六盘山隧道大变形段施工方案

六盘山隧道高软岩大变形段施工方案

一、工程概况

1、设计概况

本拟建工程为青岛至兰州公路（宁夏境）东山坡至毛家沟段高速公路，是国家高速公路规划网中18条横线的第6条，是国家高速公路网的重要环节和组成部分，本合同段为第4合同段，合同段起点里程K12+500，终点里程K18+601.7，合同段全长6.1017Km，施工内容包括路基、桥梁、涵洞、隧道等施工内容。本合同段重点工程为六盘山隧道工程出口段，隧道左线长3210m，右线长3260m。

计划施工工期33个月，计划开工日期：2012年7月，计划交工日期：2015年3月。缺陷责任期为自实际交工日期起24个月。

2、地质情况

隧道洞身穿越白垩系下统李洼峡组泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及第三系渐新统

清水营组砖红色粉砂质泥岩夹砂砾岩，结构较完整，稳定性相对较好，围岩级别Ⅳ级。洞身轴部穿越米缸山大背斜及多个小型褶曲形成的褶皱带，地形上表现为山体呈波状起伏。施工时可见基岩裂隙渗水，多以滴流或线流形式出现，沟谷分布地段及褶皱构造带部位有发生突涌水的可能。岩体纵向节理裂隙较为发育，泥岩遇水易软化、崩解，洞室开挖爆破拱部围岩支护不当，会产生局部掉块、塌落，甚至会出现坍塌现象。隧道洞身深埋段高应力集中，深部软质岩区有发生大变形的可能。

3、大变形段判定指标

当采用常规支护的隧道由于地应力较高而使其初期支护发生程度不同的破坏且位移值与隧道当量半径之比大于3%时，认为发生大变形。

本项目六盘山隧道穿越地层岩性主要以中风化粉砂质泥岩为主，岩石风化不均，风化层厚度变化大，且这些段落埋深较大，岩质属较硬—较软岩，加之区内

存在高地应力现象，因此隧道深部软质岩（中风化粉砂质泥岩）存在大变形的可能。

①大变形分级标准

目前关于大变形国内尚无统一分级标准，本次设计参照国内专家对软岩大变形的分级方案的研究成果进行等级划分。具体标准如下：

a、现场判定依据

大变形等级之现场判定

大变形分级 Ua/a（%） 轻度 中度 严重 3~6 6~10 ＞10 双车道公路隧道Ua/cm 20~35 35~60 ＞60 初期支护破坏现象 喷混凝土层龟裂，钢架局部与喷层脱离 喷混凝土层严重开裂，掉块，局部钢架变形，锚杆垫板凹陷 现象同上，但大面积发生，且产生锚杆拉断及钢架变形扭曲现象 注：表中Ua为洞壁位移，a为隧道当量半径；表中变形及位移均在初期支护已施工的条件下产生，该支护系常规标准支护。

b、理论判定依据

大变形等级之理论判定

项目 P01=4.67Rcm+2.52 P02=5.74Rcm+4.48 P03=7.73Rcm+5.20 P0 P02≤P0≤P03 P0＞P03 中度大变形 严重大变形 原始地应力 判定 P0＜P01 P01≤P0≤P02 结论 不发生大变形 轻度大变形 注：P0为平均地应力（隧道横断面上最大主应力与最小主应力的平均值）；P01、P02、P03分别为研究成果的三条回归曲线（此处对研究过程不作详述），Rcm为岩体抗压强度（采用围岩内摩擦角φ及粘聚力C按库伦屈服公式推算），

Rcm2Ccosφ。

1sinφc、六盘山隧道可能发生大变形段的岩石基本物理力学参数

由于六盘山隧道岩性较为单一，洞身围岩主要为中风化粉砂质泥岩，根据钻孔ZK4、ZK5实测地应力值，结合六盘山隧道地勘资料以及《公路隧道设计规范》，

判定本隧道在施工过程可能发生大变形的段落以及大变形的等级。

六盘山隧道大变形段岩石基本物理力学参数表

项目 地层岩性 段落 ZK4（1） 最大主最小主应力 应力 Po C φ Rcm 大变形等级 埋深 中风化粉砂475~5009.24 13.52 11.4 0.84 62.5 7.03 不发生 质泥岩 米 中风化粉砂ZK4（2） 9.24 13.52 11.4 0.5 35 1.92 不发生 475~500m 质泥岩 中风化粉砂ZK5（1） 11.07 16.68 13.9 3.63 50.1 11.3 不发生 500多米 质泥岩 中风化粉砂ZK5（2） 11.07 16.68 13.9 0.5 35 1.92 轻度 约500m 质泥岩 注： C为围岩粘聚力（MPa），φ为围岩内摩擦角，Rcm为岩体抗压强度，Po为平均地应力（隧道横断面上的最大主应力与最小主应力平均值（取隧道轴线3倍洞径内的最大地应力值）。

表中带“（1）”的为根据实测数据计算的结果，表中带“（2）”的为根结合《公路隧道设计规范》围岩C、φ值计算的结果。从以上两种情况的计算结果分析，按实测值计算的结果表明隧道开挖过程中不会发生大变形，而按照规范计算的结果表明在埋深约500米或大于500米处，可能发生大变形段。由于发生大变形的因素很多，通过理论计算较难判定大变形的标准，在设计阶段更难以加以预判，本次设计考虑到地下工程的诸多不确定性，设计对部分段落进行大变形预处理，本合同段左右线各计100米。

根据国内现阶段的研究成果，除预判为可能发生大变形段以外施工过程中应加强监控量测，通过“理论判定依据”并结合“现场判定依据”对隧道是否发生大变形作出及时、有效的判定，为隧道设计、施工提供实时的围岩参数以及变化规律，确保施工的安全。

三、施工方案

大变形段衬砌支护参数设计

根据对隧址区地应力及岩体强度的分析，并结合等级划分标准，认为本段大变形发生的等级为轻度大变形区，具体支护参数如下：

项 目 C25混凝土 直 径 径 向 锚 杆 长 度 喷射混凝土 单位 cm mm cm Ⅳ级大变形 24 φ25 600（全断面设置）

钢筋网 钢 架 二衬混凝土 仰拱混凝土 超前支护 锚杆布置 直径 钢筋布置 工字钢架 纵 距 C30钢筋混凝土 二次C30钢筋混凝土 类 型 间 距 长 度 适用条件 cm mm cm 型号 cm cm cm cm m 100×70 φ8 25×25 I18 70 45 45 φ42超前注浆导管 40 4.5 洞壁位移显著，持续时间长，洞底存在隆起段落

软弱围岩段施工工艺流程如下图

1、首先应先施做超前导管

2、超前支护采用∅42超前注浆导管支护，L-4.5m，环向间距40cm，α-10°，施工时可根据施工方法、施工机具适当修正一次注浆深度和导管长度，超前小导管外插角10-20°，搭接长度不小于1.00m；注浆材料为水泥净浆液，水泥浆水灰比1:1，小导管注浆压力为0.5-1.0MPa,必要时可在孔口处设置止浆塞，止浆塞应能承受最大注浆压力。注浆前应进行现场试验，以确定最终的注浆参数；施工时可在确保洞室稳定和安全的情况下调整开挖方式,边墙部可视坑道稳定情况，

适当加设小导管注浆。 2、开挖及初期支护

软弱围岩大变形段开挖采用环向留核心土法，具体施工顺序如下图：

上台阶留核心土开挖，掘进长度宜控制住一米内，隧道预留变形量按25cm考虑，隧道施工中应根据围岩监控量测结果确定最终的施工开挖预留变形量

开挖完成后应及时进行初期支护，初期支护采用I18工钢拱架，纵向间距70cm，钢筋网片采用∅8钢筋网片，网格尺寸为25cm*25cm,中空注浆锚杆长度为6m，纵环间距均为1m。

钢拱架设计未考虑预留变形量，施工时可根据开挖和具体施工方式调整钢拱架半径和每段长度；接点处经螺栓拼接后，骑缝焊接牢固，焊接缝都应焊接饱满，不得有砂眼；两榀钢拱架之间的连接筋N2焊接在工字钢翼缘内侧，除一 般情况下按图布设外，可视拱架的稳定情况加设交叉连接筋；钢拱架与开挖轮廓间所有间隙必须喷混凝土充填密实,先喷拱架与轮廓之间隙,再喷拱架周围,然后再喷拱架之间；施工开挖后架立拱架的同时应做好拱脚处理，必要时增设锁脚锚管，锁脚锚管的设置根据实际情况确定，每榀拱架按4根Φ42，长3.5m的小导管；

钢筋网全断面布设,锚杆布设按梅花形布置,并结合岩层产状适当调整锚杆位置和方向。

支护设计如下图所示

1

初期支护结束后应及时施做仰拱封闭成环，仰拱施工和二衬施工及时跟进，缩小施工步距。

四、施工重点

⑴施工严格遵循“管超前，严注浆，短进尺，少扰动，强支护，早封闭，勤量测，速反馈”的原则，爱护围岩，加强超前地质预报，动态方案设计，动态施工。

⑵加强超前地质预报，提早预防。

通过超前水平钻孔、地应力测试等超前预测预报手段建立大变形时空预测系统。采用TSP-203系统和地质雷达地质预报手段进行长短距离相结合探测，配合超前地质钻孔，及时地质情况，保证技术方案的针对性、合理性。

⑶加强超前预支护及初期支护。

拱部钢管棚注浆加固地层并超前支护，拱墙设系统长锚杆，锚杆采用加长中空注浆锚杆，必要时采用长预应力径向锚杆；掌子面正面喷射砼封闭，架设全环钢架、挂网喷锚加强支护，采用锚、注、喷一体化围岩加固—支护系统，设底部横撑或临时仰拱，提高隧道抗挤压，抗变形的强度。严格按超前及初期支护设计进行施工。

⑷支护采用先柔后刚，先放后抗原则。

为了使初期支护能适应大变形的特点，上半断面的喷射混凝土在纵向预留三道纵缝，每道纵缝宽度视大变形的变形量确定，采用可缩式U型刚架，同时将喷射混凝土分两次进行，待变形后再喷第二次。

⑸增大初期支护预留变形量。

为了防止喷层变形后侵入二次衬砌的净空，开挖时即加大预留变形量。 (6)短进尺，微震爆破开挖，防坍塌。

开挖采用短台阶或双侧壁导坑法，短进尺。拱部尽量不爆破或采用微震爆破，尽可能减少开挖对围岩的扰动。强支护，快封闭，仰拱紧跟对稳定支护的作用很大，要保持仰拱、二次衬砌紧跟，尽量缩短仰拱、二衬到掌子面步距。

(7)加强防水和衬砌，提高二次衬砌结构刚度。

采用加强复合式衬砌结构, 提高衬砌材料的强度和弹性模量，采用钢纤维混凝土，增加受力钢筋数量,保证结构最终安全。在衬砌前，对岩面残留水进行处理，布设透水管盲沟，拱墙铺设防水板，减少地下水对二次衬砌的压力和侵蚀。衬砌采用整体台车，泵送砼浇注，接头缝严格凿毛，加强振捣，衬砌砼强度达到设计强度时才能拆模。

（8）、加强超前地质预报和围岩量测，根据围岩量测结果随时调整支护参数。 五、施工组织安排 （一）超前施工 1、劳动力组织

超前施工由隧道掘进队进行施工，严格执行标准化管理模式，由队长和技术负责人主要负责，下设技术员、质检员、安全员、材料员、试验员各负其责，组

织生产。

人员配备表

工作类别 作业面管理人员 掌子面技术人员 安全员 司钻 空压机司机 司泵 作业人辅助工 员 连接、换孔 机修工 电工 合计 2、主要设备

钻孔注浆主要机械配套见下表。

机械设备配套表

序号 1 2 3 4 5 名称 地质钻机 注浆泵 搅拌桶 收敛计 水准仪 型号 RPD-150 ZJB/BP-55 数量（台） 2 3 2 1 1 备注 人数 3 6 2 8 2 6 26 4 2 2 61 备注 现场协调 三班每班2人 一台钻机，二个工班。 二个工班。 二个工班。 拆卸钻杆4人/班，拌浆4人/班，其他5人/班 二个工班。 二个工班。 二个工班。 （二）正洞施工 1、劳动力组织

施工队伍劳力安排及工班任务划分

序号 1 2 人数 30 工班名称 担负主要任务 备注 掘进工班 支护工班 凿岩台架就位、钻眼、装药、爆破等 40 锚杆、注浆、钢筋网、钢架安设，

4 5 衬砌工班 运输队 自动计量拌合6 站 7 综合保障队 喷射混凝土作业等 防水层、钢筋安装、衬砌、附属工28 程等 20 出碴、运输、调度、维修、保养等 16 8 砼拌合及小型构件预制 风、水、电及其设备维修、保养，道路养护 8 钢构件加工队 8 各种钢构件加工及预制 159 小计 0 2、主要施工机械、设备配置

主要施工机械、设备表

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 设备名称 风动凿岩机 风 镐 挖掘机 装载机 装载机 北方奔驰自卸车 湿喷机 砼搅拌站 砼搅拌站 高压注浆泵 注浆搅拌机 注浆泵 锚杆注浆机 双液注浆泵 仰拱栈桥 砼输送泵 砼输送车 装载机 规格型号 YT-28 G10 小松240 WA470-3 WA380-3 2631K TK-500 JS750 JS1000 2TGZ60/210 LJ-300 KBY30/120 NZ130A KBY-50/70 10m HBT60.7.75ZA HNJ5290GJB ZLC40 数 量 20 25 1 1 1 10 6 1 2 1 1 1 2 1 1 2 2 2 备 注

序号 19 20 21 22 23 24 25 设备名称 冷弯机 钢筋弯曲机 钢筋切断机 电焊机 电焊机 自动爬行焊机 防水板热风焊机 规格型号 LM-22 WG-40 QJ-40 BX2-500 BX2-300 ANEISTENCH-60 TRIACS 数 量 1 1 1 4 2 2 2 备 注 六、加快进度保证措施

1、建立现场生产指挥中心，实施一级管理。以作业工班为管理单元，以施工工序为控制对象，在施工现场建立生产指挥中心，进行各工序的协调、工序循环时间和循环进度的控制及突发事件的处理，实行一元化一级管理制度。

2、科学组织施工，运用网络计划技术，实行信息化施工管理。施工中加强地质超前预报和监控量测，建立收敛变形预警机制，实施信息化动态施工管理，及时处理施工中出现的各种问题，确保施工安全，提高掘进进度。

3、采用大型机械化设备，提高机械化施工能力，设备配置满足进度需要，提高工作效率，最大程度发挥机械化作业效能。

4、优化工序衔接，“卡死”循环时间和循环进度。优化工序组合，实行平行作业。最大程度利用时间空间，平行均衡作业，达到缩短工序循环时间，总体进度平稳推进的目的。注重协调各工序间的矛盾和问题。隧道按多工序、多工种、多作业线立体交叉组织施工，及时解决各种矛盾。建立循环时间、循环进度的“卡死”制度。突出时间概念，制定奖罚机制，最大限度地调动人的主观能动性，确保快速施工。

5、隧道施工中运用综合超前地质探测与预报手段，并将该项工作纳入施工

工序管理，将预测资料及时反馈到以施工和设计为主体的动态管理中，采取相应措施，防止地质灾害引发重大事故，达到快速施工，确保施工安全质量。

6、在软弱围岩段施工中，关键是以围岩无支承状态自稳时间、工序衔接时间和熟练操作人员的开挖时间来寻求最佳配置临界时间，确定循环进尺，配置合理先进配套的施工机械设备，达到施工快速稳产。