大断面隧道局部软岩置换施工技术探讨

大断面隧道局部软岩置换施工技术探讨
摘要：通过对局部软岩的置换，能迅速有效的提高软岩部位的岩石强度，促成承压环的形成，提高承压环的抗力，快速有效的通过软岩段落。

关键词：隧道软岩置换施工技术
1. 引言
按新奥法施工原理，是最大限度的保护围岩，利用支护及围岩组成的承压环提供的抗力，保持隧道洞身围岩的力学平衡。

对于软岩，如何有效的形成承压环，如何保证承压环的抗力，是一个较为困难的问题。

在新奥法理念中，对于软岩一般采用超前预支护来保护围岩促成承压环的形成，预注浆加固围岩提高承压环的抗力。

在施工实践中，对部分软岩的预注浆效果往往达不到预期，且成本高，时间长，后期围岩收敛控制难。

通过对局部软岩的置换，能迅速有效的提高软岩部位的岩石强度，促成承压环的形成，提高承压环的抗力，快速有效的通过软岩段落。

2.新奥法的施工理念
2.1新奥法施工理念
新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。

2.2新奥法承压环的概念
新奥法施工中，开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷射混凝凝和锚杆支护，控制围岩的变形和应力释放，在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力。

其目的在于促使围岩能够形成圆环状承载结构，围岩承载力和成环是承载结构发挥作用关键所在。

当遇到软弱围岩的时，就会采用预注浆加固围岩，提高围岩的抗力。

3.预注浆施工技术难点
3.1 围岩预注浆加固原理
注浆加固围岩，把具有一定凝固时间的浆液注入到松散土层或含水岩层裂隙中，浆液凝结后固结土的颗粒或者充填岩层裂隙使围岩性质得以改善。

按加固原理，分为两大类。

3.1.1 填充注浆在孔隙性岩土层中，浆液材料与孔隙通路相适应，在注浆压力不大的条件下，浆液以渗透方式注入孔隙加固围岩。

3.1.2 劈裂注浆在孔隙性岩层内，由于浆液材料与孔隙通路不相适应或采用了高压注浆，浆液不能以渗透方式逐渐注入到孔隙中去，而是继续在注浆压力作用下，当压力升高到一定高度，便在地层的薄弱部位形成压裂脉状管道导浆系统，达到加固围岩的目的。

3.2.预注浆加固的难点
3.2.1岩性的影响
全风化围岩（泥岩），遇水泥化，注浆扩散效果很差，起不到有效的加固作用。

围岩对浆液敏感，在浆液的水化或应力作用下会加速破坏围岩结构。

围岩的各向异性和不均匀性，围岩薄弱环节，注浆加固不理想。

3.2.2 空降效应的影响
掌子面后方是开放的空间，支护是完成了，但对于浆液它是没有约束力的。

双线隧道一般高度都在9米左右，相对于拱部下部也是开放空间，注浆的前提是做好止浆墙。

软岩置换施工技术的条件
4.1承压圈围岩的不均匀性
围岩的各向异性，互层，层面、节理的不规整性，风化的程度不一，决定了洞身承压圈范围内围岩的不均匀性，软弱层面就成为加固的重点部位。

4.2置换施工围岩条件
4.2.1不适用的条件
全断面为均质软岩（Ⅵ级），如全风化花岗岩（富水）、全风化炭质板岩（富水），坡积碎石土堆积体，特大断层段及涌泥突泥地段等，不具备提供置换作业空间的围岩。

沉降敏感都高的地铁工程、过江、跨海隧道等高风险工程。

4.2.2适用的条件
全断面为非均质软岩（Ⅴ级），水平层面，竖向层面在超前支护作用下不能保持稳定，或暂时稳定，但后期围岩应力大，周边收敛较大，存在较大的风险。

或破碎断裂带，水大，注浆困难等，具备提供置换作业空间条件的围岩。

软岩置换施工技术工艺方法
5.1置换量
隧道施工中，在超前支护作用下，围岩不能自稳，控制掌子面拱部主动滑塌高度在3~10米，宽度在4~10米，纵向3~8米滑塌后，能形成腔体，腔体（自然拱）稳定时间在4小时以上。

5.2施工工艺方法
在保证后方支护稳定的前提下，对前方采用主动开挖一部分，松散体主动滑塌、封闭腔体、回填混凝土、再开挖支护的施工方法。

三台阶主动开挖滑塌的典型处理模型图：
回填管及检查管的安装图：
回填混凝土及介质的模型图：
工程施工实践
6.1龙长高速京源口隧道坍塌处理
6.1.1工程概况及坍塌状况
京源口隧道位于福建省龙岩市小池镇，是厦昆高速公路龙岩至长汀段A2标段控制工程，为双向四车道高速公路隧道，隧道全长4458米（单洞）。

隧道地质以炭质泥岩、粉砂质泥岩为主，局部为石灰岩。

炭质泥岩局部泥化，但岩体风化，节理、劈理发育，以薄层状、碎块状结构为主。

粉砂质泥岩“碳化”严重，表面成镜面状，反光，光滑，摩擦角小，不利于稳定。

粉砂质泥岩岩体在地质作用下破碎带多，破碎带构造中岩石间构造夹层多，动压水路径多，节理水丰富，极不利于稳定。

采用三台阶方法施工。

2004年11月27日下午15：30分，A2合同段施工项目经理部施工的京源口左线隧道在掘进到ZK8+981时，掌子面顶部突然出现涌水，涌水量约100立
方/小时。

并因涌水引起滑塌，滑塌空腔环向宽度8米，纵向深度6米，拱部高度8米。

掌子面围岩为炭质泥岩，中等风化，张性节理发育，围岩成30cm—100cm 块状不等，水沿裂隙成淋雨状涌出。

坍塌发生后，腔体随之形成，但腔体拱部不时有大块状岩石滑脱，坍塌体已经堵住掌子面。

ZK8+980~ZK8+982段初期支护随涌水发生开裂。

6.1.2 主要施工措施
对后方支护加设套拱支撑加固。

适度扒碴，排空拱部虚碴，安装混凝土泵送管1根，吹砂管1根，安装检查管1根兼做排水管，封闭掌子面。

泵送水泥净浆1:2.5，泵送C30混凝土，泵送粉煤石粉灰回填。

开口检查混凝土的固结效果。

开挖及支护施工。

6.2营松高速长坂坡隧道大变形处理
6.2.1工程概况及隧道大变形状况
营松高速公路长板坡隧道位于吉林省靖宇县三道湖乡燕平村东侧，隧道走向近西东，设计为双线分离式三车道隧道，间隔30~40m左右，其中右线起讫桩号：K246+050~K248+990,长2940米，属长隧道。

2010年7月15日，隧道右线K246+878~K246+917段支护发生较大的沉降变形，采用套拱、注浆加固，耗时9个月，没能解决问题。

地质水文状况：隧道右线K246+878~K246+917段处于F3断层及影响段，围岩为全风化安山岩及泥岩互层，夹块状碎石土，地下水发育，开挖后围岩不能自稳。

围岩层面与水平面夹角15°。

支护参数：按Ⅴ级复核衬砌，I20b钢支撑，纵向间距75cm ，C20喷射混凝土。

50超前支护，4米系统锚杆，5米锁脚锚杆。

支护变形情况：拱部120°范围支护发生较大的塑性变形，最大变形量800mm。

对变形段落采取了套拱支护，注浆加固，临时保持了支护稳定。

面临的问题：注浆引起拱部支护下沉，注浆加固不能起到预期效果。

支护变形量大，需要挑顶换拱，引发塌方风险大。

6.2.2主要施工措施
断面回填：K246+878~K246+917段采用石碴全断面回填。

破拱挑顶：每次换1米，纵向最大开口是2米，围岩较差地段，围岩松弛，超前支护支撑不了松弛的围岩荷载，产生坍腔。

泵送回填：坍塌腔体稳定时间较短，会间断性滑落。

及时、快速封闭回填，并反复开挖，反复回填。

最多一个腔体回填达到4次。

最后置换掉松弛滑塌的所有松碴。

提供较好的承压拱圈。

39米段累计采用置换10次。

围岩特别差的段落，每两米置换一次。

6.2.3 效果评价
安全：三车道隧道，挑顶换拱，零损伤。

后期支护极限变形50mm。

局部2-3米有环向裂缝。

没产生二次变形和坍塌。

进度：历时4个月，完成挑顶换拱。

结束语
在适合的地质条件下，改变传统注浆加固技术为置换围岩，能迅速地提高岩石强度，促成承压拱圈的形成，快速通过不良地质段落，减小后期收敛过大的风险。

主要适用在张性破碎节理涌水地段，全风化围岩及泥岩互层地段，能有效的应对涌水注浆困难和注浆扩散困难的问题，是对新奥法隧道施工最大限度保护围岩的另一种阐述。