高地应力条件下隧道开挖施工方案

1-模板；2-台车；3-托架；4-垂直油缸；5-侧向油缸； •6-液压操纵台；7-电动机；8-油箱；9-作业窗
• 全断面隧道掘进机是一种在岩层中挖掘隧 道的机械。其特点是用机械法破碎切削岩 石（刀头直径与开挖隧道的直径大小一致， 故称全断面开挖），挖掘与出渣同时进行。 掘进机的直径一般为2～1lm，最大可达 15m。可挖掘的岩石硬度为岩石单轴抗压强 度20～200MPa，最大近300MPa。
（一）岩爆的预测及施工措施
• 地质预报：当隧道埋深较大时，每一开挖 循环结束后，进行一次地质调查，绘制开 挖工作面的地质素描图和地质展示图，根 据地质调查结果，进行地质预报。 岩体二 次应力场现场测试：采用钻孔应力解除和 应力恢复测试方法，分段对洞壁及掌子面 现场测定围岩表层岩体二次应力场。同时 进行现场岩石点荷载强度试验，利用洞壁 切向应力洞壁岩石单轴抗压强度Rb来预报 岩爆和判定等级高地应力区域隧道施工
• 2、超前支护加固：针对围岩为水平岩层易 产生塌方，拱部120度范围设置砂浆超前锚 杆，长度3.5米，环伺间距20米，纵伺间距 2.5米，水平搭接长度不小于1.0米，外插角 10度，超前锚杆配合钢架使用，超前锚杆 置于钢架腹部与钢架共同受力，可有效遏 制拱顶坍塌。
• 3、高地应力开挖。开挖采用短进尺，弱爆 破，选用“三台阶五部开挖法”上台阶3— —5米，中台阶6——8米，下台阶6——8米， 中下台阶开挖时左右锚开1——2米，三台 阶纵长度控制在1.5——1.8米，四级围岩每 循环进尺控制在2——3米，开挖采用减振 光面爆破，根据围岩情况和爆破效果及时 调整爆破参数，装药量在0.5——0.65千克/ 每立方，不耦合系数不小于2.0，采用小药 卷，条件允许下，先行开挖导坑提前释放 应力，断面3.0╳2.5米。
四、高地应力地质隧道施工阶段Fra bibliotek划分（一）围岩岩爆性质预测阶段： ①、地质预报：当隧道埋深较大时，每 一开挖循环结束后，进行一次地质调查， 绘制开挖工作面的地质素描图和地质展示 图，根据地质调查结果，进行地质预报。
• ②、岩体二次应力场现场测试：采用钻孔 应力解除和应力恢复测试方法，分段对洞 壁及掌子面现场测定围岩表层岩体二次应 力场。同时进行现场岩石点荷载强度试验， 利用洞壁切向应力洞壁岩石单轴抗压强度 Rb来预报岩爆和判定等级。
2）、调整围岩加应力状态，消除或减轻岩 爆： ①喷洒高压水：爆破后立即向工作面及附 近洞壁岩体喷洒高压水，喷洒范围延长到 离工作面100m处，施作锚杆时，再利用锚 杆孔向岩体深处洼水，以增强岩体的塑性， 减弱岩体的脆性，经常保持岩体的潮湿状 态，可降低岩爆的强烈程度。
②超前应力解除：在强烈岩爆区，可在隧道 两侧拱脚附近打地应力释放孔，孔深3.0m， 间距0.5~1.0m，拱部则以0~10的仰角打超 前应力释放孔，孔径42mm以上，孔深根据 钻机性能，尽可能加深，使前方拱部围岩 的高地应力提前释放。 使用岩台车施工时，在掌子面周边拱线处 钻两排4.5m~5m深的炮眼，炮眼间距50cm， 外插用30度左右，间隔装药，引爆后在拱 部2~3m以上的岩体内部形成一个爆破松动 圈，截断岩体内部应力的集中，使岩体本 身形成一个保护层。
• 混凝土喷射机 射混凝土有干喷和湿喷两种 方式。干喷是先用搅拌机将骨料和水泥干 拌均匀，投入喷射机料斗，同时加入速凝 剂，用压缩空气将混合料输送到喷头，在 喷头处加水喷向岩面。湿喷是水加在搅拌 机里，投入喷射机的是已拌好的成品混凝 土，速凝剂在喷头处加入。喷射机是喷混 凝土的关键设备，分干式喷射机和湿式喷 射机两种
（3）、围岩软岩变形的预测及维护阶段：
• 高地应力区段的隧道围岩类别较低时，易发生塌 方及软岩塑性大变形等变形破裂现象，可建立一 套围岩变形跟踪监测系统，来了解和判定围岩是 否有大变形现象，这个系统由长度分别为3.5m、 3m、2m、1m、0.2m、3.5m元根Φ22的钢筋简易 位移传递杆组成，钢筋用锚固剂固结在孔底。由 于离开挖洞越高，其变形越小，较3.5m传递杆或 视为座标杆，通过定时测量它与其他不同深度的 传递杆间的相对位移，可以得到围岩不同深度的 经向位移，再辅以其他常规量测平段得出的数据， 作为判定围岩是否发生变形的依据。
软岩变形的预测及施工措施：
高地应力区段的隧道围岩类别较低时，易 发生塌方及软岩塑性大变形等变形破裂现 象，可建立一套围岩变形跟踪监测系统， 来了解和判定围岩是否有大变形现象，这 个系统由长度分别为3.5m、3m、2m、1m、 0.2m、3.5m元根Φ22的钢筋简易位移传递 杆组成，钢筋用锚固剂固结在孔底。
二、高地应力地质隧道施工的难 点与重点。
• 高地应力地质环境的隧道施工开挖过程中， 有很多的难点和重点。例如，构造应力引 起的具有破坏性的挤压变形，在软岩变形 区域，一般形变较大，需要二次衬砌；高 地应力区域容易发生塌方和岩爆，在施工 过程中困难较大，是施工开挖过程主要克 服的重难点。
• 岩爆：也称冲击地压，它是一种岩体中聚积的弹 性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致 岩石爆裂并弹射出来的现象。深埋地下工程在施 工过程中常见的动力破坏现象，当岩体中聚积的 高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，破 坏了岩体结构的平衡，多余的能量导致岩石爆裂， 使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。 • 岩爆往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏 和人员伤亡，已成为岩石地下工程和岩石力学领 域的世界性难题。
高地应力隧道开挖施工方案
铁工1204班 第二组
一、高地应力地质特点
1、围岩产生岩爆 2、围岩收敛变形大 3、围岩软夹层易挤出 4、围岩钻孔出现饼状岩芯 5、开挖时候没有渗水现象 6、开挖时候有瓦斯突出 7、水平初始应力分量大大超过其上覆盖层的 岩体的重量
8、围岩距离隧道掌子面远近不 同 9、隧道中掌子面开挖暴露时间 长短不同，围岩发生岩爆频数 不同
• 施工措施：施工支护和安全防护： 增设临 时防护设施，对靠近开挖工作面，易发生 岩爆区段的主要施工机械安装防护网和防 护棚架，施工人员配发钢盔和防弹背心， 掌子面加挂钢丝网。 • 根据地质预报和现场测试结果分析，对可 能发生岩爆地段喷钢纤维砼，钢纤维掺量 5%左右，喷层厚度8~10cm，对于轻微光 爆可能效预防，以确保表层能够承受较大 变形而不改开裂。
3）、根据岩爆稳定，大多数隧道断面都形成 了一种不规则的梯形，因此，将隧道洞室 直接开挖成不规则梯形的断面开头，也有 得于防止岩爆。另外，采用线孔爆破，减 少一次装药量，拉大不同部位的炮眼的管 段信间隔，从而延长爆破时间，减少爆破 动应力声的叠加，降低岩爆的频率和强度 衬砌工作紧跟开挖工序，减少岩层暴露时 间，有利于减少岩爆的发生。
三、高地应力地质隧道施工流程 和施工顺序
（1）、施工原则： 1、早发现，便于及时作出对应措施和准 备工作，在开挖面上钻设超前密集小孔， 或从开挖面向内钻孔和在一定深度内爆破， 在一定范围内形成破碎带，降低洞室周围 围岩的应力，释放能量。 2、临时性和永久性防护措施，在一定程 度上对施工人员进行隔离，设计支护结构， 宜采用柔性支护。
• 隧道衬砌模板台车由一部台车和数套钢模 板组成。模板以型钢为骨架，上铺钢板形 成外壳，并设有收拢机构，通过安装在台 车上的电动液压装置，进行立模与拆模作 业。模板与台车各自为独立系统，每段衬 砌灌注混凝土完毕后，台车可与模板脱离， 衬砌混凝土由模板结构支撑。台车将后面 另一段已灌混凝土可以拆模的模板收拢后， 由电平车牵引，穿过安装好的模板后，到 达前方预灌注段进行立模作业。
调整围岩加应力状态，消除或减轻岩爆：
• ①喷洒高压水：爆破后立即向工作面及附 近洞壁岩体喷洒高压水，喷洒范围延长到 离工作面100m处，施作锚杆时，再利用锚 杆孔向岩体深处洼水，以增强岩体的塑性， 减弱岩体的脆性，经常保持岩体的潮湿状 态，可降低岩爆的强烈程度。
• ②超前应力解除：在强烈岩爆区，可在隧 道两侧拱脚附近打地应力释放孔，孔深 3.0m，间距0.5~1.0m，拱部则以0~10的仰 角打超前应力释放孔，孔径42mm以上，孔 深根据钻机性能，尽可能加深，使前方拱 部围岩的高地应力提前释放。 使用岩台车 施工时，在掌子面周边拱线处钻两排 4.5m~5m深的炮眼，炮眼间距50cm，外插 用30度左右，间隔装药，引爆后在拱部 2~3m以上的岩体内部形成一个爆破松动圈， 截断岩体内部应力的集中，使岩体本身形 成一个保护层。
由于离开挖洞越高，其变形越小，较3.5m 传递杆或视为座标杆，通过定时测量它与 其他不同深度的传递杆间的相对位移，可 以得到围岩不同深度的经向位移，再辅以 其他常规量测平段得出的数据，作为判定 围岩是否发生变形的依据。
措施：
• 在施工中，除减轻爆破对围岩的扰动，利 用喷、锚网、钢栅等强支护手段加强支护 外，提前释放应力，根据量测结果及时施 作二次衬砌，并封闭成环，都有利于隧道 的安全施工。
六、高地应力地质隧道质量验收标 准与方法
1、隧道门边坡、仰坡开挖范围及尺寸应符合 设计 要求隧道门边坡、仰坡开挖范围及尺寸应符合设 计要求。 检验数量：施工单位、监理单位全验。 检验方法：查对设计图，观察、尺量。 隧道门端墙、翼墙、挡土墙基底的地基承载力必 须符合设计要求。
4、系统支护加固1初喷混凝土：开挖后，岩体要经
过1小时左右方产生坍塌掉块，钻爆完毕后，及时 初喷4cm厚C20混凝土封闭围岩，增强围岩的自 稳能力。2锚杆、钢筋网：出渣完毕及时施作初期 支护，拱部、边墙均设置。3砂浆锚杆，长2.5米， 间距1.0╳0.6米，同时安装8号钢筋网片，间距 20cm╳20cm，钢筋网片密贴初喷混凝土面，并 用定位锚杆进行固定。4钢架:全环安装18号工字 钢架，安装钢筋前，清除底脚虚渣及杂物，超挖 部分必须采用同等级混凝土固填，及早封闭成环， 施工过程中，工字钢作用效果较好，有效遏制围 岩变形，钢架架设完毕，及时喷20cm厚C20混凝 土。
• 在施工中，除减轻爆破对围岩的扰动，利 用喷、锚网、钢栅等强支护手段加强支护 外，提前释放应力，根据量测结果及时施 作二次衬砌，并封闭成环，都有利于隧道 的安全施工。