脆弱圍巖隧道預(yù)防坍方安全施工技術(shù)概述

脆弱圍巖隧道預(yù)防坍方安全施工技術(shù)

目前在建隧道6600公里，已規(guī)劃建設(shè)隧道7600公里，隧道呈現(xiàn)

“三多”特點(diǎn)（隧道數(shù)量多、長大隧道多、風(fēng)險(xiǎn)隧道多）。其中

脆弱圍巖隧道占有相當(dāng)大的比例。

脆弱圍巖隧道施工，除地質(zhì)條件差，還會遇到斷面大、埋深

淺、下穿大路或建筑物等狀況,從而使施工愈加簡單，難度更大。

目前，由于技術(shù)措施不合理、施工方法不當(dāng)、施工工藝不到位、

現(xiàn)場管理薄弱等環(huán)節(jié)的諸多成績，形成了大量的隧道變形和坍方

事故，損失巨大，教訓(xùn)深入。

如何進(jìn)步脆弱圍巖隧道施工程度，預(yù)防變形和坍方，確保施

工安全,其核心是抓住脆弱圍巖隧道工程特點(diǎn)，落實(shí)好“三超前、

四到位、一強(qiáng)化”施工技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

⑴三超前：超前預(yù)告、超前加固、超前支護(hù)

⑵四到位：工法選擇到位、支護(hù)措施到位、快速封閉到位、襯砌

跟進(jìn)到位

⑶一強(qiáng)化：強(qiáng)化量測

1脆弱圍巖隧道變形、坍方事故案例

L1事故案例

鄭西客專南山口隧道大坍方（2007年7月15日發(fā)生）。坍

方段埋深86米，地質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖及卵石土，實(shí)行臺階法施

工。掌子面初期支護(hù)首先消滅掉塊、開裂，3天后發(fā)生大坍方,

坍方長度146米，洞內(nèi)初期支護(hù)全部毀壞，形成地表房屋開裂,

經(jīng)濟(jì)損失較大。坍方緣由：快速封閉不到位、襯砌跟進(jìn)不到位、

量測未到位。（下臺階開挖83米，仰拱距掌子面126米，二襯距

掌子面146米）。

大坍方146nl

HLii.tAX.I

貴廣鐵路東科嶺隧道涌砂坍方（2010年1月19日發(fā)生）。

坍方段埋深21m（屬淺埋），地質(zhì)為向斜構(gòu)造全風(fēng)化花崗巖，呈

砂狀，開挖擾動后呈流塑狀，地表為水田和常年流水水溝。進(jìn)口

開挖到398米處，掌子面施作超前小導(dǎo)管時(shí)，忽然發(fā)生涌砂坍方,

涌砂量約800立方，隨后地面消滅坍陷，坍坑直徑約35米。

涌砂坍方緣由：未進(jìn)行超前預(yù)告、未進(jìn)行超前加固、未進(jìn)行

超前支護(hù)

東科嶺隧道涌砂坍方照片

東科嶺隧道地面坍塌照片

張集鐵路舊堡隧道初期支護(hù)開裂變形（2010年2月26日發(fā)

生）。變形段隧道埋深約300米，地質(zhì)為麻粒巖夾輝綠巖脈，處

于F3斷層影響帶，構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，巖體裂開。進(jìn)口開挖到4136

米處，初期支護(hù)工25b鋼架發(fā)生變形，變形速率151mm/d,隨

后掌子面后方30米范圍內(nèi)初期支護(hù)歪曲變形，放射混凝土開裂、

掉塊，滲水量增大。該段變形緣由：由于對工程地質(zhì)特性生疏不

足，工法選擇不到位、支護(hù)措施不到位。

舊堡隧道初期支護(hù)變形開裂照片

集包鐵路新旗下營隧道坍方（2010年3月19日發(fā)生）。坍

方段埋深約70米，地質(zhì)為變質(zhì)大理巖，后期施工時(shí)經(jīng)常發(fā)生局

部掉塊。進(jìn)口開挖到370米處。后方56米地位初期支護(hù)（格柵

鋼架）失穩(wěn)毀壞坍方，形成多名作業(yè)人員遇難。

坍方緣由：支護(hù)措施不到位、快速封閉不到位、量測不到位

新旗下營隧道坍方照片

1.2事故統(tǒng)計(jì)與分析

統(tǒng)計(jì)2006年至今脆弱圍巖隧道發(fā)生事故

2006年

3月21日:武康二線王家溝隧道坍方，8人受困。

5月16日:大麗線南場嶺隧道洞口坍方，6人受困。

5月21日:洛湛線雙牌二號隧道洞口坍方，1死3傷。

8月12日:鄭西客專秦東隧道坍方，2人死亡。

9月13日:武康二線系家山一號隧道坍方，2人死亡。

2006年發(fā)生事故5起，形成5死3傷14人受困

2007年

4月30日:太中銀吳堡隧道坍方，4死1傷。

7月15日:鄭西客專南山口隧道大坍方146米。

8月6日:石太客專南莊隧道坍方，2人死亡。

8月6日:廣深港客專水田隧道洞口坍方，2人死亡。

9月2日:合寧線亭子山二號隧道坍方，5人死亡。

9月30日:蘭青二線八盤峽二號隧道坍方，8人受困。

2007年發(fā)生事故7起，形成13死2傷8人受困

2008年

1月9日:蘭青二線楊家店隧道坍方，2人死亡。

1月20日:鄭西客專盤東隧道坍方，3人死亡。

3月21日:田德線百安隧道坍方，2死3傷。

3月25日:包西線活沙兔隧道坍方，4人死亡。

7月15日:洛湛線古欖隧道坍方，1人死亡。

8月29日:西格二線克士隧道坍方，4死7傷。

2008年發(fā)生事故6起，形成16死10傷

2009年

2月17日:包西線寨山村隧道坍方，2人死亡。

3月8日:石武客專木蘭隧道坍方，2死2傷。

3月16日:向莆線寶臺山隧道坍方，3死1傷。

7月19日:襄渝二線楊家溝隧道坍方，2人死亡。

8月1日:湘桂線梅子坳隧道洞口坍方，3人死亡。

10月29日:包西線新響沙灣隧道坍方，人員逃脫。

12月19日:包西線鄧家樓一號隧道坍方，6人受困。

2009年發(fā)生事故7起，形成12死3傷6人受困

2010年

1月14日:南廣線白云隧道突水突泥，5人死亡。

3月19日:集包線新旗下營隧道坍方，10人死亡。

7月11日:南黎線那適2號隧道坍方，10人死亡。

2010年發(fā)生事故3起，已形成25人死亡。

對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，脆弱圍巖隧道事故次要表如今三個(gè)方

面：

一是洞口坍方，占20%。

二是掌子面變形坍方，占33%。

三是掌子面后方坍方“關(guān)門”，占47%。

據(jù)以上不完全統(tǒng)計(jì)，從2006年到2010年為止，4年多工夫

內(nèi)，脆弱圍巖隧道發(fā)生事故28起,死亡71人,事故發(fā)生之頻繁，

死亡人數(shù)之多，令人傷心。究其緣由，次要有兩個(gè)方面，一是客

觀上地質(zhì)和環(huán)境的簡單性，二是客觀上技術(shù)措施、施工方法及工

藝、現(xiàn)場管理等緣由。因此，進(jìn)步對脆弱裂開圍巖的生疏，進(jìn)步

設(shè)計(jì)和施工程度，做到“三超前、四到位、一強(qiáng)化”，對杜絕工

程事故的發(fā)生格外重要。

2脆弱圍巖隧道地質(zhì)特征和工程特點(diǎn)

2.1脆弱圍巖隧道地質(zhì)特征

圍巖強(qiáng)度低，承載力量低。如黏性土、粉土、砂類土、黃土、

全風(fēng)化巖體等。節(jié)理發(fā)育、裂開、自穩(wěn)力量差。如巖體裂開的泥

巖、頁巖、砂巖、千枚巖、板巖等。斷層帶散體結(jié)構(gòu)、自穩(wěn)力量

極差。受構(gòu)造影響，斷層帶結(jié)構(gòu)面雜亂無序，呈角礫、縻棱狀或

碎裂結(jié)構(gòu)，充填泥質(zhì)或泥夾巖屑。

2.2脆弱圍巖隧道工程特點(diǎn)

脆弱圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)力量差，隧道開挖后地應(yīng)力重新分布,

使隧道周邊產(chǎn)生較大的松動圈。一旦工程措施（包括設(shè)計(jì)措施）

和施工方法不當(dāng)，將極易發(fā)生初期支護(hù)變形侵限和隧道坍方等工

程事故。因此，脆弱圍巖隧道施工的核心是“把握變形、防止坍

方”。

3脆弱圍巖隧道施工技術(shù)

脆弱圍巖隧道施工，應(yīng)在以下八個(gè)方面予以注重，完成標(biāo)準(zhǔn)

化施工管理，從而避開變形和坍方事故的發(fā)生：

（1）超前預(yù)告（2）地表加固（3）超前加固（4）超前支護(hù)

（5）開挖工法（6）初期支護(hù)（7）二次襯砌（8）監(jiān)控量測

3」超前預(yù)告

現(xiàn)場時(shí)常會遇到實(shí)踐開挖揭示的地質(zhì)與設(shè)計(jì)供應(yīng)的地質(zhì)存

在較大差異，惹起技術(shù)措施和施工方法的變化。因此，除設(shè)計(jì)階

段加強(qiáng)地質(zhì)勘察外，施工階段也必需進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)告工作，這

一點(diǎn)尤為重要。

地質(zhì)素描、物探、超前鉆探方法是脆弱圍巖超前預(yù)告的次要

手腕。在裂開帶和斷層地段，加強(qiáng)超前長、短鉆孔，準(zhǔn)時(shí)探明隧

道后方地質(zhì)狀況，特殊是地下水的發(fā)育狀況，嚴(yán)禁在未探明狀況

下自覺開挖。參建各方都該當(dāng)注重施工階段超前地質(zhì)預(yù)告工作，

建立責(zé)任制，明白責(zé)任和分工。高和極高風(fēng)險(xiǎn)隧道，必需進(jìn)行超

前地質(zhì)預(yù)告的專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

3.2地表加固

隧道上部需加固土體接受鉆孔壓力注漿加固與雙管旋噴樁

注漿兩種加固方法。沿隧道縱向方向首先接受旋噴樁劃分為三等

分進(jìn)行加固，其中隧道兩側(cè)加固邊界接受雙排旋噴樁進(jìn)行加固O

地表加固施工時(shí)先橫向根據(jù)5m間距接受旋噴樁進(jìn)行加固。在由

旋噴樁圍成的5mx4.393m的方格，然后再在旋噴樁加固的網(wǎng)格

內(nèi)接受鉆孔壓力注漿加固。

雙管旋噴樁空氣緊縮氣壓0.5?0.7MPa,噴漿壓力20Mpa,

提升速度為7?14cm/min,旋轉(zhuǎn)速度可取11?14r/min。漿液接

受1：1水泥漿。

321、技術(shù)把握要點(diǎn)

1）固結(jié)體的全體性和均勻性；

2）固結(jié)體的有效直徑；

3）固結(jié)體的垂直度；

4）固結(jié)體的強(qiáng)度特性（包括軸向壓力，程度推力，抗酸堿性

等）；

5）固結(jié)體的溶蝕和耐久功能等。

3.2.2、把握方法

開挖檢查：以檢查固結(jié)體垂直度和固結(jié)外形；

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)：求協(xié)作比及檢查固結(jié)體的強(qiáng)度;

鉆孔檢查：鉆取旋噴固結(jié)體的巖芯，來觀看推斷其固結(jié)全體

性，并做好標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)物理性實(shí)驗(yàn)，以求待其強(qiáng)度特

性（按巖體取芯，丹州自然抗壓強(qiáng)度L2MPa目的把握），鑒定其

能否符合設(shè)計(jì)要求。

3.3超前加固

在斷層裂開帶和脆弱地層，特殊是富含水時(shí)，必需對圍巖進(jìn)

行超前加固，改良地層，確保隧道安全施工。必需裝備專業(yè)隊(duì)伍、

專業(yè)設(shè)備，進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，保證加固效果。目前，常用的圍巖加

固方法是注漿法。注漿法次要分全斷面注漿和局部注漿兩種。在

富水?dāng)鄬拥貛?，常?shí)行全斷面注漿。全斷面注漿法鉆孔數(shù)量多，

施作周期長；局部注漿是針對隧道后方地層特點(diǎn)，對薄弱部位進(jìn)

行注漿，鉆孔數(shù)量少，施作周期短。無論是全斷面注漿，還是局

部注漿，都要求必需裝備先進(jìn)的鉆孔注漿設(shè)備，必需實(shí)行信息化

注漿。

別巖槽隧道Fl斷層全斷面注漿照片

齊岳山隧道F11斷層信息化注漿照片

注漿加固范圍：縱向加固長度應(yīng)根據(jù)鉆機(jī)力量和地層特點(diǎn)確

定，普通為20?30m。特殊地層條件下，應(yīng)準(zhǔn)時(shí)調(diào)整縱向注漿加

固長度，否則既影響進(jìn)度，又影響質(zhì)量。環(huán)向加固厚度普通為3?

5m,局部可添加到5~8m。

中國產(chǎn)MGJ-50鉆機(jī)中國產(chǎn)XY-2PCG鉆機(jī)

該類鉆機(jī)最大扭矩2000—3000N?m鉆進(jìn)速度3?5m/h

中國產(chǎn)MZ200鉆機(jī)

最大扭矩3400N?m鉆進(jìn)速度5?15m/h

日本產(chǎn)RDP-150鉆機(jī)

最大扭矩8000N?m鉆進(jìn)速度15?20m/h

日本礦巖RPD-180C多功能鉆機(jī)

最大扭矩8000N?m,鉆進(jìn)速度15?20m/h

卡薩C6鉆機(jī)（意大利）

加則酬w辛或幽

意大利C6鉆機(jī)

最大扭矩13550N?m鉆進(jìn)速度20?30m/h

意大利產(chǎn)SM400鉆機(jī)

最大扭矩13630N?m鉆進(jìn)速度20?30m/h

德國KR805鉆機(jī)

最大扭矩27000N?m鉆進(jìn)速度25?30m/h

3.4超前支護(hù)

常用的超前支護(hù)方式有超前大管棚和超前小導(dǎo)管兩種。

(1)超前大管棚：超前大管棚普通是在對沉降有嚴(yán)厲要求

時(shí)運(yùn)用，合適于淺埋洞口、積累體、砂土質(zhì)地層、斷層裂開帶地

層，以及下穿大路、鐵路、地面建筑物時(shí)接受。大管棚普通接受

4)70mm-4)159mm的鋼管，縱向長度10?100m根據(jù)工程需求

設(shè)置。

洞內(nèi)大管棚照片

設(shè)管棚工作間：普通施作管棚時(shí)都要設(shè)置管棚工作間，管棚

工作間按鉆機(jī)特點(diǎn)設(shè)計(jì)，比隧道斷面加寬50?70cm,工作間長

度7?10m,假如只進(jìn)行一個(gè)循環(huán)管棚施作，管棚工作間比較簡

約。但假如循環(huán)多時(shí)，施作多個(gè)管棚工作間就存在著三個(gè)成績。

隧道后期管棚工作間照片

一是為施作工作間，隧道斷面加大后，開挖難度加大，開挖

安全風(fēng)險(xiǎn)添加。

二是若循環(huán)注漿后未能按設(shè)計(jì)開挖到位，工作間尺寸將滿足

不了要求，將無法進(jìn)行正常管棚作業(yè)。

三是由于管棚工作間實(shí)行擴(kuò)挖斷面方法，既添加了開挖費(fèi)

用，又添加了回填混凝土的費(fèi)用，鋪張大。

無工作間管棚施作技術(shù)：在標(biāo)準(zhǔn)斷面接受頂進(jìn)器將管棚頂?shù)?/p>

開挖斷面外。該技術(shù)不需求擴(kuò)大斷面，不切割大量的管棚，降低

了施工風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)步了工效，節(jié)省了投資，應(yīng)大力推行。

隧道斷層后期無管棚工作間照片

超前小導(dǎo)管：超前小導(dǎo)管是在對施工安全要求較高的條件下

運(yùn)用。在裂開圍巖、積累體、砂土質(zhì)地層、斷層裂開帶中普遍接

受。當(dāng)?shù)貙涌ㄣ@嚴(yán)峻時(shí)，可接受自進(jìn)式錨桿。小導(dǎo)管普通接受小

32mm?4)60mm的鋼管，縱向長度2.5?6m根據(jù)工程需求設(shè)置。

小導(dǎo)管布設(shè)后根據(jù)地層波動狀況，如需求可進(jìn)行注漿，加固周邊

地層。

洞內(nèi)超前小導(dǎo)管施工照片

程度旋噴支護(hù)：軟塑土體、含水砂層等可接受程度旋噴進(jìn)行

超前加固與支護(hù)。

預(yù)切槽支護(hù)：用特制的鏈?zhǔn)綑C(jī)械切刀沿?cái)嗝嬷苓呥B續(xù)切割出

一條厚約數(shù)十厘米，深數(shù)米的窄槽，同時(shí)運(yùn)用與切刀一體化的混

凝土灌注設(shè)備注入混凝土，構(gòu)成一個(gè)連續(xù)的，起預(yù)先支護(hù)作用的

混凝土拱殼。然后在“拱殼”支護(hù)下進(jìn)行工作面的全斷面機(jī)械發(fā)

預(yù)切槽法三維表示

3.5開挖工法

常用的開挖工法有臺階法、環(huán)形導(dǎo)坑（預(yù)留核心土）法、CD

法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。

開挖工法應(yīng)根據(jù)地質(zhì)狀況和地層加固狀況確定。實(shí)施中根據(jù)地質(zhì)

狀況和量測成果準(zhǔn)時(shí)調(diào)整工法。開挖工法選擇時(shí)，準(zhǔn)繩上在確保

安全條件下，應(yīng)從簡約到簡單，盡量增添開挖步驟。現(xiàn)場施工應(yīng)

嚴(yán)厲執(zhí)行設(shè)計(jì)工法，不得私自更改。

臺階法：該工法普通合適于IV級圍巖，要求臺階長度不大于

1倍洞徑，仰拱距掌子面距離不大于2倍洞徑。

環(huán)形導(dǎo)坑（預(yù)留核心土）法：該方法利用核心土波動掌子面,

然后開挖兩側(cè)邊墻、中部核心土，最終開挖仰拱。該工法步驟多,

工藝要求高。

rr

目前，脆弱圍巖大斷面隧道多接受環(huán)形導(dǎo)坑法（三臺階七步

流水法），消滅的成績也最多，對該工法技術(shù)要求如下（雙線隧

道）：下臺階每循環(huán)開挖進(jìn)尺V、VI級圍巖不大于1根鋼架，IV

級不大于2根。邊墻開挖進(jìn)尺不大于2根。仰拱開挖前必需完成

鋼架鎖腳錨桿（管），每循環(huán)開挖進(jìn)尺不大于3m。初期支護(hù)封閉

成環(huán)地位距掌子面距離準(zhǔn)繩上不宜不大于2倍洞徑。根據(jù)地質(zhì)、

量測狀況，設(shè)置暫時(shí)仰拱或橫撐。

環(huán)形導(dǎo)坑（預(yù)留核心土法）照片

CD法（中隔壁法）：該工法合適于淺埋地段或穿越建（構(gòu)）

筑物時(shí)接受，以增添沉降，防止坍方。該工法是將隧道分為左右

兩部分進(jìn)行開挖，先在一側(cè)接受臺階法分層開挖及支護(hù)，再開挖

隧道另一側(cè)。每臺階縱向長度3?5m。初期支護(hù)仰拱緊跟下臺階,

封閉成環(huán)。

CRD法（交叉中隔壁法）：該工法在特殊條件下接受。該工

法是將大斷面隧道上、下、左、右分塊開挖，并施作初期支護(hù)和

暫時(shí)橫撐（暫時(shí)仰拱），每臺階縱向長度3?5m,步步封閉成環(huán)。

CRD工法開挖照片

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法：該工法在特大斷面等特殊條件下接受。該工

法先開挖隧道兩側(cè)導(dǎo)坑，再進(jìn)行中部開挖支護(hù)。工法特點(diǎn)：把握

沉降變形好，但連接點(diǎn)多，受力簡單，對工藝要求高。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法工法開挖照片

對于巖石強(qiáng)度低，環(huán)境要求高的隧道應(yīng)接受單臂掘進(jìn)機(jī)、銃

挖機(jī)、機(jī)械裂開等開挖。

3.6初期支護(hù)

初期支護(hù)方式：錨網(wǎng)噴；錨網(wǎng)噴+鋼拱架，鋼架方式有格柵

鋼架、工字鋼、H型鋼。特殊地質(zhì)條件下運(yùn)用噴鋼纖維混凝土。

初期支護(hù)受力特征：隧道開挖后短工夫或變形量小時(shí)，初期支護(hù)

與地層共同承受形變壓力。支護(hù)不準(zhǔn)時(shí)或支護(hù)后變形量過大，巖

體松動后荷載加大，由初期支護(hù)完全被動地承受松動壓力。因此,

必需保證初期支護(hù)的強(qiáng)度和剛度，準(zhǔn)時(shí)支護(hù)，把握變形。

初期支護(hù)仰拱（暫時(shí)仰拱）準(zhǔn)時(shí)閉合極其重要，閉合成環(huán)后，

進(jìn)步了卻構(gòu)的承載力量，從而有效地把握變形、避開坍方。

技術(shù)要求：雙線隧道IV、V級圍巖接受臺階法開挖時(shí)，必需

設(shè)置鎖腳錨桿（管）等把握拱（墻）腳位移的措施。雙線隧道V

級圍巖應(yīng)設(shè)置橫向暫時(shí)支撐或暫時(shí)仰拱，暫時(shí)支撐接受型鋼，縱

向每2根設(shè)1處。鋼拱架宜接受八字節(jié)格柵拱架。鋼拱架應(yīng)工廠

化制造，出廠前必需進(jìn)行檢驗(yàn)、試拼裝。噴混凝土準(zhǔn)繩上接受濕

噴工藝，特殊地質(zhì)條件下可另行設(shè)計(jì)。

3.7監(jiān)控量測

監(jiān)控量測是脆弱圍巖隧道安全施工的“眼睛”，是推斷結(jié)構(gòu)

波動性、指點(diǎn)脆弱圍巖隧道安全施工“最重要”的信息化手腕。

不進(jìn)行監(jiān)控量測，將無法保證脆弱圍巖的安全施工。很多隧道的

變形與坍方是由于沒有進(jìn)行量測、或沒有運(yùn)用量測成果才產(chǎn)生的,

教訓(xùn)深入。

監(jiān)控量測次要包括拱頂下沉和程度收斂，淺埋段應(yīng)進(jìn)行地表

沉降量測。目前接受有尺量測的較多。由于隧道斷面大，實(shí)行有

尺量測時(shí)，施工干擾大、耗時(shí)長。應(yīng)大力推行接受全站儀利用貼

片反射進(jìn)行量測。

技術(shù)要求：建立等級管理、信息反饋和報(bào)告制度。隧道監(jiān)控

量測必需設(shè)置專職人員，培訓(xùn)后上崗，實(shí)行專業(yè)化管理，城