保护围岩、控制围岩的松弛-软弱围岩

1第四部分保护围岩、控制围岩的松弛－软弱围岩软弱围岩的自支护能力是比较弱的，甚至没有自支护能力。因此，在软弱围岩中施工最重要的是提高围岩的自支护能力，来保证开挖及后续作业的进行。在软弱围岩中，提高围岩自支护能力的方法是很多的。根据国内外的施工经验，提高围岩自支护能力的基本方法是控制围岩的松弛、坍塌。其原则是：稳定掌子面，及时闭合和加固地层。具体的主要施工方法可归纳如下.1）稳定掌子面的方法·正面喷混凝土和锚杆；·超前支护；·留核心土。2）及时闭合的方法·设临时仰拱或底部横撑；·加固强基脚；·向底部地层注浆加固；·设底部锚杆；·改变施工方法。3）加固地层·注浆加固；·超前支护；·地表面加固。这些措施是综合的和相互补充的，应视具体情况选择采用。施工要点一掌子面自稳性评价方法日本根据近９０００个掌子面的数据，其中典型的崩塌事例列于表１。表１掌子面崩塌的典型事例1．掌子面的崩塌现象2掌子面崩塌现象有如下的趋势。·在断层中，根据断层的程度可能产生小规模的崩塌，也可能出现很大规模的崩塌，崩塌可能出现一次，也可能出现多次。·在互层围岩中，崩塌一般多是小规模的。例如第三纪的砂岩页岩互层，可能由于少量的涌水使固结度低的砂岩层流出，残留的泥岩也会呈块状剥落。崩塌的程度因砂岩的固结度、层理面间隔、层理面的固结度、砂岩层的滞水的水量、水压等而异。崩塌的时间多在涌水状况有急剧变化的时期发生。·在强风化的围岩中，会产生比较大的崩塌，有涌水时崩塌的规模会更大。·在有层理面的容易崩塌的围岩中，会产生比较大和大规模的崩塌。根据层理面的3强度、涌水的状况，在几小时内就会产生多次崩塌，瞬时发生大规模崩塌的情况也不少。·在砂层中，多发生比较小规模的和中等规模的崩塌。在没有涌水的砂砾层中，掌子面可能是自稳的，但会从拱顶发生小规模的掉落。如何评价掌子面的稳定性，首先要明确影响掌子面稳定性的因素（指标）。表2列出有关评价掌子面稳定性的指标。表2评价指标和方法不稳定原因对象围岩评价方法评价指标沿龟裂、层理的崩塌龟裂性的岩层层状岩层块体理论不连续面状态（走向、倾斜、连续性、摩擦角、间隔等）ＲＭＲ法不连续面状态，RQD，岩石强度因涌水压、凝聚力降低引起的崩塌土砂围岩未固结围岩均质系数细颗粒含有率颗粒组成、含水比密度，单位体积重量，透水系数，涌水压因围岩强度不足，变形大引起的崩塌膨胀性围岩围岩强度比等颗粒组成，含水比，密度，液限，塑限，阳离子交换容量，单位体积重量，单轴抗压强度初期位移速度初期位移速度土砂围岩单位体积重量，凝聚力，内摩擦角未固结围岩准弹性系数净空位移2．评价方法目前应用较多的评价方法是：1）相对密度、细颗粒含有率的方法砂质土围岩具有粒状土的特性，抗剪强度低，地层承载力也低，遇水会流失，很难保证掌子面的稳定性。其评价指标主要采用细颗粒含有率和均质系数。对砂质围岩的掌子面自稳性的最简易的判断指标，如表3所示。表3掌子面稳定性评价（砂质围岩）围岩级别围岩状态分类指标相对密度（DR）细颗粒含有率（FC）IN掌子面基本稳定的围岩DR≥８０％FC≥１０％4IL掌子面不稳定，只要有很小变化，就可能流出的围岩DR８０％FC１０％特L掌子面稳定性显著差，开挖会引起重大变化的围岩注：细颗粒含有率：土中含有小于75μm的颗粒比率。2）围岩强度比的方法粘性土具有塑性地压的特性，因此多采用围岩强度比的方法评价其自稳性。一般可根据表4的基准进行分级。表4粘性土的围岩分级围岩分级围岩强度比（Cf）浸水崩解度粘性土IN掌子面基本稳定的围岩Cf≥2.0ILc掌子面不稳定，有很小的变化就有正面挤出可能性的围岩1.5≤Cf2.00.5≤Cf1.5A~C特LC掌子面稳定性特别低，对开挖有重大影响的围岩DCf0.5注：Cf=σc/γH（σc：围岩单轴抗压强度）根据统计，涌水的影响很大，一般说掌子面涌水量在１００L／ｍｉｎ附近，可作为稳定和崩塌的判断基准，在５００L／ｍｉｎ以上几乎都是崩塌此外，埋深对掌子面自稳性也有重大影响。浅埋与深埋相比，主要是难以形成承载拱。同时，多数伴有地形偏压、表层软弱堆积物、风化带等对隧道开挖有很大影响的特殊问题。视地质条件会出现下沉急剧增大、地表开裂等变异，有时也会出现掌子面不稳定等现象。所以，要根据情况采取掌子面稳定措施和控制地表下沉措施。地表下沉与埋深有密切关系。埋深大时，在隧道横断面内形成了承载拱，开挖引起的下沉局限在隧道周边，而埋深小时，没有形成承载拱，开挖下沉会直接达到地表面。在这种情况下，埋深小的隧道，因不能期待形成承载拱，故为防止支护下沉、增强支承力，而应采取必要的措施，并研究采用药液压注、垂直锚杆等辅助工法。如图1所示，浅埋时的掌子面松弛将达到地表面，不仅在横断面方向不能形成承载拱，在纵向的掌子面前方也形成不了承载拱。5根据实测结果的分析，首先是接近掌子面前方的围岩急剧下沉，并向后方扩展，结果形成了图2所示的盆状的地表下沉。此下沉槽的坡度是与围岩中发生的剪应变相对应的。超过此限界后，如图所示就会发生地表开裂。施工要点二稳定掌子面的方法在一开始我们就提出保护围岩是隧道施工的一个最重要的原则。但如何保护围岩，在软弱围岩中，就只有采用增强围岩自身支护能力的方法。目前的许多辅助工法就是为图1埋深与隧道纵断面内的下沉图2地表下沉与地表开裂6此而开发的。下面用事例加以说明。1．稳定掌子面的方法山岭隧道施工，如掌子面不稳定，施工是不可能进行的。近年，由于山岭隧道的增加，在自稳性差的围岩中施工的情况愈来愈多，因此，掌子面稳定问题就成为隧道开挖技术中的重要问题了。同时，掌子面自稳性与开挖断面的大小有密切关系，因此，开挖方法的选择，对选定稳定掌子面的辅助工法有很大的影响。根据地质条件，在掌子面不能获得稳定的情况，开挖要采用分割断面的方法或缩短一次开挖进尺。但有时分部开挖或缩短进尺也不能取得良好效果，而采用大断面开挖方法反而成功的例子也不少。这主要是因采用了各种辅助工法，提高了掌子面和拱顶的稳定性。在土砂围岩和膨胀性围岩、破碎带中，确保掌子面的稳定性是至关重要的。方法有：维护拱顶稳定的超前支护、维护掌子面正面稳定的正面锚杆和核心土以及拱脚稳定的锁脚管等。有代表性的稳定掌子面的工法的分类列于表1。表1稳定掌子面工法的分类工法拱顶稳定掌子面稳定使用材料工法说明超前支护（超前锚杆、小导管等）◎○锚杆小导管（注浆）钢筋采用锚杆等提高前方围岩约束；使用小导管注浆加固掌子面，插入角度10～30超前支护（钢插板等）◎○钢筋钢背板L型钢在掌子面自稳性差的围岩中，喷混凝土施工前有崩塌时，可采用此法斜锚杆○○锚杆插入角度45О～70О短管棚◎○管棚在没有凝聚力的围岩中采用管长：5～7m；直径：小于45cm；视情况可进行注浆。正面喷混凝土◎喷混凝土提高掌子面正面的自稳性正面锚杆◎锚杆玻璃纤维锚杆保持掌子面自稳性的方法注：◎：经常采用的；○：视情况采用的掌子面稳定性降低的原因，视围岩条件而异，在多数情况下，可考虑以下几点：·凝聚力不足而崩塌（未固结围岩、裂隙性围岩）；·因地下水而崩塌（未固结围岩、裂隙性围岩；7·因强度不足产生大变形而崩塌（膨胀性围岩）。此外，作为特殊情况，也有掌子面沿地质结构面挤出的情况。稳定掌子面的方法是在开挖作业之前在掌子面前方一定范围内施工的，根据其功能的不同，可分为以下几种：·支持围岩的（超前支护、短管棚等）；·改良围岩的（注浆等）；·发挥锚杆作用的（斜锚杆、正面锚杆等）；·喷混凝土加强的等。1）掌子面超前支护掌子面超前支护是使用锚杆、单一钢管、钢筋等，沿隧道外轮廓以低角度打设的方式，防止掉块，是加固掌子面前方围岩、约束围岩的方法。也可加设插板防止掉块。超前支护，基本上是借助构件的抗弯刚度发挥作用的，因此，采用抗弯刚度大的构件是有利的。（1）单管用于没有凝聚力的围岩，以防止拱顶松弛、崩落。一般采用34～48mm的钢管，以30～60cm的间隔和5～30的仰角打入。打入长度一般为掘进进尺的2～3倍。此法的主要问题是在有砾石（孤石）或固结好的围岩中，应用困难。其次是钢管下方的围岩易崩落，超挖过大。为减少超挖，可减小打入角度，使钢管从支护构件中通过（图2）。（2）钢插板钢插板是在崩塌性显著的围岩中，以较大面积地支护拱顶的手段。钢插板的宽度一般采用15ｃｍ，长度为1.2～1.6ｍ，以间隔30ｃｍ左右打入。一般都在拱顶120范围内施设。其实例参见图3和图4。图2单钢管超前支护例8实际上钢插板的断面可以选择圆形的、角形的，拱形的等，是极为自由的。其施工情况示于图5。图5钢插板施工示意图钢插板在我们施工中采用较少。从技术发展的眼光看，这种方法是有很有效的方法，应该引起施工技术人员的关注。（3）注浆小导管注浆小导管是向掌子面附近的围岩注浆，以改善围岩状况，保证掌子面稳定的方法。实践证实：掌子面斜上方对隧道的稳定具有很大的影响，因此，开挖前改善此部分的状况，对增加隧道的稳定性是极为重要的。小导管注浆不仅是掌子面稳定的对策，也是改善隧道稳定性的对策，要充分加以研究和运用。小导管注浆视有无锚杆、药液的不同、改良深度等而不同。图6是一个施工实例，成功地运用于洞口有崩塌危险的地段。图3钢背板超前支护例图4钢背板施工例9图7是采用布囊压注塞的压注锚杆例，打入锚杆后，通过压注塞将水泥砂浆，水玻璃等注入，压注压力约2～5kg/cm2.。压注材料不仅有水泥、水玻璃，还有以高压（30kg/cm２）压注的泡沫尿烷。此法的施工步骤见图8。2）斜锚杆图6小导管注浆例图7注浆锚杆示例杆例图8压注泡沫尿烷的超前支护10斜锚杆是作为支护结构的一部分轴力构件而发挥其作用的，用以改善拱顶斜上方的围岩。多用在易崩塌的围岩中，作为支护拱顶的辅助方法。斜锚杆通常与系统锚杆同时施工。向掌子面拱部的斜上方以50～80cm的间隔，在拱部60～100cm范围内，打入异型钢筋，锚固材采用砂浆。锚杆长3～4m，仰角30～60。斜施工锚杆实例见图9。3）小管棚注浆小管棚的施工，基本上与注浆小导管相同。因超前支护范围大，多采用长度5～7m的钢管，以间隔30～60cm的距离打入。超前支护效果好，但费时，对施工循环有一定影响。4）掌子面正面喷混凝土正面喷射混凝土是在开挖后的自稳性差的开挖面喷射数３～１０cm左右的混凝土，覆盖掌子面，以防止掌子面松弛，提高掌子面的自稳性（图１0）。喷混凝土不是作为轴力构件发挥作用的，是防止剥离的。常常与正面锚杆同时使用。此外用目视喷射表面是否有龟裂发生，还可以获得有无崩塌发生的信息。5）正面锚杆正面锚杆是在掌子面有显著崩塌的情况下采用的。锚杆长2～3m，视崩塌情况施设。在膨胀性围岩中进行掌子面加强的施工例见图11。图9锚杆的实施例图10正面喷射混凝土例图11膨胀性围岩的掌子面加强例11６）留核心土为了充分利用掌子面的空间支护效应，留核心土，也是比较有效的稳定掌子面的方法。掌子面稳定的方法是以支护手段为中心的，在隧道施工循环范围内实施的工法。隧道的地质情况就是在同一隧道、同一地质的情况下，其自稳性也是有差异的，因此，在选择辅助工法时，必须要充分地研究现场的实际条件，选择适用的方法。施工要点三控制地层松弛的加固地层方法为了在较大范围内控制围岩的松弛，需要采用特殊的加固地层的施工方法。这种方法是先在掌子面前方的围岩中进行加固施工，而后在其范围内进行开挖作业的。在浅埋隧道中，控制围岩松弛，也就是控制地表下沉。因此，控制围岩松弛和地表下沉具有同等的意义。防止地表下沉的主要措施是改善掌子面上方的围岩状况。同时，因地表下沉与掌子面的稳定性有关，因此，防止地表下沉的对策多与掌子面稳定对策同时实施。稳定围岩和控制地表下沉的方法主要有以下几种：1）压注法以加固围岩、止水为目的而采用的工法。向砂质土压注易于获得较好的效果，在粘性土中的效果极为离散。为进行有效地压注，要采用与围岩性质相适应的药液和方法。2）冻结法在山岭隧道中采用较少。但其加固围岩、止水的效果非常好，可靠性高。在软弱粉砂层、大量涌水围岩、接近结构物施工的场合是很合适的。缺点是从准备到发挥效果的时间很长。3）垂直锚杆法是一种用锚杆从隧道上方加固地层的方法。一般，