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软弱围岩大变形段施工方案

XX隧道3#斜井施工的正洞里程，深埋均大于200m，属深埋围岩，软岩可能出现大变形，为了使软弱围岩大变形段安全、顺利、快速并保证质量地通过，特制定本施工方案。

1、《新建铁路龙岩至厦门铁路XX隧道施工图》。

2、现行铁路设计、施工及质量验收规范、规程、规定、和标准。

鹿泉市人民医院门诊楼夯实水泥土桩复合地基施工组织设计方案3、XX隧道实施性施工组织设计

4、《深埋特长隧道及其施工地质灾害》

5、已建的深埋隧道高地应力软弱围岩大变形施工经验及科研成果。

XX隧道隧址区主要构造线呈NE~SW，推断最大水平主应力方向为NW~SE，与隧道轴线夹角60°左右斜交，为N94°W。本地区地应力强度属中等应力场地区。隧道除进出口外，洞身大面积出露粉砂岩、砂岩、砂质泥岩等软质岩地层，DK25+040~DK33+350段隧道埋深＞200m，最大埋深780m。隧道洞身在软质岩开过程中，DK25+040~DK33+350段围岩可能会发生大变形，需加强支护。左（右）线隧DK（YKD）27+210~DK（YKD）DK29+235地段，隧道可能存在软岩大变形问题，除DK（YKD）28+315~DK（YKD）DK28+355采用软岩大变形衬砌外，其余地段设计暂时未考虑软岩大变形的影响。

我工区施工管段内的DK27+210~DK29+235，隧道埋深大，开挖过程中，围岩会发生大变形，设计上DK（YDK）28+315~DK（YDK）28+355为Ⅳ级软岩大变形段。

（1）超前支护：超前小导管配合型钢钢架使用，设计参数如下：

①超前小导管规格：钢管外径42mm，壁厚3.5mm热轧无缝钢管，钢管长度为3.5m；

②环向间距及搭接长度：小导管环向间距40cm；纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于100cm；

③外插角：5°～10°；

④注浆材料：水泥砂浆水灰比0.5～1.0（重量比）；

⑤注浆压力：0.5～1.0MPa，对于涌水量较大的松散破碎带，可采用具有针对性的注浆材料，有关参数具体设计时加以说明；

⑥设置范围：拱部120°范围，每环设置23根。

（2）开挖：采用台阶法开挖，按照30cm预留变形量。

初喷混凝土4cm后，架设Ⅰ18可伸缩性工字钢架，钢架间距0.8m，相邻拱架间采用Φ22钢筋连接，环向间距1.0m。可缩性接头处应预留20cm左右宽的部位暂时不喷射混凝土，待接头合拢或围岩变形基本稳定，再喷射混凝土。

在拱部设置长度为5.0m长的Φ25中空注浆锚杆，边墙及仰拱设置长度为5.0m长的Φ22砂浆锚杆，环向间距1.0m，纵向间距0.8m，梅花形布置。

然后再铺设网格间距为20cm×20cm的φ8钢筋网，最后喷射C25混凝土25cm。

采用C30防水钢筋混凝土，主筋采用Φ22钢筋，拱部厚50cm，边墙厚67cm，仰拱厚60cm。

（1）本段属于高地应力条件下的软弱围岩大变形，其变形特点为断面缩小，基脚下沉，拱顶上抬，拱腰开裂，基底鼓起等。变形初期不仅变形的绝对值很大，而且位移速度也很大，如不加控制或控制不及时,一旦大变形控制不好，可能出现塌方，也可能会出现初期支护侵入隧道净空，引起二次扩挖或换拱，影响施工进度和安全，造成隧道修建成本增加。

（2）对大变形的预测很重要，但这又恰好是大变形研究和操作中最薄弱的环节，地应力测试困难复杂，参数不易获取，而且当前隧道设计对高地应力条件下软弱围岩大变形没有作出比较明确的规定，施工规范也只是指导性的，只有零星地见到各种科研结果，但这种科研结果非常有针对性，只针对某座隧道而言，适用性不强。

（3）XX隧道富水，在高地应力下围岩软弱破碎，使其支护难度提高，变形更难控制。

（4）3#斜井为有轨斜井，混凝土运输困难，仰拱的及时封闭和二衬提前施工比较困难。

（5）XX隧道工期异常紧张，在围岩较差的情况下，要确保施工进度，软弱围岩超前预支护和初期支护工程监理量大，工序多，实现快速施工比较困难。

（6）从其他高地应力条件下软弱围岩大变形隧道施工经验来看，支护参数均要通过现场监控量测的结果对预设计进行验证和调整，监控量测主要是位移监测和应力监测，应力监测技术较复杂，需要高等院校的科研机构协作完成。

五、大变形的预测及判断

设计说明，本地区属于中等强度地应力，在软质岩的开挖过程中可能会出现大变形，为了尽量避免大变形侵限，扩挖影响施工进度和施工安全，这就需要提前对大变形进行预测，除采用必要的超前地质预报预测外，也可按照下面积几种方法进行综合预测和判断，确保变形及早发现，及早采取措施，避免返工。

[σ2/Rb]λ=1=3[σ2/Rb]λ=2=2

其中，σ2为水平地应力，Rb为围岩抗压强度。

采用孔径变形法或水压致裂法测试该区段最大地应力值，根据TSP超前探测中围岩弹性纵波速，超前地质钻孔对前方围岩坚硬程度的判断，在岩质变差时（估计岩石单轴饱和抗压强度低于30MPa），对洞内岩石取样测定其单轴饱和抗压强度等措施来确定是否是软岩，计算Rc/σmax的比值：

当Rc/σmax=4~7，围岩处于高应力状态

当Rc/σmax＜4，围岩处于极高应力状态

这两种状态均可能发生大变形，可据此量化指标作为大变形的判断依据，采取大变形施工措施。

也可通过表观现象来判断：

岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间较长，不易成洞，可判断为高地应力。

3、根据已施工段落的监控量测结果进行判断

当采用常规支护的隧道由于地应力较高而使其初期支护发生程度不同的破坏且位移值Ua与洞壁半径a之比大于3%，认为发生了大变形。为便于根据大变形的严重程度有针对性地选择整治措施，对不同严重程度大变形的等级采取如下分类：

喷混凝土层龟裂，钢架局部与喷层脱离

喷混凝土层严重开裂，掉块，局部钢架开裂，锚杆垫板凹陷

现象同上，但大面积发生，且产生锚杆及钢架变形扭曲现象

注：1、表中Ua为洞壁位移，a为隧道当量半径，为监控量测点位置圆的半径。

2、表中变形及位移均在初期支护已施工的条件下产生，该支护体系为常规标准支护。

（3）根据大变形围岩的特征来判断

①围岩级别低，一般为Ⅳ、Ⅴ级围岩，少数Ⅲ级围岩（指Ⅲ级围岩中的软岩）

②岩体抗压强度低，考虑试件尺寸和节理影响后，强度较低，一般小于2.5MPa。

③如果将发生变形，在已经支护过的地段，通过对其支护变形状态观察来判断地应力情况。

六、主要施工方法及操作要点

（1）超前地质预报：采用TSP203、超前水平探孔、地质素描、数码成像技术对可能发生大变形的软岩地段进行预报。

（2）超前支护：采用超前小导管注浆进行超前预支护。

（3）开挖：采用台阶法开挖，下台阶滞后上台阶5m，仰拱滞后下台阶20m，采用光面爆破保证开挖成形，考虑钢拱架的安装间距，每循环控制在2.0m左右。

（4）初期支护：采用全断面5m“径向长锚”+封闭式可缩性Ⅰ18钢架+全断面网喷25cm混凝土支护。

（5）二衬：及时施作仰拱，仰拱距离掌子面不大于25m,采用防干扰栈桥一次性全幅灌注，每次每段灌注6m，根据监控量测结果，当变形达到0.5mm/d时，可施作二次衬砌，如果由于控制变形的需要，可提前施工二次衬砌，灌注作业面距离掌子面不大于60m，采用整体式模板台车，每次浇筑12m。

（6）监控量测：监控量测应贯穿于整个施工过程，测试项目包括位移量测（拱顶下沉、拱腰收敛，拱脚收敛，墙腰收敛，隧底隆起，二次衬砌收敛），初期支护状况观察，还进行围岩内部位移、围岩压力、初期支护钢架应力、初期支护混凝土应力、锚杆轴力、初期支护与二次衬砌/模筑衬砌之间的接触应力以及二次衬砌/模筑衬砌混凝土应力7项，根据监控量测结果及时对支护参数进行优化设计，充分体现动态设计的思想。

软弱围岩大变形施工工艺流程设计如下：

软弱围岩大变形施工工艺流程图

仰拱和拱墙混凝土施工独立于隧道开挖各个工序，不占用整个循环时间。

施工前，根据隧道的埋深及区域构造作用的大小，确定隧道高地应力地段，采用TSP203探测预报掌子面前方围岩的强度，再通过50m超前水平探孔准确预报围岩的强度，有必要时可采取高分辨电法探测、红外探水和地质雷达等多种超前地质预报检测方法进行综合预报，准确掌握掌子面前方的围岩情况。

施工中，通过掌子面地质述描判定围岩的级别、硬度及变化趋势，并利用数码成像技术对洞壁变形实时监测，对软岩的矿物成分、含水率、自由膨胀率和单轴抗压强度等进行系统地测试，根据实测参数进行数值模拟分析，必要时进行模型试验，经综合分析后，确定可能发生大变形的软岩地段，避免发生地质灾害。DK（YDK）28+315～DK（YDK）28+355段设计明确为Ⅳ级围岩大变形段，尤其注意其超前地质预报的规范性。

施工准备→钻孔→吹孔→装药→联线→引爆→爆破检查及瞎炮处理→找顶

进入掌子面前，根据设计的循环进尺，配备3m钻杆，Φ42钻头，钻头事先安装好，安装钻头前检查钻杆是否堵塞，如堵塞应及时处理，钻头安装后，对钎尾进行保护，避免堵塞。

在上一工序收工的同时，将TY28气腿式风钻搬运至工作面，检查风水管路的漏风漏水情况，出现问题及时处理，检查风钻的润滑情况，接风水管，并及时安装施工台架。

在施工准备过程中，在大量钻孔前，根据掌子面的地质情况，结合炮眼的位置，施作5.0m的超长钻孔，探明前方地质情况。施工中按照爆破设计布孔，保证钻孔的倾角，同时根据掌子面的实际情况，控制钻孔深度，使孔底基本位于同一平面。周边孔要严格控制间距、平行度与外插角，掏槽孔控制角度和孔底位置，所有钻孔根据掌子面情况控制深度和角度，使炮孔孔底基本位于同一平面上（掏槽孔除外），并布置均匀，基本达到爆破设计要求。

钻进过程中，根据钻进速度、卡钎情况、排碴情况判定前方围岩有无变化，出现围岩变化及时调整爆破设计。

采用钻孔中插炮杆的办法控制钻孔的角度。

吹孔必须保证孔内无残碴，使装药工作顺利进行，吹孔采用高压风配吹筒进行，吹筒末端设挡碴器，避免飞碴伤人。

为确保施工安全，在上台阶或下台阶钻孔时，不能在上台阶或下台阶上进行装药工作，但在上台阶钻孔时，下台阶可进行装药，下台阶钻孔时，上台阶可进行装药。

装药完成后应将孔口堵塞。

爆破通风后，专业工程师进入掌子面进行爆破效果检查，查看是否有瞎炮现象，如有瞎炮，根据实际情况做以下处理：

爆破完成后，派专人对掌子面的危石、拱部或边墙浮石进行处理。

上部扒碴采用PC210挖掘机进行，下部出碴采用ZLC50装载机装碴，15t自卸汽车运碴至井底碴仓后提升至井口，再转载至弃碴场。

锚杆在软质岩层隧道中可以通过其与围岩的相互作用而提高岩石的抗剪强度C和内磨擦角φ，从而使得岩石内部结构趋于紧密，减少对初期支护的作用力，从国内外处理高地应力下软岩大变形的经验来看，施工径向长锚对大变形起着重要的作用，所以要确保锚杆支护的施工质量。

设计采用5m长的中空注浆锚杆和砂浆锚杆，采用TY28气腿式风钻配5m钻杆，Φ42钻头钻凿锚杆孔。由于钢架之间的间距较小，可不将系统锚杆设置在两榀钢架之间，为了尽早发挥锚杆的支护作用，强化钢架的支护作用，此工序中将系统锚杆施工成“锁脚锚杆”，提前发挥作用，在喷射混凝土前施工完毕，一方面减少对施工的干扰，另一方面提前发挥锚杆的作用，实现既控制变形，又能节约时间，达到快速施工的目的。

锚杆施工角度应尽量垂直岩面，使锚固范围（锚固有效长度）最大，锚固后的抗拔力不得小于150KN。

型钢刚架对变形的控制主要在于型钢刚架单元间联结不牢固、不圆顺时，易在联结部位或不圆顺的地方产生应力集中，引起该部位变形突出，产生破坏后使初期支护整体刚度降低，加速初期支护的变形。

此工序将超前预支护安排在在拱部型钢架立好后进行，尽可能减少工序来回交错，这样就只需接一次风、水管路，就可以完成开挖钻眼、超前预支护钻眼、锚杆钻眼，可节约循环作业时间。

下台阶开挖应左右交替进行，单侧落底不得多于3榀，也可全宽一次开挖，但落底不得多余1榀。

为了适应预留30cm的大变形，钢架采用了可伸缩连接头，施工时一定要保证该接头能发挥作用，否则可能出现预留变形量达到设计要求后拱架出现变形。

钢架采用人工架设，刚架要垂直，不得倾斜，垂直度偏差不得大于2°，各单元间联结要牢固，圆顺，受力良好，各榀型钢间纵向连接要牢固，以保证形成整体受力。

喷射混凝土施工质量的好坏对变形产生控制，主要表现在喷射混凝土的早期强度和密实度。喷射混凝土早期强度高，可以提前承受较大的围岩压力；密实度好，抵抗变形的能力就强。

此工序的重点是需要将拱部、边墙喷射混凝土采用多台小型TK950喷浆机同时进行，实现快速施工。为使喷混凝土施工占用的时间缩短，避免围岩长时间暴露在空气中，风化严重，变形很大，采用4台小型TK950喷浆机同时进行上台阶或下台阶喷射混凝土作业，使喷射混凝土施工时间缩短，也使得围岩暴露在空气中的时间也较短，可减小变形。

可伸缩接头处应预留20cm左右宽的部位暂不喷射混凝土，待接头合拢或围岩变形机本稳定，再喷满混凝土。

喷射混凝土的早期强度，4h喷射混凝土应达到设计强度的50%，24h喷射混凝土强度应满足设计强度要求。喷射混凝土应外观密实，孔隙率小，抗渗性好，喷射混凝土密度应达到2400Kg/m3以上。

及时施工仰拱是控制初期支护变形的重要措施，根据其他软弱围岩大变形隧道施工监控量测结果的对比分析，仰拱浇筑后形成支护封闭环，变形才会得到有效控制，才能大大增强初期支护抵抗变形的能力。

仰拱与下台阶的距离尽量控制在20m以内，仰拱从开挖到完成的时间应尽量缩短（包括仰拱开挖、出碴、清底、安设仰拱型钢（接边墙）、绑扎仰拱钢筋、灌注仰拱混凝土、补喷边墙脚初期支护喷射混凝土等），每一循环仰拱的施工时间尽量控制在24h以内，可采用减少仰拱每循环的施工长度来达到快速成环的目的，以6m一循环为宜，切忌仰拱暴露时间过长，引起变形过度发展。

在高地应力状态下的软弱围岩大变形，根据以往处理经验来看，变形是长期的、很难趋于收敛，如果不及时施工二次衬砌混凝土，则初期支护变形到一定程度后就会开裂破坏，最后出现坍塌。因此，也必须对拱墙混凝土衬砌与掌子面的间距进行控制，考虑到各个工序合理的操作空间，开挖爆破对防水板施工、对二衬混凝土的质量影响，控制在60m以内。

拱墙混凝土衬砌采用12m长整体式衬砌模板台车，混凝土在洞口搅拌站集中拌制后运到工作面，混凝土输送泵泵送入模。

量测断面距开挖面距离（m）

由于软岩大变形段开挖后变形按上述表格长时间不收敛的，可在变形量收敛至一定数值后，再以每2天测一次的频率测2周时间，以便确定变形是否趋于稳定。

软岩大变形段设计还要求对围岩内部位移及支护应力进行监测，其主要监测项目及方法见下表。

采用振弦式多点位移计，频率接收仪进行

每断面埋设位移计7个，每个位移计4个测点，每个断面28个测点，间距20～40m，1次/天

围岩压力和支护间接触应力

采用振弦式双膜压力盒，频率接收仪进行

每个断面10个测点，1次/天，直至压力基本稳定为止

采用钢筋应力计，频率接收仪进行

每个断面设10个测点，1次/天，直至压力基本稳定为止

采用埋入式混凝土应变计，频率接收仪进行

每个断面喷层设10个测点，二衬混凝土设10个测点，1次/天，直至应力基本稳定为止

③工作面及初期支护后的地段进行观察

根据工作面的工程地质与水文地质情况，作地质素描，包括围岩岩性、岩质、破碎带、节理裂隙发育程度和方向、有无松散坍塌、剥落掉块现象、有无渗漏水等；观察开挖面附近初期支护状况包括喷层是否产生开裂、剥离和剪切破坏、锚杆垫板变形、钢支撑是否压屈和仰拱开裂、上浮来判断围岩、隧道的稳定性和初期支护的可靠性，并进行评估作为支护参数选择的参考及量测等级选择的依据

通过监控量测的结果来验证预设计的支护参数是否能使围岩变形得到有效控制，以便及时对支护参数进行修正。

在Ⅳ级软岩大变形段，计划两天三个循环，即两天6m的施工进度。

根据Ⅳ级软岩大变形段的断面和支护设计情况，以及设定的进度目标，对软弱大变形段施工的人力资源作如下安排。

全面负责协调工区生产、技术及机电工作

负责施工方案的制定及执行

负责电力、机械设备的配置

负责技术交底，协调技术、试验、测量、内业

负责按照设计断面放样，监控量测的位移量测和工作面及初期支护后的地段观察部分

负责用于工程实体原材料、成品、半成品质量的控制、混凝土施工质量的控制

负责安全技术措施制定、交底、检查、落实

负责洞外机械及金属支护、衬砌材料加工管理

负责洞内所有机械设备的管理及维修、养护

负责现场施工技术指导、施工质量检查

负责内业资料的制作、收集、整理

负责机械设备的使用、保养操作、修理技术指导

XX轻轨较新线一期工程高架车站结构及区间桥梁工程施工组织设计钢拱架、锚杆、钢筋网支护

仰拱模板、二衬模板的安装

仰拱、二衬钢筋的加工和安装

为实现快速施工，配置较多

工作面机械设备的保养、维护

根据软岩大变形的施工工序和进度要求污水处理施工组织设计，施工时采用如下设备配置。

根据施工预设计的支护情况，DK（YDK）28+315~DK（YDK）28+355Ⅳ级软岩大变形段需用如下材料。