【正文】 主講 : 譚忠盛 隧道工程設(shè)計與施工 北京交大隧道系 第九部分 軟弱圍巖的隧道施工 （ 1） 軟弱圍巖的自支護(hù)能力比較弱，甚至沒有自支護(hù)能力。因此，在軟弱圍巖中施工最重要的是：如何提高圍巖的自支護(hù)能力，來保證開挖及后續(xù)作業(yè)的進(jìn)行。 在軟弱圍巖中，提高圍巖自支護(hù)能力的方法很多。根據(jù)國內(nèi)外的施工經(jīng)驗，基本方法是控制圍巖的松弛、流失。其原則是：穩(wěn)定掌子面、及時閉合和加固地層。具體方法如下： 1）穩(wěn)定掌子面的方法 正面噴混凝土和錨桿；超前支護(hù)；留核心土。 2）及時閉合的方法 臨時仰拱或底部橫撐；加強(qiáng)基腳；向底部地層注漿加固；底部錨桿；改變施工方法。 3）加固地層 注漿加固；超前支護(hù)；地表面加固。 一、掌子面自穩(wěn)性評價方法 日本根據(jù)近 9000個掌子面的數(shù)據(jù)，其中典型的 崩塌事例列于下表。 掌子面崩塌現(xiàn)象 : （ 1）在斷層中，根據(jù)斷層破碎程度可能產(chǎn)生小的崩塌，也可能出現(xiàn)很大規(guī)模的崩塌，可能出現(xiàn)一次，也可能出現(xiàn)多次； （ 2）在互層圍巖中，崩塌一般多是小規(guī)模的。例如第三紀(jì)的砂巖頁巖互層，可能由于少量的涌水使固結(jié)度低的砂巖層流出，殘留的泥巖也會呈塊狀剝落。崩塌的程度因砂巖的固結(jié)度、層理面間隔、層理面的固結(jié)度、砂巖層的滯水水量、水壓等而異。崩塌的時間多在涌水狀況有急劇變化的時期發(fā)生。 （ 3）在強(qiáng)風(fēng)化的圍巖中，會產(chǎn)生比較大的崩塌，有涌水時崩塌的規(guī)模會更大； （ 4）在有層理面的容易崩塌的圍巖中，會產(chǎn)生比較大規(guī)模的崩塌。根據(jù)層理面的強(qiáng)度、涌水的狀況，在幾小時內(nèi)就會產(chǎn)生多次崩塌，瞬時發(fā)生大規(guī)模崩塌的情況也不少。 （ 5）在砂層中，多發(fā)生比較小規(guī)模的和中等規(guī)模的崩塌。在沒有涌水的砂礫層中，掌子面可能是自穩(wěn)的，但會從拱頂發(fā)生小規(guī)模的掉落。 評價指標(biāo)及方法： 表 2列出有關(guān)評價掌子面穩(wěn)定性的評價指標(biāo)及方法。 表 3給出砂質(zhì)圍巖的掌子面自穩(wěn)性的最簡易的判斷指標(biāo)。 表 2 評價指標(biāo)和方法 不穩(wěn)定原因 對象圍巖 評價方法 評價指標(biāo) 沿龜裂、層理的崩塌 龜裂性的巖層 層狀巖層 塊體理論 不連續(xù)面情報（走向、傾斜、連續(xù)性、摩擦角、間隔等） ＲＭＲ法 不連續(xù)面情報 RQD、巖石強(qiáng)度 因涌水壓、凝聚力降低引起的崩塌 土砂圍巖 未固結(jié)圍巖 均質(zhì)系數(shù) 細(xì)顆粒含有率 顆粒組成、含水比、比重、單位體積重量、透水系數(shù)、涌水壓 因圍巖強(qiáng)度不足，變形大引起的崩塌 膨脹性圍巖 圍巖強(qiáng)度比等 顆粒組成、含水比、比重、液限、塑限、陽離子交換容量、單位體積重量、單軸抗壓強(qiáng)度 初期位移速度 初期位移速度 土砂圍巖 單位體積重量、凝聚力、內(nèi)摩擦角 未固結(jié)圍巖 準(zhǔn)彈性系數(shù) 凈空位移 表 3 掌子面穩(wěn)定性評價（砂質(zhì)圍巖） 圍巖級別 圍巖狀態(tài) 分類指標(biāo) 相對密度（ DR） 細(xì)顆粒含有率 (FC) IN 掌子面基本穩(wěn)定的圍巖 DR≥ ８０％ FC≥ １０％ IL 掌子面不穩(wěn)定，只要有很小變化，就可能流出的圍巖 FC１０％ 特 L 掌子面穩(wěn)定性顯著差，開挖會引起重大變化的圍巖 DR８０％ 根據(jù)統(tǒng)計，涌水的影響很大，一般說掌子面涌水量在100L/min附近，可作為穩(wěn)定和坍塌的判斷基準(zhǔn)，在 500L/min以上幾乎都是坍塌。 埋深對掌子面的自穩(wěn)定性也有很大影響。淺埋與深埋相比，主要是難以形成承載拱。同時，在這種情況下多數(shù)會有地形偏壓、表層軟弱堆積物、風(fēng)化帶等對隧道開挖有很大影響的特殊問題。 地表下沉與埋深有密切關(guān)系。埋深大時，在隧道橫斷面內(nèi)形成了承載拱，開挖引起的下沉局限在隧道周邊，而埋深小時，沒有形成承載拱，開挖下沉?xí)苯舆_(dá)到地表面。 在這種情況下，埋深小的隧道，因不能期待形成承載拱，故為防止支護(hù)下沉、增強(qiáng)支承力而應(yīng)采取必要的措施，并研究采用藥液壓注、垂直錨桿等輔助工法。 如圖 1所示，淺埋隧道的掌子面松弛將達(dá)到地表面，在橫斷面方向不能形成承載拱，在縱向的掌子面前方也形成不了承載拱。根據(jù)實(shí)測結(jié)果的分析，首先是接近掌子面前方的圍巖急劇下沉，并向后方擴(kuò)展，結(jié)果形成了圖 2所示的盆狀的地表下沉。 此下沉槽的坡度是與圍巖中發(fā)生的剪應(yīng)變相對應(yīng)的。超過此限界后，如圖所示就會發(fā)生地表開裂。 圖 1 埋深與隧道縱斷面內(nèi)的下沉 a)開挖上半斷面（埋深小時）； b)開挖下半斷面（埋深小時）； c)開挖上半斷面（埋深大時）； d)開挖下半斷面（埋深小時）。 圖 2 地表下沉與地表 二、穩(wěn)定掌子面的方法 有代表性的穩(wěn)定掌子面的工法的分類列于表 1。 工法 拱頂穩(wěn)定 掌子面穩(wěn)定 使用材料 工法說明 超前支護(hù)（超前錨桿、小導(dǎo)管等） ◎ ○ 錨桿 小導(dǎo)管（注漿） 鋼筋 采用錨桿等提高前方圍巖約束的方法 使用小導(dǎo)管注漿加固掌子面 插入角度： 10～ 30； 超前支護(hù)（鋼插板等） ◎ ○ 鋼筋 鋼背板 L型鋼 在掌子面自穩(wěn)性差的圍巖中，噴混凝土施工前有崩塌時，可采用此法。 斜錨桿 ○ ○ 錨桿 插入角度： 45О～ 70О 短管棚 ◎ ○ 管棚 在沒有凝聚力的圍巖中采用。 管長： 5～ 7m； 直徑：小于 45cm； 視情況可進(jìn)行注漿。 正面噴混凝土 ◎ 噴混凝土 提高掌子面正面的自穩(wěn)性 正面錨桿 ◎ 錨桿 玻璃纖維錨桿 保持掌子面自穩(wěn)性的方法 表 1 穩(wěn)定掌子面工法的分類 掌子面穩(wěn)定性降低的原因，視圍巖條件而異，在多數(shù)情況下，可考慮以下幾點(diǎn)： ? 凝聚力不足而崩塌（未固結(jié)圍巖、裂隙性圍巖）； ? 因地下水而崩塌（未固結(jié)圍巖、裂隙性圍巖）； ? 因強(qiáng)度不足產(chǎn)生大變形而崩塌（膨脹性圍巖）。 此外，作為特殊情況，也有掌子面沿地質(zhì)結(jié)構(gòu)面擠出的情況。 根據(jù)功能不同，穩(wěn)定掌子面的方法可分為以下幾種： ? 支持圍巖的（超前支護(hù)、短管棚等）； ? 改良圍巖的（注漿等）； ? 發(fā)揮錨桿作用的（斜錨桿、正面錨桿等）； ? 噴混凝土加強(qiáng)的等。 超前支護(hù) 超前支護(hù)是使用錨桿、單一鋼管、鋼筋等，沿隧道外輪廓以低角度打設(shè)的方式防止掉塊，是加固掌子面前方圍巖、約束圍巖的方法。也可加設(shè)插板防止掉塊。超前支護(hù)基本上是借助構(gòu)件的抗彎剛度發(fā)揮作用的，因此，采用抗彎剛度大的構(gòu)件是有利的。 （ 1）單管 用于沒有凝聚力的圍巖，防止拱頂松弛、崩落。一般采用 34～ 48mm的鋼管，以 30～ 60cm的間隔和 5～ 30?的仰角打入。打入長度一般為掘進(jìn)進(jìn)尺的 2～ 3倍。 此法的主要問題是：在有礫石（孤石）或固結(jié)好的圍巖中應(yīng)用困難。其次是鋼管下方的圍巖易崩落，超挖大。為減少超挖可減少打入角度，使鋼管從支護(hù)構(gòu)件中通過。 圖 1 單鋼管超前支護(hù)例 （ 2）鋼插板 鋼插板是在崩塌性顯著的圍巖中，以較大面積支護(hù)拱頂為的手段。鋼插板的寬度一般采用 15cm，長度為 ~，以間隔 30cm左右打入。一般都在拱頂 120 ?范圍內(nèi)施設(shè)。其實(shí)施例參見圖 2~圖 4。 圖 2 鋼背板超前支護(hù) 圖 3 鋼背板施工例 圖 4 鋼插板施工示意圖 （ 3）注漿小導(dǎo)管 注漿小導(dǎo)管是向掌子面附近的圍巖注漿，以改善圍巖狀況，保證掌子面穩(wěn)定的方法。實(shí)踐證實(shí)：掌子面斜上方對隧道的穩(wěn)定具有很大的影響，因此，開挖前改善此部分的狀況，對增加隧道的穩(wěn)定性是極為重要的。小導(dǎo)管注漿不僅是掌子面穩(wěn)定的對策，也是改善隧道穩(wěn)定性的對策，要充分加以研究和運(yùn)用。 小導(dǎo)管注漿視有無錨桿、藥液的不同、改良深度等而不同。圖 5是一個施工例，成功運(yùn)用于洞口有崩塌危險的地段。圖 6是采用布壓注塞的壓注錨桿實(shí)例，打入錨桿后，通過壓注塞將水泥砂漿、水玻璃注入，壓注壓力 2~5kg/cm2。壓注材料不僅有水泥、水玻璃，還有以高壓（ 30kg/cm2）壓注的泡沫尿烷，此法的施工步驟見圖 7。 圖 5 小導(dǎo)管注漿例 圖 6 注漿錨桿 圖 7 壓注泡沫尿烷的超前支護(hù) 斜錨桿 斜錨桿是作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分軸力構(gòu)件而發(fā)揮其作用的，用以改善拱頂斜上方的圍巖。多采用在易崩塌的圍巖中，作為支護(hù)拱頂?shù)妮o助方法。 斜錨桿通常與系統(tǒng)錨桿同時施工。向掌子面拱部的斜上方，以 50~80cm的間隔，在拱部 60~100cm范圍內(nèi)，打入異型鋼筋，錨固材采用砂漿。錨桿長 3~4m，仰角 30~60 ? 。包括通常錨桿在內(nèi)的錨桿實(shí)施例見圖 8。 圖 8 錨桿的實(shí)例 小管棚注漿 小管棚的施工，基本上與注漿小導(dǎo)管相同。因超前支護(hù)范圍大，多采用長度 5～ 7m的鋼管，以間隔 30～ 60cm的距離打入。超前支護(hù)效果好，但費(fèi)時，對施工循環(huán)有一定影響。 掌子面正面噴混凝土 正面噴射混凝土是在開挖后的自穩(wěn)性差的開挖面噴射3~10cm左右的混凝土，覆蓋掌子面，以防止掌子面松弛，提高掌子面的自穩(wěn)性（圖 9）。噴混凝土不是作為軸力構(gòu)件發(fā)揮作用的，是防止剝離的，常常與正面錨桿同時使用。 此外通過觀察噴射表面是否有龜裂發(fā)生，還可以獲得有無崩塌發(fā)生的信息。 正面錨桿 正面錨桿是在掌子面有顯著崩塌的情況下采用的。錨桿長 2～ 3m，視崩塌情況施設(shè)。 在膨脹性圍巖中進(jìn)行掌子面加強(qiáng)的施工例見圖 10。 ６、留核心土 為了充分利用掌子面的空間支護(hù)效應(yīng)，留核心土，也是比較有效的穩(wěn)定掌子面的方法。 圖 9 正面噴射混凝土例 圖 10 膨脹性圍巖的掌子面加強(qiáng)例 三、控制地層松弛的加固地層的方法 穩(wěn)定圍巖和控制地表下沉的方法包括： （ 1）壓注法 以加固圍巖、止水為目的而采用的工法。向砂質(zhì)土壓注易于獲得較好的效果，在黏性土中的效果不好。為進(jìn)行有效地壓注，要采用與圍巖性質(zhì)相適應(yīng)的藥液和方法。 （ 2）凍結(jié)法 在山嶺隧道中采用較少，但其加固圍巖、止水的效果非常好，可靠性高。在軟弱粉砂層、大量涌水圍巖、接近結(jié)構(gòu)物施工的場合是很合適的。缺點(diǎn)是從準(zhǔn)備時間到發(fā)揮效果的時間很長。