软弱围岩地下洞室设计及施工技术探讨

郑金明王新征张有华白友良

摘要：借鉴目前地下洞室常用设计施工方法新奥法，围绕地层介质物理力学参数测试、围岩分级、围岩稳定性分析、结构支护设计、施工工艺、工程安全监测及修正设计等方面介绍软弱围岩地下洞室设计及施工技术。通过对工程实践基础上的软弱围岩地下洞室设计施工技术探讨，旨在为软弱围岩地下洞室设计及施工提供参考。

关键字：软弱围岩地下洞室围岩稳定性结构设计施工技术

中图分类号： TU74 文献标识码：A文章编号：

Abstract: Learn from the current commonly used design and construction method in underground caverns, the New Austrian Tunneling Method, introducing weak surrounding rock underground cavern design and construction technology around stratum media physical and mechanical properties test, surrounding rock classification, surrounding rock stability analysis, structural support design, construction technology, engineering safety monitoring, amendment design, etc. On the basis of engineering practice, study of the weak surrounding rock underground cavern design and construction technology to provide reference for the weak surrounding rock underground cavern design and construction.

Key words: Weak Surrounding RockUnderground CavernSurrounding Rock StabilityStructural DesignConstruction Technique

1引言

软岩地层一般为泥岩、碳质泥岩、粉砂岩、细砂岩、中砂岩和砾岩，矿物成分为蒙脱石、高岭石,细分散石英、伊利石的组合。软岩地层地下洞室具有自稳时间短、来压快、变形速度大、持续时间长等特点[1]，其工程性质明显区别于硬岩地下洞室，因此在设计施工技术上较硬岩地下洞室工程难度明显增加。

目前，在软弱围岩地下洞室施工中，现在多采用新奥法，新奥法是新奥地利地下洞室施工方法的简称。1980年，奥地利土木工程学会地下空间利用分会把新奥法定义为“在岩质、土砂质介质中开挖，使围岩形成一个中空筒状支承环结构为目的的地下洞室设计施工方法”。新奥法最核心的问题是利用围岩支护洞室，使围岩本身形成支承环[2]。其工艺简单、结构可靠和造价低廉等特点而引起许多国家的重视，并已在世界各地的矿山、铁道、水工地下洞室或其他大断面地下建筑工程中获得广泛的应用。

2工程地质勘察

进行场地介质物理力学参数测试、地层声波测试、围岩质量分级和场地地质详勘工作，确定工程类比方案。

2.1介质物理力学参数测试

室内实验和现场原位测试相结合，了解软岩地层的变形模量、弹性模量、抗剪强度、黏结力和内摩擦角等物理力学参数，为理论计算和支护设计提供基本参数。

2.2地层声波测试

探测围岩松动圈范围；了解试验介质的声波特征，评价不同地段地层的异同性；为场地工程围岩及场地洞体在开挖过程中介质力学特性变化提供参考数据。

2.3洞室围岩质量分级

按“工程岩体分级标准”（GB-50218-94）中的围岩分级方法，我国洞室围岩的质量分级，根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标BQ两者相结合确定，按表1所示[3-4]。

表1岩体基本质量分级

Table1

基本质

量级别 岩体基本质量的定性特征 岩体基本质量

指BQ

Ⅰ 坚硬岩，岩体完整 ＞550

II 坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整 500～451

III 坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩，软硬岩互层，岩体较完整；软岩，岩体完整 450～351

Ⅳ 坚硬岩，岩体破碎

较坚硬岩，岩体较破碎～破碎

较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主岩体较完整～较破碎

软岩，岩体完整～较完整 350～251

Ⅴ 较软岩，岩体破碎

软岩，岩体较破碎～破碎

全部极软岩及全部极破碎岩 ≤250

注：BQ＝90＋3fr＋250Kv。

当fr＞90Kv＋30时，应以fr=90Kv＋30和Kv代入上式计算BQ值;

当Kv＞0.04fr＋0.4时，应以Kv＝0.04fr＋0.4和fr代入上式计算BQ值。

3围岩稳定性分析

围岩稳定性分析通常采用方法有工程类比法、地质结构分析法、数值模拟仿真分析和地质力学物理模型试验法等。对于中小型工程，一般只采用前几种方法进行研究，但对于大型工程，地质力学物理模型试验则是必要的。

3.1数值模拟

通过模型建立、原位参数测试与材料参数选取、地应力加载模拟、失稳判据、支护结构模拟、计算结果输出与评估等手段，建立以围岩塑性变形区、围岩变形、围岩应力等判据相结合的围岩稳定性分析评估方法，从而建立以数值分析为依托的工程设计方案[5]。下面介绍几种常用的数值计算方法。

3.1.1有限单元法

有限单元法是建立在连续介质力学基础上的数值分析方法。最早被用于地下工程结构计算，目前仍是主要的数值计算方法。

3.1.2无限单元法和边界单元法

由于有限单元法在解决高维、奇异、耦合、无限域等复杂问题时存在计算工作量大和计算精度不高等问题，因此，20世纪80年代以来，将解析法与数值法相结合的半解析数值方法开始应用于隧道结构分析中。有限层法、有限条法、有限元线法、无限单元法、边界单元法等都属于半解析法，其中以无限单元法和边界单元法，应用较多。在此基础上，有限元与半解析元耦合分析的数值方法也开始出现，并在地下工程中得到广泛应用。

3.1.3离散单元法

在地下工程分析中经常会遇到节理、层理以及断层面等不连续问题，岩体的运动往往主要受制于这些弱面的影响，为了能够处理岩体非连续的特性，发展了离散单元法DEM，它以受节理切割成分立离散的块体为研究对象。

3.2物理模型试验

物理模型是在基本满足相似原理的条件下的真实物理实体，能真实反映地质构造和工程结构的空间关系，准确地模拟施工过程和影响；试验结果能给人以更直观的感觉，使人更容易从全局上把握岩体工程整体力学特征、变化趋势和稳定性特点，以及各洞室或结构之间的相互关系，从而做出相应的判断。其次，也可以通过物理模型试验，对各种数值分析结果进行一定程度的验证。

根据模型相似理论，进行小模型实验分析洞室围岩稳定性，并类推到现场实验工程，进而制定现场工程设计实验标准。

4洞室支护结构设计

洞室开挖后，坑道周围岩层原有的平衡遭到破坏，引起坑道的变形以致崩塌。因此，除岩体在整体性好而又不易风化的稳定岩层中，可以只开挖成毛洞外，其它情况的洞室,都需适时加强支护结构加固岩体。

4.1整体式混凝土衬砌(模注混凝土支护)

整体式混凝土衬砌有人工灌注和混凝土泵灌注两种，泵灌混凝土衬砌能和围岩大面积的牢固接触，是当前比较通用的一种支护形式，因工艺和防水要求，立模板灌注混凝土支护的厚度一般都不小于25～40cm,所以刚度大，强度高，表面光滑，但由于现浇混凝土需要有一定的凝固时间(不小于8h)，不能立即承受荷载，故这种支护结构通常适用于支护的变形基本稳定后的支护，即作为后期支护。

4.2锚杆支护

锚杆既可作为临时支护，又可作为永久性支护结构的一部分，通常它是新奥法的主要组成部分及基础。锚杆支护是一种特殊的支护类型，它主要是起加固围岩的作用，由于锚杆能形成支护阻力，锚杆安装迅速并能立即起作用，故广泛地被用作早期支护，尤其适用于多变的地质条件，节理化岩体以及形状复杂的地下洞室。而且锚杆不占用作业空间，坑道的开挖体积要较使用其它类型支护结构时小。锚杆和围岩之间虽然不是大面积接触，但它分布均匀，从加固岩体的角度来看，它能使岩体的强度普遍提高。通常锚杆与喷射混凝土联合使用。

4.3喷射混凝土支护

喷射混凝土作为永久性的支护结构，是现代隧道建造中支护结构的主要形式之一，是新奥法的基础。喷射混凝土支护施喷迅速，能与围岩紧密结合，并具有足够的柔性，对岩体条件和隧道形状具有很好的适应性，而且这种支护可以根据它的变形情况随时补喷加强。喷混凝土支护主要用做早期支护。

复合式支护结构的种类很多，但都是上述基本支护结构的某种组合。它是把衬砌结构分成不止一层，在不同的时间上先后施作的。目前实践的都是外衬和内衬两层。按内、外衬砌的组合情况可分为:①喷锚支护与整体式混凝土衬砌;②喷锚支护与装配式衬砌。其中最通用的是外衬为喷锚支护，内衬为整体式混凝土衬砌。

复合式衬砌是与喷锚支护和新奥法施工结合起来进行的。具体做法是先在洞壁表面上喷射一层混凝土(5～20cm厚)，有时也同时施加锚杆，凝固以后形成一个薄层的柔性支护结构，允许它有限度地产生变形，把围岩因开挖坑道而引起的形变能量尽量吸收，并把洞壁的位移逐渐地稳定下来，使外衬与围岩共同组成的初步支护体系处于平衡状态，在施工的同时，及时地测量支护结构变形的信息，把这些信息反馈到施工和结构的设计中去，据已确定内衬的最佳施作时间和适宜厚度，在外衬变形基本稳定以后，再施作内衬。复合式衬砌既能调动围岩的自承能力，又可以充分发挥结构的承载能力。许多研究结果表明:复合式衬砌的极限承载能力比同等厚度的单层模筑混凝土衬砌高20～30%，另外，调整好内衬的施作时间，还可以改善结构的受力条件。

5施工工艺

5.1小断面直坑道全断面循环作业

遵照“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测”的思想，Ⅳ、Ⅴ类围岩直坑道采用全断面光面爆破循环作业施工，每循环进尺控制在2～5m，钻爆法和机械开挖法（挖掘机）相结合。在施工中最大限度地保护围岩，以发挥围岩的自稳能力，适时开展喷浆锚杆挂网支护。

5.2大断面洞室的施工方法

从目前的施工技术水平出发，适合大跨断面的开挖方法，主要有以下几种：

（1）上半断面台阶法（短台阶法、上半断面临时封闭法）；

（2）中隔壁法（CD工法、CRD工法）；

（3）双侧导坑开挖法（眼睛法、双侧导坑超前开挖法）。

国内外近年来的工程实例表明，在各种地质地形条件下地下洞室的施工方法有不少，但适合大跨断面洞室的基本施工方法为表2所示的三类六种，详细施工方法为表3所示。

表2按围岩类别划分的基本施工方法（●—可采用，□——视条件采用）

表3国内外大断面地下工程支护参数及开挖方法统计

施工方法 1.上半断面短、超短台阶法；2.侧壁导坑法；3. CD,CRD工法 1.上半断面法（短、超短台阶法）；2.侧壁导坑法；3. CD,CRD工法；4.上半断面临时闭合法 1.上半断面临时闭合短、超短台阶法；2.侧壁导坑法；3. CD,CRD工法 1.上半断面法；2. CD,CRD工法；3.上半断面临时闭合法 1.上半断面法；2. CD,CRD工法；3.上半断面临时闭合法；4.侧壁导坑法 1.上半断面短、超短台阶法；2.侧壁导坑法；3. CD,CRD工法

喷砼厚度cm 10～25 15～35 15～35 5～20 10～25 15～25

锚杆/环*纵 2.5～3.5

/1.0*1.0 3～6

/0.8*1.0 4.5～6.5

/1.0*0.8 5.2

/1.2*1.2 2.5～3.5

/1.0*1.0 3～4

/1.0*1.0

钢支承型号/间距m H250/1.5 H250/1.0 H250/0.8 H150/1.5 H200/1.5 H200/1.0

辅助工法 小导管注浆 小导管注浆，管棚，基脚注浆、旋喷导管 小导管注浆，管棚，基脚注浆、旋喷导管、予衬砌 小导管注浆，管棚，基脚注浆、旋喷导管、予衬砌 小导管注浆，管棚，基脚注浆、旋喷导管、予衬砌 小导管注浆

衬砌厚度（拱部/仰拱m） 0.3～0.5

/0.3～0.6 0.4～1

/0.4～1 0.4～2

/0.4～2 0.25～0.5

/0～0.5 0.25～0.5

/0～0.5 0.3～0.6

/0.3～0.6

6现场工程安全监测

现场测量可以把隧道开挖后围岩和支护系统力学形态的变化动态作为判断围岩稳定性和支护系统可靠性的依据,把施工监测所获得的信息加以处理,与工程类比法的经验相结合,建立一些必要的判断准则,借以直接利用量测结果及时地调整,确定支护参数或进行施工决策。因此,合理有效地应用现场量测技术,可以确保施工安全,确定支护施作时机,提供修改的设计依据,判断隧道工程的最终稳定性[6-7]。

6.1洞内观察

洞内观察是在隧道中必须进行的量测项目。洞内观察可分为开挖面观察和已施工区段观察两部分。开挖工作面观察应在每次开挖后进行一次，当地质情况基本无变化时,可每天进行一次。观察后应绘制开挖断面略图(地质素描),填写工作面状态记录表及围岩类别判定卡。已施工区段的观察也应每天至少进行一次,观察内容包括喷射混凝土、锚杆钢架的情况。

6.2水平收敛量测和拱顶下沉

当廊道断面大，测量精度较高时，选用收敛计来测量岩体表面位移。洞内进行的水平收敛和拱顶下沉之测点原则上布置在同一断面内,其断面的间距视隧道长度、地质变化而定。测点埋设应能保证初始读数在开挖后至下循环开始前完成,并且一般在12h内,最迟不超过24h完成；测点一般应布设在距开挖面2m的范围内,并做好防护,防止被爆破损坏或被喷射混凝土掩埋；具体埋设位置根据开挖方式而定。收敛计在地下洞室净空收敛位移观测中已经广泛使用，这种方式简便易行，可以快速获取数据，是地下工程施工安全监控和围岩状态监测的主要观测手段。

6.3围岩内部位移测量

通过在隧道周边围岩内钻孔，并在孔内不同深度处埋设位移计，测出隧道周边围岩表面测点与围岩内部各测点之间的相对位移值，据此分析围岩位移随深度变化的关系，判断开挖后围岩的松动区及弹性区的范围。

6.4钢支撑应变测量

利用粘贴在构件上的应变计的力─应变─电阻变化的性质，将应变计用粘贴胶牢固地粘贴在被测构件表面（钢拱架、钢立柱的应力集中部位）。当构件受力发生变形时，应变计的敏感栅也随同变形，引起应变计电阻值变化。通过测量惠斯通电桥电路的输出电压，来测量试件的应变。通过对钢支撑的应变测量，可以了解钢支撑的工作状态和受力的大小，评价钢支撑与喷层对围岩的组合支护效果，判明支护结构的安全性和可靠性，为钢支撑选型设计提供依据。

6.5围岩与支护结构接触压力

利用安装在围岩与钢拱架间的压力盒测出围岩与支护结构的接触压力。通过对接触压力的测量可以判断出支护结构应力集中部位，为应变测量布点提供参考。

6.6地质超前预报

常用的方法有地质调查法、钻探法和物探法，采用钻探法进行地质超前预报效果最为明显，具体做法是随掌子面的推进每隔10m用台钻在洞顶和掌子面正中央分别打6m深探孔，以探明洞体周边地质条件有无变化。

7预设计修正

为了克服工程预设计的局限和不足，在工程预设计和信息采集的基础上，需要掌握基准值，并与现场动态数据进行比对。通过反演计算围岩物理力学参数来评价洞室围岩稳定性，以便对工程预设计及时做出局部修正或根本性的修改，确保施工安全。

在施工过程中，隧道开挖后要立即进行围岩状况的观察和记录，并进行工程地质特征描述，支护完成后还要对喷层表面进行观察和记录；各类现场数据要按预定的分析与预测方法，给出变化规律和预测最终值。经以上分析判断，若认为预设计中有关支护与施工参数满足预期要求，即按预设计参数继续施工，若不能满足预期要求，应修正预设计参数。

修正方法内容主要是加强支护、变更施工方法和减弱支护三种情况。

表4修正设计方法内容

Table 4The content of modified design method

修正方法内容 加强支护 变更施工方法（向加强方向） 减弱支护

•加密钢架

•增加喷射混凝土层厚度

•钢拱架拱脚增设水平支撑

•拱槽法超前支护

•增设水平地梁形成支护封闭环

•改变断面形状（直墙改曲墙） •缩短循环进尺，控制围岩扰动程度

•分部开挖，开挖时保留核心土

•缩短开挖到支护的时间

•提早喷混凝土，并在掌子面喷混凝土

•加厚支护结构底脚处的混凝土，增大承载面积 •加大钢架间距

•减小喷层厚度

•全断面开挖，增加循环进尺

参考文献

[1] 中国岩土锚固工程协会.岩土锚固新技术「M］.北京：人民交通出版社，1998.

[2] 李文新. 新奥法在盘道岭软岩隧洞中的应用[J]. 现代隧道技术, 2004, 41(4)：64-71.

[3] 中华人民共和国国家标准.工程岩体分级标准（GB-50218-94）[S]. 北京: 中国计划出版社, 1995.

[4] 何发亮,谷明成,王石春.TBM施I隧道围岩分级方法研究[J].岩石力学与工程学报，2002,21 (9).

[5] S.Pelizza, P. P.Oreste, D.PeilaandC.Oggeri, Stability Analysis of a Large Cavern in Italy for Quarrying Exploitation of a Pink Marble[J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2000 (4).

[6] 李曉红. 隧道新奥法及其量测技术[M]. 北京：科学出版社，2001.

[7] 冯卫星, 徐明新. 铁路隧道新奥法施工新实践[J]. 岩石力学与工程学报, 2001, 20(4): 524-526.

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