富水软弱围岩长大隧道施工方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于隧道施工技术领域，尤其是涉及一种富水软弱围岩长大隧道施工方 法。
【背景技术】
[0002] 新建兰新铁路第二双线（以下简称兰新高铁)全长1776Km，自西部兰州西站至乌鲁 木齐站，是目如世界上海拔最尚、一次性建成最长的尚速铁路。新建兰新铁路中祁连山隧道 和大梁隧道是目前世界上海拔最高的高铁隧道且均为I级高风险高速铁路隧道，两座隧道 之间相距272m，位置临近，工程所处自然环境相同，均处于季节性冻土地区。祁连山隧道全 长9490米，地处海拔3500至4300米祁连山中山区、祁连山冷龙岭断层皱褶带，进口轨面高程 为3574米，最大埋深达823米;工程地质及水文地质条件复杂，进口段线路以大角度穿越F6、 F7断层碎肩流地带。大梁隧道全长6550米，地处海拔3600至4200米的大梁中高山区，轨面最 高高程为3607.4米;正常涌水量为1.53万方，最大涌水量4.58万方;洞身经过砂岩、板岩及 F5断层破碎带。祁连山隧道和大梁隧道均位于青藏高原东北边缘的祁连山之间，且隧址位 于冷龙岭褶皱带，工程地质构造复杂，切割深度大，地壳变动强烈，构造、地层复杂，气候干 燥，风化强烈，这些特点导致岩体破碎，并且断层带分布较多，断层节理发育，地下水发育， 最大涌水量10.5万m 3/d，尤其祁连山隧道进口段，为强富水段，施工难度非常大且施工非常 尚。
[0003] 祁连山隧道和大梁隧道的施工难点主要体现在以下几个方面:第一、隧道地处高 原，高寒缺氧，气候寒冷，施工环境恶劣;第二、长大隧道穿越断层碎肩流地带、高地应力软 岩大变形地层、富水地层、突水涌泥等复杂不良地质段，是隧道建设史上没有遇到过的特殊 地质条件，没有成功经验可供借鉴;第三、隧道长，工期紧，建设标准高。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种富水软弱 围岩长大隧道施工方法，其方法步骤简单、设计合理且施工简便、使用效果好，能满足富水 软弱围岩长大隧道的施工要求，施工工期短，且施工过程安全。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种富水软弱围岩长大隧道施 工方法，其特征在于:所施工隧道的长度大于5km且其开挖断面大于50m 2;所施工隧道的正 洞一侧设置有隧道斜井;所述正洞分为隧道进口段、隧道出口段和连接于隧道进口段与隧 道出口段之间的中部连接段，所述隧道斜井与所述中部连接段相交且二者之间的交叉口为 斜井交叉口，所述中部连接段为斜井辅助施工段且其以所述斜井交叉口为界分为斜井辅助 施工进口段和斜井辅助施工出口段，所述隧道进口段、斜井辅助施工进口段、斜井辅助施工 出口段和隧道出口段沿正洞的纵向延伸方向由后向前进行布设；
[0006] 对所施工隧道进行施工时，所施工隧道的进出口同时开工，且对隧道进口段和隧 道出口段分别进行施工的同时，通过隧道斜井分别对斜井辅助施工进口段和斜井辅助施工 出口段进行施工;所述隧道进口段、隧道出口段、斜井辅助施工进口段和斜井辅助施工出口 段的施工方法均相同，均分多个节段由先至后进行施工，多个所述节段的施工方法均相同； 对任一个节段进行施工时，包括以下步骤：
[0007] 步骤一、超前地质预报:采用超前地质预报系统对当前所施工节段进行超前地质 预报，并根据超前地质预报结果，判断当前所施工节段的掌子面前方是否存在碎肩流地层： 当判断得出所述掌子面前方存在碎肩流地层时，进入步骤二;否则，进入步骤三；
[0008] 步骤二、稳定性控制施工:先在当前所施工节段的掌子面后侧，施工一个对所述掌 子面进行封堵的封堵墙;之后，对当前所施工节段进行超前支护，并安装用于降低碎肩流地 层的水头压力的超前排水通道;所述超前排水通道由后向前逐渐向上倾斜，所述超前排水 通道的前端伸入至碎肩流地层且其后端位于所述掌子面后侧；
[0009] 步骤三、初期支护方案确定:对当前所施工节段围岩的岩体强度Rb和围岩内部的 最大地应力Omax分别进行测试，并计算得出当前所施工节段围岩的强度应力比
再根据 计算得出的强度应力比
对当前所施工节段的初期支护方案进行确定：当
时，所采用的初期支护方案为格栅钢架与套拱联合支护方案；当
所采用的初 期支护方案为型钢钢架支护方案；
[0010] 步骤四、隧道开挖及初期支护施工:沿隧道纵向延伸方向，由后向前对当前所施工 节段进行开挖施工;开挖施工过程中，根据步骤三中所确定的当前所施工节段的初期支护 方案，由后向前对开挖形成的隧道洞进行初期支护，并获得隧道初期支护体系；
[0011]其中，当步骤三中所确定的初期支护方案为型钢钢架支护方案时，所获得的隧道 初期支护体系为型钢钢架支护体系;所述型钢钢架支护体系包括多榀对所述隧道洞进行支 护的型钢钢架，多榀所述型钢钢架的结构均相同且其沿隧道纵向延伸方向由后向前进行布 设;多榀所述型钢钢架呈均匀布设；
[0012] 当步骤三中所确定的初期支护方案为格栅钢架与套拱联合支护方案时，所获得的 隧道初期支护体系为格栅钢架与套拱联合支护体系;所述格栅钢架与套拱联合支护体系包 括多榀对所述隧道洞进行支护的格栅钢架和多榀对所述隧道洞的拱墙进行支护的型钢套 拱，多榀所述格栅钢架的结构均相同且其沿隧道纵向延伸方向由后向前进行布设，多榀所 述型钢套拱的结构均相同且其沿隧道纵向延伸方向由后向前进行布设;多榀所述格栅钢架 呈均匀布设，且多榀所述型钢套拱呈均匀布设，前后相邻两榀所述型钢套拱之间的间距为 前后相邻两榀所述格栅钢架之间间距的M倍，其中M为正整数且M= 1、2或3;
[0013] 步骤五、隧道二次衬砌施工:步骤四中由后向前对开挖形成的隧道洞进行初期支 护过程中，沿隧道纵向延伸方向由后向前对所述隧道洞进行二次衬砌施工，并获得施工成 型的隧道二次衬砌结构;所述隧道二次衬砌结构位于隧道初期支护体系内侧且其为钢筋混 凝土衬砌。
[0014] 上述富水软弱围岩长大隧道施工方法，其特征是：步骤二中对当前所施工节段进 行超前支护后，获得超前支护结构;所述超前支护结构包括对当前所施工节段的拱墙进行 支护的管棚超前支护结构和超前小导管注浆加固结构;所述管棚超前支护结构包括多个沿 当前所施工节段的开挖轮廓线由左至右布设的管棚注浆管，多个所述管棚注浆管均位于同 一隧道横断面上且其长度均为15m~25m，所述管棚注浆管为钢管且其外径为Φ IOOmm~Φ 120mm;多个所述管棚注浆管包括一个位于隧道中心线上的中部钢管、多个均位于所述隧道 中心线左侧的左侧钢管和多个均位于所述隧道中心线右侧的右侧钢管，多个所述左侧钢管 和多个所述右侧钢管呈对称布设;所述超前小导管注浆加固结构包括多个沿当前所施工节 段的开挖轮廓线由左至右布设的超前注浆管，多个所述超前注浆管均位于同一隧道横断面 上且其长度均为6m~10m，所述超前注浆管为管壁上开有多个注浆孔的钢花管且其外径为 Φ 38mm~Φ 45mm;所述管棚注浆管与超前注浆管呈交错布设;多个所述管棚注浆管和多个 所述超前注浆管的外插角均不大于15° ;
[0015] 所述超前排水通道包括多个由左至右布设在当前所施工节段拱部上方的第一超 前排水管和多个由左至右布设在当前所施工节段拱部上方的第二超前排水管，多个所述第 一超前排水管分别位于多个所述第二超前排水管上方;多个所述第一超前排水管和多个所 述第二超前排水管均为由后向前逐渐向上倾斜的钢管，多个所述第一超前排水管和多个所 述第二超前排水管的前端均伸入至碎肩流地层内；所述第一超前排水管和第二超前排水管 的外插角均为40°~50°，所述第一超前排水管的外径为Φ IOOmm~Φ 120mm，所述第二超前 排水管的外径为Φ 38mm~Φ 45mm。
[0016] 上述富水软弱围岩长大隧道施工方法，其特征是:对隧道进口段后侧的隧道洞口 段和隧道出口段前侧的隧道洞口段中的各节段进行施工时，步骤五中隧道二次衬砌施工之 前，还需在隧道初期支护体系内侧施工防水保温层，所述隧道二次衬砌结构位于所述防水 保温层内侧;所述防水保温层包括一层位于隧道初期支护体系内侧的模筑混凝土支护层、 一层粘贴固定在模筑混凝土支护层内侧的土工布、铺装在土工布内侧的第一防水板、位于 所述第一防水板内侧的保温板和铺装在保温板内侧的第二防水板，所述第二防水板底部通 过多个沿隧道纵向延伸方向由后向前布设的拱形支架进行支撑，多个所述拱形支架的结构 均相同；所述土工布通过胶粘剂粘贴固定在模筑混凝土支护层内侧;所述第一防水板内侧 设置有多道沿圆周方向布设且用于固定保温板的纵向钢丝，多道所述纵向钢丝均沿隧道纵 向延伸方向进行布设，且保温板通过所述胶粘剂粘贴固定在第一防水板内侧;所述第二防 水板通过所述胶粘剂粘贴固定在保温板内侧。
[0017] 上述富水软弱围岩长大隧道施工方法，其特征是：步骤四中由后向前对开挖形成 的隧道洞进行初期支护过程中，还需沿隧道纵向延伸方向由后向前对隧道纵向加固结构进 行施工；
[0018] 所述隧道纵向加固结构包括多道沿隧洞纵向延伸方法布设的纵向加固梁，多道所 述纵向加固梁沿当前所施工节段的拱墙开挖轮廓线由左至右进行布设;所述纵向加固梁为 型钢，且每道所述纵向加固梁均由多个纵向加固梁节段由后向前拼接而成；
[0019]当隧道初期支护体系为所述型钢钢架支护体系时，每道所述纵向加固梁均与多榀 所述型钢钢架紧固连接，且多榀所述型钢钢架由多道所述纵向加固梁紧固连接为一体； [0020]当隧道初期支护体系为所述格栅钢架与套拱联合支护体系时，每道所述纵向加固 梁均与多榀所述格栅钢架紧固连接，且多榀所述格栅钢架由多道所述纵向加固梁紧固连接 为一体；
[0021 ]步骤五中对所述隧道洞进行二次衬砌施工时，待所述隧道洞的变形速率小于5mm/ d时进行施工;所述隧道二次衬砌结构的厚度为50cm~60cm〇
[0022] 上述富水软弱围岩长大隧道施工方法，其特征是：步骤三中计算得出当前所施工 节段围岩的强度应力比
后，还需根据计算得出的强度应力比
对当前所施工节段 围岩的挤压型大变形等级进行确定;所述挤压型大变形等级包括四个等级，且四个等级由 低至高分别为无大变形、轻微大变形、中等大变形和严重大变形；
[0023] 对当前所施工节段围岩的挤压型大变形等级进行确定时，当
说明 当前所施工节段围岩的挤压型大变形等级为无大变形；当
说明当前所 施工节段围岩的挤压型大变形等级为轻微大变形；当
说明当前所施工 节段围岩的挤压型大变形等级为中等大变形；当
说明当前所施工节段围岩 的挤压型大变形等级为严重大变形。
[0024] 上述富水软弱围岩长大隧道施工方法，其特征是：步骤四中进行隧道开挖及支护 施工之前，还需对当前所施工节段的隧道预留变形量进行确定;并且，根据所确定的当前所 施工节段围岩的挤压型大变形等级，对当前所施工节段的预留变形量进行确定;所确定的 预留变形量包括隧道拱部预留变形量&和隧洞边墙预留变形量C 2;其中，隧道拱部预留变形 量Ci = 50mm~530mm，隧洞边墙预留变形量
并且，当前所施 工节段围岩的挤压型大变形等级越高，隧道拱部预留变形量&、隧洞边墙预留变形量&和八 C的取值均越大；
[0025] 步骤四中由后向前对当前所施工节段进行开挖施工时，根据所确定的隧道预留变 形量进行开挖施工。
[0026] 上述富水软弱围岩长大隧道施工方法，其特征是：步骤四中所述型钢钢架包括对 所述隧道洞的拱墙进行支护的型钢拱架;前后相邻两榀所述型钢钢架之间的间距为〇.4m~ 0.8m，且所述型钢钢架为由H型钢弯曲形成的钢架；
[0027] 步骤四中所述格栅钢架包括对所述隧道洞的拱墙进行支护的格栅拱架;前后相邻 两榀所述格栅钢架之间的间距为〇.4m~0.6m;所述型钢套拱的形状与格栅拱架的形状，且 每榀所述型钢套拱均支撑于一榀所述格栅拱架内侧；
[0028] 步骤四中对所述格栅钢架与套拱联合支护方案进行施工时，沿隧道纵向延伸方向 由后向前在所述隧道洞内支立格栅拱架;且对格栅拱架进行支立过程中，沿隧道纵向延伸 方向由后向前在所述隧道洞内支立型钢套拱;并且，每榀所述型钢套拱均在位于其内侧的 格栅拱架支立完成7天后进行支立；
[0029] 所述型钢拱架和格栅拱架的左右两侧拱脚底部均设置有一个呈水平布设的支撑 钢板且二者的左右两侧均通过多根锁脚锚管进行锚固。
[0030]上述富水软弱围岩长大隧道施工方法，其特征是：步骤四中所述型钢钢架为对所 述隧道洞进行支护的全环型钢架，所述型钢钢架还包括对所述隧道洞的底部进行支护的隧 道底部型钢支架，所述隧道底部型钢支架的两端分别与所述型钢拱架的两个拱脚紧固连 接；
[0031 ]步骤四中所述格栅钢架与套拱联合支护体系还包括多个分别位于多榀所述型钢 套拱正下方且对所述隧道洞的底部进行支护的隧道底部钢架，所述隧道底部钢架的两端分 别与型钢套拱的两个拱脚紧固连接;每榀所述型钢套拱均与位于其正下方的隧道底部钢架 组成对所述隧道洞进行支护的全环型钢架；
[0032] 步骤四中所述隧道洞的底部存有一层厚度为20cm~30cm的虚渣，由后向前对当前 所施工节段进行开挖施工过程中，沿隧道纵向延伸方向由后向前对所述隧道洞底部的所述 需渣进行清理，并在所述隧道洞底部铺设一层厚度为20cm~30cm的混凝土，形成混凝土垫 层;所述隧道底部钢架位于所述混凝土垫层上。
[0033] 上述富水软弱围岩长大隧道施工方法，其特征是:所述斜井辅助施工出口段为存 在一个突涌点的隧道段，所述斜井辅助施工出口段与迂回平导相交，所述迂回平导与斜井 辅助施工出口段之间的交叉口为平导交叉口，所述突涌点与所述平导交叉口之间的距离不 大于200m;所述迂回平导包括位于斜井辅助施工出口段一侧的进口侧平导和位于斜井辅助 施工出口段另一侧的出口侧平导，所述进口侧平导和出口侧平导内部相通且二者之间的连 接处为所述平导交叉口；所述进口侧平导位于出口侧平导后侧，所述进口侧平导为梯形且 其由与正洞呈平行布设的中部导洞以及连接于中部导洞前后两端与正洞之间的前侧导洞 和后侧导洞，所述出口侧平导由与正洞呈平行布设的第一导洞和位于第一导洞后侧的第二 导洞，所述第二导洞与前侧导洞布设在同一直线上;所述斜井辅助施工出口段一侧设置有 泄水洞，所述泄水洞与斜井辅助施工出口段相交且二者之间的交叉口为泄水洞交叉口，所 述第一导洞与斜井辅助施工出口段之间的交叉口为导洞交叉口；所述斜井交叉口、所述泄 水洞交叉口、所述导洞交叉口、突涌点和所述平导交叉口沿正洞的纵向延伸方向由后向前 进行布设，所述斜井辅助施工出口段以所述斜井交叉口、所述泄水洞交叉口、所述导洞交叉 口、突涌点和所述平导交叉口为界由后向前分为第一正洞段、第二正洞段、第三正洞段、第 四正洞段和第五正洞段；
[0034] 其中，对隧道进口段进行开挖施工过程中，采用进口侧通风机进行压入式通风，且 通过布设于隧道进口段中已开挖完成的隧道洞内的第一通风管进行送风;所述进口侧通风 机位于正洞的进口外侧；
[0035] 对隧道出口段进行开挖施工过程中，采用出口侧通风机进行压入式通风，且通过 布设于隧道出口段中已开挖完成的隧道洞内的第二通风管进行送风;所述出口侧通风机位 于正洞的出口外侧；
[0036]对隧道斜井进行开挖施工过程中，采用第一通风机和/或第二通风机进行压入式 通风，且通过布设于隧道斜井中已开挖完成的隧道洞内的第三通风管和/或第四通风管进 行送风，所述第三通风管的进风口与第一通风机的送风口连接，且第四通风管的进风口与 第二通风机的送风口连接;所述第一通风机和第二通风机均位于隧道斜井的洞口外侧；
[0037] 对斜井辅助施工进口段进行开挖施工过程中，采用第一通风机进行压入式通风， 且通过布设于隧道斜井和斜井辅助施工进口段中已开挖完成的隧道洞内的第三通风管进 行送风；
[0038]对斜井辅助施工出口段进行开挖施工时，过程如下：
[0039] 步骤101、第一正洞段开挖施工：由后向前对第一正洞段进行开挖施工，开挖施工 过程中采用第二通风机进行压入式通风，且通过布设于隧道斜井和第一正洞段中已开挖完 成的隧道洞内的第四通风管进行送风；
[0040] 步骤102、第一接力风室施工:待第一正洞段开挖施工完成后，在所述泄水洞交叉 口的后侧施工第一接力风室，所述第一接力风室内装有第一接力风机、第二接力风机和第 三接力风机，所述第四通风管的出风口与第一接力风室内部相通；
[0041] 步骤103、第二正洞段与泄水洞开挖施工:所述第一接力风室施工完成后，由后向 前对第二正洞段进行开挖施工，开挖施工过程中采用第二通风机和第一接力风机或第二接 力风机进行压入式通风，且通过布设于隧道斜井与第一正洞段内的第四通风管和布设于第 二正洞段中已开挖完成的隧道洞内的第五通风管或第七通风管进行送风;所述第五通风管 的进风口与第一接力风机的送风口连接，所述第七通风管的进风口与第二接力风机的送风 口连接；
[0042]同时，由后向前对泄水洞进行开挖施工，开挖施工过程中采用第二通风机和第三 接力风机进行压入式通风，且通过布设于隧道斜井与第一正洞段内的第四通风管和布设于 泄水洞中已开挖完成的隧道洞内的第六通风管进行送风;所述第六通风管的进风口与第三 接力风机的送风口连接；
[0043] 步骤104、第三正洞段与进口侧平导开挖施工：由后向前对第三正洞段进行开挖施 工，开挖施工过程中采用第二通风机和第二接力风机进行压入式通风，且通过布设于隧道 斜井与第一正洞段内的第四通风管和布设于第二正洞段内的第七通风管进行送风;所述第 七通风管的进风口与第二接力风机的送风口连接；
[0044]同时，由后向前对进口侧平导进行开挖施工，开挖施工过程中采用第二通风机和 第一接力风机进行压入式通风，且通过布设于隧道斜井与第一正洞段内的第四通风管和布 设于第二正洞段与进口侧平导中已开挖完成的隧道洞内的第五通风管进行送风；
[0045] 步骤105、出口侧平导与第五正洞段后端节段开挖施工:所述进口侧平导开挖施工 完成后，由后向前对出口侧平导进行开挖施工，开挖施工过程中采用第二通风机和第二接 力风机进行压入式通风，且通过布设于隧道斜井与第一正洞段内的第四通风管和布设于第 二正洞段、进口侧平导与出口侧平导中已开挖完成的隧道洞内的第七通风管进行送风； [0046]所述第五正洞段分为后端节段和位于所述后端节段前侧的前侧节段;并且，所述 进口