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1、第四部分 保护围岩、控制围岩的松弛－软弱围岩 软弱围岩的自支护能力是比较弱的，甚至没有自支护能力。因此，在软弱围岩中施工最重要的是提高围岩的自支护能力，来保证开挖及后续作业的进行。 在软弱围岩中，提高围岩自支护能力的方法是很多的。根据国内外的施工经验，提高围岩自支护能力的基本方法是控制围岩的松弛、坍塌。其原则是：稳定掌子面，及时闭合和加固地层。具体的主要施工方法可归纳如下. 1）稳定掌子面的方法 ·正面喷混凝土和锚杆； ·超前支护； ·留核心土。 2）及时闭合的方法 ·设临时仰拱或底部横撑； ·加固强基脚； ·
2、向底部地层注浆加固； ·设底部锚杆； ·改变施工方法。 3）加固地层 ·注浆加固； ·超前支护； ·地表面加固。 这些措施是综合的和相互补充的，应视具体情况选择采用。 施工要点一 掌子面自稳性评价方法 日本根据近９０００个掌子面的数据，其中典型的 崩塌事例列于表１。 表１掌子面崩塌的典型事例 1． 掌子面的崩塌现象 掌子面崩塌现象有如下的趋势。 ·在断层中，根据断层的程度可能产生小规模的崩塌，也可能出现很大规模的崩塌，崩塌可能出现一次，也可能出现多次。 ·在互层围岩中，崩塌一般多是小规
3、模的。例如第三纪的砂岩页岩互层，可能由于少量的 涌水使固结度低的砂岩层流出，残留的泥岩也会呈块状剥落。崩塌的程度因砂岩的 固结度、层理面间隔、层理面的固结度、砂岩层的滞水的水量、水压等而异。崩塌的时间多在涌水状况有急剧变化的时期发生。 ·在强风化的围岩中，会产生比较大的崩塌，有涌水时崩塌的规模会更大。 ·在有层理面的容易崩塌的围岩中，会产生比较大和大规模的崩塌。根据层理面的强度、涌水的状况，在几小时内就会产生多次崩塌，瞬时发生大规模崩塌的情况也不少。 ·在砂层中，多发生比较小规模的和中等规模的崩塌。在没有涌水的砂砾层中，掌子面可能是自稳的，但会从拱顶发生小规模的掉落。 如何评价掌子面的
4、稳定性，首先要明确影响掌子面稳定性的因素（指标）。表2列出有关评价掌子面稳定性的指标。 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
5、离子交换容量， 单位体积重量， 单轴抗压强度 初期位移速度 初期位移速度 土砂围岩 单位体积重量， 凝聚力，内摩擦角 未固结围岩 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
6、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
7、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 注：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
8、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。 图1 埋深与隧道纵断面内的下沉
9、 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。 图2 地表下沉与地表开裂 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
10、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
11、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） ◎ ○ 钢筋 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 ○ ○ 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～
12、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 ◎ 锚杆 玻璃纤维锚杆 保持掌子面自稳性的方法 注：◎：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
13、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
14、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）。 图2单钢管超前支护例 （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。 图4 钢背板施工例 图3 钢背板超前支护例 实
15、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
16、于洞口有崩塌危险的地段。 图6小导管注浆例 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.。 图7 注浆锚杆示例杆例 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。 图8 压注泡沫尿烷的超前支护 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
17、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。 图9 锚杆的实施例 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 图10 正面喷射混凝土例 正面喷射混凝土是在开挖后的
18、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。 图11 膨胀性围岩的掌子面加强例 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
19、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
20、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f60～125mm的钻孔，而后插入钢筋。其作用是：利用砂浆和周边围岩的
21、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f50～70cm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
22、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
23、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。
24、 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
25、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。 ⑴ 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。 ⑵ 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
26、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。 ⑶ 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
27、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。 ⑷ 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 ⑸ 施工示例 在一座位于市区的
28、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
29、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
30、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
31、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 400 kgf/cm2 喷射量 310～340 l/m 配 比 水泥 760 kg 超高压用流化剂 12 kg 水 750 l 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
32、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
33、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
34、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
35、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。施工步骤如下。 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
36、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，内部用喷射方法充填钢纤维混凝土，在隧道周边形成一个拱形壳体。 图16 Perforex预衬砌法 英国在某一公路隧道中也曾采用预衬砌法。该
37、隧道是马蹄形断面，宽１２，５ｍ、高８ｍ、开挖断面积１１０ｍ２（图16）。埋深约５～１５，断层多，崩塌性高。在欧洲，法国、西班牙、意大利等国都曾采用预衬砌法已经有２０多年的历史，其中采用最多的是对作业人员安全性最高的Ｐｅｒｆｏｒｅｘ法。是用模筑混凝土形成一次衬砌，以确保作业人员的安全。施工方法是用２台台架，在台架上搭载有开挖装置的移动平台（照片１），进行开挖沟槽而后压注混凝土。本隧道的预衬砌的最大长度是２，５ｍ、衬砌厚度是２０ｃｍ，一次施工的周长是５ｍ。混凝土采用３，５小时～４小时就可达到８ＭＰａ强度的混凝土。这种方法在沟槽不能自稳的场合不能应用。此时应进行注浆。 采用此方法地表下沉不到１５ｍ
38、ｍ． 施工要点四 断面及时封闭（闭合） 在软弱围岩中，断面及时闭合是成功的关键。许多工程实践，都充分地证实了这一点。我们在这方面也有深刻的教训。 在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的。在岩石隧道中，因围岩的结构作用，能够“自封闭”，而在软弱、土砂围岩中，则必须改变“重视上部支护、忽视断面闭合”的做法。 断面及时封闭的方法视施工方法而异。下面分别加以说明。 1．临时仰拱 在台阶法中，常常采用修筑临时仰拱的方法，如图１所示。 图1 临时仰拱施工例 2．加强底部 也可以采用加强底部的方法，如加强基
39、脚、向底部地层注浆或设置底部锚杆等。 为了控制上部断面的下沉，并确保底脚处的承载力，设置了钢管桩，如图2所示。其最大轴力是80tf。 图2 底脚加固 也可以用高压喷射搅拌方法加固掌子面前方的地层和底脚的地层，如图3和图4所示。 图3底部加固 图4各种加固方法的应用 图5是德国采用留核心土、临时仰拱及底部加强的做法。 图5 留核心土、临时仰拱等加固方法 日本长滨隧道是一座扁平的大断面隧道（开挖断面积132m、扁平率0.61）。地质条件：未固结的砂层和泥岩互层，地下水位在隧道拱顶上方。为了确保施工安全和拱顶的稳定，施工中采取了以下方法 ·止水方法：
40、如图6所示，在隧道上部通过压注形成一个厚3m的止水带。压注后渗透系数从10-3cm/s提高到10-6cm/s。 图6 止水方法 （2） 超前支护：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7所示。 图7 水平喷射法 这里介绍的工程实例都是软弱地层的加固地层方法。也是提高围岩自身支护能力的主要方法。在这些方法中一个重要的经验就是要尽可能地采用适合施工需要的施工机械，大力提高施工的机械化水平。其次就是不要存在侥幸心理，总想能够对付过去就行了，结果是得不偿失。 （3）改变施工方法 如将全断面法改为超短台阶法，或将CD法
41、改为CRD法等也可以大大缩短断面封闭时间。 例1 全断面法＋超短台阶法 日本把它称为带有辅助台阶的全断面法，即保持３ｍ左右的台阶，上下断面同时开挖的方法。我国宝中线上的大寨岭隧道的施工方法与此类似。 大寨岭隧道全长3136m，最大埋深约170m。隧道穿越大寨黄土塬，进口位于洞沟旁居民的窑洞下面，出口位于三岔沟右岸两条冲沟交汇处的小土梁下。 隧道穿越黄土梁，洞身除出口约80m范围为Q2老黄土地层外，其余均为Q1砂粘土地层，Q1砂粘土结构紧密，质地坚硬，硬塑，天然含水量14.9~26％。隧道围岩为Ⅳ、V类。 隧道通过大寨塬，塬面平坦开阔，均为耕地，塬顶最大高程15
42、40m，塬周缘黄土冲沟极为发育，沟床狭窄，两岸陡峻，岸坡多为滑坡，错落崩坍体。塬表层为第四系上更新统风积新黄土(Q1)厚3~11m；中层为第四系更新统冲洪积老黄土(Q2)，中央数层古土壤薄层，厚50~80m；下层为第四系更新统冲洪积砂粘土(Q1)，含砂砾石，结构紧密，土质较均匀，节理发育，液限为29.1％～35.7％，属非膨胀土，但具有一定的膨胀性。隧道进口218m，出口318m，地段为Ⅱ类围岩，其余2600m围岩为Ⅲ类围岩。 隧道采用复合衬砌，初期支护及二次衬砌的有关设计参数如表1。 表1 大寨岭隧道施工设计参数表 起 止 里 程 DⅡK159十632 DⅡK159十850
43、 DⅡK159+850 DⅡK162+450 DⅡK162+450 D]Ikl62十768 备注 围岩级别—长度 V级—218m Ⅳ级—2600m V级—318m 初 期 支 护 C20喷混凝土厚度 15cm 10cm 15cm φ6×φ6(环×纵)钢筋网 拱墙设 拱墙设 拱墙设 网格20cm× 20cm φ22锚杆 L=2.5m 100cm× 80cm (环×纵) L=2.0m 120cm×100 cm(环×纵) L=2.5m 100cm× 80cm (环×纵) 系统锚杆V级 24.4根／m Ⅳ级16
44、5根／m 二 次 衬 砌 拱墙C20素混凝土厚度 35cm 30cm 35cm 仰拱C15混凝土厚度 40cm 35cm 40cm 仰拱C20混凝土厚度 (长63m)40cm 无 (长18m)40cm 预留变形量 10cm 7cm 10cm （1） 概况 本隧道进、出口分别于1990年12月20日及25日开工。进口位于居民的窑洞下，窑洞室内地坪距洞顶开挖线仅2.5m，进深27m处，洞顶埋深20m；出口位于岔沟(流水沟)交会处土坡上，洞顶埋深8.0m，进深30m处埋深18.0m，两口进洞段均属浅埋地段。 1） 隧道
45、开挖及支护情况 施工时先对洞顶2倍洞径范围设地表预加固锚杆，锚杆长L=3.5m，间距1.0m×l.0m交错排列，洞门仰坡刷至起拱线后，沿洞体开挖线外0.2m设双层水平超前锚杆长3.5m，锚杆尾端用环筋联结成支承构架，按先拱后墙法完成了洞口段的施工，洞身地段按短台阶法施工，上台阶用风镐开挖，架子车运土倒在下台阶，下台阶以0．6m3电动反铲(WY60A)挖装，配合3m3梭矿有轨运输，自制构件衬砌台车进行二次衬砌，每12小时完成一个开挖、出碴、喷锚、仰拱开挖灌注作业循环，每天基本完成两个循环。施工作业程序如图8所示。 图8 隧道施工作业程序图 2） 监控量测 施工中
46、按照设计要求进行了支护状态观察和地表下沉、拱顶下沉、周边收敛及围岩内部位移五项监控量测。隧道施工开始后，根据施工量测得到的数据进行分析，判断施工设计的初期支护参数，不能满足抑制围岩变形的要求，围岩与初期支护变形无稳定趋势，经多次研究，对初期支护进行了多次修改与调整：如隧道进口段的V级围岩地段初期支护参数，调整为预留变形量100mm，锚杆长由2.0m改为2.5m，间距由1.2m×l.0m改为1.0m×l.0m(环×纵)，喷层厚度改为15cm，增设格栅等，并采用硫铝酸盐早强水泥进行初喷与早强锚固药卷施作锚杆等加强措施，以增强初期支护的刚度，抑制围岩与初期支护变形，使之向稳定的趋势发展。但这些措施实
47、施后均未获得明显效果，说明经过调整后的支护参数仍然没有达到抑制围岩变形的要求。 通过对大寨岭隧道施工量测资料分析，隧道开挖后变形速率较大，开挖5d后的变形率大于5mm/d时，很难获得收敛的变形曲线，施工中再不采取措施必将引起围岩的失稳甚至塌方。因为土质隧道在开挖后的极短时间里变形很快，要求量测点的布设和初始读数尽可能早地进行，由于土质隧道不需要爆破，用机械和人工开挖，这就有可能在一次开挖循环之后即安装测点和测初始读数，时间控制在12h或更短的时间内，将断面及时封闭。 例2 CD法与CRD法 CD 法是“Center Diaphragm”的简称，而CRD法则是“Cross Di
48、aphragm” 的简称。两者既有联系又有区别。它们都用于比较软弱地层中而且是大断面隧道的场合。而 前者是在用钢支撑和喷混凝土的隔壁分割开进行开挖的方法；后者则是用隔壁和仰拱把断面上下、左右分割闭合进行开挖的方法，是在地质条件要求分部断面及时封闭的条件下采用的方法。因此，CRD法与CD法唯一的区别是在施工过程中每一步，都要求用临时仰拱封闭断面。如图9所示。 图9 CRD法施工示意图 下面以日本某公路隧道为例，说明CRD法的应用。 望洋台隧道是长401m的2车道公路隧道。围岩是软弱的土砂，埋深很小，隧道进口位于滑坡地形。为了控制滑坡，采用了抗滑桩和集水
49、井。 开挖隧道时，为确保掌子面的稳定，采用了CRD法。同时进行了大范围的实地量测，一边确认隧道和周边围岩的稳定，一边进行控制变形和拆除中壁的作业，整个工程安全地建成图10）。 该隧道埋深最大为1.2D （D：隧道开挖宽度，约15m）。整个隧道以未固结的土砂为主。围岩的N 值在15左右，变形系数为70Pa左右。距隧道进口170m范围内，显著地受滑坡的影响。 影响开挖方法选择的技术问题是： ·进口有诱发滑坡的可能； ·埋深小、变形系数仅在70Pa左右，如何保证掌子面稳定是极为重要的； 图10CD法施工示意图 ·隧道的断面形状偏平、断面积大。 采用短台阶法很难确保掌子面的稳定，因
50、此对控制变形效果好的CRD法和短台阶法进行了比选。比选时采用了弹塑性有限元法进行了解析，起结果列于表2。 表2有限元解析结果（位移：cm） 施工方法 断面划分 拱顶处 上部45o处 CRD法 分6部 19 13 分4部 24 17 短台阶法 采用辅助工法 37 30 没有采用辅助工法 41 34 解析结果表明：短台阶法尽管采用了刚性很大的辅助工法，因为断面大，控制位移的效果不好。而分部尺寸小的CRD法对控制变形是比较有利的，因此决定采用CRD 法，断面分为4部时的围岩位移是24cm，而分为6部时，位移是20cm以下。同时决定开挖从谷侧的右半断面开
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