隧道软弱围岩施工.doc

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date隧道软弱围岩施工长梁山隧道软弱围岩施工方法目 录1 课题研究背景与现状.3-11.1 研究课题的提出.3-11.2 课题研究的背景和现状.3-12 长梁山隧道地质条件.3-32.1 地质构造.3-32.2 岩性.3-32.3 地下水条件.3-33 长梁山隧道施工方法.3-53.1 基本原则.3-53.2 一般地段开挖与初期支护.3-5 3.3 不同地质条件的施工措施.

2、3-83.4 地下水极丰富的断层地段超前注浆.3-124 软弱及层状围岩隧道施工爆破技术.3-144.1 隧道施工爆破对围岩的损伤作用.3-144.2 隧道施工爆破的数值模拟.3-15 4.3 软弱围岩隧道施工爆破参数.3-244.4 层状围岩隧道施工爆破.3-265 隧道施工过程数值模拟.3-29 5.1 三维分析模型的建立.3-29 5.2 计算结果分析.3-346 层状围岩锚固技术研究.3-416.1 层状围岩锚固技术.3-416.2 迈式锚杆的使用.3-466.3 锚固药包制作技术.3-466.4 蛛蛛网状系统锚固岩体技术.3-476.5 湿喷技术研究. 3-477 隧道施工监控量测.

3、3-497.1 监测方案.3-497.2 监测资料的分析处理.3-508 小结.3-57-1 课题研究背景与现状1.1 研究课题的提出在隧道建设中经常要通过软弱围岩，尤其是层状围岩、断层带以及富水地段，安全快速的通过这些不良地质地段需要进行研究。研究的问题有：首先需要提前知道施工掌子面前方的地质情况，以便准备施工措施，这需要超前地质预报工作，这在文件二中已经有详细论述；其次，要研究合理的爆破措施，以形成设计的开挖面；要预测施工过程中可能发生的拱顶下沉、拱腰收敛等参数，以便对照实际施工情况及时调整支护参数；对于不同的地质条件要有针对性的处理措施；在施工中要进行准确及时的量测，以便及时判断隧道的稳

4、定性和受力情况；需要有完善的技术措施保证衬砌和支护的可靠性；对于富水地区要考虑合适的通过措施，关于超前注浆和防排水措施有专门章节讨论。长梁山隧道全长12780m，其中、类围岩占施工段长度的76.2%，如何突破大洞室软弱围岩施工难点，成为本工点施工的突出课题。在长梁山隧道施工中，以理论为指导，通过现场实践，总结出软弱围岩条件下快速施工的工法，有很大的理论意义和推广价值。1.2 课题研究的背景和现状隧道支护设计关于隧道支护设计，由于目前还不能从理论上完善地、定量的说明喷锚支护的原理，所以设计还是以经验的方法为主。目前还没有找到一种公认的合理方法。铁路隧道喷锚构筑法技术规则明确指出：隧道衬砌支护“设

5、计应以工程类比法为主”，“对地质复杂、大跨度和有特殊要求的隧道，除采用工程类比法外，还应采用理论分析法进行检算”。锚杆喷射混凝土支护技术规范规定：隧道工程“喷锚支护的设计，采用工程类比法，必要时，还应辅以监控量测及理论验算法”。我国工程类比法，一般是首先进行工程地质勘察确定围岩类别，参照各部门制定的支护参数表，选定喷锚支护类型和参数。美国土木工程师协会出版的隧道衬砌设计指南指出：衬砌通常按照使用要求、地质条件选择，给出“主要衬砌形式一览表”，并用一定的假设地层荷载进行验证。在不利或不能断定的情况下，衬砌可以暂时选定，而后通过施工中的现场观测和量测考察它的性能。在设计方法中强调“经验是极端重要的

6、，在设计的早期阶段，依靠施工工程师和业主的知识，会得到施工方便和造价经济的衬砌”。并且指出“分析方法的精度远超过所掌握地层主要参数的精度，且沿着隧道的地层可能发生很大的变化。分析方法的主要优点是能够获得各项参数变化幅度内的衬砌形态，估计上下限条件下的性能。设计者不应用计算成果代替判断和经验。美国隧道衬砌设计指南写道：隧道工程本来是无法预言和不能确定的活动过程，地下情况不能在工程竣工前彻底了解。实践证明，地面勘察测得的断层和节理通常是地下实际揭露的百分之几，地面地质勘察精度达不到施工要求。另一方面，地下开挖暴露的岩体结构是难以精确描述的，软弱围岩是隧道工程无法避免的不良地质问题。铁路隧道遇到不良

7、地层平均占全长的10-20%。最后，隧道施工参数随着地质因素变化，在开挖支护过程中增加了不可精确预计的人为因素。比如下面的施工参数在隧道开挖支护过程中都是随着时间变化的：1.开挖方面。每循环进尺洞周超挖值，松动圈，施工测量误差，各类围岩预留变形量，塌方次数、位置和最大高度，洞周各点在开挖和支护阶段位移释放值及位移总值中所占的比例等。2.支护方面。开挖后暴露的时间，初喷时机与厚度，喷层最小厚度和平均厚度，喷射混凝土强度及其随着时间演变，锚杆间距、方向及其与岩层面的夹角，锚杆注浆饱满程度与拉拔力等。这些因素都不能精确确定。地下工程喷锚设计和展望作了以下归纳和展望：“喷锚支护的三种设计方法各有利弊，

8、但靠哪一种方法都有其局限性。从当前喷锚支护设计的发展情况来看，三种方法相互渗透、相互补充将是今后发展的方向。有些学者认为：信息化设计使经验方法科学化，使力学计算具有实际背景，这种以施工监测、理论分析、经验判断相结合，地质调查、设计、施工相交叉的方法是非常符合隧道工程特点的，为隧道设计和施工开辟了一条正确的途径。隧道施工爆破技术隧道用矿山法开挖过程中，爆破会产生两个问题：爆破过程中对周围岩体的损伤；爆破过程中的超欠挖问题。爆破过程中会对周围岩体造成损伤，一般指未破碎但已经受到爆破影响的岩体，在工程上可以认为是爆破开挖轮廓线外一定范围内受爆破影响的围岩或保留岩体，爆炸对岩石的破坏和损伤作用体现在爆

9、炸应力波的动作用和爆生气体的准静态作用两个方面，这两者的作用强度直接影响爆破对岩石的损伤程度和范围。尽管对爆破已经开展了重要的研究工作，但是在现有的知识中，仍存在着很多空白和不足。在岩石爆破破碎机理中，应变能和爆生气体能的作用仍未完全搞清楚，不同的学派对它们所起的作用有不同的解释。岩体的震动或爆炸荷载导致了瞬时开挖荷载的产生，而由此产生的应力状态将是动态的或准静态的。对于软弱围岩中爆破问题，现场隧道施工中经常发生比较大的超挖，尤其是层状岩体中，经常会形成平板状的供顶，加大了衬砌的难度和回填量，在经济上是不合理的。虽然在隧道施工现场，已经对如何尽量减少超挖，对如何尽量不破坏洞室周围岩体强度做了一

10、些研究，但多数停留在经验阶段，没有形成指导性的方案。隧道量测技术近年来隧道施工测量技术得到了长足的发展，出现了一些简单方便、自动化程度高的测量仪器，大大节省了时间，保证了测量的精确性。测量的结果用来反馈分析围岩和支护情况，对于调整支护参数有重要的作用。计算机应用于隧道量测方面起到了很大作用，已经开发了一些隧道量测软件，使很多工作自动化，而且更加精确。2 长梁山隧道地质条件2.1 地质构造隧道通过地区，位于盘道梁北化屯区域性褶断带的东北端，褶断及其两翼沿褶断轴部形成向斜构造，其主轴与F20-5断层基本重合。该向斜主轴呈北东南西走向，与隧道中线于DK27+260处以55角相交。受向斜构造控制，岩层

11、由进、出口沿隧道轴向向中部缓倾，又因线路地处向斜东北端，向斜逐渐倾覆，隧道左侧岩层向右倾斜，故隧道区域岩层基本形成庞大“簸箕”状，簸箕口朝向线路右侧。隧道内断裂构造发育。受褶断影响，在向斜轴两侧形成一系列断裂构造，以规模不等的正断层居多，走向与向斜轴近于平行。较大断层附近又多有次生小断层生成，与主要断层成雁行式排列。我局施工段正洞共遇有大小断层累计长度2630m，其中较大区域性断层6处（F12、F5、 F41、 F45、 F80、F81），断层破碎带宽一般为530m，由断层角砾及断层泥组成。影响带宽度一般为530m，最大可达80350m（如F5、F12）。影响带内岩体极为破碎。2.2 岩性隧道

12、除出口通过部分黄土及碎石土地层外，其余全部通过基岩。洞身所遇地层为三迭系陈家沟组、二迭系和尚沟组、刘家沟组及孙家沟组沉积岩地层。隧道总体岩性较为单一，大部为长石石英砂岩、长石砂岩夹部分泥岩、页岩等泥质岩层，岩层呈砂、页、泥岩互层状态。岩层倾角一般520。三迭系陈家沟组主要以薄层长石砂岩构成，中夹薄层泥岩，交错节理发育，抗风化能力极差，主要分布于隧道中部及右侧；二迭系和尚沟组、孙家沟组以泥质岩为主或大部为泥质岩，表现为薄层泥、页岩互层状，岩层极软弱；二迭系刘家沟组以长石石英砂岩为主，呈薄层及中厚层状，层间夹薄层泥岩，节理发育，裂隙多以泥岩填充，岩体多被层面、裂隙切割成大块状或大块平板状。岩石呈整

13、体破坏较常见，主要分布于断层构造附近及向斜轴附近。隧道内围岩除刘家沟组地层有部分可达类以外，、类围岩占绝大部分，岩层软弱破碎。尤其和尚沟组、孙家沟组泥岩比重较大地段，围岩呈现微膨胀性，工程地质极差。2.3 地下水条件隧道内地下水以基岩构造裂隙水和断层带水为主，均属潜水或潜水承压型。（1）向斜北东端翘起，其两翼及翘起端岩层均向隧道倾斜，呈三面来水簸箕状，地下水沿各种通道流入隧道。（2）基岩裂隙构造水：主要存在于二迭系刘家沟地层内。该组地层主要为长石石英砂岩，坚硬质脆。构造节理延伸较远、连通性好、张开性强、充填物较少，含水量大，因而构造裂隙水最为发育。（3）断层带水：存在于断层两侧一定范围的破碎带

14、内。断层带内由断层角砾及断层泥构成，泥质胶结较好，地下水并不发育。而在其两侧一定范围的破碎带中，岩层破碎，裂隙率及裂隙张开都比较大，具有良好的地下储水条件，地下水量较大。尤其规模较大的区域断层两侧一定范围的破碎带内，连通性好，易有突然涌水出现。从上述的工程地质、水文地质情况看，不良地质构造、软岩、地下水诸方面不利因素，对施工造成严重威胁。（1）受向斜影响，岩层基本为缓斜或近于水平成层。在三迭系陈家沟组及二迭系和尚沟、孙家沟组地层内，岩性变化频繁，细层理及交错层理十分发育，层面泥质胶结强度极低，节理发育，岩体稳定性差。双线隧道开挖跨度大，施工中极易造成塌方冒顶及拱脚塌成门字型，成拱条件极差。（2

15、）二迭系刘家沟组长石石英砂岩地层，施工中拱部往往形成大平板状。虽然石质相对较坚硬，但层间结合物少且极软弱，在交错层理切割下，极易产生拱部大块岩体或大面积整块平板坠落。施工中且遇到多处因边墙部位大型纵向贯通节理发育，节理面软弱且有地下水贯入，造成长段落边墙顺帮滑塌。（3）施工段内遇有较大区域性断裂构造多处。在断层及影响带地段，断层角砾、断层泥及破碎带构成断层及两侧一定范围地层极为软弱破碎，加之破碎带内地下水作用，形成极不稳定地层，极易造成大型塌方。（4）除刘家沟组地层外，其余各种地层占隧道绝大部分，其特点是近水平层的页岩、泥岩细层交互，岩层破碎软弱，是较为典型的软弱围岩类。其中和尚沟组中尚有大量

16、泥岩段，具微膨胀性质，其软弱程度更甚。此种地层内，开挖后地应力增长快，自稳时间极短，容易造成塌方冒顶及整体坍塌。（5）地下水主要存在于刘家沟组岩体裂隙及较大区域性断裂的破碎带中。刘家沟组地层相对坚硬，但层面结合软弱，大型交错节理及裂隙十分发育，在丰富的地下水作用下，不但加速岩体软化过程，且使层间及裂隙中本来不多的泥质胶结物被大量冲刷，使其失去结合能力，是造成此种地层产生拱部大块状和平板坠落以及边墙部位顺帮滑塌的主要原因。断层破碎带内大量地下水涌出，使断层及破碎带本已很破碎软弱的地层更加软弱，加速了围岩失稳坍塌过程。不仅如此，大量地下水出露，也使各工序施工进展大受影响。尽管工程地质及水文地质条件

17、对施工极为不利，但由于施工中针对工程地质及水文地质的变化情况，采用合理的施工方法及可靠的辅助施工措施，全段得以安全通过，未出现较大塌方事故。因此，如何施工，才能确保施工安全和工期，特别是，对以水平层状软弱围岩为主体的地层，更为重要。3 长梁山隧道施工方法3.1 基本原则基于上述地质条件，我们按以下基本原则组织施工。（1） 紧跟掘进过程，做好掌子面前方的超前地质预报。根据预报所揭示的前方工程地质及水文地质变化情况及时调整施工方法及施组；（2） 短进尺掘进：在本隧道大量的地质不良及软弱破碎地段，严格按短进尺掘进。类围岩：多为刘家沟组砂岩，但地下水出露或构造影响较为严重。围岩较好地段可采用全断面开挖

18、，绝大部分采用短台阶开挖，循环进尺一般为2.02.5m。类围岩：主要为深层和尚沟组、孙家沟组泥、页岩细层交互地层或较大断层及影响带地段，按短台阶开挖，循环进尺一般为1.21.5m；在断层及两侧破碎带中循环进尺不超过1.0m。（3） 初期支护紧跟：由于大部分地层为软岩，地压增长快，自稳时间短。锚、喷、挂网及格栅架设工作，在爆破、排险后马上施作，基本与出碴同时或交错进行，尤其在地层破碎或构造带地段更要紧跟，以保证围岩稳定。（4） 为维护开挖周边稳定，类围岩开挖中都必须采用光爆。爆破后形成平顺的开挖轮廓，不但对维护围岩稳定有利，也为后续工序创造良好条件，同时有效地控制超挖，也是提高企业经济效益的有效

19、途径。（5） 仰拱紧跟：根据本隧道地质情况，仰拱必须在二衬之前施作。拱、墙部初期支护形成之后要尽早施设仰拱，以使初期支护尽快形成封闭受力结构，并为二衬施工的模板台车轨道铺设提供条件，同时仰拱及早铺设也为洞内运输提供便利。一般仰拱与正面下部开挖面保持距离为4050m左右，以保证开挖、装碴机具活动场地。（6） 把握时机，及时设置二衬：二衬不能紧跟初期支护。初期支护设置后，仍需对围岩及初期支护变形进行不间断量测。如围岩及初期支护变形仍在急剧增长，则需补强初期支护，不能用加厚二衬的办法作为结构加强手段。直到围岩及初期支护变形基本稳定时（收敛小于0.10.2mm/d及拱顶下沉小于0.070.15mm/d

20、时）则可施作二衬。但在2类围岩时，当变形得不到有效控制的情况下，应迅速施做二次衬砌。3.2 一般地段开挖与初期支护在无较大构造影响的一般地段，根据超前地质预报确定的前方围岩软弱破碎程度，施工中采用不同的开挖断面及支护措施。特别提出，在进口工区、类围岩交错地段，为适应钻孔台车掘进需要并缩短作业循环时间，采用大半断面长台阶及大半断面斜坡道的掘进方法，取得良好效果。一般地段各类围岩采用的开挖断面及支护标准见表3-1及图3-1、图3-2、图3-3，各开挖图中括号内为类围岩尺寸。类围岩格栅如图3-4，类围岩格栅如图3-5。 一般地段开挖与初期支护标准表 表3-1围岩类别开挖断面循环进尺m/班初期支护施工

21、工区喷砼厚cm钢筋网位置(6 8)锚杆（22）钢格栅位置间距m长度m位置间距m全断面3.54.010拱部1.02.5各工区全断面2.02.515拱墙拱墙1.03.0拱部局部段1.0进口工区无较大构造影响带小导坑短台阶2.02.515拱墙拱墙1.03.0拱部局部段1.0斜井工区小导坑短台阶1.21.525喷网拱墙拱墙1.03.0拱墙1.0各工区大断面长台阶2.02.515拱墙拱墙1.03.0拱部局部段1.0进口工区、类交错地段1.21.515拱墙拱墙1.03.0拱墙1.0进口工区、类交错地段图3-1 全断面开挖 (IV类，部分III类) (单位：cm)图3-2 短台阶开挖 (IV类，部分III类

22、) (单位：cm)图3-3 长台阶开挖 (进口II、III类交错地段) (单位：cm)图3-4 II类围岩钢格栅图3-5 III类围岩钢格栅3.3 不同地质条件的施工措施岩性单一、构造复杂是本隧道地层一大特点。此处所谓构造，泛指岩层成层情况及区域性地质构造情况（如断裂构造等），受开挖方法及地下水作用等外因影响，不同地层构造下的围岩破坏形态有所不同。施工中除遵循前述的开挖形式及支护标准外，根据不同地层构造采取不同的施工措施，以维护开挖后围岩的稳定。3.3.1 缓倾或近于水平的中、厚层砂岩地层此类地层为刘家沟组长石石英砂岩，石质相对坚硬，多为类，部分为类。各层间泥质胶结物较少，连接极不紧密。构造贯

23、通节理发育，多成X形张开状。微节理不发育。在有少量地下水作用下即可将层间胶结物全部冲掉，使层间完全丧失连接能力。如果爆破参数不是完全合适，或者不能得到及时支护，在自重作用下拱顶会成大块或大面积平板坠落。对此种地层的构造节理极发育地段，我们采用拱部锚杆加长、加密的施工措施见图3-6。使锚杆穿透数层岩层，且全长锚固。数层岩体联成组合梁形式，以防止拱部整体平板坠落。锚杆方向尽量垂直岩面，纵横间距0.70.8m。对锚杆抗拔力进行严格检测，单根抗拔力不小于56t。拱部加长锚杆22 L=3.54.0 m图3-6 拱部加长锚杆布置3.3.2 薄层长石砂岩、页岩、泥岩细层交错地层本段内所见长石砂岩、页岩、泥岩

24、细层交错地层中薄层砂岩的含量并不多,多为类，部分类。此种地层交互形态十分清楚，贯通构造节理不发育，而微节理十分发育，有少量地下水或基本无水。在微节理密集段落，各层分界形似存在，实际已无连接能力，一经开挖即成极破碎状态，爆破后成碎石或碎石土状，形成塌顶及拱腰成门框形式破坏，开挖轮廓难以形成。在此种地层内施工难度较大，也十分危险。围岩稳定性差，自稳时间很短，开挖后支护稍不及时即可酿成大塌方。此种地层开挖采用半断面短台阶形式，初期支护内均设有钢格栅。其施工措施中着重强调以下几点：(1) 做好光面爆破。炮眼布置及装药量均严格控制，并严格按小进尺掘进，一般开挖进尺不超过1.2m，以控制爆破塌方，使之形成

25、较为平顺的开挖轮廓。（2）初期支护一定要紧跟。爆破后通风排险不超过一小时，即及时以喷砼封闭开挖周边及掌子面。锚杆、挂网、格栅架立与喷砼同时作业，以缩短初期支护设置时间，尽早维护围岩稳定。（3）采用短台阶、短循环的工作程序，以使边墙格栅尽早施设，拱墙初期支护尽快形成整体受力，有效地控制拱、墙变形增长速度。上述做法在此种地层施工中收到良好效果，除有少量局部塌落外未发生过较大的恶性坍塌事故。3.3.3 页岩、泥岩细层交错地层大部分为和尚沟、孙家沟组深层地层，地层内几乎见不到砂岩。更有的地段泥岩占绝大部分，围岩表现出微膨胀性质。细微节理发育，很少有较大贯通的节理。由于泥、页岩隔水作用，一般无地下水出露

26、或仅有局部微量渗水。此种地层极为软弱，地层松散，爆破后即成土状。由于开挖跨度大，开挖后洞体变形较大，周边稳定性极差，拱部极易坍塌。通过此种地层，我们采取先用拱部小管棚稳固地层的措施，防止在爆破中拱部坍塌。在拱部小管棚保护下进行短进尺掘进（一般为1.0m）。爆破后一小时之内即赶紧以喷砼封闭开挖面，并同时进行锚、喷、网及拱部格栅架立工作，必要时在顶部小导坑内设置临时底部仰拱。由于此种地层变形较大，围岩量测工作要加倍重视。初期支护设置之后随时量测、观察变形动态，加密量测频率，如发现变形发展不止，要及时补强初期支护，控制变形增长速度，使之达到稳定。拱部小管棚采用42钢管，钢管横向间距0.3m，长度4.

27、0m，仰角不大于15。每开挖2.0m设置一环，钢管搭接长度2.0m。小管棚设置见图3-7、图3-8。图3-7 小管棚纵断面图3-7 小管棚横断面 (单位：cm)图3-8 小管棚纵断面3.3.4 中厚砂岩地层顺帮滑塌地段处理措施自进口DK22+215开始，在中、厚层长石石英砂岩的类围岩地层内，出现了一条由15575向的构造贯通节理发育而成的大型裂隙，宽度最大近5cm，一般12cm，内充泥状胶结物。裂隙走向与隧道轴向略成一致。且被一组2570的节理横向切割。该裂隙于DK22+215DK22+260段出现在隧道右边墙外侧附近，并倾向洞内；DK22+260DK22+280段，在洞身内通过；自DK22+

28、280起，裂隙又在隧道左边墙附近出现，走向背向洞内，直到DK22+330裂隙开始远离隧道，形迹渐灭。见图3-9。15575DK22+215 +252 +260 +280 +330神池黄骅图3-9 裂隙情况示意图此裂隙对施工造成严重威胁地段长达110m，经隧道边墙处围岩形成孤立岩体，在2570横向节理切割下，形成向洞内方向滑塌或坠落趋势。由于该裂隙的存在，DK22+215DK22+330段施工遇到一系列困难。DK22+215DK22+260段施工中，隧道右半部有小量渗流水由裂隙中流出，裂隙中泥质填充物被软化，使右边墙岩体沿裂隙接触面向隧道内产生滑动。DK22+215DK22+252长37m段，右

29、半拱部及右边墙部位产生倾向洞内的大型滑塌，右半拱部塌入地层深度达5m，临近的DK22+252DK22+260长8m段右边墙围岩，受临段滑塌体拉动，裂隙有所发展，但未滑落；裂隙通过洞身段，施工不断遇到拱部破碎岩体坠落威胁；在左边墙DK22+280DK22+330段，裂隙倾向背向隧道，施工不断发生拱脚的大块岩体坠落。对裂隙面通过左右边墙地段采取如下措施：（1）为预防滑塌面背后可能存在的隐蔽裂隙会引起再次滑塌，由滑塌面向岩体内部打入迈式注浆锚杆，自底部向上每米一根，长度按自下而上36m（等差长1.5m）布置，纵向间距1.0m，以稳固滑塌面背后岩体。（2）由于右侧滑塌，拱部岩层成大跨度平板状暴露，且有

30、新裂隙、裂纹产生迹象。为防止平板围岩断裂垮塌，自拱顶平板围岩背后密排打入长4.0m药包锚杆，纵横间距0.750.80m，以稳固拱部地层。（3）设置C20模筑混凝土外衬砌，拱墙厚0.60m，内设拱墙钢格栅，间距0.75m。（4）在外部衬砌内侧设置防水板及二次衬砌。DK22+252DK22+260段，裂隙岩面倾向线路，墙底至拱腰设置长36m（等差长1.5m）迈式注浆锚杆，稳固滑塌岩体；DK22+280DK22+330段，裂隙岩面背向线路，拱腰向下至墙底设置长36m（等差长1.5m）迈式注浆锚杆，以加固左半拱及边墙上半部岩体，防止垮塌坠落。采用上述措施，使得两段得以安全通过。裂隙造成DK22+215

31、DK22+252段右边墙部滑塌地段，采取的措施如图3-10所示。图3-10 DK22+215DK22+252滑塌处理3.3.5 通过断层及其影响带地段施工措施长梁山隧道共有大小断层29处，仅区域性断层就达6处。断层及影响带受地质构造力影响，均较相邻地层普遍软弱破碎，均按类围岩标准施工。而在此类区段中，断层带及相邻破碎带又较一般影响带内地质情况更为恶劣，施工必须采取更为保险的辅助施工措施，方可保证施工安全。施工实施中证实，较大区域性断层极其破碎带内的围岩情况与一般影响带有较大差异：断层带内主要为角砾及断层泥构成，地层极软弱，但地下水一般不丰富或无地下水；破碎带位于断层带两侧一定范围内，见图3-1

32、1，为剧烈错动造成的极破碎岩体，其破碎程度远较影响带其它部位为重，且一般为地下水丰富地段。断层带及附近破碎带为施工中最危险地段。图3-11 断层区域地质情况通过不同规模断层地段，采取如下施工辅助措施：（1）施工中对于一般规模断层段，其断层及影响带岩体破碎程度差别不大，均采用拱部小管棚通过。（2）对于区域性断裂，其一般影响带地段以拱部小管棚通过。（3）区域性断裂的断层带及其破碎带软弱破碎程度极严重，其宽度依断裂构造强烈程度不同而不同。虽然断层带内一般无水，但由于临近的破碎带内地下水丰富，施工过程中也往往成泥状，施工中均按拱部小管棚注浆通过。断层及破碎带拱部小管棚注浆加固拱部地层，也使地下水得以减

33、少，保证了施工安全也为施工带来方便。影响带、断层及破碎带内拱部小管棚设置与通过页、泥岩细层交错地层相同。区域性断裂的断层及破碎带小管棚内注浆采用水灰比1:0.5的水泥浆，浆内加入水泥重量35%的35Be水玻璃液，以增强水泥浆渗透能力并加快凝结时间。注浆泵压力35Kg/cm2，扩散半径可达2m以上。采用拱部小管棚及小管棚注浆通过断层影响带、断层及破碎带的施工措施，使拱部地层得到有力加强，保证了施工安全，在断层地段施工未发生过较大塌方事故。3.4 地下水极丰富的断层地段超前注浆如前所述，本隧道地下水丰富地段位于刘家沟组长石石英砂岩地层及断层破碎带附近。F12断层及破碎带在DK25+107327之间

34、，影响带宽210m，倾向150，倾角75，其影响带内均为富水区域，地下水渗透系数K=0.15m/d。F12断层在冯家焉村边通过，破碎带内出露的多个出水点为村民生活水源，据岩层构造及地下水连通情况分析，隧道施工会引起区域性地下水位下降，导致泉水枯竭，严重影响村民用水。同时，F12断层及影响带（尤其是破碎带）岩体极为松散破碎，地下水大量存在使隧道开挖无法进行。基于上述情况，施工中对DK25+030DK25+280段采用帷幕注浆法通过，帷幕注浆长度250m。DK25+030DK25+280段帷幕注浆兼顾堵水与加固地层双重作用，施工中注浆各类参数选择要同时满足堵水或加固地层的技术要求。4 软弱及层状围

35、岩隧道施工爆破技术在软弱及层状围岩条件下进行大断面爆破，围岩由于层理缝的影响，爆破时高压气体首先沿着最薄弱的层理面扩展，导致岩层剥落，容易形成门框形、甚至形成沿层理方向的塌方。这种现象既威胁施工人员的安全，又增加了衬砌的难度；既影响了施工进度，又影响了施工质量。针对这一问题，进行了系统的研究。研究思路是：首先对软弱围岩条件下爆破进行数值模拟，计算得到隧道断面和围岩的最大振速，分析爆破对围岩强度参数的影响；然后，根据数值分析、理论分析、结合工程经验和围岩实际选择爆破参数范围，然后对各个爆破参数进行排列组合后进行爆破试验，得到最优参数；最后在实际施工操作中根据现场实际调整爆破参数。经过实际施工检查

36、，由于采用了软弱层状围岩条件下进行大断面爆破技术，在软弱成层围岩爆破施工后能形成拱型断面，超欠挖量小，对于保证工程进度，保证施工安全起到了重要的作用。4.1 隧道施工爆破对围岩的损伤作用在地下工程及采矿工程中普遍存在着爆破开挖岩石和保护围岩这一互相矛盾且必须解决的问题。炸药在岩体内爆炸时，在将开挖范围内的岩石爆破下来的同时，必然要对保留岩体造成损伤和破坏，从而影响工程岩体的稳定性。爆破对工程岩体稳定性的影响主要体现在两方面：一是使岩石的力学性能劣化，使岩石的强度和弹性模量降低；二是在围岩内产生裂纹或使围岩中原有裂纹扩展等，从而影响岩体的完整性，以上两个方面都将降低岩体基本质量指标，从而影响围岩

37、的稳定性。爆破开挖对工程岩体的影响程度与采用的爆破方法和爆破参数有直接的关系。合理选择爆破方法和爆破参数可以最大限度的降低爆破对围岩的损伤作用。下面一些方案能够比较有效的降低爆破对围岩的损伤作用。(1) 将一次爆破的所有炮孔分成多段按顺序起爆。段数越多，单段爆破最大药量越少，爆破最大振速将会明显降低。(2) 为避免微差爆破延时时间不够或延时误差造成应力波叠加，从而使振动加强，在选择雷管段数时，应加大相邻段的段位差，采用毫秒雷管和半秒雷管配合使用的方法增加雷管段别；应尽可能考虑掏槽区跳段排列雷管，这样做，既利于相邻两段振动的主振相分开，避免振动叠加，也利于为后排爆破创造更充分的临空面，减轻爆破夹

38、制作用。(3) 在减振要求较高地段，除应适当减小炮孔内线装药密度外，还可采用周边预裂爆破技术阻隔爆破地震波向外传播。(4) 若采用空孔直眼掏槽爆破方案。应增加空孔数量或增大空孔直径，以加大临空面，这对减小夹制作用、降低掏槽爆破的振动强度十分有效。(5) 采用合理的不偶合装药和空气间隔装药结构也可以降低爆破振动。(6) 提高钻孔的准确性。影响钻孔效率和准确性最重要的因素体现在最低限度的超欠挖、根据设计的炮孔布置形式进行更准确和快速的炮孔排列、最佳的装药、对于不同的地层条件以最适宜的速度掘进多样化的炮孔等，而凿岩台车的计算机控制系统和爆破设计软件的结合能够大幅度提高爆破的精确性。4.2 隧道施工爆

39、破的数值模拟本次研究应用了美国J.O.Hallquist教授主持开发的DYNA程序。该程序能应用有限元方法计算非线性结构材料的大变形动力响应，采用四节点单元进行离散化，处理对称和平面应变问题；程序使用单点高斯积分，引入沙漏粘性控制零能模态，并应用中心差分法进行时间积分；程序的接触-撞击算法可以处理材料交界面的缝隙和滑动，并能提供多种材料模型和状态方程；程序具有网格重分功能，当网格严重扭曲时，需要进行网格重新划分，以保证计算能够稳定地继续进行，程序通过人机对话方式，所有的单元和节点变量都可以变换到新的网格系统上，在重分区前后，可以计算并打印内能、动能及动量等参数，借此判断重分区是否合适。特别是程

40、序能处理结构在高速碰撞和高能炸药爆炸下的动态响应，使得该程序非常适合于进行岩石爆破数值模拟计算。4.2.1 计算模型根据类围岩正台阶开挖的施工顺序，首先对上台阶开挖时的爆破振动速度场和应力场进行数值模拟，此时是在一个自由面条件的无限岩体中爆破；然后再对存在二个自由面条件下下台阶爆破开挖时进行数值模拟。计算模型简化为平面应变问题，装药简化为一个集中的柱状装药，装药量按照隧道的面积折算为单位长度的实际装药量。DYNA2D程序中对于岩石材料常用的两种材料模型为弹性和弹塑性材料模型，炸药的材料模型为高能炸药燃烧模型。各向同性弹性材料的输入参数为：弹性模量E，泊松比。随动硬化、各向同性硬化及其组合硬化弹

41、塑性的输入参数为：弹性模量E，泊松比，初始屈服极限0，切线模量ET，硬化参数，=0时为随动硬化；=1时为等向硬化；01时为混合硬化。高能炸药燃烧的输入参数为：爆速D、C-J压力PC-J与燃烧系数F。以上三种材料只有高能炸药燃烧需要状态方程，常用的为JWL高能炸药，该状态方程通常用于描述高能炸药及爆轰产物，其形式为： （3-1）式中：A、B、R1、R2、为输入参数。岩石介质条件及爆源条件如表3-2和表3-3所示。 隧道围岩参数 表3-2围岩类别密度g/cm3弹性模量GPa泊松比抗压强度MPa2.420.00.28100 炸药参数 表3-3 密度g/cm3爆速m/sC-J压力GPaJWL状态方程参

42、数A，GPaB，GPaR1R2WE，GPa1.036001.0347.60.5243.50.91.0054.264.2.2 数值计算结果和分析上台阶开挖的爆源和隧道附近的压力场分布和最大速度场分布如图3-12，上台阶开挖爆破时隧道从拱顶垂直向上和起拱处水平向外的水平、垂直振动速度随时间和距离的变化见图3-13，位移随时间的变化规律见图3-14。下台阶开挖的爆源和隧道附近的压力场分布和最大速度场分布如图3-15。下台阶开挖爆破时隧道的拱顶和起拱处的水平、垂直振动速度随时间的变化规律比较见图3-16，位移随时间的变化规律见图3-17。分析计算结果，对隧道周边的爆破扰动场得到以下几点认识。上台阶施工爆破时(1) 从爆破振动的幅值来看，最大振动速度出现在拱顶的垂直方向和起拱处的水平方向上，围岩的最大位移也出现在同样的位置，此区正是爆炸波正入射作用点，综合考虑围岩的自重应力场，拱顶周边的围岩为最危险的破坏发生区；(2) 从爆破振动的方向性出发，拱顶围岩内的垂直振动速度远大于水平方向，而直墙围岩内的水平振动速度远大于垂直振速，位移变化也体现了同样的规律。因此，爆破产生的应力、速度和位移有明显的方向性，即爆破产生的径向的应力大于切向方向应力；(3) 压应力作用下的径向方向的速度和位移随距离的衰减速度远大于拉