1、高地应力软岩大变形控制技术研究专题报告1. 工程概况11.1. 工程地质条件的总体评价11.2. 引水洞地应力及其影响11.3. 引水洞断层破碎带的分布22. 软岩高地应力隧洞施工的难点72.1. 施工难度大72.2. 围岩软弱，开挖变形量显著82.3. 必须建立应急预案。83. 国内外地应力场及软岩大变形的的研究83.1. 地应力场的研究83.2. 软岩及大变形的概念114. 本工程引水隧洞软岩大变形控制的基本思路135. 国内外典型挤压性大变形隧洞工程实例及大变形控制技术145.1. 陶恩(Tauern)隧洞145.2. 阿尔贝格(Arlberg)隧洞145.3. 惠那山(Enasan)隧2、洞155.4. 家竹箐隧洞175.5. 木栅隧洞176. TBM法高地应力软岩大变形控制措施186.1. 引水隧洞TBM法施工围岩变形控制标准186.2. TBM洞高地应力软岩大变形施工控制技术197. 钻爆法高地应力软岩大变形控制措施267.1. 引水隧洞钻爆法施工围岩变形控制标准267.2. 钻爆法高地应力软岩大变形防治措施281. 工程概况 东端引水隧洞采用钻爆法和TBM法相结合的施工方案，其中1、3#引水隧洞主要采用TBM施工，2、4#引水隧洞主要采用钻爆法施工。采用钻爆法施工的引水隧洞段为马蹄形断面，开挖直径13m，混凝土衬砌段衬后洞径11.8m，衬砌厚度4060cm；喷锚支护段洞径3、12.6m，底拱80范围内采用混凝土衬砌。采用TBM施工的引水隧洞段，开挖直径为12.4m，混凝土衬护厚度60cm，衬后隧洞洞径为11.2m；喷锚支护段洞径12.0m，底拱90范围内采用混凝土衬砌。1.1. 工程地质条件的总体评价本工程引水隧洞处于高山峡谷的岩溶地区，地质条件复杂，具有埋深大、洞线长的特点，主要工程地质问题有高地应力和岩爆、涌(突)水、高地温、有害气体、围岩稳定及隧洞所穿越的断层破碎带等。1.2. 引水洞地应力及其影响本工程引水隧洞将穿越锦屏山主峰山体，最大埋深达2525m左右。基于此前的初步预测与后期实测结果，无明显的量级差异，因此仍采用弹性理论及有关资料对工程区应力场进行试4、算预测。在埋深2525m条件下的自重主应力值为69.94MPa(采用g=2.77kN/m3)。从已有地应力资料可以得出锦屏工程区的地应力特征：在埋深8001200m时，地应力场由谷坡地带局部地应力转变为以垂直应力为主的自重应力场，但地应力随埋深的增加呈非直线型关系，1/3地应力比值是随埋深的增加而逐渐减小。据新的地应力测试成果进行的三维初始应力场反演回归分析，在隧洞线高程1600m处最大主应力值为70.1MPa，最小主应力值为30.1MPa。其主应力值是从上到下逐渐增大，断层穿过的岩体周围主应力值有明显的减小，等值线分布变化较大，说明断层对初始应力场分布有很明显的影响。高地应力除引起岩爆外，还5、会引起较软弱岩(T2y4层中白云质挤压夹层)、断层带的变形破坏引起掉块、坍塌等。1.3. 引水洞断层破碎带的分布区内结构面主要表现为顺层挤压和北北东向的逆冲断层性质。逆冲断层规模大，层间错动频率较高，其次为近东西向的横切断层，多表现为逆平移或正平移性质，此类断层中，多见方解石脉、细晶岩脉及石英岩脉充填。按不同构造形迹和展布方位大体可归纳分为：NNE向、NNW向、NENEE向、NWNWW向四个构造组。现将与工程有关、且规模较大的断层分述如下：1.3.1. NNE向结构面北北东向构造控制了区内主要构造线和主体山脉的延伸，共发育有F2F7、F9F11、F14、F18、F19、F28F30等15条，其6、中级结构面有二条，为F4、F6，其余13条均为级结构面。叙述如下：a. F2断层(棉纱湾安沙坪断层)：N1520E，NW(局部倾向SE)6676，在东雅砻江西岸该断层形迹清楚，形成宽达15m的断层破碎带，花岗岩被挤压成片状，其中的暗色矿物呈定向排列，石英片岩因受挤压而成菱形块状；在皮罗渡沟对岸，断层挤压带宽达50m(视宽度)，由数个挤压面组成，属压性结构面。b. F3断层：断于石炭系白色块状纯质大理岩与泥盆石炭系黑色千枚状粉砂质板岩之间。南段走向N1520W，倾向NE；北段构造形迹不明显，仅在皮罗渡沟左坡上见有宽达20余米的劈理带，其产状为N1030E，NW70，属压扭性。c. F4断层(青纳7、断层)：该断层在工程区内出露的形迹较隐匿。在毛家沟中(该断层带附近)发育两条平行的后期小断层，每条带宽为0.51.0m，产状N5E，SE68，带内发育石英细脉，并见糜棱岩化。在毛家沟一南支沟中，发现糜棱岩带宽3m，揉皱剧烈、劈理发育，影响带宽十余米，围岩有硅化现象，下盘发育深大擦槽(宽30cm、深5cm)，其产状为N27E，SE75。漫桥沟中的白山组大理岩与盐塘组地层均受影响，片理化、绢云母化普遍存在。属压扭性结构面。到楠木沟南支沟，该断层已趋收敛，白山组与盐塘组地层接触正常。在楠木沟西南侧的山梁上，白山组(T2b)陡壁呈近东西展布约200m，未见断层通过。经地表调查、航片解译、槽探和物探等勘8、察表明，该断层与甘家沟民胜乡断层没有相连接的迹象，两者之间相距约2km。该断层自晚更新世以来，断层已停止活动。它和锦屏山断层的新活动年代是基本相同的。d. F5断层(拉纱沟一碗水断层)：地表产状为N1030E，NW70，断于白山组大理岩与西侧三迭系上统砂岩、板岩层内，两者呈断层接触。断层带内岩石呈片理化和千枚岩化，构造角砾岩与片状岩同时出现，并具有定向排列，影响带宽510m左右。因断层影响，形成延绵数十千米的断层崖陡壁，其属压扭性结构面。在辅助洞内的产状为SNN30E W/NW7075，带内岩石破碎，充填以碎裂岩、挤压片岩为主，局部岩屑夹泥，岩石千枚岩化、碳化，壁面见摩擦镜面；上盘影响带受NW9、向断层影响，宽约3035m，岩石破碎，NWNWW向的结构面发育；下盘影响带宽约12m。e. F6断层(锦屏山断层)：产状N2050E，NW或SE6087，区内断层带宽14.2m，影响带宽637m，部分断于大理岩内部，断层往北表现清楚，往南有收敛趋势。在辅助洞内整体产状为N45E NW8085，主带宽1.64m，影响带宽21.4m，为压扭性断层，具有相对隔水性质。断层上盘由于N6580W向构造影响，其影响带宽度达100m以上。断层主带内岩性为灰绿色砂岩、大理岩，呈全强风化状，面绢云母化，岩性软弱，带内主要充填有断层泥、全风化岩、挤压片岩、岩屑等，断层泥可见宽0.20.6m；影响带岩体破碎，为碎裂10、岩，铁锰质浸染严重。f. F7断层：南起于手爬山北坡。断层面平整，形成深切沟谷，宽510m。走向N20E，近直立，被沿沟断层F23错开，错距2050m。往北顺沟延伸，并形成延绵数千米断层崖。g. F9断层：产状N1020E，SE8085，全长5km。在木落脚附近，其下盘为石英、绿帘石绿泥石岩，较破碎；上盘为大理岩。断层宽67m，主带宽1.2m，挤压成片状，局部糜棱岩化，形成延绵数千米断层崖陡壁。h. F10断层(甘家沟民胜乡断层)：产状N1020E，SE7080，挤压带宽34m。北自甘家沟，顺沟向南，经大铺子、民胜乡向南延伸，从断层的宽度来看，其规模并不大，而且在老庄子沟口所见为断在砂、板岩之11、中。在地貌上反映为连续十千米的大陡壁。i. F11断层(老庄子逆断层)：发育于老庄子复型背斜核部，北侧所见产状为N15E，SE或NW7085，断层带内角砾岩带宽4050cm、糜棱岩带宽0.21.0m，两侧沿断层带方向之劈理发育，在苏那墚子一带可见宽约120余米的片理带。岩体完整性较差，沿断层带有泉水出露。j. F14断层(联合乡模萨沟口断层)：产状变化大，基本上在N20EN20W之间变动，带宽1520m，围岩蚀变带宽达数十米；沿断层带有大量基性岩(角闪石)侵入并被石英脉所穿插，角闪岩脉两侧有角砾岩或破碎带2m左右。此断层带向南至模萨沟口未见岩脉侵入，其产状为N45E NW5565，向南延至三股12、水，破碎带较宽。k. F18断层(菸房村北断层)：沿西雅砻江右岸近南北向发育。其中尚可见到近东西向断层与其交汇。断层破碎带宽达40m以上，至三滩上游未通过西雅砻江西岸。产状为：N15E，SE48，断层带内角砾岩胶结良好，并见石英脉呈网状穿插。揉皱剧烈，具羽状构造。L. F19断层：产状N5WN25E，SW或NW2550，横穿许家坪厂区，为一反坡缓倾角逆断层。糜棱岩带宽0.30.5m，劈理带宽1530m，两侧岩石有硅化现象。m. F28断层：N20E，SE70，主带宽12m，挤压呈片状岩。n. F29断层：N30E，SE85，挤压破碎带宽5m，岩石轻微扭曲，局部见30cm宽的挤压片岩，压性。o.13、 F30断层：N15E，NW80，挤压破碎带宽8m，影响带宽10m，断裂面平直。1.3.2. NNW向结构面该组结构面主要发育有F20、F21二条断层，其中F20为级结构面，F21为级结构面。a. F20断层(田坪沟模萨沟断层)：为一系列近于平行的断层向北北西延伸至模萨沟口交汇。主要分布于玄武岩(P2)与西侧板岩(P2)之间，断层倾角较陡，延展不甚规则，岩石破碎扭曲严重，断层性质不明。b. F21断层(里庄断层)：走向NNW，过雅砻江后产状变为N15E，NW72。为规模较大的挤压破碎带和片理化带构成。断层北部东盘为下侏罗统(J1)炭质板岩，西盘为前泥盆系(AnD)石英片岩。破碎带宽5m以上，破14、裂面上擦痕明显。1.3.3. NENEE向结构面该组结构面主要发育有F1、F15、F17、F22、F25、F26等六条断层，均为级结构面。a. F1断层：自皮罗渡口往南西方向延伸，直至瓦厂一带。石炭系、二迭系、三迭系地层均受其影响，在平面上最大错距可达700余米。走向N5060E，属张扭性。b. F15断层(梅子坪沟断层)：分布于梅子坪沟，白山组大理岩地层内。截切了西牦牛山背斜和老庄子向斜；产状为N70E，SE80，于梅子坪村东见花斑状大理岩被错动约300余米，左行。c. F17断层(牛圈坪断层)：产状为N45E、NW50。断于三迭系上统砂、板岩中，挤压带宽达20余米，揉皱剧烈，并见断层泥，其15、中充填石英脉。d. F22断层：产状为N50E，SE8085，全长5km。断层在西雅砻江两岸形成小冲沟，带宽达十余米。青灰色硬质细砂岩被挤压成片状，层面呈扭曲现象，有透镜体出现，并呈香肠状分布。石英呈定向团快状充填。e. F25断层：产状N70E、SE6675，主带宽45m，发育3条产状为 N15E，SE或NW7085，断层带内角砾岩宽4050cm，两侧沿断层带方向之劈理发育，岩体完整性较差，沿断层带有泉水出露。热释光样品测龄为29.222.22万年，为非活动性断层。f. F26断层：产状N5070E，NW8085，挤压破碎带宽615m，由强风化状的碎裂岩、片状岩和糜棱岩组成，见石英脉穿插其中16、及构造透镜体，具揉皱现象，充填黄色次生泥，压扭性。1.3.4. NWNWW向结构面该组结构面主要发育有F8、F12、F13、F16、F23、F24、F27等七条断层，均为级结构面。a. F8断层(上手爬正平移断层)：N4280W，NE4563发育于四坪子，上手爬梁子及干海子以北，横切了碳酸盐岩和砂、板岩地层。断层带宽813m，带内岩石扭曲破碎，呈片岩化和糜棱岩化，多见石英脉穿插，沿断层带有泉水出露。b. F12断层：顺模萨沟发育，走向近东西。沟两侧地层明显发生位移。错距达50100m。横穿三迭系上统砂、板岩和中统白山组地层。往东至雅砻江边，其性质不明。c. F13断层(鸡纳店沟断层)：横切老庄17、子背斜，呈N60W向延伸。北盘相对南盘低300m左右，具正平移断层性质。断层带内见宽2m的角砾岩，地貌上呈深切沟谷状。d. F16断层(周家坪横断层)：产状为N7080W，SW至N87E，SE4752，断层带宽38m，影响带宽约9m，断层带内强烈扭曲、破碎，有角砾岩、糜棱岩。此断层横切地层走向，北盘东移，为压扭性断层。e. F23断层：沿落水洞沟分布，全长约2km，它切割了锦屏山断层及一些小型断层，属左行，带宽3m左右。见糜棱岩化，两侧岩石较破碎，局部可见揉皱现象，在地貌上形成深切沟谷，大理岩陡壁达数百米。产状：N65W，NE70，逆平移性质。f. F24断层(上瓦厂正平移断层)：产状N70W18、至EW向，北盘相对向西错动，断层带形成深切的沟谷和垭口地形。g. F27断层：位于干海子中部，走向N3040W，NE80，挤压破碎，干海子地区唯一分布的小泉也分布在该断层带附近。2. 软岩高地应力隧洞施工的难点2.1. 施工难度大复杂的地应力分布状态导致在施工过程中容易产生的一系列问题和特点，如：开挖后围岩变形破坏的不均匀性和不对称性、围岩压力分布的复杂性、围岩和支护结构破坏的共生性（即多种破坏形式同时发生的特点）等，这些给施工管理、施工决策带来相当大的困难，影响了隧洞的快速掘进。2.2. 围岩软弱，开挖变形量显著高地应力情况下，隧洞隧洞软岩段均不同程度发生围岩坍塌、变形侵限、初支混凝土开裂剥19、落、钢架扭曲变形等现象。相对较高的地应力水平除引起隧洞周边位移过大之外，也增加了围岩的塑性区，破坏范围增大。2.3. 必须建立应急预案。软弱围岩的在高地应力条件下，变形速度快，如果措施不得力或处理不及时，会带来塌方等地质灾害，损毁支护结构，甚至造成人员和财产损失。这就要求施工中必须建立针对软弱围岩大变形的应急预案，从地质预报、监控量测、组织机构、物料储备、反应机制等做出事先的安排和部署。3. 国内外地应力场及软岩大变形的的研究3.1. 地应力场的研究岩体是在人类工程经济活动之前，处于相对平衡状态，并在地质历史过程中，经过变形和破坏，具有一定物质成分和结构并赋存于一定应力场中的地质体。对岩体而言20、，应力场既是岩体的有机组成部分，又是岩体的赋存环境，但一般作为赋存环境对待。重力作用、温度作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的形成及其特点影响最大。图1为中国大陆板块宏观受力情况，中国大陆板块受到印度洋板块和太平洋板块的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到了西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。太平洋板块中国大陆板块西伯利亚板块印度洋板块菲律宾板块图1 中国板块主应力迹线图Hoek，Brown在1978年总结归纳了世界范围内各地区地应力测量结果，见图2。在浅层地壳中平均水平应力普遍大于垂直应力。实测资料表明，在绝大多数（几乎所有）地区均有两个主应力位于水平或接近21、水平的平面内，其与水平面的夹角一般不大于30。垂直应力在多数情况下为最小主应力，在少数情况下为中间主应力，只在个别情况下为最大主应力。平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减少，但在不同地区，变化的速度很不相同。图3给出了我国平均水平应力与垂直应力的比值随深度变化的规律。对于地应力分布规律还有必要进一步深入的研究，地应力分布规律除了与构造应力有关外，还应该受到岩体本身性质的影响。图2世界各国平均水平应力与垂直应力的比值随深度变化规律图3我国平均水平应力与垂直应力的比值随深度变化规律3.2. 软岩及大变形的概念3.2.1. 软岩的概念关于软岩的定义一直是国内外争论的问题，其定义多达几十种之多。22、总体来说，大体上可分为描述性定义、指标化定义和工程定义，且各有其优缺点。目前，人们普遍采用的软岩定义基本上可归于地质软岩的范畴，按地质学的岩性划分，地质软岩是指强度低、孔隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质砂岩等单轴抗压强度小于25MPa的岩石，是天然形成的复杂的地质介质。国际岩石力学会将软岩定义为单轴抗压强度在0.525MPa之间的一类岩石，其分类依据基本上是依强度指标。工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体，目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，同时应强调软岩所23、承受的工程力荷载的大小，强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质。3.2.2. 隧洞大变形的概念各类围岩在正常施工条件下都会产生一定的变形，隧洞施工规范、新奥法指南及衬砌标准设计等对各类围岩及各种支护结构都规定有不同的预留变形量以容纳这些变形。大变形是相对正常变形而言，目前还没有统一的定义和判别标准。徐则民从大变形的6个特征对大变形进行了概括描述、何满潮认为大变形可分为弹性大变形和塑性大变形，但软岩的大变形问题是一个塑性大变形问题，塑性大变形区别于弹性大变形和小变形的显著标志是前者与过程紧密相关。卞国忠从围岩变形量上给大变形作了界定，即：若围岩变形量超过正常规定（24、20cm）的2倍（即40cm）时，可把围岩变形视为大变形（南昆线家竹箐隧洞的经验是单线超过25cm，双线超过50cm确定为大变形），围岩变形量介于2040cm之间，可认为是正常变形至大变形的过渡阶段。也有根据相对变形量来定义大变形的。3.2.3. 大变形的成因产生大变形主要有客观和主观两方面的原因。地质条件是客观原因，技术措施不当是主观原因，前者是根本原因。某些地质条件下，适当的技术措施可以防止大变形的发生，而某些地质条件下常规的技术措施则难以控制大变形的发生。从地质条件分析，产生大变形的原因可能有三种：(1)膨胀岩的作用具有膨胀岩的围岩在一定条件下体积膨胀，如粘土类矿物、蒙脱石、高岭土、伊利25、石、绿泥石等吸水后体积可膨胀10%20%。硬石膏遇水体积可增大60%，芒硝遇水体积增加135%。有的膨胀力可达2545kPa。围岩膨胀使隧洞周边产生大变形。我国成昆线百家岭隧洞、青藏线关角隧洞、宝中线堡子梁隧洞都属于围岩膨胀引起的大变形。(2)高地应力作用下的软岩隧洞挤压变形高地应力是一个相对的概念，它是相对于围岩强度(Rb)而言的。也就是说，当围岩内部的最大地应力()与围岩强度的比值() )达到某一水平时，才能称为高地应力或极高应力，即围岩强度应力比= 目前在隧洞的设计施工中，都把围岩强度应力比作为判断围岩稳定性的重要指标，有时还作为围岩分级的重要指标。从这个角度讲，应该认识到埋深大不一定就26、存在高地应力问题，而埋深小，但围岩强度很低的场合，也可能出现高地应力问题。因此，在研究是否出现高或极高地应力问题时必须与围岩强度联系起来进行判定。表1为一些围岩强度应力比的分级指标。表1 围岩强度应力比的分级基准标准类别极高地应力高地应力一般地应力法国隧洞协会2244我国工程岩体分级基准4477日本新奥法指南(1996)2466日本仲野分级2244研究表明，当强度应力比小于0.30.5时，即能产生比正常隧洞开挖大一倍以上的变形。此时洞周将出现大范围的塑性区，随着开挖引起围岩质点的移动，加上塑性区的“剪胀”作用，洞周将产生很大位移。圆形隧洞弹塑性解析解也表明，当强度应力比小于2时洞周将产生塑性区27、，强度应力比越小则塑性区越大。塑性区半径增大则洞周位移也相应增大，加上围岩剪切破坏时体积膨胀(剪胀)，位移增加更快。所以高地应力是大变形的一个重要原因。这又称为高地应力的挤压作用。软弱围岩隧洞很多，只有在高地应力作用下才会发生这种挤压现象。(3)局部水压及气压力的作用当支护和衬砌封闭较好，周边局部地下水升高或有地下气体(瓦斯等)作用时，支护也会产生大变形。但随支护开裂，水或气溢出，压力减小，变形也就停止，这种现象并不多见。4. 本工程引水隧洞软岩大变形控制的基本思路针对本工程引水隧洞高地应力条件下断层破碎带区段实际情况，采用柔性结构设计理念分阶段综合控制法。根据引水隧洞的施工方法，确定其变形的28、控制方法。本工程采取钻爆法和TBM法相结合的方式。对于TBM法而言，由于其是圆形断面，加之没有震动松动圈，其变形控制较钻爆法相对容易，主要是通过扩挖刀扩挖，预留适当的沉降量；增加超前灌浆，增加围岩的强度；开挖后采用锚喷联合支护措施。对于钻爆法而言，通过选择合理的断面形状，留足预留变形量，短锚管超前支护，中等长等系统锚杆和少量补强锚杆围岩加固，多重支护，适当提高衬砌刚度和提前施作衬砌等措施对变形予以控制。5. 国内外典型挤压性大变形隧洞工程实例及大变形控制技术国内外有名的挤压性围岩大变形隧洞有奥地利的陶恩隧洞和阿尔贝格隧洞、日本的惠那山隧洞、中国的南昆线家竹箐隧洞和台湾木栅公路隧洞。5.1. 陶29、恩(Tauern)隧洞19701975年修建于奥地利，为双向行驶之公路隧洞(单洞)，全长6400m，埋深6001000m。新奥法的鼻祖Rabcewicz教授亲自主持该隧洞的设计并参加施工。该隧洞施工中在千枚岩和绿泥石地段发生了大变形，产生了50cm(一般)及120cm(最大)的位移，最大位移速度达20cm/d，是世界上第一座知名的大变形隧洞。由于在陶恩隧洞设计时对挤压性围岩缺乏经验，初期支护较弱(长4m锚杆，厚25cm喷混凝土，TH3675钢架)。在洞壁发生大变形后，Rabcewicz采用了长锚杆(69m)、可缩钢架以及喷层预留纵缝等加强措施(这些措施至今仍在沿用)，对洞壁已侵入模注混凝土净空30、部位进行了危险的扩挖作业，据说工程非常艰难，但最后仍取得了成功。5.2. 阿尔贝格(Arlberg)隧洞阿尔贝格隧洞也在奥地利，系公路隧洞，全长13980m。该隧洞是紧接着陶恩隧洞之后开工的(19741979年)，设计时已吸收了陶恩隧洞的经验教训，所以虽然也是挤压性围岩隧洞，但支护变形较小，施工较为顺利。隧洞最大埋深740m，原始地应力13MPa，围岩为千枚岩、片麻岩、含糜稜岩的片岩绿泥石等，抗压强度为1.22.9MPa。为防止大变形，设计时采用了强大的初期支护系统：厚2025cm喷混凝土；可缩式75钢架；6m长的125cm锚杆。虽然如此，在局部地质较坏(岩层走向与隧洞平行且有地下水)的地段，31、仍产生了2035cm的支护位移，变形初速度达到46cm/d ，最大达11.5cm/d。在增加了912m的长锚杆后，使变形初速度降为5cm/d。据统计，每延米隧洞锚杆用量达420m。5.3. 惠那山(Enasan)隧洞惠那山隧洞为双洞隧洞，在日本中央公路的两宫线上。号隧洞先修，于1975 年8 月建成，全长8300m，是双向行驶的公路隧洞。后由于交通量的增加，1978年开工修建第二座隧洞，即号隧洞，该隧洞全长8635m，于1985年建成。这两座隧洞平行，通过的地层是一样的，其中有一个长400m的长平泽断层非常软弱，为风化的变质角页岩(已粘土化)，单轴抗压强度仅1.74.0MPa，该处埋深约40032、m。特别使人感兴趣的是，为通过这同一条断层，号隧洞采用刚性支护，而号隧洞采用新奥法的柔性支护，从而可进行效果对比。号隧洞采用的断面型式如图4。主洞开挖时先以0.8m间距安设重型钢架(H250)并辅以衬板，先后浇注二层模筑混凝土。由于变形很快而且数值大，钢架被大量破坏，因此在浇注第二层混凝土时又补充了H200钢架(0.8m)。值得注意的是，虽然模筑混凝土衬砌总厚1.2m，而且加入了大量的重型钢架，衬砌仍然发生了大规模的开裂，最后不得不用钢纤维加筋混凝土来反复修补。吸收了号隧洞的教训后，号隧洞采用新奥法柔性初期支护。其特点是：采用长锚杆(设计长度为6m，施工时加长到913.5m)；预留变形量(上半33、部为50cm，下半部为30cm)； 钢纤维喷混凝土(厚25cm)及可缩式钢架；二次衬砌为45cm厚的素混凝土。隧洞断面见图5，最终发生的初期支护位移为2025cm,最大56cm，说明长锚杆发挥了作用。图4惠那山号隧洞刚性支护示意(单位:cm)图5惠那山号隧洞初期柔性支护示意5.4. 家竹箐隧洞家竹箐隧洞是我国南昆铁路上的著名险洞(单线铁路隧洞)，以高瓦斯、高地应力、大涌水而著称。由于煤系地段软弱(Rb=1.7MPa)，且地应力较高(16.09MPa)，在390m长的地段内产生了大变形，洞壁位移6080cm(最大160cm)，拱顶下沉接近100cm。之所以变形这么大，与设计阶段对大变形缺乏判断有34、关，当时国内对高地应力挤压性围岩尚缺乏认识，以为只是一般的软弱地层，故只采用了一般标准的初期支护(这一点和陶恩隧洞相似)。施工中的变更设计是：(1)改善洞形，加大边墙曲率；(2)将预留变形量加大为45cm(拱)及25cm(墙)；(3)系统锚杆加长为8m(后期经应力量测，隧底锚杆减为47m)；(4)喷混凝土加厚(初喷20cm，复喷15cm)，设三道纵缝；(5)钢架改为U29可缩式；(6)双层模注混凝土衬砌，其中外层为55cm钢纤维配筋混凝土(主要受力结构) ，内层为25cm钢纤维混凝土(安全储备) ，两层之间为HDPE瓦斯隔离层。5.5. 木栅隧洞木栅隧洞位于台湾北部第二高速公路上，隧洞穿越台北35、市南郊的木栅山区，全长1875m，为三车道公路隧洞(断面150m2)。该隧洞在通过潭湾大断层时，发生了大变形，拱顶下沉150cm以上，边墙内挤70cm。潭湾断层带宽75m，与隧洞斜交，大变形地段长205m。由于初期仅采用常规的锚喷支护，故产生了严重的大变形。该隧洞变形整治有一个特色，即应用了长大预应力锚索(图6)。锚索长1517m，预拉力50t，但隧底采用长为9m之一般锚杆。通过锚索孔及锚杆孔向地层注浆加固围岩，而强大的锚索及锚杆使隧洞趋于稳定。图6台湾木栅隧洞预应力锚索示意6. TBM法高地应力软岩大变形控制措施6.1. 引水隧洞TBM法施工围岩变形控制标准引水隧洞TBM法施工围岩变形控制标36、准见表2表2本工程引水隧洞TBM发施工围岩变形控制标准围岩条件变形控制标准备注岩组隧洞埋深m围岩类别应变率%T2z杂谷脑组大理岩1500/b1b类围岩为由于轻微岩爆降级为类围岩的洞段；b类围岩为由于强烈岩爆降级为类围岩的洞段；b类围岩为由于轻微岩爆降级为类围岩的洞段；b类围岩为由于轻微岩爆降级为类围岩的洞段；围岩应变率是指围岩最大变形与隧洞半径（或跨度）之比1b12T2z 杂谷脑组大理岩15002000/b11b23T1绿泥石片岩12001500b1.534T1砂板岩15002000/b123T2b白山组大理岩15002500/b12b2b2b23T2y盐塘组大理岩15002000/b11b237、b23T2y盐塘组大理岩1500/b11b126.2. TBM洞高地应力软岩大变形施工控制技术对于软弱围岩而言，TBM施工法的优势：一是利用刀盘来破碎岩石，相比钻爆法而言减少了对围岩的震动和扰动；二是断面形状呈圆形，开挖断面规则，应力分布均匀。但对于其对软岩也有其劣势，主要是其对于大变形控制措施的选择性比较少。从本工程特点及所选用的TBM设备而言，主要有以下几种控制技术。6.2.1. 加强地质预报超前地质预报为TBM掘进施工中隧洞地质监测的重要组成部分，它包括隧洞围岩描述、水文地质监测、施工地质测绘、围岩变形监测、围岩类别判别、仪器现场量测、不良地质体预报及相应的地质、测试资料分析和成果整理等38、工作，并及时提供超前地质预报成果资料。6.2.1.1. TBM法超前地质预报工作实施特点超前地质预报工作主要是对围岩及水文地质条件进行监测、对不良地质体进行预报，及时获取现场第一手地质资料和仪器测试数据，是地质预报工作成败的关键，同时现场地质工作和仪器测试与隧洞TBM掘进施工相互干扰、又相辅相成。因此，进行超前地质预报的地质工程师要在充分了解前期地质工作的基础上，对隧洞的工程及水文地质条件进行认真的调查，时时跟进TBM施工，在TBM检修维护的空隙时间里及时的进行仪器测试，保证采集的资料、数据准确无误，并尽快提供分析成果，为围岩支护和不良地质体的超前处理提供依据。6.2.1.2. 超前地质预报工39、作项目和内容超前地质预报工作包括：隧洞围岩描述、围岩监测、水文地质监测、施工地质测绘、围岩类别判别等常规地质预报和超前地质勘探、超前仪器现场量测、不良地质体长距离预报等超前地质预报，以及相应的地质、测试资料分析和成果整理等工作。常规地质预报是指：对已开挖洞段及时进行地质编录、测绘、取样及试验，依据已知围岩的风化、裂隙发育状况及开挖石渣的粒径、形状、质量状况和较大渗水点的渗水量、水温、PH值、导电性等条件，预报掌子面前方未开挖地段的地质情况、可能出现的不良地质体及围岩类别。超前地质预报是指：为防止TBM掘进时遭遇未知的不良地质体而进行的超前地质勘察、超前勘探钻孔、超前仪器测试等，对隧洞掌子面前方40、长距离范围内的不良地质体进行预报。所采用的主要手段为：地面地质预测、超前钻孔、地质雷达测试、地震波超前测试等，然后将采集的数据进行整理，从而对不良地质体可能被揭示的位置进行预报。超前地质预报的主要内容见表3。表3地质超前预报的主要工作内容表序号主要工作内容说明1不良地质及灾害地质预报预报掌子面前方一定范围内有无突(涌)水、突泥以及岩爆等不良地质情况，并查明其范围、规模、性质，提出施工措施或建议；2水文地质预报预报洞内突涌水量的大小及其变化规律，并评价其对环境地质、水文地质的影响；3断层及其破碎带的预报预报断层的位置、宽度、产状、性质、充填物的状态，是否为充水断层，并判断其稳定程度，提出施工对策41、；4围岩类别及其稳定性预报预报掌子面前方的围岩类别与设计是否吻合，并判断其稳定性，随时提供修改设计、调整支护类型、确定二次衬砌时间的建议等；5有害气体的预报预测隧洞内有害气体含量、成分及动态变化。6.2.1.3. 超前地质预报TBM法施工引水隧洞施工过程中的地质预报采用多种预报手段相结合的综合预报方法，建立宏观超前地质预报(工程地质法)、长期（长距离、50m200m)超前地质预报(工程地质法、TSP探测、HSP技术及超前钻探)、短期（短距离、050m）超前地质预报(Beam测试、超前钻探、超前导洞及经验法等)三级预报预警机制，构成引水隧洞施工的地质综合预报体系，进行不良地质体灾害的超前预报。T42、BM掘进施工时，采用Beam测试与掘进同时进行，并将预报信息适时传输至工程信息管理系统。预报成果应在工程地质分析的基础上，结合仪器预报成果，进行综合分析后提出。在施工期间，通过现场三级预报信息反馈，以提高信息解译精度，经综合判断提交相应的地质超前预报单。施工过程中应严格执行“先探后掘”的原则，以避免地质灾害的发生，确保引水隧洞的安全施工。6.2.1.4. 断层及破碎带的预报内容和方法（1）内容：预报断层的位置、宽度、产状、性质、充填物的状态，是否为充水断层，并判断其稳定程度。（2）方法：本工程采用宏观预报法预测全洞段的断层及破碎带位置及规模，主要采用TSP/HSP法进行长期预报，辅助采用Bea43、m法进行断层及破碎带的短期预报，采用超前钻探及经验法准确预测断层及破碎带位置和规模。6.2.2. 地应力释放钻孔卸压法：在可能发生岩爆的部位，钻数个孔径6080mm、孔深10m的钻孔，释放岩体中的高构造应力，同时向岩体高压均匀注水。此方法可以通过三方面的作用防治岩爆，一是可以释放应变能，并将最大切向应力向围岩深部转移；二是高压注水的楔劈作用可以软化、降低岩体的强度；三是高压注水产生了新的张裂隙，并使原有裂隙继续扩展，从而降低了岩体储存应变能的能力。6.2.3. 超前加固结合TBM的特点,利用掘进机本身自带的超前地质钻机施作超前预加固围岩,抑制围岩暴露后产生过大的变形。其方法是：通过一系计算,分44、别考察隧洞埋深、注浆加固环力学特性和厚度、断层材料的力学特性等对隧洞变形稳定的影响情况,探索大断层区注浆的加固规律。主要是采用高压注浆锚杆、超前小导管等加固围岩，以改善支护结构的受力条件，限制其过大变形6.2.4. 掘进支护措施断层带围岩受构造影响严重，围岩破碎、稳定性极差，在TBM设备掘进过程中可能会出现塌方，且影响范围大、深度深，拱顶沉降量大，严重时很容易造成拱架失稳、变形。TBM设备掘进至断层破碎带时，由于掌子面附近的围岩破碎、松散，TBM设备刀盘顶在掌子面上，暂不后退，更不能在无推进的状态下，转动刀盘进行掘进开挖出渣，否则，会造成刀盘前部更大范围坍塌，形成空穴，而一旦形成刀盘前部的空洞45、，处理起来困难更大，而且会延误工期。首先采用人工喷锚，及时封闭围岩，对不同围岩条件的地段，喷混凝土的厚度要及时调整，确保围岩变形受到控制和主机撑靴不会撑跨围岩，监控量测及时反馈，若拱顶下沉仍得不到控制，补喷混凝土或加密拱架支撑等一系列增强支护措施。对坍塌区用铁皮封堵，喷混凝土封闭，及时快速灌注混凝土，对范围大且坍塌于护盾上的坍腔回填时，为减少等强时间，提高工效，在混凝土中加入适量速凝剂（速凝剂量适中，以保证混凝土有一定的流动性，以确保坍腔回填密实）。拱架安装一定要保证竖直，间距符合要求，螺栓拧紧，隧洞清底要彻底，以保证钢拱架紧贴仰拱。若钢拱架受压变形及时用型钢加固，其连接要牢固，底部两边打锁脚46、锚杆，以有效控制拱架变形、稳定围岩，确保安全及主机顺利通过。对围岩破碎区和渗水区，打入注浆锚杆，用浓度为36Be的水玻璃与水灰比为0.81.0的水泥浆加固围岩，填充空隙。及时调整设备的技术参数，降低对岩面的承压力，减少扰动，保护围岩，尽量减少剥落坍塌量。一般在硬岩中，TBM设备撑靴压力通常在250bar以上，速度在70以上，以提供最大的支撑反力和扭矩。由于断层破碎带处围岩整体性和稳定性较差，可能伴随大型坍塌，为减少对岩体的破坏，此时不再使用侧向撑靴，而用后支撑顶推行走，采用较低的刀盘转速，从而控制刀盘的推进速度，掘进速度也随即降低。（8）多重支护、分次施作。分重支护、分次施作对有效控制围岩变形47、能发挥重要作用。多重支护施作顺序主要为：首先施作小导管注浆，加固围岩，开挖后立即初喷45cm厚混凝土，封闭岩面，然后架立钢架、施作系统锚杆，复喷混凝土至一次喷射厚度，通过现场监测，再进行二次喷混凝土支护，通过施工监测，若发现二次混凝土喷层开裂或变形速度异常进行柔性锚索或进行混凝土喷层补强，最终实现有效控制围岩变形，确保支护结构安全的目的。（9）锚杆加长支护：根据实际情况采用普通螺纹锚杆、摩擦锚杆、水胀式锚杆、锥形锚杆或机械涨壳式预应力中空注浆锚杆，锚杆均需带垫板，梅花型布置，增加机锚杆的数量。锚杆以68m为宜。6.2.5. 加强监控量测针对高地应力断层破碎带的主要监测内容包括以下部分：围岩变形48、：采用全站仪及围岩收敛分析软件，进行施工期全程围岩收敛变形监测；在围岩内钻孔埋设多点变位计，观测围岩松动区，校核围岩灌浆深度。围岩应力监测：在围岩内钻孔埋设岩石应力计，观测围岩应力的变化情况。衬砌及支护结构受力监测：设置观测锚杆布置锚杆应力计，观测锚杆受力并检验锚杆参数；在喷混凝土衬砌段，在第一次喷混凝土表面设置应变计组，观测喷混凝土应力情况；在钢筋混凝土衬砌内布置钢筋计、应变计，检验混凝土支护设计参数和施工方法。外水压力监测：在围岩内钻孔埋设渗压计，钻孔深度深入围岩固圈以外。（5）隧洞缺陷监测：采用分布式光纤裂缝传感器实现结构裂缝、岩体裂缝和围岩区域性破坏和大范围连续、定量监测。（6）围岩松49、动圈监测：采用单孔声波测试方法，测定围岩声波速度及其变化趋势，判定隧洞围岩松弛厚度。施工期围岩收敛变形监测断面布置，每隔50m100m布置1个观测断面，具体布置根据现场地质情况确定。TBM施工洞段由于设备布置的原因，收敛测点按3测点3测线布置（图7）；图7 TBM法围岩收敛布点图6.2.6. 对于侵限变形的处理措施当隧洞变形过大，导致断面小于设计断面时，必须对缩小后的断面进行处理。处理的流程为周边围岩灌浆加固预留沉降、跳槽扩挖重新支护适时衬砌。6.2.7. 适时衬砌当隧洞开挖并释放部分位移后，提高衬砌刚度并适当提前施作二次衬砌，以控制围岩的过大变形。施作二次衬砌后，由于刚性二次衬砌限制了围岩随50、时间发展的变形，二次衬砌同样受到来自围岩的压力，随着时间的推移，一二次衬砌所承受的围岩流变压力也会不断的增加。所以衬砌的时机要把握好，既给围岩应力释放的时间和空间，又要防止出现塌方掉块。7. 钻爆法高地应力软岩大变形控制措施由于本工程引水隧洞断层多（主要的有30条），地应力高的特点，对钻爆法施工中遇到的高地应力软岩变形进行防治十分必要。7.1. 引水隧洞钻爆法施工围岩变形控制标准本工程钻爆法施工围岩变形控制标准表4表4 本工程钻爆法施工围岩变形控制标准围岩条件变形控制标准备注岩组隧洞埋深m围岩类别应变率%T2z杂谷脑组大理岩1500/b1b类围岩为由于轻微岩爆降级为类围岩的洞段；b类围岩为由于51、强烈岩爆降级为类围岩的洞段；b类围岩为由于轻微岩爆降级为类围岩的洞段；b类围岩为由于轻微岩爆降级为类围岩的洞段；围岩应变率是指围岩最大变形与隧洞半径（或跨度）之比1b12T2z 杂谷脑组大理岩15002000/b11b23T1绿泥石片岩12001500b1.534T1砂板岩15002000/b123T2b白山组大理岩15002500/b12b2b2b23T2y盐塘组大理岩15002000/b11b2b23T2y盐塘组大理岩1500/b11b127.2. 钻爆法高地应力软岩大变形防治措施7.2.1. 加强地质预报引水隧洞施工过程中的超前地质预报采用多种预报相结合的综合预报方法，建立宏观超前地质预52、报(工程地质法)、长期（长距离)超前地质预报(工程地质法、TSP探测、HSP测试及超前钻探)、短期（短距离）超前地质预报(地质雷达、红外探水、CT测试、超前钻探、超前导洞及经验法等)的三级预报预警机制，构成引水隧洞施工的地质综合预报体系，对岩石断层破碎带进行的超前预报。7.2.2. 超前预支护和加固采用超前小导管做为超前预支护，施做超前小导管注意以下事项：第一，喷35cm厚混凝土封闭掌子面作为止浆墙，为注浆作好准备工作；第二，准确测量隧洞中心线和高程，并按设计标出导管的位置，误差满足规范要求；第三，用仪器测出隧洞中心面，随时检查钻孔或推进导管的方向，以控制外插角达到设计的标准；第四，施工顺序为53、从两侧拱墙向拱顶进行，为提前注浆留好作业空间。超前预注浆采用帷幕注浆，注浆采用双液注浆，采用浆液搅拌器制浆。为防止浆液从其他孔眼溢出，注浆前对所有孔眼安装止浆塞，注浆顺序从两侧拱脚向拱顶。由于岩体孔隙不均匀，考虑环形开挖的方便，同时要达到固结破碎松散岩体的目的，保证开挖轮廓线外环状岩体的稳定，形成有一定强度及密实度的壳体，特别是确保两侧拱脚的注浆密实度和承载力，采取注浆终压和注浆量双控注浆质量，拱脚的注浆终压高于拱腰至拱顶。通过现场试验确定拱脚终压、拱腰终压范围和拱顶终压值。注浆时相邻孔眼需间隔开，不能连续注浆，以确保固结效果，又达到控制注浆量的目的。7.2.3. 台阶法开挖方法台阶法作为一种54、地质适应性最强和大型设备快速施工要求的开挖方法，对本工程引水隧洞断层破碎带施工具有其适应性。与其它开挖方式相比较，台阶法更具灵活性。台阶高度可根据隧洞断面和掌子面的稳定程度灵活选择，与其它辅助工法相结合，使用范围广。工序调整方便，仅需要通过改变台阶长度即可实现整个断面的封闭时间的调整，尤其适用于软硬不均的地层进行快便的施工参数调整。施工进度相对较快，与CD或CRD法相比，适应大型设备的快速施工，各部施工干扰小，节省材料，具有较好的经济性。施工作业空间相对较大，有利于机械化作业，减小劳动作业强度。 便于爆破施工作业，爆破开挖效果容易控制等。为避免围岩开挖发生过度变形，尽快完成初期支护封闭，减少多55、工序转换，钻爆法洞断开挖拟采用三台阶同时爆破的施工方法，实行平行交叉作业，整体推进。上、中层台阶长度控制在5m以内，仰拱开挖掌子面距仰拱衬砌25 m以内，仰拱衬砌距二衬50m。三步台阶同时爆破的主要特点是仰拱开挖与下断面开挖一次完成。在围岩较差和收敛变形较大地段，开挖后在下断面钢架底部设临时横撑以抑制支护变形收敛。仰拱的衬砌长度56m，开挖在掌子面出碴完成后进行，时间控制在90 min，与下断面立钢架平行作业。仰拱开挖完毕后铺设仰拱栈桥，不影响前方喷射混凝土送料。在前方掌子面完成钻眼前，要完成仰拱清底、钢架安装工作，达到浇筑混凝土标准。待喷射混凝土结束，进行钻爆作业时，采用轨行式混凝土罐车集中56、浇筑仰拱混凝土。要求每组仰拱施工必须在一个掘进支护循环内完成，不能影响掌子面的正常工序。7.2.4. 系统中长锚杆（管）围岩加固技术锚注（管）支护是利用锚杆作为注浆管对软弱、破碎围岩注浆加固，并喷射混凝长封闭围岩。根据本投标人以往经验，长度46m的中长锚注支护对隧洞大变形控制作用显著。因此，对本工程引水隧洞断层破碎带采用系统注浆锚管对开挖后的洞室进行变形控制，锚杆（管）长度最长的达68m。系统注浆锚杆（管）与超前小导管注浆一起，形成统一的围岩加固体系，对洞室周边围岩进行系统加固，减少围岩开裂，提高围岩整体性能，对隧洞开挖初期围岩的变形起到了较好的控制作用。7.2.5. 采用可缩式钢架适应隧洞变57、形这种支护的理论依据是，当开挖引起的围岩扩容不可避免时，允许围岩发生适度的变形，这样可以降低作用于结构上的支护压力，从而减少超挖量并降低支护强度。具体措施是适当超挖，在围岩变形稳定后再架设支护，更多的则是开挖后立即架设可缩的初期支护。支护方式一般为带纵向伸缩缝的混凝土喷层并辅助以可缩式构件支撑。图8是一种典型的可缩式隧洞钢架图。图8可缩式隧洞钢架示意图可缩式钢架可缩结点构造见图9图9 可缩式隧洞钢架结点构造示意图7.2.6. 多重支护、分次施作、适时衬砌技术多重支护、分次施作对有效控制围岩变形能发挥重要作用，多重支护施作顺序主要为：首先施作小导管注浆，加固围岩，开挖后立即初喷45cm厚混凝土，封闭岩面，然后架立钢架、施作系统锚杆，复喷混凝土至一次喷射厚度，通过现场监测，再进行二次喷混凝土支护，通过施工监测，若发现二次混凝土喷层开裂或变形速度异常进行柔性锚索或进行混凝土喷层补强，最终实现有效控制围岩变形，确保支护结构安全的目的。合理的二衬施作时间，能有效地控制大变形的进一步发展。时机的选择要根据钻爆洞监测的结果和隧洞围岩的稳定情况而定。