条件差，还会遇到断面大、埋深浅、下穿公路或建筑物等情况，从而使施工更加复杂，难度更大。目前，由于技术措施不合理、施工方法不当、施工工艺不到位、现场管理薄弱等环节的诸多问题，造成了大量的隧道变形和坍方事故，损失巨大，教训深刻。如何提高软弱围岩隧道施工水平，预防变形和坍方，确保施工安全，其核心是抓住软弱围岩隧道工程特点，落实好“三超前、四到位、一强化”施工技术关键环节。(1)三超前：超前预报、超前加固、超前支护(2)四到位：工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌跟进到位(3)一强化：强化量测1软弱围岩隧道变形、坍方事故案例1.1事故案例郑西客专南山口隧道大坍方（2007年7月15日发生）。坍方段埋深86米，地质为强风化粉砂岩及卵石土，采取台阶法施工。掌子面初期支护首先出现掉块、开裂，3天后发生大坍方，坍方长度146米，洞内初期支护全部破坏，造成地表房屋开裂，经济损失较大。坍方原因：快速封闭不到位、衬砌跟进不到位、量测未到位。（上台阶开挖83米，仰拱距掌子面126米，二衬距掌子面146米）。南三口隧道大塌方照片上台阶83m仰拱距掌子面126m衬砌距掌子面146m43m20m大坍方146m南山口隧道大坍方示意图贵广铁路东科岭隧道涌砂坍方（2010年1月19日发生）。坍方段埋深21m（属浅埋），地质为向斜构造全风化花岗岩，呈砂状，开挖扰动后呈流塑状，地表为水田和常年流水水沟。进口开挖到398米处，掌子面施作超前小导管时，突然发生涌砂坍方，涌砂量约800立方，随后地面出现坍陷，坍坑直径约35米。涌砂坍方原因：未进行超前预报、未进行超前加固、未进行超前支护东科岭隧道涌砂坍方照片东科岭隧道地面坍塌照片张集铁路旧堡隧道初期支护开裂变形（2010年2月26日发生）。变形段隧道埋深约300米，地质为麻粒岩夹辉绿岩脉，处于F3断层影响带，构造节理发育，岩体破碎。进口开挖到4136米处，初期支护工25b钢架发生变形，变形速率151mm/d，随后掌子面后方30米范围内初期支护扭曲变形，喷射混凝土开裂、掉块，渗水量增大。该段变形原因：由于对工程地质特性认识不足，工法选择不到位、支护措施不到位。旧堡隧道初期支护变形开裂照片集包铁路新旗下营隧道坍方（2010年3月19日发生）。坍方段埋深约70米，地质为变质大理岩，前期施工时经常发生局部掉块。进口开挖到370米处。后方56米位置初期支护（格栅钢架）失稳破坏坍方，造成多名作业人员遇难。坍方原因：支护措施不到位、快速封闭不到位、量测不到位新旗下营隧道坍方照片1.2事故统计与分析统计2006年至今软弱围岩隧道发生事故2006年3月21日:武康二线王家沟隧道坍方，8人受困。5月16日:大丽线南场岭隧道洞口坍方，6人受困。5月21日:洛湛线双牌二号隧道洞口坍方，1死3伤。8月12日:郑西客专秦东隧道坍方，2人死亡。9月13日:武康二线系家山一号隧道坍方，2人死亡。2006年发生事故5起，造成5死3伤14人受困2007年4月30日:太中银吴堡隧道坍方，4死1伤。7月15日:郑西客专南山口隧道大坍方146米。8月6日:石太客专南庄隧道坍方，2人死亡。8月6日:广深港客专水田隧道洞口坍方，2人死亡。9月2日:合宁线亭子山二号隧道坍方，5人死亡。9月30日:兰青二线八盘峡二号隧道坍方，8人受困。2007年发生事故7起，造成13死2伤8人受困2008年1月9日:兰青二线杨家店隧道坍方，2人死亡。1月20日:郑西客专盘东隧道坍方，3人死亡。3月21日:田德线百安隧道坍方，2死3伤。3月25日:包西线活沙兔隧道坍方，4人死亡。7月15日:洛湛线古榄隧道坍方，1人死亡。8月29日:西格二线克土隧道坍方，4死7伤。2008年发生事故6起，造成16死10伤2009年2月17日:包西线寨山村隧道坍方，2人死亡。3月8日:石武客专木兰隧道坍方，2死2伤。3月16日:向莆线宝台山隧道坍方，3死1伤。7月19日:襄渝二线杨家沟隧道坍方，2人死亡。8月1日:湘桂线梅子坳隧道洞口坍方，3人死亡。10月29日:包西线新响沙湾隧道坍方，人员逃脱。12月19日:包西线邓家楼一号隧道坍方，6人受困。2009年发生事故7起，造成12死3伤6人受困2010年1月14日:南广线白云隧道突水突泥，5人死亡。3月19日:集包线新旗下营隧道坍方，10人死亡。7月11日:南黎线那适2号隧道坍方，10人死亡。2010年发生事故3起，已造成25人死亡。对统计数据进行分析，软弱围岩隧道事故主要表现在三个方面：一是洞口坍方，占20%。二是掌子面变形坍方，占33%。三是掌子面后方坍方“关门”，占47%。据以上不完全统计，从2006年到2010年为止，4年多时间内，软弱围岩隧道发生事故28起，死亡71人，事故发生之频繁，死亡人数之多，令人心痛。究其原因，主要有两个方面，一是客观上地质和环境的复杂性，二是主观上技术措施、施工方法及工艺、现场管理等原因。因此，提高对软弱破碎围岩的认识，提高设计和施工水平，做到“三超前、四到位、一强化”，对杜绝工程事故的发生十分重要。2软弱围岩隧道地质特征和工程特点2.1软弱围岩隧道地质特征围岩强度低，承载能力低。如黏性土、粉土、砂类土、黄土、全风化岩体等。节理发育、破碎、自稳能力差。如岩体破碎的泥岩、页岩、砂岩、千枚岩、板岩等。断层带散体结构、自稳能力极差。受构造影响，断层带结构面杂乱无序，呈角砾、縻棱状或碎裂结构，充填泥质或泥夹岩屑。2.2软弱围岩隧道工程特点软弱围岩强度低、自稳能力差，隧道开挖后地应力重新分布，使隧道周边产生较大的松动圈。一旦工程措施（包括设计措施）和施工方法不当，将极易发生初期支护变形侵限和隧道坍方等工程事故。因此，软弱围岩隧道施工的核心是“控制变形、防止坍方”。3软弱围岩隧道施工技术软弱围岩隧道施工，应在以下八个方面予以重视，实现标准化施工管理，从而避免变形和坍方事故的发生：（1）超前预报（2）地表加固（3）超前加固（4）超前支护（5）开挖工法（6）初期支护（7）二次衬砌（8）监控量测3.1超前预报现场时常会遇到实际开挖揭示的地质与设计提供的地质存在较大差异，引起技术措施和施工方法的变化。因此，除设计阶段加强地质勘察外，施工阶段也必须进行超前地质预报工作，这一点尤为重要。地质素描、物探、超前钻探方法是软弱围岩超前预报的主要手段。在破碎带和断层地段，加强超前长、短钻孔，及时探明隧道前方地质情况，特别是地下水的发育情况，严禁在未探明情况下盲目开挖。参建各方都应该重视施工阶段超前地质预报工作，建立责任制，明确责任和分工。高和极高风险隧道，必须进行超前地质预报的专项设计。3.2地表加固隧道上部需加固土体采用钻孔压力注浆加固与双管旋喷桩注浆两种加固方法。沿隧道纵向方向首先采用旋喷桩划分为三等分进行加固，其中隧道两侧加固边界采用双排旋喷桩进行加固。地表加固施工时先横向按照5m间距采用旋喷桩进行加固。在由旋喷桩围成的5mx4.393m的方格，然后再在旋喷桩加固的网格内采用钻孔压力注浆加固。双管旋喷桩空气压缩气压0.5～0.7MPa，喷浆压力20Mpa,提升速度为7～14cm/min，旋转速度可取11～14r/min。浆液采用1：1水泥浆。3.2.1、技术控制要点1）固结体的整体性和均匀性；2）固结体的有效直径；3）固结体的垂直度；4）固结体的强度特性(包括轴向压力，水平推力，抗酸碱性等)；5）固结体的溶蚀和耐久性能等。3.2.2、控制方法开挖检查：以检查固结体垂直度和固结形状；室内试验：求配合比及检查固结体的强度；钻孔检查：钻取旋喷固结体的岩芯，来观察判断其固结整体性，并做好标准试件进行室内力学物理性试验，以求待其强度特性（按岩体取芯，丹州自然抗压强度1.2MPa指标控制），鉴定其是否符合设计要求。3.3超前加固在断层破碎带和软弱地层，特别是富含水时，必须对围岩进行超前加固，改良地层，确保隧道安全施工。必须配备专业队伍、专业设备，进行专项设计，保证加固效果。目前，常用的围岩加固方法是注浆法。注浆法主要分全断面注浆和局部注浆两种。在富水断层地带，常采取全断面注浆。全断面注浆法钻孔数量多，施作周期长；局部注浆是针对隧道前方地层特点，对薄弱部位进行注浆，钻孔数量少，施作周期短。无论是全断面注浆，还是局部注浆，都要求必须配备先进的钻孔注浆设备，必须采取信息化注浆。别岩槽隧道F1断层全断面注浆照片齐岳山隧道F11断层信息化注浆照片注浆加固范围：纵向加固长度应根据钻机能力和地层特点确定，一般为20～30m。特殊地层条件下，应及时调整纵向注浆加固长度，否则既影响进度，又影响质量。环向加固厚度一般为3～5m，局部可增加到5～8m。中国产MGJ-50钻机中国产XY-2PCG钻机该类钻机最大扭矩2000～3000N·m钻进速度3～5m/h中国产MZ200钻机最大扭矩3400N·m钻进速度5～15m/h日本产RDP-150钻机最大扭矩8000N·m钻进速度15～20m/h日本矿岩RPD-180C多功能钻机最大扭矩8000N·m，钻进速度15～20m/h意大利C6钻机最大扭矩13550N·m钻进速度20～30m/h意大利产SM400钻机最大扭矩13630N·m钻进速度20～30m/h德国KR805钻机最大扭矩27000N·m钻进速度25～30m/h3.4超前支护常用的超前支护方式有超前大管棚和超前小导管两种。（1）超前大管棚：超前大管棚一般是在对沉降有严格要求时使用，适宜于浅埋洞口、堆积体、砂土质地层、断层破碎带地层，以及下穿公路、铁路、地面建筑物时采用。大管棚一般采用φ70mm～φ159mm的钢管，纵向长度10～100m根据工程需要设置。洞内大管棚照片设管棚工作间：一般施作管棚时都要设置管棚工作间，管棚工作间按钻机特点设计，比隧道断面加宽50～70cm，工作间长度7～10m，如果只进行一个循环管棚施作，管棚工作间比较简单。但如果循环多时，施作多个管棚工作间就存在着三个问题。隧道前期管棚工作间照片一是为施作工作间，隧道断面加大后，开挖难度加大，开挖安全风险增加。二是若循环注浆后未能按设计开挖到位，工作间尺寸将满足不了要求，将无法进行正常管棚作业。三是由于管棚工作间采取扩挖断面方法，既增加了开挖费用，又增加了回填混凝土的费用，浪费大。无工作间管棚施作技术：在标准断面采用顶进器将管棚顶到开挖断面外。该技术不需要扩大断面，不切割大量的管棚，降低了施工风险，提高了工效，节约了投资，应大力推广。隧道断层后期无管棚工作间照片超前小导管：超前小导管是在对施工安全要求较高的条件下使用。在破碎围岩、堆积体、砂土质地层、断层破碎带中普遍采用。当地层卡钻严重时，可采用自进式锚杆。小导管一般采用φ32mm～φ60mm的钢管，纵向长度2.5～6m根据工程需要设置。小导管布设后根据地层稳定情况，如需要可进行注浆，加固周边地层。洞内超前小导管施工照片水平旋喷支护：软塑土体、含水砂层等可采用水平旋喷进行超前加固与支护。预切槽支护：用特制的链式机械切刀沿断面周边连续切割出一条厚约数十厘米，深数米的窄槽，同时应用与切刀一体化的混凝土灌注设备注入混凝土，形成一个连续的，起预先支护作用的混凝土拱壳。然后在“拱壳”支护下进行工作面的全断面机械挖掘。预切槽法三维示意3.5开挖工法常用的开挖工法有台阶法、环形导坑（预留核心土）法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等。开挖工法应根据地质情况和地层加固情况确定。实施中根据地质情况和量测成果及时调整工法。开挖工法选择时，原则上在确保安全条件下，应从简单到复杂，尽量减少开挖步骤。现场施工应严格执行设计工法，不得擅自更改。台阶法：该工法一般适合于Ⅳ级围岩，要求台阶长度不大于1倍洞径，仰拱距掌子面距离不大于2倍洞径。环形导坑(预留核心土)法：该方法利用核心土稳定掌子面，然后开挖两侧边墙、中部核心土，最后开挖仰拱。该工法步骤多，工艺要求高。目前，软弱围岩大