浅谈软岩隧洞开挖和一次支护

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－８９７２．２０１２．１９．０１１　浅谈软岩隧洞开挖和一次支护　谢爱花纪光磊　中国水利水电第一工程局有限公司　摘要　本文通过在建和已完软岩隧洞工程，根据现　有的施工技术和软岩的特点，总结已经在工　程中得到成功运用的施工方法，并能够正确　理解新奥法通过一次支护利用围岩自承载能　软岩自稳时间短和饱和单轴抗压强度小　于３０ＭＰａ，对可钻围岩采用全长粘结型锚　杆，锚杆主要采用锚杆台车或手风钻造孔，　注浆管插至距孔底５０ｍｍ～１００ｍｍ，随浆液　的注入缓慢均匀拔出。锚杆安装后，孔口加　二道弯隧洞洞身所经地层，岩性为第　四系中更新统的砂砾石，进ＩＺｌ表层覆盖有　５ｍ～ｌＯｍ厚的风积黄土，出口表层覆盖一层　厚３ｍ～１０ｍ的坡洪积碎石土，洞身处在砂砾　石干密度Ｙ　ｄ为１．９～２．０ｇ／ｃｍ　，砾石含量　力，以达到结构的稳定性和安全性。　关键词　软岩；开挖；支护　１概述　深圳公明Ⅶ标放水隧洞、顶山隧洞　（１　５ｋｍ）、二道弯隧洞、八十一大坂隧洞　进ＩＺｌ（５ＫＭ）其共同的特点为砂岩、泥质　砂岩、泥岩、砂砾岩，岩石饱和抗压强度低　于１　５ＭＰａ，以上四条隧洞为机械配合人工　修整轮廓面非爆破方式开挖。在岩石饱和抗　压强度低于１　５ＭＰａ的软岩和岩石饱和抗压　低于５ＭＰａ的极软岩隧洞开挖时，采用不扰　动或少扰动围岩的施工方法。　２软岩开挖　软岩开挖以不（弱）爆破、短进尺、强　支护、早封闭，以不扰动和少扰动围岩为原　则，喷锚支护紧跟掌子面。　如果隧洞跨度小于１０ｍ，宜采用台阶分　部法开挖，掏槽宽度大约ｌｍ，上、下台阶　距离控制在３ｍ～５ｍ，并预留核心土，开挖　进尺控制在０．５ｍ～１．５ｍ为一个开挖循环，　开挖完一个循环后，立即进行格栅安装，挂　网片、喷混凝土３ｃｍ～５ｃｍ。下台阶开挖时　左右边墙错开开挖，错开２榀格栅间距。　２．１一次支护　２．２．１钢格栅及钢拱架　工程上一般采用架设钢格栅及钢拱架喷　射混凝土来增强软岩的变形支护抗力，钢拱　架抗压强度大于钢格栅。　钢格栅及钢拱架根据设计和实际施工需　要将１榀分成几单元（节）。节问通过接头　板螺栓连接，注意柱脚应设置在无沉降的基　础上，钢格栅及钢拱架利用拱角和锁脚锚杆　加固。钢格栅及钢拱架安设定位准确，允许　偏差横向和高程均为±５０ｒａｍ，垂直度允许　偏差为±２。。　钢格栅及拱架应保证能单独承受　２ｍ～４ｍ高的松动岩柱重量，应保证钢格　栅（拱架）与围岩之间的混凝土厚度不　小于４０ｍｍ，立柱埋入底板深度不应小于　ｌ５ｒａｍ，或设置底座，当有水沟时不应高　于水沟底面。如果采用钢管拱架，应在架　设完后注满水泥砂浆。纵向间距不应大于　１．５ｍ，两榀间用联系筋焊接。　‘　２．２．２锚杆施工　楔固定封严，砂浆终凝前不允许扰动。　对不可钻围岩（砂质泥岩）或成孔较困　难的围岩采用摩擦型锚杆，将杆体一端切成　４５。尖，用风镐将杆体打入岩体，一般呈梅　花形排列。环向不大于设计间距１５ｃｍ，平　均长度不小于设计长度。　２．２．３Ｎ筋网喷射混凝土　根据设计的构造要求，钢筋网大多采用　６ｒａｍ～１０ｍｍ直径的圆钢，必要时采用双层　钢筋网。利用锚杆点焊牢固，使钢筋网紧贴　岩面，网间用２２＃铅丝扎牢。如果网片安装　较困难或较危险，可以采用喷射普通碳素钢　纤维，要求抗拉强度不得低于３８０ＭＰａ，直　径０．３ｒａｍ～０．５ｒａｍ，长度２０ｍｍ～２５ｒａｍ，　为混合料重量的３％～６％。　喷射混凝土采用４２．５硅酸盐水泥，细　骨料采用粗、中砂，细度模数大于２．５，速　凝剂掺入量根据配合比确定。分层混凝土喷　射时，两次喷射的时间间隔不宜过短。为了　两次喷射的混凝土能密贴，一般不超过１小　时。若超１小时，喷射前应把浮在表面的回　弹料清理干净，并喷水湿润混凝土表面，确　保层间粘结良好。　通过钢格栅、锚杆、网喷混凝土最大限　度的提高围岩的弹性模量，从而提高围岩的　白承载能力，使他们形成一个牢固的承重拱　环，保持围岩稳定。　３施工期监测　施工期监测包括围岩收敛观测、顶拱下　沉及围岩变形监测等。　围岩收敛观测：软岩观测断面间距宜按　２０ｍ～５０ｍ控制，施工时视岩石开挖情况进　行增减，断面实际实施时可根据实际情况进　行调整。　观测设备采用精密收敛计，精密收敛计　采用人工观测方式测量。　监测测次：　开始ｌ～１５；／￣２次／天，１５～１个月为１次　／２天，１个月～３个月为ｌ～２次／周，到二次　支护施工后，临时检测（围岩收敛、洞内顶　拱下沉）即告结束。　根据量测的数据及时绘制位移一时　间曲线，分析推算最终位移值和掌握位移变　化规律。当变形速率或总变形超过规定值　时，表明围岩和支护已呈不稳定状态，应适　当加强支护，必要时停止开挖并进行支护处　理。　４工程实例　４７　８０％，属Ｖ类围岩，稳定性差，围岩内分布有　松散的砂层透镜体，地下水低于隧洞底部。　顶山隧洞洞身所经地层，为第三系　始一渐新统砂岩、砂砾岩、泥岩（砂质泥　岩）互层，成岩作用差，弱胶结，砂岩遇　水软化，泥岩中强膨胀岩，强风化层厚度　５ｍ～７ｍ。洞顶厚度大于４０ｍ，一般埋深为：　４０ｍ～５０ｍ，最大埋深８０ｍ，岩性极弱，围岩　均属Ⅳ，Ｖ类围岩，易风化，遇水极易崩　解，成洞条件差。　４．１隧洞具体开挖方案　根据地质条件和大量的实验，隧洞采用　台阶预留核心土法，人工风镐开挖配合机械　分部开挖一次支护紧跟。　隧洞开挖采用人工风镐配合机械分上、　下台阶作业，上台阶开挖为洞挖断面半圆段　即开挖轮廓线，人工运渣至开挖下导洞处挖　掘机装车，自卸车运输。　图１上台阶开挖示意图　下台阶边墙段，左右边墙错开，二期开　挖采用短臂挖掘机开挖，人工辅助，自卸车　铺　张　运输，配合５Ｔ自卸车运输到指定料场。　姆　ｊ￡接　ｆ｝　”　图２下台阶开挖示意图　下　转第５１页　。？’－　；　３．２预测结果及损伤程度　采用表ｌ中的训练样本对进化的神经网　络进行训练。经过试算确定２层神经网络，进　化到第六代时最佳适应值为０．０１７９５３（详见图　１），经过７９００次训练，训练误差到达０．００１（详　见图２）。用训练好的模型预测承载力，其预　测结果详见表２。由表２可知预测结果满足工　程精度要求在评定构件损伤等级时，参照承　载力划分界限如表３所示　。基于表３结合上述　预测结果，便可确定受火钢筋混凝土柱的损　伤程度。　表２预测结果　参考文献　［１】杜礼全．火灾后钢筋混凝土受压构件抗火　性能及修复　．消防科学与技术，２ｏｏ　５，１　０（增　刊）：７　９．　・・　上接第４７页　４．２隧洞施工方案表　表１　　超前立护　Ｊｆ　｛地嘎情　用柑艘的超　盘　爱用＾Ｉ　Ｍ铺　啬机械，，　［２］李国强，吴波，韩林海．结构抗火研究进展与　趋州Ｊ　Ｊｌ建筑钢结构进展，２００６，８（１）：１－８．　【３】王希宾，潘加，胡海涛．结构的抗火分析和　损伤等级评定初探［Ｊ】．山西建筑，２００９，３５（２１）：　５　７　＂控方往　半涧（　）　挖　。　施ｔ黼刹　。蚓￡护照　［４】宋晓勇．钢筋混凝土柱抗火性能分析与研究　【Ｄ］．长沙：湖南大学，２００６．　［５］苏娟，王振清，白丽丽，韩玉来．四面钢筋　护　超前小制管或　断嘲怍龇，ｌ台阶为半Ｉ　艘，＾　悔！［时跟址　锵杆壤用小制管　Ｉｉｊ　锅１１‘榨轮啡，＾Ｉ遂德蕾　《：＆钢格　Ｉ盘　【成　后披　ｔｆｉｌ　４‘挑啬ｉｆ，外插　”挖Ｆ异￡　处装蕾，自卸车逛　｜瓣生撑联　护　离　世｜＿　求　辅　挖０　５　ｌ　５ｍ十稚环　合体、挂　混雒｛　设越洲设　¨　３０ｃｍ，缎　Ｆ中洲ｆ台阶）内边墙段，＾　Ｈ峨　。。　嘲　施ｑ＂　崭栅　坼　２　Ｉ．开挖地线，　袅的　川艇特　锚杆最墙　３０ｍｔ滟　救城州锚朴　襄用　挖掘机计挖艘时衬　＾Ｉ辅助．自”　程止越　凝　甘　砌城拱灌凝　．，　．．混凝土柱抗火性能分析［Ｊ］．哈尔滨工程大学学　报，２０Ｏ７，２８（ｆ２）：７　３２６　７　３５１．　＂　删触动曲脊　厚鞠，船台５］掰卸　：运输到　浆　Ｋ　艘村脚　［６］苏娟．钢筋混凝土柱的抗火性能研究【Ｄ】．哈　尔滨：哈尔滨工程大学，２００６．　［７］李耀庄，李昀晖．火灾下四面受火钢筋混凝　土柱极限承载力的简化计算［Ｊ］．防灾减灾工程　学报，２００７，２７（５）：３２５－３２８．　［８］徐媛媛，贾玉琴，张玉明．四面受火钢筋混　帆或服蠕Ｈ接摊　指定耕岛。　挖Ｏ　ｌ　５ｍ（郸　粘结　锚　送，小　性洼　豫拱敢）　个衙环　和脬攥型　表３构件损伤等级划分　注：Ｐｕ、Ｐｕｔ分别为钢筋混凝土柱受火前　后的承载力。　４结语　通过分析现有钢筋混凝土柱抗火性能的研究　成果，确定受火钢筋混凝土柱损伤程度的七　个主要因素。将遗传算法的全局寻优能力与　ＢＰ算法的局部寻优能力相结合形成的进化神　经网络，基于试验数据建立预测模型。模型　实例预测证明，该模型简单实用、准确可靠，　对准确评价受火钢筋混凝土柱损伤程度具有　重要意义。　凝土偏压柱承载力的灰色预测［Ｊ］徐州建筑职业　技术学院学报，２００７，７（４）：９～１　５．　［９］张可乐，赵思远，董亚男．基于神经网络的三　面受火钢筋混凝土柱的力学性能预测［ＪＪ河南城　建学院学报，２００９，１　８（５）：９—１１．　［１　０】冯夏庭，张治强，杨成祥等．位移反分析的　进化神经网络方法研究［Ｊ】．岩石力学与工程学　报．１　９９９（５）：５２９－－５５３．　［１　１】郭晓婷，朱岩基于遗传算法的进化神经网　络【Ｊ］．清华大学学报（自然科学版）２０００，４０（１　０）：　５１　５５　［１　２］Ｄｏｔｒｅｐｐｅ，ＪＣ．ｅｔ　ａ　１．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｃｏｌｕｍｎｓ　ｕｎｄｅｒ　ｆｉｒｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｌ　Ｊ１．　ＡＣＩ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒ￣『Ｊｏｕｒｎａ　　１Ｊ　９９９　９６（１）：９—１　８．　　１１　５ｌＫ．Ｈ．Ｔａｎ，ｅｔ　ａ１．Ｆｉｒｅ　Ｐ￣ｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｆｏｕ　ｌ’ｆａｃｅ　ｈｅａｔｅｄ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｏｌｕｍｎｓＩ　Ｊ　Ｉ．Ｊｏｕｒｎａ『ｏｆ　ＳｔｒｕｃｔｕｒａＩ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ＡＳＣＥ，２００３：１　２２Ｏ一１　２２９．　４．３不良地段处理　不良地段拱架采用１　６工字钢，榀距　１．Ｏｍ，每榀拱架之间由（ｂ　２５钢筋连接，间　距０．８ｍ～１．５ｍ。采用小断面、短进尺、强　支护、快衬砌。　对Ｖ类围岩、断层破碎带等地质条件较　差的洞段，除上述施工工艺及方法外，还采　取如下措施：　（１）地质勘探　在开挖过程中，加强地质跟踪及预测，　钻超前勘探孔摸清围岩性状及情况，以便采　取恰当的施工程序及措施，确保围岩稳定。　（２）开挖　开挖严格按照“短进尺、强支护、快封　闭、勤量测”的原则施工。　（３）一次支护　支护位置提前具备，经安全处理，立即　施作一次支护，采用锚杆、挂网喷混凝土等　支护手段，形成一柔性封闭环，确保围岩稳　定。　（４）施工监测措施　成洞后按设计要求埋设各种观测仪器，　并开始观测，十倍洞径距离以后，视变形速　率情况，可拉开量测时间间隔。通过勤量　测，及时反馈信息，指导开挖支护施工，确　保成洞稳定和施工安全。　（５）混凝土跟进衬砌：通过变形观测，如　发现局部危岩变形速率陡增，采取一次支护　措施后尚不能满足要求时，进行顶拱衬砌。　在监测反馈信息围岩趋于稳定后，方可进行　混凝土衬砌。　５结束语　围岩越差荷载越大，隧洞跨度越大，荷　载越大。尽量不要恶化围岩的应力分布，开　挖后立即施做一次支护，防止围岩进一步松　动，所有支护相当柔性的，能适应围岩的变　形，在施工过程中密切监测围岩应力情况，　调整支护措施，控制变形。通过调整支护调　动围岩的自承载能力，达到结构稳定性和安　全性。　本文重点对洞跨小于１Ｏｍ的软岩开挖　与支护方面实践经验进行总结，以期提供合　理、科学解决洞挖工程中安全支护与开挖方　法的实践依据，供共同探讨。