保护围岩控制围岩的松弛软弱围岩Word文档下载推荐.docx
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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，
单轴抗压强度
初期位移速度
凝聚力，内摩擦角
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％
DR<
８０％
FC≥１０％
IL
掌子面不稳定，只要有很小变化，就可能流出的围岩
FC<
１０％
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≥2.0
ILc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≤Cf<
2.0
0.5≤Cf<
1.5
A~C
特LC 掌子面稳定性特别低，对开挖有重大影响的围岩
D
Cf<
0.5
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。
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
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
玻璃纤维锚杆
保持掌子面自稳性的方法
◎：
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；
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。
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
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。
６）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，从地表面钻60～125mm的钻孔，而后插入钢筋。
其作用是：
利用砂浆和周边围岩的凝聚力控制下沉、利用抗剪能力防止洞口滑坡。
施工事例较多。
4）管棚法
一般，多在洞口施工时采用。
根据使用的钢管直径分类，有小直径钢管管棚和中、大直径钢管的管棚。
在埋深小的隧道，正上方有建筑物时，也可采用此法。
最近，利用特殊的钻孔机械，边钻孔、边注浆，在土砂隧道中产生较好的效果。
5）水平高压旋喷法
在掌子面与隧道轴线平行，用特殊机械钻孔，同时向管体内高压喷射水泥浆液，形成50～70cm的圆柱体（桩）的工法。
令期3天的强度可达80～100kgf/cm2，改善围岩的效果很高。
是改善掌子面自稳性和控制地表下沉的较好的方法。
但施工设备多，系统庞大。
6）隔断墙法
一般作为止水的辅助工法采用，但也有作为控制地表下沉的对策而采用的。
它可以降低开挖引起的地表下沉及其向周围的传播。
在隧道两侧用刚性材料构筑地中墙，用以隔断下沉向周围的波及。
施工时要注意地表条件的影响。
７）预衬砌法
应该指出，控制围岩松弛和地表下沉的方法，许多是与止水方法相联系的，很难截然分开。
为了说明的方便，一些方法将在地下水对策中加以说明。
此处重点说明：
垂直锚杆法、管棚法、注浆加固法和预衬砌法。
（１）地表垂直锚杆工法
垂直锚杆工法是在隧道开挖之前，在隧道上部钻设直径100～120mm的钻孔，钻孔中插入粗钢筋（一般D＝25～32mm），再充填砂浆或水泥浆，在地中形成棒状的钢筋加固体，可以阻止因开挖产生的围岩变形，提高围岩的抗剪切强度。
此工法广泛应用于防止地表下沉、稳定隧道掌子面、处理偏压、防止坡面崩塌等场合。
尤其适用于浅埋的软弱围岩和滑坡地段等施工条件恶劣的地点。
此工法与开挖作业无干扰，是其优点。
但应视地表的土地利用情况选用，适用较差。
目前在设计中，主要是采用经验的方法进行设计，如采用D25～32mm的钢筋，钻孔直径多采用100～120mm，间隔采用1.5m×
1.5m～2.0m×
2.0m。
或者根据滑坡线及阻止坡体滑动的计算决定钢筋用量、打设长度、打设间隔及钢筋直径等。
其设计实例见图1。
施工实例见图2。
图1垂直锚杆工法设计例
图2垂直锚杆工法施工例
（２）管棚工法
管棚工法是在隧道开挖之前沿隧道开挖断面外轮廓，以一定间隔与隧道平行钻孔、插入钢管，再从插入的钢管内压注充填水泥浆或砂浆，来增加钢管外围岩的抗剪切强度，并使钢管与围岩一体化，由管棚和围岩构成的棚架体系。
其效果可归纳为：
梁效应：
因钢管是先行设置，在掘进时，钢管在掌子面及其后方的支撑支持下，形成梁式结构，防止围岩的崩塌和松弛。
加强效应：
钢管插入后，压注水泥浆，加强了钢管周边的围岩。
在浅埋隧道的情况下，地表有结构物存在时，或隧道接近地中结构物、地下埋设物开挖时，为把隧道开挖的影响限制在最小范围内，要尽量防止围岩的松弛。
采用管棚工法是有利的。
在设计中，要充分考虑地质、周边环境、隧道开挖断面、埋深以及开挖方法等，决定管棚的配置、形状、施工范围、管棚间隔及断面等。
管棚的配置和形状
管棚，一般说是沿隧道开挖轮廓外周的一部分或全部，以一定间隔排列而成的棚架体系。
但应根据地形、地层的性质及地表或地中结构物的位置关系等，决定管棚的配置和形状。
图3管棚的配置和形状
一般说，多采用图3所示的形状。
施工范围
沿隧道轴向，管棚设置的范围，要根据隧道周边的地形、地表结构物的状况等决定。
管棚的终端位置，应达到防护对象的长度加上因开挖而造成的掌子面松弛范围的长度。
在洞口，考虑经济性，施工长度应尽可能短些，伸出洞口的长度要满足钻孔作业和注浆作业的要求。
此工法施工的长度，根据钻孔机械的施工精度，可达80m，如施工地段更长时，应分段施工。
管棚配置间隔
隧道在公路、铁道下方通过时，或者接近结构物施工时，或者隧道开挖对周边环境有直接影响时，或者管棚间土粒子能够流出的软弱围岩时，为了能直接承受荷载、防止土粒子流出，应选用刚性大的、中直径（165.2mm～216.3mm）或大直径（318.5mm）的带接头的钢管。
如图4所示。
图4带接头钢管例
除上述条件外，多采用较小直径（89.1mm～139.8mm）的钢管，以一定间隔设置。
此时，应注意的是，管棚的支护效果，是因围岩与管棚形成一体使有效断面扩大、土压均匀而形成的。
因此，过大的间隔会削弱这些效果。
管棚的最小间隔，根据地质条件、施工长度及水平钻孔的弯曲量的精度而定。
经验上，钢管间隔多采用管径的2.0～3.5倍。
钢管断面
根据隧道的开挖方法、断面、地质及埋深等条件，设定作用在1根钢管上的荷载，以支撑和前方围岩为支点，按粱模式，计算断面力决定所需的断面性能，选择钢管断面。
计算图示见图5。
图5管棚的计算图示
施工示例
在一座位于市区的公路隧道，隧道长180m，断面积达152m2，隧道上部房屋密集，埋深仅有6m。
隧道两洞口有崩塌的危险。
隧道地质条件：
从上到下为表土、火山灰质粘性土、砂砾、粉细砂，下面的基岩是安山岩质凝灰岩。
隧道是在软弱的火山灰质粘性土、砂砾、粉细砂层中通过的。
为此，全洞采用管棚法施工。
管棚的配置见图6。
施工的管棚，根据过去的施工事例和目前的管棚机械等条件，决定采用直径406.4mm、t＝9.5mm、间隔650cm的管棚。
为全部施工的安全性，在两洞口设置推进基地，每一洞口各施设90m。
拱部初期支护采用钢支撑和喷混凝土（厚25cm），钢支撑架设后立即在钢支撑和钢管间打入楔块，并喷射混凝土。
钢管管棚的施设精度见图7。
图7管棚设置精度图6管棚布置
（３）水平高压旋喷压注工法和高压喷射搅拌工法
在未固结围岩，特别是城市的浅埋隧道，必需注意防止隧道变形和地表下沉以及确保大断面的掌子面的稳定。
而水平高压旋喷压注工法，是在一般的初期导管注浆的基础上发展起来的，能较大规模地以高压旋喷的方式压注水泥浆的超前支护工法。
此方法是在水平钻孔内采用高压旋喷的技术，在隧道开挖外轮廓形成拱形预衬砌，以防护掌子面。
本方法具有以下特征：
在隧道开挖之前，于掌子面前方构筑拱形刚性体，来减轻传到掌子面和支护上的荷载，控制开挖引起的变形；
因采用高压旋喷，形成改良的、强度高的改良土体；
因采用专门机械施工，施工速度快。
因从洞内施工，钻孔应以较小角度沿外轮廓施设，纵向的施工间隔，因采用高压旋喷，最好，按机械的可能采用，如采用日本的SR－11或SR－510时，其长度分别为11m和18m，这样，改良体的范围约为8～14m。
改良体的搭接长度不宜小于1.0m。
横向间隔，以相互间能形成拱形结构体为原则，通常，视围岩状况，采用40～60cm左右。
图8是某一隧道采用旋喷压注工法的施工实例。
该隧道是在砂层中通过的，埋深为15～7m不等。
在隧道拱部形成约60的拱形预衬砌。
具体施工规格和配比见表1。
图8高压旋喷工法模式例
表1是施工规格和水泥浆配比。
表1施工规格和配比
施工规格
项目
规格
喷嘴
1.8mm×
2
喷射压力
400kgf/cm2
喷射量
310～340l/m
配比
水泥
760kg
超高压用流化剂
12kg
水
750l
采用水平喷射法进行超前加固地层。
成桩直径约650~700mm，间距600mm，超前长度12.5m。
如图9所示。
图9 水平喷射法
高压喷射搅拌工法是采用喷射高压喷流切削围岩，将开挖的土砂和硬化剂置换或混合搅拌，在计划范围内形成圆柱形的改良体的方法。
通常与压注法的目的一样，但更宜用于大的强度和止水性的场合。
高压喷射搅拌工法有只用超高压水和超高压硬化剂切削围岩的方法和与空气并用的方法。
用高压空气的方法有采用空气和超高压硬化剂切削和高压充填的双重管法以及采用超高压水和高压空气切削围岩，切削部用硬化剂高压充填的三重管的方法。
高压喷射搅拌工法，只要进行合理的施工管理，就是一个可靠性很高的工法。
但在实施中应注意以下事项：
改良体直径与地层和杆的拔出速度有关，因此，在互层地层中要注意改良体的直径和杆的配置；
在砂砾及硬质粘性土中，柱体的形成困难，多数场合不能确保有效直径，应加以注意；
粉末的排出不通畅，会引起地层鼓起和粉末流入埋设物等，应对成形速度和粉末的排出状态进行有效管理；
在基础托换中采用高压喷射搅拌工法时，从改良体形成开始到硬化剂硬化之间，围岩的承载力是释放的，应研究其弊端和改良体形成的顺序；
改良体柱头部不要残留未固结部分，灌注时要特别注意。
（４）预衬砌法
预衬砌法是超前支护的一种方法。
在开挖前，先沿隧道外周开挖一厚约20~50cm的拱形槽，开挖后或开挖的同时，向槽内充填混凝土，形成一个连续的、刚性很大的拱壳，谓之预衬砌。
通常纵向长度约5m。
此方法在土砂等围岩强度极低的地层，埋深小需要控制地表下沉的场合以及接近重要结构物的场合采用是极为有效的。
拱形槽的开挖要采用专用的链式切削机（图10）或多轴钻机（图11）进行。
图11 多轴钻机开挖
图10链式切削机开挖
下面用几个应用示例加以说明。
日本高岩隧道埋深小，而且是未固结的洪积层，因此，在洞口２０５m范围内采用了预衬砌法。
其施工概况示于图３。
图12高岩隧道预衬砌施工例
施工步骤如下。
用多轴钻孔机进行开槽，形成厚约１７ｃｍ、宽８１ｃｍ、长４ｍ的槽口，钻孔后压注水泥砂浆形成砂浆壳（图13）。
此法预计每月施工进度３５ｍ。
水泥砂浆的２８天抗压强度约５００ｋｇｆ／ｃｍ２．
图13水泥砂浆拱壳
日本在胜田台隧道（长６１５ｍ）在中间一段长１５３ｍ采用了开槽法的预衬砌方法。
采用的理由是：
接近周边的居住地；
埋深小，只有４～７ｍ；
地质是砂层和洪积粘土层，为了防止施工时的地层松弛，提高掌子面稳定性，控制地表下沉。
隧道开挖前，用专门的多轴钻机、压浆机，在隧道上部１２０范围内构筑厚１７ｃｍ，宽８１ｃｍ，长４ｍ的拱壳，形成预衬砌。
其施工概况示于图14。
图14施工概况
隧道开挖：
为了确保尽可能大的作业空间，提高施工性，采用短台阶法机械开挖。
开挖的标准断面示于图15。
图15开挖标准图
初期支护采用钢支撑和喷混凝土。
为了掌握围岩的稳定性、支护效果及其对周边的影响，进行了地表下沉、净空位移、拱顶下沉的量测，也进行了地中下沉、地中水平位移、钢支撑应力、喷混凝土应力等的量测。
在南非的一座城市的地下工程中，曾采用预衬砌法进行施工。
该隧道埋深约３５ｍ，地质条件极差，地下水位高。
为了控制地表下沉采用了预衬砌法。
在隧道周边开挖出厚２２０ｍｍ、深４ｍ的沟槽，内
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