1、软弱围岩隧道预防坍方安全施工技术 目前在建隧道 6600 公里，已规划建设隧道 7600 公里，隧 道呈现“三多”特点（隧道数量多、长大隧道多、风险隧道多） 。 其中软弱围岩隧道占有相当大的比例。 软弱围岩隧道施工，除地质条件差，还会遇到断面大、埋深 浅、 下穿公路或建筑物等情况， 从而使施工更加复杂， 难度更大。 目前，由于技术措施不合理、施工方法不当、施工工艺不到位、 现场管理薄弱等环节的诸多问题， 造成了大量的隧道变形和坍方 事故，损失巨大，教训深刻。 如何提高软弱围岩隧道施工水平，预防变形和坍方，确保施 工安全， 其核心是抓住软弱围岩隧道工程特点， 落实好 “三超前、 四到位、一强化”
2、施工技术关键环节。 (1)三超前：超前预报、超前加固、超前支护 (2)四到位：工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、 衬砌跟进到位 (3)一强化：强化量测 1 软弱围岩隧道变形、坍方事故案例 1.1 事故案例 郑西客专南山口隧道大坍方（2007 年 7 月 15 日发生） 。坍 方段埋深 86 米，地质为强风化粉砂岩及卵石土，采取台阶法施 工。掌子面初期支护首先出现掉块、开裂，3 天后发生大坍方， 坍方长度 146 米，洞内初期支护全部破坏，造成地表房屋开裂， 经济损失较大。坍方原因：快速封闭不到位、衬砌跟进不到位、 量测未到位。 （上台阶开挖 83 米，仰拱距掌子面 126 米，二衬距
3、掌子面 146 米） 。 南三口隧道大塌方照片 上台阶83m 仰拱距掌子面126m 衬砌距掌子面146m 43m 20m 大坍方146m 南山口隧道大坍方示意图南山口隧道大坍方示意图 贵广铁路东科岭隧道涌砂坍方（2010 年 1 月 19 日发生） 。 坍方段埋深 21m（属浅埋） ，地质为向斜构造全风化花岗岩，呈 砂状，开挖扰动后呈流塑状，地表为水田和常年流水水沟。进口 开挖到 398 米处， 掌子面施作超前小导管时， 突然发生涌砂坍方， 涌砂量约 800 立方，随后地面出现坍陷，坍坑直径约 35 米。 涌砂坍方原因：未进行超前预报、未进行超前加固、未进行 超前支护 东科岭隧道涌砂坍方照片
4、东科岭隧道地面坍塌照片 张集铁路旧堡隧道初期支护开裂变形（2010 年 2 月 26 日发 生） 。变形段隧道埋深约 300 米，地质为麻粒岩夹辉绿岩脉，处 于 F3 断层影响带，构造节理发育，岩体破碎。进口开挖到 4136 米处，初期支护工 25b 钢架发生变形，变形速率 151mm/d，随 后掌子面后方 30 米范围内初期支护扭曲变形， 喷射混凝土开裂、 掉块，渗水量增大。该段变形原因：由于对工程地质特性认识不 足，工法选择不到位、支护措施不到位。 旧堡隧道初期支护变形开裂照片 集包铁路新旗下营隧道坍方（2010 年 3 月 19 日发生） 。坍 方段埋深约 70 米，地质为变质大理岩，前
5、期施工时经常发生局 部掉块。进口开挖到 370 米处。后方 56 米位置初期支护（格栅 钢架）失稳破坏坍方，造成多名作业人员遇难。 坍方原因：支护措施不到位、快速封闭不到位、量测不到位 新旗下营隧道坍方照片 1.2 事故统计与分析 统计 2006 年至今软弱围岩隧道发生事故 2006 年 3 月 21 日:武康二线王家沟隧道坍方，8 人受困。 5 月 16 日:大丽线南场岭隧道洞口坍方，6 人受困。 5 月 21 日:洛湛线双牌二号隧道洞口坍方，1 死 3 伤。 8 月 12 日:郑西客专秦东隧道坍方，2 人死亡。 9 月 13 日:武康二线系家山一号隧道坍方，2 人死亡。 2006 年发生事
6、故 5 起，造成 5 死 3 伤 14 人受困 2007 年 4 月 30 日:太中银吴堡隧道坍方，4 死 1 伤。 7 月 15 日:郑西客专南山口隧道大坍方 146 米。 8 月 6 日:石太客专南庄隧道坍方，2 人死亡。 8 月 6 日:广深港客专水田隧道洞口坍方，2 人死亡。 9 月 2 日:合宁线亭子山二号隧道坍方，5 人死亡。 9 月 30 日:兰青二线八盘峡二号隧道坍方，8 人受困。 2007 年发生事故 7 起，造成 13 死 2 伤 8 人受困 2008 年 1 月 9 日:兰青二线杨家店隧道坍方，2 人死亡。 1 月 20 日:郑西客专盘东隧道坍方，3 人死亡。 3 月 2
7、1 日:田德线百安隧道坍方，2 死 3 伤。 3 月 25 日:包西线活沙兔隧道坍方，4 人死亡。 7 月 15 日:洛湛线古榄隧道坍方，1 人死亡。 8 月 29 日:西格二线克土隧道坍方，4 死 7 伤。 2008 年发生事故 6 起，造成 16 死 10 伤 2009 年 2 月 17 日:包西线寨山村隧道坍方，2 人死亡。 3 月 8 日:石武客专木兰隧道坍方，2 死 2 伤。 3 月 16 日:向莆线宝台山隧道坍方，3 死 1 伤。 7 月 19 日:襄渝二线杨家沟隧道坍方，2 人死亡。 8 月 1 日:湘桂线梅子坳隧道洞口坍方，3 人死亡。 10 月 29 日:包西线新响沙湾隧道坍
8、方，人员逃脱。 12 月 19 日:包西线邓家楼一号隧道坍方，6 人受困。 2009 年发生事故 7 起，造成 12 死 3 伤 6 人受困 2010 年 1 月 14 日:南广线白云隧道突水突泥，5 人死亡。 3 月 19 日:集包线新旗下营隧道坍方，10 人死亡。 7 月 11 日:南黎线那适 2 号隧道坍方，10 人死亡。 2010 年发生事故 3 起，已造成 25 人死亡。 对统计数据进行分析， 软弱围岩隧道事故主要表现在三个方 面： 一是洞口坍方，占 20%。 二是掌子面变形坍方，占 33%。 三是掌子面后方坍方“关门” ，占 47%。 据以上不完全统计，从 2006 年到 2010
9、 年为止，4 年多时间 内， 软弱围岩隧道发生事故 28 起， 死亡 71 人， 事故发生之频繁， 死亡人数之多，令人心痛。究其原因，主要有两个方面，一是客 观上地质和环境的复杂性，二是主观上技术措施、施工方法及工 艺、现场管理等原因。因此，提高对软弱破碎围岩的认识，提高 设计和施工水平，做到“三超前、四到位、一强化” ，对杜绝工 程事故的发生十分重要。 2 软弱围岩隧道地质特征和工程特点 2.1 软弱围岩隧道地质特征 围岩强度低， 承载能力低。 如黏性土、 粉土、 砂类土、 黄土、 全风化岩体等。节理发育、破碎、自稳能力差。如岩体破碎的泥 岩、页岩、砂岩、千枚岩、板岩等。断层带散体结构、自稳
10、能力 极差。受构造影响，断层带结构面杂乱无序，呈角砾、縻棱状或 碎裂结构，充填泥质或泥夹岩屑。 2.2 软弱围岩隧道工程特点 软弱围岩强度低、 自稳能力差， 隧道开挖后地应力重新分布， 使隧道周边产生较大的松动圈。一旦工程措施（包括设计措施） 和施工方法不当， 将极易发生初期支护变形侵限和隧道坍方等工 程事故。因此，软弱围岩隧道施工的核心是“控制变形、防止坍 方” 。 3 软弱围岩隧道施工技术 软弱围岩隧道施工，应在以下八个方面予以重视，实现标准 化施工管理，从而避免变形和坍方事故的发生： （1）超前预报（2）地表加固（3）超前加固（4）超前支护 （5）开挖工法（6）初期支护（7）二次衬砌（8
11、）监控量测 3.1 超前预报 现场时常会遇到实际开挖揭示的地质与设计提供的地质存 在较大差异，引起技术措施和施工方法的变化。因此，除设计阶 段加强地质勘察外，施工阶段也必须进行超前地质预报工作，这 一点尤为重要。 地质素描、物探、超前钻探方法是软弱围岩超前预报的主要 手段。在破碎带和断层地段，加强超前长、短钻孔，及时探明隧 道前方地质情况，特别是地下水的发育情况，严禁在未探明情况 下盲目开挖。参建各方都应该重视施工阶段超前地质预报工作， 建立责任制，明确责任和分工。高和极高风险隧道，必须进行超 前地质预报的专项设计。 3.2 地表加固 隧道上部需加固土体采用钻孔压力注浆加固与双管旋喷桩 注浆两
12、种加固方法。 沿隧道纵向方向首先采用旋喷桩划分为三等 分进行加固，其中隧道两侧加固边界采用双排旋喷桩进行加固。 地表加固施工时先横向按照 5m 间距采用旋喷桩进行加固。在由 旋喷桩围成的 5mx4.393m 的方格，然后再在旋喷桩加固的网格 内采用钻孔压力注浆加固。 双管旋喷桩空气压缩气压 0.50.7MPa，喷浆压力 20Mpa, 提升速度为 714cm/min，旋转速度可取 1114r/min。浆液采 用 1：1 水泥浆。 3.2.1、技术控制要点 1）固结体的整体性和均匀性； 2）固结体的有效直径； 3）固结体的垂直度； 4）固结体的强度特性(包括轴向压力，水平推力，抗酸碱性 等)； 5
13、）固结体的溶蚀和耐久性能等。 3.2.2、控制方法 开挖检查：以检查固结体垂直度和固结形状； 室内试验：求配合比及检查固结体的强度； 钻孔检查：钻取旋喷固结体的岩芯，来观察判断其固结整体 性，并做好标准试件进行室内力学物理性试验，以求待其强度特 性（按岩体取芯，丹州自然抗压强度 1.2MPa 指标控制） ，鉴定其 是否符合设计要求。 3.3 超前加固 在断层破碎带和软弱地层，特别是富含水时，必须对围岩进 行超前加固， 改良地层， 确保隧道安全施工。 必须配备专业队伍、 专业设备，进行专项设计，保证加固效果。目前，常用的围岩加 固方法是注浆法。注浆法主要分全断面注浆和局部注浆两种。在 富水断层地
14、带，常采取全断面注浆。全断面注浆法钻孔数量多， 施作周期长；局部注浆是针对隧道前方地层特点，对薄弱部位进 行注浆，钻孔数量少，施作周期短。无论是全断面注浆，还是局 部注浆，都要求必须配备先进的钻孔注浆设备，必须采取信息化 注浆。 别岩槽隧道 F1 断层全断面注浆照片 齐岳山隧道 F11 断层信息化注浆照片 注浆加固范围： 纵向加固长度应根据钻机能力和地层特点确 定，一般为 2030m。特殊地层条件下，应及时调整纵向注浆加 固长度， 否则既影响进度， 又影响质量。 环向加固厚度一般为 3 5m，局部可增加到 58m。 中国产 MGJ-50 钻机 中国产 XY-2PCG 钻机 该类钻机最大扭矩 2
15、0003000Nm 钻进速度 35m/h 中国产 MZ200 钻机 最大扭矩 3400Nm 钻进速度 515m/h 日本产 RDP-150 钻机 最大扭矩 8000Nm 钻进速度 1520m/h 日本矿岩 RPD-180C 多功能钻机 最大扭矩 8000Nm，钻进速度 1520m/h 意大利 C6 钻机 最大扭矩 13550Nm 钻进速度 2030m/h 意大利产 SM400 钻机 最大扭矩 13630Nm 钻进速度 2030m/h 德国 KR805 钻机 最大扭矩 27000Nm 钻进速度 2530m/h 3.4 超前支护 常用的超前支护方式有超前大管棚和超前小导管两种。 （1）超前大管棚：
16、超前大管棚一般是在对沉降有严格要求 时使用，适宜于浅埋洞口、堆积体、砂土质地层、断层破碎带地 层，以及下穿公路、铁路、地面建筑物时采用。大管棚一般采用 70mm159mm 的钢管，纵向长度 10100m 根据工程需要 设置。 洞内大管棚照片 设管棚工作间：一般施作管棚时都要设置管棚工作间，管棚 工作间按钻机特点设计，比隧道断面加宽 5070cm，工作间长 度 710m，如果只进行一个循环管棚施作，管棚工作间比较简 单。但如果循环多时，施作多个管棚工作间就存在着三个问题。 隧道前期管棚工作间照片 一是为施作工作间，隧道断面加大后，开挖难度加大，开挖 安全风险增加。 二是若循环注浆后未能按设计开挖
17、到位， 工作间尺寸将满足 不了要求，将无法进行正常管棚作业。 三是由于管棚工作间采取扩挖断面方法，既增加了开挖费 用，又增加了回填混凝土的费用，浪费大。 无工作间管棚施作技术： 在标准断面采用顶进器将管棚顶到 开挖断面外。该技术不需要扩大断面，不切割大量的管棚，降低 了施工风险，提高了工效，节约了投资，应大力推广。 隧道断层后期无管棚工作间照片 超前小导管： 超前小导管是在对施工安全要求较高的条件下 使用。在破碎围岩、堆积体、砂土质地层、断层破碎带中普遍采 用。当地层卡钻严重时，可采用自进式锚杆。小导管一般采用 32mm60mm的钢管， 纵向长度2.56m根据工程需要设置。 小导管布设后根据地
18、层稳定情况，如需要可进行注浆，加固周边 地层。 洞内超前小导管施工照片 水平旋喷支护：软塑土体、含水砂层等可采用水平旋喷进行 超前加固与支护。 预切槽支护： 用特制的链式机械切刀沿断面周边连续切割出 一条厚约数十厘米，深数米的窄槽，同时应用与切刀一体化的混 凝土灌注设备注入混凝土，形成一个连续的，起预先支护作用的 混凝土拱壳。然后在“拱壳”支护下进行工作面的全断面机械挖 掘。 预切槽法三维示意 3.5 开挖工法 常用的开挖工法有台阶法、环形导坑（预留核心土）法、CD 法、CRD 法、双侧壁导坑法等。 开挖工法应根据地质情况和地层加固情况确定。 实施中根据地质 情况和量测成果及时调整工法。开挖工
19、法选择时，原则上在确保 安全条件下，应从简单到复杂，尽量减少开挖步骤。现场施工应 严格执行设计工法，不得擅自更改。 台阶法：该工法一般适合于级围岩，要求台阶长度不大于 1 倍洞径，仰拱距掌子面距离不大于 2 倍洞径。 环形导坑(预留核心土)法：该方法利用核心土稳定掌子面， 然后开挖两侧边墙、 中部核心土， 最后开挖仰拱。 该工法步骤多， 工艺要求高。 目前，软弱围岩大断面隧道多采用环形导坑法（三台阶七步 流水法） ，出现的问题也最多，对该工法技术要求如下（双线隧 道） ：上台阶每循环开挖进尺、级围岩不大于 1 榀钢架， 级不大于 2 榀。边墙开挖进尺不大于 2 榀。仰拱开挖前必须完成 钢架锁脚
20、锚杆（管） ，每循环开挖进尺不大于 3m。初期支护封闭 成环位置距掌子面距离原则上不宜不大于 2 倍洞径。根据地质、 量测情况，设置临时仰拱或横撑。 环形导坑（预留核心土法）照片 CD 法（中隔壁法） ：该工法适合于浅埋地段或穿越建（构） 筑物时采用，以减少沉降，防止坍方。该工法是将隧道分为左右 两部分进行开挖，先在一侧采用台阶法分层开挖及支护，再开挖 隧道另一侧。 每台阶纵向长度 35m。 初期支护仰拱紧跟下台阶， 封闭成环。 CRD 法（交叉中隔壁法） ：该工法在特殊条件下采用。该工 法是将大断面隧道上、下、左、右分块开挖，并施作初期支护和 临时横撑 （临时仰拱） ， 每台阶纵向长度 35
21、m， 步步封闭成环。 CRD 工法开挖照片 35 m 35 m 35 m35 m35 m35 m 双侧壁导坑法：该工法在特大断面等特殊条件下采用。该工 法先开挖隧道两侧导坑，再进行中部开挖支护。工法特点：控制 沉降变形好，但连接点多，受力复杂，对工艺要求高。 双侧壁导坑法工法开挖照片 对于岩石强度低，环境要求高的隧道应采用单臂掘进机、铣 挖机、机械破碎等开挖。 3.6 初期支护 初期支护方式：锚网喷；锚网喷+钢拱架，钢架形式有格栅 钢架、工字钢、H 型钢。特殊地质条件下使用喷钢纤维混凝土。 初期支护受力特征：隧道开挖后短时间或变形量小时，初期支护 与地层共同承受形变压力。支护不及时或支护后变形
22、量过大，岩 体松动后荷载加大， 由初期支护完全被动地承受松动压力。 因此， 必须保证初期支护的强度和刚度，及时支护，控制变形。 初期支护仰拱 （临时仰拱） 及时闭合极其重要， 闭合成环后， 提高了结构的承载能力，从而有效地控制变形、避免坍方。 技术要求：双线隧道、级围岩采用台阶法开挖时，必须 设置锁脚锚杆（管）等控制拱（墙）脚位移的措施。双线隧道 级围岩应设置横向临时支撑或临时仰拱，临时支撑采用型钢，纵 向每 2 榀设 1 处。钢拱架宜采用八字节格栅拱架。钢拱架应工厂 化制造，出厂前必须进行检验、试拼装。喷混凝土原则上采用湿 喷工艺，特殊地质条件下可另行设计。 3.7 监控量测 监控量测是软弱
23、围岩隧道安全施工的“眼睛” ，是判断结构 稳定性、指导软弱围岩隧道安全施工“最重要”的信息化手段。 不进行监控量测，将无法保证软弱围岩的安全施工。很多隧道的 变形与坍方是因为没有进行量测、 或没有使用量测成果才产生的， 教训深刻。 监控量测主要包括拱顶下沉和水平收敛， 浅埋段应进行地表 沉降量测。目前采用有尺量测的较多。由于隧道断面大，采取有 尺量测时，施工干扰大、耗时长。应大力推广采用全站仪利用贴 片反射进行量测。 初期支护 二次衬砌 仰拱填充 初期支护 2D 初期支护 二次衬砌 仰拱填充 上台阶 中台阶 下台阶 核心土 技术要求：建立等级管理、信息反馈和报告制度。隧道监控 量测必须设置专职
24、人员，培训后上岗，实行专业化管理，城市隧 道要引入第三方监测。量测断面布置间距级围岩 10m（规程 1030m） 、级围岩 5m（规程 510m） 。拱顶下沉或水平收敛 速率达 5mm/d 或位移累计达 100mm 时， 要暂停施工， 分析产生 原因，提出处理措施。采用有尺量测时，测点挂钩要做成闭合三 角形，保证不变形、点接触。 拱顶下沉量测照片 水平收敛量测照片 全站仪量测照片 3.8 二次衬砌 由于目前初支二衬共同承载的设计方法， 适时进行二次衬砌 对安全施工十分重要，根据部有关要求：级围岩二衬距掌子面 距离不大于 90m，级、级不大于 70m，这些经验数据是十分 重要的，现场必须严格执行
25、。 下面介绍一下隧道洞口施工、 高地应力地层施工应注意的几 个问题，以及新意法施工技术。 （1）关于隧道洞口施工应注意的几个问题 “早进晚出” ，对洞口不良地质可采取加长明洞、管棚法进 洞等措施。一次刷坡到位，不允许上半断面刷坡后进洞，这样， 进洞后再刷下半断面时易引起洞口滑坍。尽早施作洞口工程。 洞口塌方照片 （2）高地应力软岩隧道施工的几个问题 超前预报：目前尚未系统开展掌子面地应力测试，这就给 工程措施的制定造成困难。 锚杆加固：及时施作长锚杆加固围岩，必要时采用预应力 锚杆。 初期支护刚度：合理选取支护刚度参数，防止变形侵限。 必要时可施作双层初期支护。 超前释放应力：目前现场进行了超前钻孔、超前导洞释放 应力试验，都没有很好的效果，应继续开展工程实践及研究。 岩土控制变形分析法: 对掌子面超前加固后可全断面机械 化施工，不但可加快进度，而且施工安全度高，应在工程中应用 和推广。 近年来，软弱围岩隧道事故频繁发生，不但造成了财产损失 和工期延误，而且造成了较大的人员伤亡和巨大的社会影响。 软弱围岩地质条件复杂，施工工序繁多，工艺要求严格，技 术含量高。如果能认清软弱围岩“变形与坍方的发展过程和变化 规律” ，严格执行“三超前、四到位、一强化”的施工方针，完 全能够避免软弱围岩隧道事故的发生， 确保工程安全和生命安全。
