软岩隧道施工

软岩隧道施工•工程软岩•软岩分类•软岩隧道破坏机理•软岩隧道特点•软岩隧道变形破坏的主要特征•软岩隧道病害的原因简述•软岩隧道设计与施工建议•软岩隧道支护对策•防止软岩隧道病害方法•软岩隧道开挖方式工程软岩•是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。隧道工程软岩亦称松软岩层，不仅是指围岩岩体松软，而且指围岩不稳定或极不稳定。软岩是一种特殊的岩类，从岩石固有的特性来说，它具有软的形态，而从工程应用的观点来看，它又是“弱”的，进入软岩状态的隧道，其强度特性、泥质含量、结构面特点及其塑性变形力学特点差异很大。软岩分类•软岩可分为4大类：1、膨胀性软岩2、高应力软岩3、节理化软岩4、复合型软岩软岩隧道破坏机理•在隧道开挖过程中，由于岩体的天然应力平衡状态遭到破坏，引起隧道周围岩体的卸荷回弹和应力重分布，当这种回弹应力和重分布应力超过围岩强度所能承受的范围时，将造成岩体的失稳破坏。软岩隧道特点•（1）承载力低、变形大•（2）围岩不稳定•（3）安全隐患大•（4）变形速率大，收敛时间长，变形控制难•（5）运营病害严重•（6）投资增加软岩隧道开挖方法•中隔壁（CD）法•交叉中隔壁（CRD法）•双侧壁导坑法•中隔壁法（CD法）•左、右侧各工作面每循环进尺不得超过设计一榀拱架距离，左、右侧开挖完成后应及时施作初期支护和中隔壁临时支护。•左右部上中台阶高度不大于3.5m，左右各台阶长度3-5m，左右两侧纵向距离小于1-2倍隧道直径，且不大于15m。周边轮廓应尽量圆顺，减少应力集中。当开挖形成全断面时，应及时完成全断面初期支护闭合。•根据监控量测信息，初期支护稳定后拆除中隔壁临时支护，中隔壁的拆除应滞后于仰拱，一次拆除长度不宜大于15m，并加强监控量测，拆除后应立即施作二次衬砌。•应配备适合导坑开挖的小型机械设备、机具，提高导坑开挖效率。•交叉中隔壁法（CRD法）•上台阶开挖循环进尺控制在1榀拱架距离内，中下台阶控制在1-2榀拱架距离。•上、中台阶高度控制为2.5m台阶长度为3-5m，左右两侧纵向距离宜小于1倍隧道洞泾。周边轮廓应尽量圆顺，减小应力集中。当开挖形成全断面时，应及时完成全断面初期支护闭合。•中隔壁临时支护的拆除参照CD法。•采用CRD法施工宜设置临时仰拱，步步成环，开挖自上而下，交叉进行。•双侧壁导坑法•两侧壁导坑和中部上台阶每循环进尺控制在1榀拱架距离（0.5-0.75m）内，下台阶可控制在两榀拱架距离内（1-1.5m）。•侧壁导坑形状应近于椭圆形断面，导坑断面宜为正个断面的1／3，导坑跨度不应大于0.3倍隧道宽度；左右导坑施工时，前后错开距离为10-15m，中间土体滞后侧壁10-15m；左右部的台阶开挖高度不应超过3.5m，台阶长度控制在2-3m，周边轮廓应尽量圆顺，减小应力集中。•中隔壁临时支护的拆除参照CD法相关要求。软岩隧道变形破坏的主要特征•（1）软岩隧道变形具有蠕变变形三阶段的规律，并具有明显的时间效应•（2）软岩隧道多为环向受压，且非对称•（3）软岩隧道变形随深度增加而增大•（4）软岩的失水和吸水均可造成软岩发生膨胀变形破坏或泥化破坏•（5）底板围岩承载力不足造成隧道结构整体沉降•（6）支护时间不适宜，从而破坏隧道支护结构软岩隧道病害的原因简述•内在的地质因素认识不全面•（1）工程地质•对于软岩大多数时候对其强度、刚度、结构面发育状况和胶结程度比较重视，开挖方法和支护结构多从这方面考虑，只顾及短期稳定，往往忽视胶结物的性能、膨胀性矿物的含量等，这些均是软岩隧道后期变形和造成隧道支护荷载剧增的内在因素。•（2）水文地质•水的影响包括围岩固有含水、地下径流水及工程用水，水是软岩隧道变形、破坏之源，尤其是对膨胀岩。水不仅造成粘土质岩的膨胀，同时降低岩石强度。•外部因素考虑不周全•隧道施工是连续不间断持续推进、邻近隧道（左、右洞）大多同期施工等产生的扰动应力、应力重分布多次且持续时间较长、相互叠加等外部因素与围岩固有的垂直应力、构造残余应力共同叠加对隧道变形影响更大。•施工排水处理不当•水是软岩隧道变形、破坏之源，尤其是对膨胀岩。水不仅造成粘土质岩的膨胀，同时降低岩石强度。•施工时往往只是简单的疏排，造成地下水通过围岩裂隙流径通道浸泡围岩，同时施工水（如锚杆钻孔水、其他排放水）和隧道底板、拱墙脚积水浸泡围岩，使得围岩膨胀、软化、泥化。•时空效应作用•时间因素流变是软岩特性之一，隧道变形和时间密切相关。二衬开裂隧道均在初支未收敛时开始二衬，甚至在初支完成不足1周即施做二衬。•步距：二衬与掌子面保持一定距离，一是给围岩预留变形时间，二是减小掌子面爆破震动对二衬的不利影响，三是作业掌子面开挖、支护作业空间的需要。•超前预支护效果不好•超前管棚间距过大或外插角控制不好，开挖时割除，造成围岩变形、坍塌；超前小导管长度与开挖高度不匹配，岩土破裂线超出小导管支护长度，引起围岩滑移变形；注浆固结围岩未达到效果，开挖时围岩变形或坍塌。•初支背后空隙未注浆回填•初期支护背后脱空，围岩与支护不密贴，不能共同承载，违背新奥法原理（围岩与支护共同形成支护体、共同承载），造成围岩无约束变形，使得松动圈（荷载体）加大，围岩及支护变形破坏。•初期支护未及时封闭•无论是台阶法开挖还是CD法开挖或者双侧壁导坑法开挖，初期支护都应封闭成环，约束变形，提高承载能力。若开口支护，支护脚必须有效锁定，防止沉降或水平移动（内移），从而约束变形。•不重视仰拱•仰拱未设置与拱墙等强的初期支护及二次衬砌，在构造应力和边墙重力应力作用下隆起或破坏；仰拱与拱墙随意连接，不能侧墙剪应力作用下位移、破坏二衬；仰拱分幅施工，纵向施工缝未处理好，消弱承载力；仰拱基底应力不满足荷载要求，引起沉降。软岩隧道设计与施工建议•软岩隧道支护原理•根据软岩的特性，考虑目前通行的新奥法施工原理，软岩隧道支护依然应充分利用和发挥自承能力。支护结构应考虑以下一些因素：•刚性支护与适度泄压相结合•必须改变传统的单纯提高支护刚度的思想，支护结构及强度应与加固围岩、提高围自承能力相结合，与围岩变形及强度相匹配，单纯提高支护刚度既不经济也难以抵抗强大的地应力荷载。•卸压、加固与支护相结合•根据地质结构与构造分析围岩应力的作用形态，找出主要影响应力，统筹考虑.对高地应力区，要卸得充分；对大变形区，要让得适度；对松散破碎区，要注意整体加固；及时支护并非即刻支护，但对隧道围岩整体要支护住•坚持信息化指导•必须进行围岩变形量测、支护内力监测、围岩应力监测，准确掌握围岩及支护变形的活动状态、受力状态和稳定情况，根据监测结果确定二次支护结构的参数，确定补强时间，二衬时间和仰拱封闭时间软岩隧道支护对策•根据现代岩石力学理论：隧道围岩既是支护压力的根源，又是抵抗平衡原岩应力的承载体，而且是主要的承载结构体。支护的作用在于维护和提高松动围岩的残余强度，充分发挥围岩的承载能力。因此，在软岩隧道支护中，要遵循以下几方面原则：•封闭岩面，维护和保持围岩残余强度•隧道开挖后及时喷混凝土封闭岩面，防止水蚀、风化，减少围岩强度损失；采用利于保持围岩强度的方法，如：光面爆破或非爆破开挖。•采取技术措施，提高围岩残余强度•（1）快速支护，促成围岩二维应力尽快转换成三维应力状态，可有效提高围岩残余强度。•（2）采用密布长锚杆将破碎围岩锚固起来，恢复和提高破裂围岩的残余强度，形成具有较高承载能力和可塑性的锚固层。•（3）隧道开挖后，洞内径向注浆加固围岩，提高松动圈围岩强度。•（4）预注浆加固地层岩石强度，是浅埋和断层破碎带及未固结松散岩土提高强度及承载力最为有效的途径。•优化技术方案，充分发挥围岩承载能力•（1）优化隧道断面。软岩隧道中，圆形隧道支护结构的承裁能力最大(均匀应力场)，软岩隧道断面尽可能采用圆形断面或近似圆形断面，杜绝直墙断面和无仰拱断面。•（2）支护结构全断面等强。软岩隧道支护所承受的荷载主要是围岩的变形压力，它来自于隧道的四周，包括隧道底扳。支护结构必须全周等强，否则任意薄弱环节（包括底板）都可能造成支护整体失败。•（3）初期支护适度柔性。软岩隧道中，围岩变形压力是支护结构的主要荷载，一般刚性支护难以抵抗强大的围岩压力而破坏，使围岩处于事实上的无支护状态。采用适度柔性的支护（如：锚网喷混凝土和可伸缩型钢支架），可实现收缩让压，减少支护受力，让围岩发挥更大承载能力。•(4)刚性二次衬砌提供最终支护体系，稳定围岩。软岩隧道采用一次强阻力刚性支护来维护围岩是不能成功的，应在围岩变形趋于稳定后适时施做二次衬砌，给隧道围岩提供最终支护强度和刚度，以保持隧道校长时间的稳定性和安全储备。•（5）提高地基承载力，防止整体沉降。隧道及围岩既是承载体也是荷载体，软弱、可压缩的软弱地基（包括仰拱及墙脚）应进行改良处理（如：注浆、管桩及其他改良方法），提高底板围岩承载力，有效抑制整体沉降。防止软岩隧道病害方法•软岩隧道施工方法选择十分重要，甚至是隧道建设成败的关键。软岩隧道的施工技术方案、施工方法和施工组织管理应遵循“保围岩、严控水、强基脚、稳岩壁、早封闭、刚二衬、勤量测”的原则。•施工方案必须从维护围岩稳定出发（保围岩）•维护围岩稳定，保护围岩残余应力和提高围岩自身承载能力是新奥法的基本原理。具体可采取以下措施：•（1）超前预支护（管超前）。根据围岩的稳定情况，采用管棚（洞口浅埋破碎段及断层破碎带）或小导管（一般软岩段）或钢插板（流沙、淤泥质土或特别软弱土层、沙层、黄土层、坍方处理）等手段对围岩进行超前支护，可有效抑制开挖过程中围岩的变形或坍塌，防止围岩松动而降低强度及稳定性。•（2）注浆固结（严注浆）。大多数软弱围岩的结构面间隙大，沙土、砾石土、角砾岩、强风化岩粒和破碎带孔隙率大、密实度差，这类围岩自身强度和稳定性极差，通过注浆充填和粘结，有利于围岩整体化，可极大提高围岩强度和承载力。浅埋段可从地表向下整体注浆固结；埋深较大段落可从洞内采用帷幕注浆加固一定范围围岩（一般不宜小于洞身轮廓外5m）；开挖时可基本稳定段落可在初支后进行径向注浆加固（一般不宜小于洞身轮廓外3m）；一般软岩段应对支护背后进行回填注浆，保证初支与围岩密贴，共同受力。注浆材料可采用水泥砂浆（孔隙率较大）、水泥浆（孔隙率一般）、超细水泥浆（孔隙率很小）、水泥—水玻璃双液浆（地下水丰富地段）。•（3）弱爆破或非爆破开挖（少扰动）。采用光面爆破、微震松动爆破，有条件时采用机械挖掘，不得已时可采用人工挖掘，尽可能减少人为扰动围岩。•提高支护基脚牢固性是防止支护失效的基础（强基脚）•支护破坏往往是因为基脚不牢固在围岩侧压力作用下内移，在围岩重力应力作用下沉降，使得支护整体变形降效，甚至破坏失效，造成围岩大变形或失稳坍塌。必须对支护金属构件或其他构件的基脚锁定，常用水平锁脚锚杆或树桩锁脚锚杆将围岩与支护牢固连接；基脚必须放置于未破坏或浸蚀的原岩上，并防止水浸泡；将基脚喷混凝土扩大（一般50cm）或大块木板（混凝土板）塞垫是必要的；特别软弱的土质、流沙质、断层泥带、饱和高液限全风化岩土、采空区、下伏岩溶等仰拱基底应预先进行基底处理（可改良土、可设置管桩、换填等）。•开挖方法有利于墙壁及掌子面稳定（稳岩壁）•软岩失稳很多时候是因为侧壁及掌子面围岩剪切滑移造成拱部及整体失稳坍塌，不得忽视。对于大断面可以采用微台阶法、台阶法、CD法、CRD法降低边墙高度和洞室跨度，增加边墙约束；掌子面台阶长度与高度匹配（长度大于破裂面2～3m）；掌子面喷混凝土（5～10cm）临时支护；边墙支护强度与拱部等强。•支护尽早封闭成环有利于结构承载（早封闭）•由于软岩易风化、变形快、来压快，开挖后及时支护，仰拱尽早封闭成环；分部开挖应设临时仰拱封闭。拱墙初期支护及临时仰拱应与开挖同步，每循环封闭。仰拱及可略滞后开挖，但不宜大于30m，同时考虑变形情况必要时紧跟开挖面。•二衬强度及刚度必须考虑承载（刚二衬）•规范规定的软弱围岩不收敛时及早二衬，针对围岩的地质情况应甄别对待——二衬后变形能稳定、二衬后继续变形。•软岩仅靠初期支护是不能满足抗压要求，同时软岩初支需要一定柔性满足变形需求，加之软岩的流变压力，必须考