1、高地應力軟巖大變形控制技術研究專題報告1. 工程概況11.1. 工程地質條件的總體評價11.2. 引水洞地應力及其影響11.3. 引水洞斷層破碎帶的分布22. 軟巖高地應力隧洞施工的難點72.1. 施工難度大72.2. 圍巖軟弱，開挖變形量顯著82.3. 必須建立應急預案。83. 國內外地應力場及軟巖大變形的的研究83.1. 地應力場的研究83.2. 軟巖及大變形的概念114. 本工程引水隧洞軟巖大變形控制的基本思路135. 國內外典型擠壓性大變形隧洞工程實例及大變形控制技術145.1. 陶恩(Tauern)隧洞145.2. 阿爾貝格(Arlberg)隧洞145.3. 惠那山(Enasan)隧

2、洞155.4. 家竹箐隧洞175.5. 木柵隧洞176. TBM法高地應力軟巖大變形控制措施186.1. 引水隧洞TBM法施工圍巖變形控制標準186.2. TBM洞高地應力軟巖大變形施工控制技術197. 鉆爆法高地應力軟巖大變形控制措施267.1. 引水隧洞鉆爆法施工圍巖變形控制標準267.2. 鉆爆法高地應力軟巖大變形防治措施281. 工程概況 東端引水隧洞采用鉆爆法和TBM法相結合的施工方案，其中1、3#引水隧洞主要采用TBM施工，2、4#引水隧洞主要采用鉆爆法施工。采用鉆爆法施工的引水隧洞段為馬蹄形斷面，開挖直徑13m，混凝土襯砌段襯后洞徑11.8m，襯砌厚度4060cm；噴錨支護段洞徑

3、12.6m，底拱80范圍內采用混凝土襯砌。采用TBM施工的引水隧洞段，開挖直徑為12.4m，混凝土襯護厚度60cm，襯后隧洞洞徑為11.2m；噴錨支護段洞徑12.0m，底拱90范圍內采用混凝土襯砌。1.1. 工程地質條件的總體評價本工程引水隧洞處于高山峽谷的巖溶地區，地質條件復雜，具有埋深大、洞線長的特點，主要工程地質問題有高地應力和巖爆、涌(突)水、高地溫、有害氣體、圍巖穩定及隧洞所穿越的斷層破碎帶等。1.2. 引水洞地應力及其影響本工程引水隧洞將穿越錦屏山主峰山體，最大埋深達2525m左右?；诖饲暗某醪筋A測與后期實測結果，無明顯的量級差異，因此仍采用彈性理論及有關資料對工程區應力場進行試

4、算預測。在埋深2525m條件下的自重主應力值為69.94MPa(采用g=2.77kN/m3)。從已有地應力資料可以得出錦屏工程區的地應力特征：在埋深8001200m時，地應力場由谷坡地帶局部地應力轉變為以垂直應力為主的自重應力場，但地應力隨埋深的增加呈非直線型關系，1/3地應力比值是隨埋深的增加而逐漸減小。據新的地應力測試成果進行的三維初始應力場反演回歸分析，在隧洞線高程1600m處最大主應力值為70.1MPa，最小主應力值為30.1MPa。其主應力值是從上到下逐漸增大，斷層穿過的巖體周圍主應力值有明顯的減小，等值線分布變化較大，說明斷層對初始應力場分布有很明顯的影響。高地應力除引起巖爆外，還

5、會引起較軟弱巖(T2y4層中白云質擠壓夾層)、斷層帶的變形破壞引起掉塊、坍塌等。1.3. 引水洞斷層破碎帶的分布區內結構面主要表現為順層擠壓和北北東向的逆沖斷層性質。逆沖斷層規模大，層間錯動頻率較高，其次為近東西向的橫切斷層，多表現為逆平移或正平移性質，此類斷層中，多見方解石脈、細晶巖脈及石英巖脈充填。按不同構造形跡和展布方位大體可歸納分為：NNE向、NNW向、NENEE向、NWNWW向四個構造組。現將與工程有關、且規模較大的斷層分述如下：1.3.1. NNE向結構面北北東向構造控制了區內主要構造線和主體山脈的延伸，共發育有F2F7、F9F11、F14、F18、F19、F28F30等15條，其

6、中級結構面有二條，為F4、F6，其余13條均為級結構面。敘述如下：a. F2斷層(棉紗灣安沙坪斷層)：N1520E，NW(局部傾向SE)6676，在東雅礱江西岸該斷層形跡清楚，形成寬達15m的斷層破碎帶，花崗巖被擠壓成片狀，其中的暗色礦物呈定向排列，石英片巖因受擠壓而成菱形塊狀；在皮羅渡溝對岸，斷層擠壓帶寬達50m(視寬度)，由數個擠壓面組成，屬壓性結構面。b. F3斷層：斷于石炭系白色塊狀純質大理巖與泥盆石炭系黑色千枚狀粉砂質板巖之間。南段走向N1520W，傾向NE；北段構造形跡不明顯，僅在皮羅渡溝左坡上見有寬達20余米的劈理帶，其產狀為N1030E，NW70，屬壓扭性。c. F4斷層(青納

7、斷層)：該斷層在工程區內出露的形跡較隱匿。在毛家溝中(該斷層帶附近)發育兩條平行的后期小斷層，每條帶寬為0.51.0m，產狀N5E，SE68，帶內發育石英細脈，并見糜棱巖化。在毛家溝一南支溝中，發現糜棱巖帶寬3m，揉皺劇烈、劈理發育，影響帶寬十余米，圍巖有硅化現象，下盤發育深大擦槽(寬30cm、深5cm)，其產狀為N27E，SE75。漫橋溝中的白山組大理巖與鹽塘組地層均受影響，片理化、絹云母化普遍存在。屬壓扭性結構面。到楠木溝南支溝，該斷層已趨收斂，白山組與鹽塘組地層接觸正常。在楠木溝西南側的山梁上，白山組(T2b)陡壁呈近東西展布約200m，未見斷層通過。經地表調查、航片解譯、槽探和物探等勘

8、察表明，該斷層與甘家溝民勝鄉斷層沒有相連接的跡象，兩者之間相距約2km。該斷層自晚更新世以來，斷層已停止活動。它和錦屏山斷層的新活動年代是基本相同的。d. F5斷層(拉紗溝一碗水斷層)：地表產狀為N1030E，NW70，斷于白山組大理巖與西側三迭系上統砂巖、板巖層內，兩者呈斷層接觸。斷層帶內巖石呈片理化和千枚巖化，構造角礫巖與片狀巖同時出現，并具有定向排列，影響帶寬510m左右。因斷層影響，形成延綿數十千米的斷層崖陡壁，其屬壓扭性結構面。在輔助洞內的產狀為SNN30E W/NW7075，帶內巖石破碎，充填以碎裂巖、擠壓片巖為主，局部巖屑夾泥，巖石千枚巖化、碳化，壁面見摩擦鏡面；上盤影響帶受NW

9、向斷層影響，寬約3035m，巖石破碎，NWNWW向的結構面發育；下盤影響帶寬約12m。e. F6斷層(錦屏山斷層)：產狀N2050E，NW或SE6087，區內斷層帶寬14.2m，影響帶寬637m，部分斷于大理巖內部，斷層往北表現清楚，往南有收斂趨勢。在輔助洞內整體產狀為N45E NW8085，主帶寬1.64m，影響帶寬21.4m，為壓扭性斷層，具有相對隔水性質。斷層上盤由于N6580W向構造影響，其影響帶寬度達100m以上。斷層主帶內巖性為灰綠色砂巖、大理巖，呈全強風化狀，面絹云母化，巖性軟弱，帶內主要充填有斷層泥、全風化巖、擠壓片巖、巖屑等，斷層泥可見寬0.20.6m；影響帶巖體破碎，為碎裂

10、巖，鐵錳質浸染嚴重。f. F7斷層：南起于手爬山北坡。斷層面平整，形成深切溝谷，寬510m。走向N20E，近直立，被沿溝斷層F23錯開，錯距2050m。往北順溝延伸，并形成延綿數千米斷層崖。g. F9斷層：產狀N1020E，SE8085，全長5km。在木落腳附近，其下盤為石英、綠簾石綠泥石巖，較破碎；上盤為大理巖。斷層寬67m，主帶寬1.2m，擠壓成片狀，局部糜棱巖化，形成延綿數千米斷層崖陡壁。h. F10斷層(甘家溝民勝鄉斷層)：產狀N1020E，SE7080，擠壓帶寬34m。北自甘家溝，順溝向南，經大鋪子、民勝鄉向南延伸，從斷層的寬度來看，其規模并不大，而且在老莊子溝口所見為斷在砂、板巖之

11、中。在地貌上反映為連續十千米的大陡壁。i. F11斷層(老莊子逆斷層)：發育于老莊子復型背斜核部，北側所見產狀為N15E，SE或NW7085，斷層帶內角礫巖帶寬4050cm、糜棱巖帶寬0.21.0m，兩側沿斷層帶方向之劈理發育，在蘇那墚子一帶可見寬約120余米的片理帶。巖體完整性較差，沿斷層帶有泉水出露。j. F14斷層(聯合鄉模薩溝口斷層)：產狀變化大，基本上在N20EN20W之間變動，帶寬1520m，圍巖蝕變帶寬達數十米；沿斷層帶有大量基性巖(角閃石)侵入并被石英脈所穿插，角閃巖脈兩側有角礫巖或破碎帶2m左右。此斷層帶向南至模薩溝口未見巖脈侵入，其產狀為N45E NW5565，向南延至三股

12、水，破碎帶較寬。k. F18斷層(菸房村北斷層)：沿西雅礱江右岸近南北向發育。其中尚可見到近東西向斷層與其交匯。斷層破碎帶寬達40m以上，至三灘上游未通過西雅礱江西岸。產狀為：N15E，SE48，斷層帶內角礫巖膠結良好，并見石英脈呈網狀穿插。揉皺劇烈，具羽狀構造。L. F19斷層：產狀N5WN25E，SW或NW2550，橫穿許家坪廠區，為一反坡緩傾角逆斷層。糜棱巖帶寬0.30.5m，劈理帶寬1530m，兩側巖石有硅化現象。m. F28斷層：N20E，SE70，主帶寬12m，擠壓呈片狀巖。n. F29斷層：N30E，SE85，擠壓破碎帶寬5m，巖石輕微扭曲，局部見30cm寬的擠壓片巖，壓性。o.

13、 F30斷層：N15E，NW80，擠壓破碎帶寬8m，影響帶寬10m，斷裂面平直。1.3.2. NNW向結構面該組結構面主要發育有F20、F21二條斷層，其中F20為級結構面，F21為級結構面。a. F20斷層(田坪溝模薩溝斷層)：為一系列近于平行的斷層向北北西延伸至模薩溝口交匯。主要分布于玄武巖(P2)與西側板巖(P2)之間，斷層傾角較陡，延展不甚規則，巖石破碎扭曲嚴重，斷層性質不明。b. F21斷層(里莊斷層)：走向NNW，過雅礱江后產狀變為N15E，NW72。為規模較大的擠壓破碎帶和片理化帶構成。斷層北部東盤為下侏羅統(J1)炭質板巖，西盤為前泥盆系(AnD)石英片巖。破碎帶寬5m以上，破

14、裂面上擦痕明顯。1.3.3. NENEE向結構面該組結構面主要發育有F1、F15、F17、F22、F25、F26等六條斷層，均為級結構面。a. F1斷層：自皮羅渡口往南西方向延伸，直至瓦廠一帶。石炭系、二迭系、三迭系地層均受其影響，在平面上最大錯距可達700余米。走向N5060E，屬張扭性。b. F15斷層(梅子坪溝斷層)：分布于梅子坪溝，白山組大理巖地層內。截切了西牦牛山背斜和老莊子向斜；產狀為N70E，SE80，于梅子坪村東見花斑狀大理巖被錯動約300余米，左行。c. F17斷層(牛圈坪斷層)：產狀為N45E、NW50。斷于三迭系上統砂、板巖中，擠壓帶寬達20余米，揉皺劇烈，并見斷層泥，其

15、中充填石英脈。d. F22斷層：產狀為N50E，SE8085，全長5km。斷層在西雅礱江兩岸形成小沖溝，帶寬達十余米。青灰色硬質細砂巖被擠壓成片狀，層面呈扭曲現象，有透鏡體出現，并呈香腸狀分布。石英呈定向團快狀充填。e. F25斷層：產狀N70E、SE6675，主帶寬45m，發育3條產狀為 N15E，SE或NW7085，斷層帶內角礫巖寬4050cm，兩側沿斷層帶方向之劈理發育，巖體完整性較差，沿斷層帶有泉水出露。熱釋光樣品測齡為29.222.22萬年，為非活動性斷層。f. F26斷層：產狀N5070E，NW8085，擠壓破碎帶寬615m，由強風化狀的碎裂巖、片狀巖和糜棱巖組成，見石英脈穿插其中

16、及構造透鏡體，具揉皺現象，充填黃色次生泥，壓扭性。1.3.4. NWNWW向結構面該組結構面主要發育有F8、F12、F13、F16、F23、F24、F27等七條斷層，均為級結構面。a. F8斷層(上手爬正平移斷層)：N4280W，NE4563發育于四坪子，上手爬梁子及干海子以北，橫切了碳酸鹽巖和砂、板巖地層。斷層帶寬813m，帶內巖石扭曲破碎，呈片巖化和糜棱巖化，多見石英脈穿插，沿斷層帶有泉水出露。b. F12斷層：順模薩溝發育，走向近東西。溝兩側地層明顯發生位移。錯距達50100m。橫穿三迭系上統砂、板巖和中統白山組地層。往東至雅礱江邊，其性質不明。c. F13斷層(雞納店溝斷層)：橫切老莊

17、子背斜，呈N60W向延伸。北盤相對南盤低300m左右，具正平移斷層性質。斷層帶內見寬2m的角礫巖，地貌上呈深切溝谷狀。d. F16斷層(周家坪橫斷層)：產狀為N7080W，SW至N87E，SE4752，斷層帶寬38m，影響帶寬約9m，斷層帶內強烈扭曲、破碎，有角礫巖、糜棱巖。此斷層橫切地層走向，北盤東移，為壓扭性斷層。e. F23斷層：沿落水洞溝分布，全長約2km，它切割了錦屏山斷層及一些小型斷層，屬左行，帶寬3m左右。見糜棱巖化，兩側巖石較破碎，局部可見揉皺現象，在地貌上形成深切溝谷，大理巖陡壁達數百米。產狀：N65W，NE70，逆平移性質。f. F24斷層(上瓦廠正平移斷層)：產狀N70W

18、至EW向，北盤相對向西錯動，斷層帶形成深切的溝谷和埡口地形。g. F27斷層：位于干海子中部，走向N3040W，NE80，擠壓破碎，干海子地區唯一分布的小泉也分布在該斷層帶附近。2. 軟巖高地應力隧洞施工的難點2.1. 施工難度大復雜的地應力分布狀態導致在施工過程中容易產生的一系列問題和特點，如：開挖后圍巖變形破壞的不均勻性和不對稱性、圍巖壓力分布的復雜性、圍巖和支護結構破壞的共生性（即多種破壞形式同時發生的特點）等，這些給施工管理、施工決策帶來相當大的困難，影響了隧洞的快速掘進。2.2. 圍巖軟弱，開挖變形量顯著高地應力情況下，隧洞隧洞軟巖段均不同程度發生圍巖坍塌、變形侵限、初支混凝土開裂剝

19、落、鋼架扭曲變形等現象。相對較高的地應力水平除引起隧洞周邊位移過大之外，也增加了圍巖的塑性區，破壞范圍增大。2.3. 必須建立應急預案。軟弱圍巖的在高地應力條件下，變形速度快，如果措施不得力或處理不及時，會帶來塌方等地質災害，損毀支護結構，甚至造成人員和財產損失。這就要求施工中必須建立針對軟弱圍巖大變形的應急預案，從地質預報、監控量測、組織機構、物料儲備、反應機制等做出事先的安排和部署。3. 國內外地應力場及軟巖大變形的的研究3.1. 地應力場的研究巖體是在人類工程經濟活動之前，處于相對平衡狀態，并在地質歷史過程中，經過變形和破壞，具有一定物質成分和結構并賦存于一定應力場中的地質體。對巖體而言

20、，應力場既是巖體的有機組成部分，又是巖體的賦存環境，但一般作為賦存環境對待。重力作用、溫度作用和構造運動是引起地應力的主要原因，其中尤以水平方向的構造運動對地應力的形成及其特點影響最大。圖1為中國大陸板塊宏觀受力情況，中國大陸板塊受到印度洋板塊和太平洋板塊的推擠，推擠速度為每年數厘米，同時受到了西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束。太平洋板塊中國大陸板塊西伯利亞板塊印度洋板塊菲律賓板塊圖1 中國板塊主應力跡線圖Hoek，Brown在1978年總結歸納了世界范圍內各地區地應力測量結果，見圖2。在淺層地殼中平均水平應力普遍大于垂直應力。實測資料表明，在絕大多數（幾乎所有）地區均有兩個主應力位于水平或接近

21、水平的平面內，其與水平面的夾角一般不大于30。垂直應力在多數情況下為最小主應力，在少數情況下為中間主應力，只在個別情況下為最大主應力。平均水平應力與垂直應力的比值隨深度增加而減少，但在不同地區，變化的速度很不相同。圖3給出了我國平均水平應力與垂直應力的比值隨深度變化的規律。對于地應力分布規律還有必要進一步深入的研究，地應力分布規律除了與構造應力有關外，還應該受到巖體本身性質的影響。圖2世界各國平均水平應力與垂直應力的比值隨深度變化規律圖3我國平均水平應力與垂直應力的比值隨深度變化規律3.2. 軟巖及大變形的概念3.2.1. 軟巖的概念關于軟巖的定義一直是國內外爭論的問題，其定義多達幾十種之多。

22、總體來說，大體上可分為描述性定義、指標化定義和工程定義，且各有其優缺點。目前，人們普遍采用的軟巖定義基本上可歸于地質軟巖的范疇，按地質學的巖性劃分，地質軟巖是指強度低、孔隙度大、膠結程度差、受構造面切割及風化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層，該類巖石多為泥巖、頁巖、粉砂巖和泥質砂巖等單軸抗壓強度小于25MPa的巖石，是天然形成的復雜的地質介質。國際巖石力學會將軟巖定義為單軸抗壓強度在0.525MPa之間的一類巖石，其分類依據基本上是依強度指標。工程軟巖是指在工程力作用下能產生顯著塑性變形的工程巖體，目前流行的軟巖定義強調了軟巖的軟、弱、松、散等低強度的特點，同時應強調軟巖所

23、承受的工程力荷載的大小，強調從軟巖的強度和工程力荷載的對立統一關系中分析、把握軟巖的相對性實質。3.2.2. 隧洞大變形的概念各類圍巖在正常施工條件下都會產生一定的變形，隧洞施工規范、新奧法指南及襯砌標準設計等對各類圍巖及各種支護結構都規定有不同的預留變形量以容納這些變形。大變形是相對正常變形而言，目前還沒有統一的定義和判別標準。徐則民從大變形的6個特征對大變形進行了概括描述、何滿潮認為大變形可分為彈性大變形和塑性大變形，但軟巖的大變形問題是一個塑性大變形問題，塑性大變形區別于彈性大變形和小變形的顯著標志是前者與過程緊密相關。卞國忠從圍巖變形量上給大變形作了界定，即：若圍巖變形量超過正常規定（

24、20cm）的2倍（即40cm）時，可把圍巖變形視為大變形（南昆線家竹箐隧洞的經驗是單線超過25cm，雙線超過50cm確定為大變形），圍巖變形量介于2040cm之間，可認為是正常變形至大變形的過渡階段。也有根據相對變形量來定義大變形的。3.2.3. 大變形的成因產生大變形主要有客觀和主觀兩方面的原因。地質條件是客觀原因，技術措施不當是主觀原因，前者是根本原因。某些地質條件下，適當的技術措施可以防止大變形的發生，而某些地質條件下常規的技術措施則難以控制大變形的發生。從地質條件分析，產生大變形的原因可能有三種：(1)膨脹巖的作用具有膨脹巖的圍巖在一定條件下體積膨脹，如粘土類礦物、蒙脫石、高嶺土、伊利

25、石、綠泥石等吸水后體積可膨脹10%20%。硬石膏遇水體積可增大60%，芒硝遇水體積增加135%。有的膨脹力可達2545kPa。圍巖膨脹使隧洞周邊產生大變形。我國成昆線百家嶺隧洞、青藏線關角隧洞、寶中線堡子梁隧洞都屬于圍巖膨脹引起的大變形。(2)高地應力作用下的軟巖隧洞擠壓變形高地應力是一個相對的概念，它是相對于圍巖強度(Rb)而言的。也就是說，當圍巖內部的最大地應力()與圍巖強度的比值() )達到某一水平時，才能稱為高地應力或極高應力，即圍巖強度應力比= 目前在隧洞的設計施工中，都把圍巖強度應力比作為判斷圍巖穩定性的重要指標，有時還作為圍巖分級的重要指標。從這個角度講，應該認識到埋深大不一定就

26、存在高地應力問題，而埋深小，但圍巖強度很低的場合，也可能出現高地應力問題。因此，在研究是否出現高或極高地應力問題時必須與圍巖強度聯系起來進行判定。表1為一些圍巖強度應力比的分級指標。表1 圍巖強度應力比的分級基準標準類別極高地應力高地應力一般地應力法國隧洞協會2244我國工程巖體分級基準4477日本新奧法指南(1996)2466日本仲野分級2244研究表明，當強度應力比小于0.30.5時，即能產生比正常隧洞開挖大一倍以上的變形。此時洞周將出現大范圍的塑性區，隨著開挖引起圍巖質點的移動，加上塑性區的“剪脹”作用，洞周將產生很大位移。圓形隧洞彈塑性解析解也表明，當強度應力比小于2時洞周將產生塑性區

27、，強度應力比越小則塑性區越大。塑性區半徑增大則洞周位移也相應增大，加上圍巖剪切破壞時體積膨脹(剪脹)，位移增加更快。所以高地應力是大變形的一個重要原因。這又稱為高地應力的擠壓作用。軟弱圍巖隧洞很多，只有在高地應力作用下才會發生這種擠壓現象。(3)局部水壓及氣壓力的作用當支護和襯砌封閉較好，周邊局部地下水升高或有地下氣體(瓦斯等)作用時，支護也會產生大變形。但隨支護開裂，水或氣溢出，壓力減小，變形也就停止，這種現象并不多見。4. 本工程引水隧洞軟巖大變形控制的基本思路針對本工程引水隧洞高地應力條件下斷層破碎帶區段實際情況，采用柔性結構設計理念分階段綜合控制法。根據引水隧洞的施工方法，確定其變形的

28、控制方法。本工程采取鉆爆法和TBM法相結合的方式。對于TBM法而言，由于其是圓形斷面，加之沒有震動松動圈，其變形控制較鉆爆法相對容易，主要是通過擴挖刀擴挖，預留適當的沉降量；增加超前灌漿，增加圍巖的強度；開挖后采用錨噴聯合支護措施。對于鉆爆法而言，通過選擇合理的斷面形狀，留足預留變形量，短錨管超前支護，中等長等系統錨桿和少量補強錨桿圍巖加固，多重支護，適當提高襯砌剛度和提前施作襯砌等措施對變形予以控制。5. 國內外典型擠壓性大變形隧洞工程實例及大變形控制技術國內外有名的擠壓性圍巖大變形隧洞有奧地利的陶恩隧洞和阿爾貝格隧洞、日本的惠那山隧洞、中國的南昆線家竹箐隧洞和臺灣木柵公路隧洞。5.1. 陶

29、恩(Tauern)隧洞19701975年修建于奧地利，為雙向行駛之公路隧洞(單洞)，全長6400m，埋深6001000m。新奧法的鼻祖Rabcewicz教授親自主持該隧洞的設計并參加施工。該隧洞施工中在千枚巖和綠泥石地段發生了大變形，產生了50cm(一般)及120cm(最大)的位移，最大位移速度達20cm/d，是世界上第一座知名的大變形隧洞。由于在陶恩隧洞設計時對擠壓性圍巖缺乏經驗，初期支護較弱(長4m錨桿，厚25cm噴混凝土，TH3675鋼架)。在洞壁發生大變形后，Rabcewicz采用了長錨桿(69m)、可縮鋼架以及噴層預留縱縫等加強措施(這些措施至今仍在沿用)，對洞壁已侵入模注混凝土凈空

30、部位進行了危險的擴挖作業，據說工程非常艱難，但最后仍取得了成功。5.2. 阿爾貝格(Arlberg)隧洞阿爾貝格隧洞也在奧地利，系公路隧洞，全長13980m。該隧洞是緊接著陶恩隧洞之后開工的(19741979年)，設計時已吸收了陶恩隧洞的經驗教訓，所以雖然也是擠壓性圍巖隧洞，但支護變形較小，施工較為順利。隧洞最大埋深740m，原始地應力13MPa，圍巖為千枚巖、片麻巖、含糜稜巖的片巖綠泥石等，抗壓強度為1.22.9MPa。為防止大變形，設計時采用了強大的初期支護系統：厚2025cm噴混凝土；可縮式75鋼架；6m長的125cm錨桿。雖然如此，在局部地質較壞(巖層走向與隧洞平行且有地下水)的地段，

31、仍產生了2035cm的支護位移，變形初速度達到46cm/d ，最大達11.5cm/d。在增加了912m的長錨桿后，使變形初速度降為5cm/d。據統計，每延米隧洞錨桿用量達420m。5.3. 惠那山(Enasan)隧洞惠那山隧洞為雙洞隧洞，在日本中央公路的兩宮線上。號隧洞先修，于1975 年8 月建成，全長8300m，是雙向行駛的公路隧洞。后由于交通量的增加，1978年開工修建第二座隧洞，即號隧洞，該隧洞全長8635m，于1985年建成。這兩座隧洞平行，通過的地層是一樣的，其中有一個長400m的長平澤斷層非常軟弱，為風化的變質角頁巖(已粘土化)，單軸抗壓強度僅1.74.0MPa，該處埋深約400

32、m。特別使人感興趣的是，為通過這同一條斷層，號隧洞采用剛性支護，而號隧洞采用新奧法的柔性支護，從而可進行效果對比。號隧洞采用的斷面型式如圖4。主洞開挖時先以0.8m間距安設重型鋼架(H250)并輔以襯板，先后澆注二層模筑混凝土。由于變形很快而且數值大，鋼架被大量破壞，因此在澆注第二層混凝土時又補充了H200鋼架(0.8m)。值得注意的是，雖然模筑混凝土襯砌總厚1.2m，而且加入了大量的重型鋼架，襯砌仍然發生了大規模的開裂，最后不得不用鋼纖維加筋混凝土來反復修補。吸收了號隧洞的教訓后，號隧洞采用新奧法柔性初期支護。其特點是：采用長錨桿(設計長度為6m，施工時加長到913.5m)；預留變形量(上半

33、部為50cm，下半部為30cm)； 鋼纖維噴混凝土(厚25cm)及可縮式鋼架；二次襯砌為45cm厚的素混凝土。隧洞斷面見圖5，最終發生的初期支護位移為2025cm,最大56cm，說明長錨桿發揮了作用。圖4惠那山號隧洞剛性支護示意(單位:cm)圖5惠那山號隧洞初期柔性支護示意5.4. 家竹箐隧洞家竹箐隧洞是我國南昆鐵路上的著名險洞(單線鐵路隧洞)，以高瓦斯、高地應力、大涌水而著稱。由于煤系地段軟弱(Rb=1.7MPa)，且地應力較高(16.09MPa)，在390m長的地段內產生了大變形，洞壁位移6080cm(最大160cm)，拱頂下沉接近100cm。之所以變形這么大，與設計階段對大變形缺乏判斷有

34、關，當時國內對高地應力擠壓性圍巖尚缺乏認識，以為只是一般的軟弱地層，故只采用了一般標準的初期支護(這一點和陶恩隧洞相似)。施工中的變更設計是：(1)改善洞形，加大邊墻曲率；(2)將預留變形量加大為45cm(拱)及25cm(墻)；(3)系統錨桿加長為8m(后期經應力量測，隧底錨桿減為47m)；(4)噴混凝土加厚(初噴20cm，復噴15cm)，設三道縱縫；(5)鋼架改為U29可縮式；(6)雙層模注混凝土襯砌，其中外層為55cm鋼纖維配筋混凝土(主要受力結構) ，內層為25cm鋼纖維混凝土(安全儲備) ，兩層之間為HDPE瓦斯隔離層。5.5. 木柵隧洞木柵隧洞位于臺灣北部第二高速公路上，隧洞穿越臺北

35、市南郊的木柵山區，全長1875m，為三車道公路隧洞(斷面150m2)。該隧洞在通過潭灣大斷層時，發生了大變形，拱頂下沉150cm以上，邊墻內擠70cm。潭灣斷層帶寬75m，與隧洞斜交，大變形地段長205m。由于初期僅采用常規的錨噴支護，故產生了嚴重的大變形。該隧洞變形整治有一個特色，即應用了長大預應力錨索(圖6)。錨索長1517m，預拉力50t，但隧底采用長為9m之一般錨桿。通過錨索孔及錨桿孔向地層注漿加固圍巖，而強大的錨索及錨桿使隧洞趨于穩定。圖6臺灣木柵隧洞預應力錨索示意6. TBM法高地應力軟巖大變形控制措施6.1. 引水隧洞TBM法施工圍巖變形控制標準引水隧洞TBM法施工圍巖變形控制標

36、準見表2表2本工程引水隧洞TBM發施工圍巖變形控制標準圍巖條件變形控制標準備注巖組隧洞埋深m圍巖類別應變率%T2z雜谷腦組大理巖1500/b1b類圍巖為由于輕微巖爆降級為類圍巖的洞段；b類圍巖為由于強烈巖爆降級為類圍巖的洞段；b類圍巖為由于輕微巖爆降級為類圍巖的洞段；b類圍巖為由于輕微巖爆降級為類圍巖的洞段；圍巖應變率是指圍巖最大變形與隧洞半徑（或跨度）之比1b12T2z 雜谷腦組大理巖15002000/b11b23T1綠泥石片巖12001500b1.534T1砂板巖15002000/b123T2b白山組大理巖15002500/b12b2b2b23T2y鹽塘組大理巖15002000/b11b2

37、b23T2y鹽塘組大理巖1500/b11b126.2. TBM洞高地應力軟巖大變形施工控制技術對于軟弱圍巖而言，TBM施工法的優勢：一是利用刀盤來破碎巖石，相比鉆爆法而言減少了對圍巖的震動和擾動；二是斷面形狀呈圓形，開挖斷面規則，應力分布均勻。但對于其對軟巖也有其劣勢，主要是其對于大變形控制措施的選擇性比較少。從本工程特點及所選用的TBM設備而言，主要有以下幾種控制技術。6.2.1. 加強地質預報超前地質預報為TBM掘進施工中隧洞地質監測的重要組成部分，它包括隧洞圍巖描述、水文地質監測、施工地質測繪、圍巖變形監測、圍巖類別判別、儀器現場量測、不良地質體預報及相應的地質、測試資料分析和成果整理等

38、工作，并及時提供超前地質預報成果資料。6.2.1.1. TBM法超前地質預報工作實施特點超前地質預報工作主要是對圍巖及水文地質條件進行監測、對不良地質體進行預報，及時獲取現場第一手地質資料和儀器測試數據，是地質預報工作成敗的關鍵，同時現場地質工作和儀器測試與隧洞TBM掘進施工相互干擾、又相輔相成。因此，進行超前地質預報的地質工程師要在充分了解前期地質工作的基礎上，對隧洞的工程及水文地質條件進行認真的調查，時時跟進TBM施工，在TBM檢修維護的空隙時間里及時的進行儀器測試，保證采集的資料、數據準確無誤，并盡快提供分析成果，為圍巖支護和不良地質體的超前處理提供依據。6.2.1.2. 超前地質預報工

39、作項目和內容超前地質預報工作包括：隧洞圍巖描述、圍巖監測、水文地質監測、施工地質測繪、圍巖類別判別等常規地質預報和超前地質勘探、超前儀器現場量測、不良地質體長距離預報等超前地質預報，以及相應的地質、測試資料分析和成果整理等工作。常規地質預報是指：對已開挖洞段及時進行地質編錄、測繪、取樣及試驗，依據已知圍巖的風化、裂隙發育狀況及開挖石渣的粒徑、形狀、質量狀況和較大滲水點的滲水量、水溫、PH值、導電性等條件，預報掌子面前方未開挖地段的地質情況、可能出現的不良地質體及圍巖類別。超前地質預報是指：為防止TBM掘進時遭遇未知的不良地質體而進行的超前地質勘察、超前勘探鉆孔、超前儀器測試等，對隧洞掌子面前方

40、長距離范圍內的不良地質體進行預報。所采用的主要手段為：地面地質預測、超前鉆孔、地質雷達測試、地震波超前測試等，然后將采集的數據進行整理，從而對不良地質體可能被揭示的位置進行預報。超前地質預報的主要內容見表3。表3地質超前預報的主要工作內容表序號主要工作內容說明1不良地質及災害地質預報預報掌子面前方一定范圍內有無突(涌)水、突泥以及巖爆等不良地質情況，并查明其范圍、規模、性質，提出施工措施或建議；2水文地質預報預報洞內突涌水量的大小及其變化規律，并評價其對環境地質、水文地質的影響；3斷層及其破碎帶的預報預報斷層的位置、寬度、產狀、性質、充填物的狀態，是否為充水斷層，并判斷其穩定程度，提出施工對策

41、；4圍巖類別及其穩定性預報預報掌子面前方的圍巖類別與設計是否吻合，并判斷其穩定性，隨時提供修改設計、調整支護類型、確定二次襯砌時間的建議等；5有害氣體的預報預測隧洞內有害氣體含量、成分及動態變化。6.2.1.3. 超前地質預報TBM法施工引水隧洞施工過程中的地質預報采用多種預報手段相結合的綜合預報方法，建立宏觀超前地質預報(工程地質法)、長期（長距離、50m200m)超前地質預報(工程地質法、TSP探測、HSP技術及超前鉆探)、短期（短距離、050m）超前地質預報(Beam測試、超前鉆探、超前導洞及經驗法等)三級預報預警機制，構成引水隧洞施工的地質綜合預報體系，進行不良地質體災害的超前預報。T

42、BM掘進施工時，采用Beam測試與掘進同時進行，并將預報信息適時傳輸至工程信息管理系統。預報成果應在工程地質分析的基礎上，結合儀器預報成果，進行綜合分析后提出。在施工期間，通過現場三級預報信息反饋，以提高信息解譯精度，經綜合判斷提交相應的地質超前預報單。施工過程中應嚴格執行“先探后掘”的原則，以避免地質災害的發生，確保引水隧洞的安全施工。6.2.1.4. 斷層及破碎帶的預報內容和方法（1）內容：預報斷層的位置、寬度、產狀、性質、充填物的狀態，是否為充水斷層，并判斷其穩定程度。（2）方法：本工程采用宏觀預報法預測全洞段的斷層及破碎帶位置及規模，主要采用TSP/HSP法進行長期預報，輔助采用Bea

43、m法進行斷層及破碎帶的短期預報，采用超前鉆探及經驗法準確預測斷層及破碎帶位置和規模。6.2.2. 地應力釋放鉆孔卸壓法：在可能發生巖爆的部位，鉆數個孔徑6080mm、孔深10m的鉆孔，釋放巖體中的高構造應力，同時向巖體高壓均勻注水。此方法可以通過三方面的作用防治巖爆，一是可以釋放應變能，并將最大切向應力向圍巖深部轉移；二是高壓注水的楔劈作用可以軟化、降低巖體的強度；三是高壓注水產生了新的張裂隙，并使原有裂隙繼續擴展，從而降低了巖體儲存應變能的能力。6.2.3. 超前加固結合TBM的特點,利用掘進機本身自帶的超前地質鉆機施作超前預加固圍巖,抑制圍巖暴露后產生過大的變形。其方法是：通過一系計算,分

44、別考察隧洞埋深、注漿加固環力學特性和厚度、斷層材料的力學特性等對隧洞變形穩定的影響情況,探索大斷層區注漿的加固規律。主要是采用高壓注漿錨桿、超前小導管等加固圍巖，以改善支護結構的受力條件，限制其過大變形6.2.4. 掘進支護措施斷層帶圍巖受構造影響嚴重，圍巖破碎、穩定性極差，在TBM設備掘進過程中可能會出現塌方，且影響范圍大、深度深，拱頂沉降量大，嚴重時很容易造成拱架失穩、變形。TBM設備掘進至斷層破碎帶時，由于掌子面附近的圍巖破碎、松散，TBM設備刀盤頂在掌子面上，暫不后退，更不能在無推進的狀態下，轉動刀盤進行掘進開挖出渣，否則，會造成刀盤前部更大范圍坍塌，形成空穴，而一旦形成刀盤前部的空洞

45、，處理起來困難更大，而且會延誤工期。首先采用人工噴錨，及時封閉圍巖，對不同圍巖條件的地段，噴混凝土的厚度要及時調整，確保圍巖變形受到控制和主機撐靴不會撐跨圍巖，監控量測及時反饋，若拱頂下沉仍得不到控制，補噴混凝土或加密拱架支撐等一系列增強支護措施。對坍塌區用鐵皮封堵，噴混凝土封閉，及時快速灌注混凝土，對范圍大且坍塌于護盾上的坍腔回填時，為減少等強時間，提高工效，在混凝土中加入適量速凝劑（速凝劑量適中，以保證混凝土有一定的流動性，以確保坍腔回填密實）。拱架安裝一定要保證豎直，間距符合要求，螺栓擰緊，隧洞清底要徹底，以保證鋼拱架緊貼仰拱。若鋼拱架受壓變形及時用型鋼加固，其連接要牢固，底部兩邊打鎖腳

46、錨桿，以有效控制拱架變形、穩定圍巖，確保安全及主機順利通過。對圍巖破碎區和滲水區，打入注漿錨桿，用濃度為36Be的水玻璃與水灰比為0.81.0的水泥漿加固圍巖，填充空隙。及時調整設備的技術參數，降低對巖面的承壓力，減少擾動，保護圍巖，盡量減少剝落坍塌量。一般在硬巖中，TBM設備撐靴壓力通常在250bar以上，速度在70以上，以提供最大的支撐反力和扭矩。由于斷層破碎帶處圍巖整體性和穩定性較差，可能伴隨大型坍塌，為減少對巖體的破壞，此時不再使用側向撐靴，而用后支撐頂推行走，采用較低的刀盤轉速，從而控制刀盤的推進速度，掘進速度也隨即降低。（8）多重支護、分次施作。分重支護、分次施作對有效控制圍巖變形

47、能發揮重要作用。多重支護施作順序主要為：首先施作小導管注漿，加固圍巖，開挖后立即初噴45cm厚混凝土，封閉巖面，然后架立鋼架、施作系統錨桿，復噴混凝土至一次噴射厚度，通過現場監測，再進行二次噴混凝土支護，通過施工監測，若發現二次混凝土噴層開裂或變形速度異常進行柔性錨索或進行混凝土噴層補強，最終實現有效控制圍巖變形，確保支護結構安全的目的。（9）錨桿加長支護：根據實際情況采用普通螺紋錨桿、摩擦錨桿、水脹式錨桿、錐形錨桿或機械漲殼式預應力中空注漿錨桿，錨桿均需帶墊板，梅花型布置，增加機錨桿的數量。錨桿以68m為宜。6.2.5. 加強監控量測針對高地應力斷層破碎帶的主要監測內容包括以下部分：圍巖變形

48、：采用全站儀及圍巖收斂分析軟件，進行施工期全程圍巖收斂變形監測；在圍巖內鉆孔埋設多點變位計，觀測圍巖松動區，校核圍巖灌漿深度。圍巖應力監測：在圍巖內鉆孔埋設巖石應力計，觀測圍巖應力的變化情況。襯砌及支護結構受力監測：設置觀測錨桿布置錨桿應力計，觀測錨桿受力并檢驗錨桿參數；在噴混凝土襯砌段，在第一次噴混凝土表面設置應變計組，觀測噴混凝土應力情況；在鋼筋混凝土襯砌內布置鋼筋計、應變計，檢驗混凝土支護設計參數和施工方法。外水壓力監測：在圍巖內鉆孔埋設滲壓計，鉆孔深度深入圍巖固圈以外。（5）隧洞缺陷監測：采用分布式光纖裂縫傳感器實現結構裂縫、巖體裂縫和圍巖區域性破壞和大范圍連續、定量監測。（6）圍巖松

49、動圈監測：采用單孔聲波測試方法，測定圍巖聲波速度及其變化趨勢，判定隧洞圍巖松弛厚度。施工期圍巖收斂變形監測斷面布置，每隔50m100m布置1個觀測斷面，具體布置根據現場地質情況確定。TBM施工洞段由于設備布置的原因，收斂測點按3測點3測線布置（圖7）；圖7 TBM法圍巖收斂布點圖6.2.6. 對于侵限變形的處理措施當隧洞變形過大，導致斷面小于設計斷面時，必須對縮小后的斷面進行處理。處理的流程為周邊圍巖灌漿加固預留沉降、跳槽擴挖重新支護適時襯砌。6.2.7. 適時襯砌當隧洞開挖并釋放部分位移后，提高襯砌剛度并適當提前施作二次襯砌，以控制圍巖的過大變形。施作二次襯砌后，由于剛性二次襯砌限制了圍巖隨

50、時間發展的變形，二次襯砌同樣受到來自圍巖的壓力，隨著時間的推移，一二次襯砌所承受的圍巖流變壓力也會不斷的增加。所以襯砌的時機要把握好，既給圍巖應力釋放的時間和空間，又要防止出現塌方掉塊。7. 鉆爆法高地應力軟巖大變形控制措施由于本工程引水隧洞斷層多（主要的有30條），地應力高的特點，對鉆爆法施工中遇到的高地應力軟巖變形進行防治十分必要。7.1. 引水隧洞鉆爆法施工圍巖變形控制標準本工程鉆爆法施工圍巖變形控制標準表4表4 本工程鉆爆法施工圍巖變形控制標準圍巖條件變形控制標準備注巖組隧洞埋深m圍巖類別應變率%T2z雜谷腦組大理巖1500/b1b類圍巖為由于輕微巖爆降級為類圍巖的洞段；b類圍巖為由于

51、強烈巖爆降級為類圍巖的洞段；b類圍巖為由于輕微巖爆降級為類圍巖的洞段；b類圍巖為由于輕微巖爆降級為類圍巖的洞段；圍巖應變率是指圍巖最大變形與隧洞半徑（或跨度）之比1b12T2z 雜谷腦組大理巖15002000/b11b23T1綠泥石片巖12001500b1.534T1砂板巖15002000/b123T2b白山組大理巖15002500/b12b2b2b23T2y鹽塘組大理巖15002000/b11b2b23T2y鹽塘組大理巖1500/b11b127.2. 鉆爆法高地應力軟巖大變形防治措施7.2.1. 加強地質預報引水隧洞施工過程中的超前地質預報采用多種預報相結合的綜合預報方法，建立宏觀超前地質預

52、報(工程地質法)、長期（長距離)超前地質預報(工程地質法、TSP探測、HSP測試及超前鉆探)、短期（短距離）超前地質預報(地質雷達、紅外探水、CT測試、超前鉆探、超前導洞及經驗法等)的三級預報預警機制，構成引水隧洞施工的地質綜合預報體系，對巖石斷層破碎帶進行的超前預報。7.2.2. 超前預支護和加固采用超前小導管做為超前預支護，施做超前小導管注意以下事項：第一，噴35cm厚混凝土封閉掌子面作為止漿墻，為注漿作好準備工作；第二，準確測量隧洞中心線和高程，并按設計標出導管的位置，誤差滿足規范要求；第三，用儀器測出隧洞中心面，隨時檢查鉆孔或推進導管的方向，以控制外插角達到設計的標準；第四，施工順序為

53、從兩側拱墻向拱頂進行，為提前注漿留好作業空間。超前預注漿采用帷幕注漿，注漿采用雙液注漿，采用漿液攪拌器制漿。為防止漿液從其他孔眼溢出，注漿前對所有孔眼安裝止漿塞，注漿順序從兩側拱腳向拱頂。由于巖體孔隙不均勻，考慮環形開挖的方便，同時要達到固結破碎松散巖體的目的，保證開挖輪廓線外環狀巖體的穩定，形成有一定強度及密實度的殼體，特別是確保兩側拱腳的注漿密實度和承載力，采取注漿終壓和注漿量雙控注漿質量，拱腳的注漿終壓高于拱腰至拱頂。通過現場試驗確定拱腳終壓、拱腰終壓范圍和拱頂終壓值。注漿時相鄰孔眼需間隔開，不能連續注漿，以確保固結效果，又達到控制注漿量的目的。7.2.3. 臺階法開挖方法臺階法作為一種

54、地質適應性最強和大型設備快速施工要求的開挖方法，對本工程引水隧洞斷層破碎帶施工具有其適應性。與其它開挖方式相比較，臺階法更具靈活性。臺階高度可根據隧洞斷面和掌子面的穩定程度靈活選擇，與其它輔助工法相結合，使用范圍廣。工序調整方便，僅需要通過改變臺階長度即可實現整個斷面的封閉時間的調整，尤其適用于軟硬不均的地層進行快便的施工參數調整。施工進度相對較快，與CD或CRD法相比，適應大型設備的快速施工，各部施工干擾小，節省材料，具有較好的經濟性。施工作業空間相對較大，有利于機械化作業，減小勞動作業強度。 便于爆破施工作業，爆破開挖效果容易控制等。為避免圍巖開挖發生過度變形，盡快完成初期支護封閉，減少多

55、工序轉換，鉆爆法洞斷開挖擬采用三臺階同時爆破的施工方法，實行平行交叉作業，整體推進。上、中層臺階長度控制在5m以內，仰拱開挖掌子面距仰拱襯砌25 m以內，仰拱襯砌距二襯50m。三步臺階同時爆破的主要特點是仰拱開挖與下斷面開挖一次完成。在圍巖較差和收斂變形較大地段，開挖后在下斷面鋼架底部設臨時橫撐以抑制支護變形收斂。仰拱的襯砌長度56m，開挖在掌子面出碴完成后進行，時間控制在90 min，與下斷面立鋼架平行作業。仰拱開挖完畢后鋪設仰拱棧橋，不影響前方噴射混凝土送料。在前方掌子面完成鉆眼前，要完成仰拱清底、鋼架安裝工作，達到澆筑混凝土標準。待噴射混凝土結束，進行鉆爆作業時，采用軌行式混凝土罐車集中

56、澆筑仰拱混凝土。要求每組仰拱施工必須在一個掘進支護循環內完成，不能影響掌子面的正常工序。7.2.4. 系統中長錨桿（管）圍巖加固技術錨注（管）支護是利用錨桿作為注漿管對軟弱、破碎圍巖注漿加固，并噴射混凝長封閉圍巖。根據本投標人以往經驗，長度46m的中長錨注支護對隧洞大變形控制作用顯著。因此，對本工程引水隧洞斷層破碎帶采用系統注漿錨管對開挖后的洞室進行變形控制，錨桿（管）長度最長的達68m。系統注漿錨桿（管）與超前小導管注漿一起，形成統一的圍巖加固體系，對洞室周邊圍巖進行系統加固，減少圍巖開裂，提高圍巖整體性能，對隧洞開挖初期圍巖的變形起到了較好的控制作用。7.2.5. 采用可縮式鋼架適應隧洞變

57、形這種支護的理論依據是，當開挖引起的圍巖擴容不可避免時，允許圍巖發生適度的變形，這樣可以降低作用于結構上的支護壓力，從而減少超挖量并降低支護強度。具體措施是適當超挖，在圍巖變形穩定后再架設支護，更多的則是開挖后立即架設可縮的初期支護。支護方式一般為帶縱向伸縮縫的混凝土噴層并輔助以可縮式構件支撐。圖8是一種典型的可縮式隧洞鋼架圖。圖8可縮式隧洞鋼架示意圖可縮式鋼架可縮結點構造見圖9圖9 可縮式隧洞鋼架結點構造示意圖7.2.6. 多重支護、分次施作、適時襯砌技術多重支護、分次施作對有效控制圍巖變形能發揮重要作用，多重支護施作順序主要為：首先施作小導管注漿，加固圍巖，開挖后立即初噴45cm厚混凝土，封閉巖面，然后架立鋼架、施作系統錨桿，復噴混凝土至一次噴射厚度，通過現場監測，再進行二次噴混凝土支護，通過施工監測，若發現二次混凝土噴層開裂或變形速度異常進行柔性錨索或進行混凝土噴層補強，最終實現有效控制圍巖變形，確保支護結構安全的目的。合理的二襯施作時間，能有效地控制大變形的進一步發展。時機的選擇要根據鉆爆洞監測的結果和隧洞圍巖的穩定情況而定。