一种软岩隧道大变形控制的施工方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种软岩隧道大变形控制的施工方法。

背景技术：

2.高地应力软岩隧道施工过程中易发生喷层开裂、钢拱架扭曲变形、支护侵限等现象，表现出变形量大、变形发展快的特点。大变形控制一直是高地应力软岩隧道设计与施工中面临的重要难题，其中变形控制基准更是适当变形释放、减少拆除的关键因素之一。
3.然而在软岩隧道的施工中，由于缺少相关规范引导，并且隧道地质情况较为复杂，每个软岩隧道的施工措施都存在较大差异，难以总结形成一整套完整的软岩隧道施工工艺；同时，现有的软岩隧道施工中，由于针对不同地质情况的施工变更过于频繁，也不利于隧道施工的成本控制。

技术实现要素：

4.为了至少克服现有技术中的上述不足，本技术的目的在于提供一种软岩隧道大变形控制的施工方法。
5.本技术实施例提供了一种软岩隧道大变形控制的施工方法，包括：
6.通过超前地质检测技术获取软岩隧道掌子面前方预设范围内的第一围岩和第二围岩的范围；所述第一围岩为在裸露预设时长内收敛小于或等于预设值的围岩；所述第二围岩为在裸露预设时长内收敛大于预设值的围岩；
7.在所述预设范围内对所述第一围岩的范围进行部分开挖至满足对所述第二围岩进行处理的条件；
8.抽取所述第二围岩中的流态极软岩，并对所述第二围岩中剩余的围岩进行冻结法处理；
9.对所述预设范围进行开挖作业，并在开挖作业完成后施做支护。
10.现有技术中，对于软岩隧道相关施工已经有了大量的研究，如发表于《铁道学报》的《成兰铁路软岩隧道大变形控制技术及变形控制基准研究》所提及的：研究结果表明：基于“主动控制”的软岩隧道支护理念,成兰铁路提出“优化断面，强化锚杆，减少开挖分步，动态调整,分级控制”的软岩隧道大变形控制技术,重点优化锚杆的类型、参数及施工机械等,使锚杆快锚固,早承载。针对不同大变形等级，逐渐优化隧道断面，尽量采用大断面开挖，既可以减少围岩扰动,又可以减少空间限制对长锚杆施作的影响，从而控制围岩变形，提高施工效率，二衬作为安全储备，在初支变形稳定后施作,保证结构的长期稳定性。其虽然提及了主动控制的概念，但是依然基于现有技术中超前支护的概念进行施工方案优化。
11.本技术实施例实施时，需要采用现有技术中较为成熟的超前地质检测技术获取第一围岩和第二围岩的范围，其中超前地质检测技术可以采用超前地质雷达、超前钻孔等成熟的技术，本技术实施例对此不多做复述。在本技术实施例中，将围岩分为了第一围岩和第二围岩，分类方式根据在卸载后稳定的程度进行，具体的评判方式为预设时长内的收敛值，
对于第一围岩和第二围岩可以采用不同的手段进行分别处理。
12.在本技术实施例中，提出了一种基于消除、转换、释放和吸能四种方案来针对软岩进行处理。其中消除方案是指提前进行突泥消除的方案；转换方案是指将软岩进行形态转换的方案，如冻结法等方案，将极软岩的流态转化为固态，防止突泥；释放方案是指允许围岩变形或者让围岩提前变形释放能量；吸能是指采用吸能结构或吸能材料对流态极软岩隧道围岩释放的能量进行吸收。
13.基于上述思路，本技术实施例中对于所认定的第一围岩为相对稳定的围岩，所以在可以先对第一围岩进行开挖，开挖需要预留一定的对第二围岩处理的条件，例如预留对第二围岩处理的工作面和预留支撑第二围岩的部分区域等，这种需要对围岩进行较为精准的开挖工作，所以一般优先采用悬臂挖掘机进行相关开挖。
14.对于第二围岩来说，直接开挖可能会发生突泥、涌水、即挖即垮等现象，所以在本技术实施例中结合消除和转换两种方案对第二围岩进行处理。其中消除方案为抽取第二围岩中的流态物质，如流态极软岩、混合在软岩中的水等，其还可以辅助其他手段进一步的保证第二围岩中的流态物质被抽出。在第二围岩中的流态物质被抽出后，剩下的物质一般也不能长时间的稳定，所以在本技术实施例中需要通过冻结法对剩下的物质进行冻结处理，从而保证开挖时的安全。在完成开挖后即可施做支护，应当理解的是此处的施做支护可以包括任何一种需要施做的支护方式及相关的配套结构。本技术实施例通过基于消除、转换、释放和吸能四种方案来针对软岩进行处理，总结形成一整套完整的软岩隧道施工工艺，即确保了施工安全和施工进度，又具有非常良好的通用性，使得软岩隧道施工成本和周期更为可控。
15.在一种可能的实现方式中，通过超前地质检测技术获取软岩隧道掌子面前方预设范围内的第一围岩和第二围岩的范围包括：
16.通过超前地质雷达扫描所述预设范围内的围岩，并获取回波数据；
17.根据所述第一围岩和所述第二围岩的回波特性从所述回波数据中获取第一围岩和第二围岩的边缘数据；
18.根据所述边缘数据获取第一围岩和第二围岩的范围。
19.在一种可能的实现方式中，在所述预设范围内对所述第一围岩的范围进行部分开挖至满足对所述第二围岩进行处理的条件包括：
20.根据所述第一围岩和所述第二围岩的范围计算所述所述第一围岩和所述第二围岩的交接边界；
21.在所述交接边界上计算所述第一围岩的留存厚度；所述留存厚度为支撑所述第二围岩的第一围岩的厚度；
22.开挖所述第一围岩至所述留存厚度。
23.在一种可能的实现方式中，抽取所述第二围岩中的流态极软岩包括：
24.在所述交接边界上钻出第一孔洞和第二孔洞；
25.通过所述第一孔洞向所述第二围岩内注入外加剂；所述外加剂包括泵送剂、水、防冻剂和引气剂中的至少一种；
26.通过泵机从所述第二孔洞将所述第二围岩中的流态极软岩抽出。
27.在一种可能的实现方式中，对所述第二围岩中剩余的围岩进行冻结法处理包括：
28.扩充第一孔洞和/或第二孔洞至满足冻结管尺寸；
29.将所述冻结管插入所述第一孔洞和/或第二孔洞直至所述第二围岩中剩余的围岩；
30.通过所述冻结管对所述第二围岩中剩余的围岩进行冷冻处理。
31.在一种可能的实现方式中，对所述预设范围进行开挖作业包括：
32.当所述第二围岩中剩余的围岩的冷冻程度达到预期时，抽出所述冻结管，并对预设范围进行开挖作业。
33.在一种可能的实现方式中，对所述预设范围进行开挖作业，并在开挖作业完成后施做支护包括：
34.在所述预设范围开挖，并超挖预设深度后等待围岩收敛至预设位置后施做支护。
35.在一种可能的实现方式中，在开挖作业完成后施做支护包括：
36.对开挖作业完成的毛洞施做锚杆并施做喷射混凝土；
37.所述喷射混凝土达到预期强度后，在所述喷射混凝土的外表面挂设钢筋网；
38.在所述钢筋网的表面铺设吸能件，并对所述喷射混凝土的外表面复喷混凝土至所述钢筋网和所述吸能件均被混凝土完全覆盖；
39.在复喷混凝土的表面施做防水和二衬结构。
40.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
41.本发明一种软岩隧道大变形控制的施工方法，通过基于消除、转换、释放和吸能四种方案来针对软岩进行处理，总结形成一整套完整的软岩隧道施工工艺，即确保了施工安全和施工进度，又具有非常良好的通用性，使得软岩隧道施工成本和周期更为可控。
附图说明
42.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
43.图1为本技术实施例方法步骤示意图。
具体实施方式
44.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，本技术中附图仅起到说明和描述的目的，并不用于限定本技术的保护范围。另外，应当理解，示意性的附图并未按实物比例绘制。本技术中使用的流程图示出了根据本技术实施例的一些实施例实现的操作。应该理解，流程图的操作可以不按顺序实现，没有逻辑的上下文关系的步骤可以反转顺序或者同时实施。此外，本领域技术人员在本技术内容的指引下，可以向流程图添加一个或多个其它操作，也可以从流程图中移除一个或多个操作。
45.另外，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
46.请结合参阅图1，为本发明实施例所提供的一种软岩隧道大变形控制的施工方法的流程示意图，所述一种软岩隧道大变形控制的施工方法可以应用于软岩隧道施工，进一步地，所述一种软岩隧道大变形控制的施工方法具体可以包括以下步骤s1-步骤s4所描述的内容。
47.s1：通过超前地质检测技术获取软岩隧道掌子面前方预设范围内的第一围岩和第二围岩的范围；所述第一围岩为在裸露预设时长内收敛小于或等于预设值的围岩；所述第二围岩为在裸露预设时长内收敛大于预设值的围岩；
48.s2：在所述预设范围内对所述第一围岩的范围进行部分开挖至满足对所述第二围岩进行处理的条件；
49.s3：抽取所述第二围岩中的流态极软岩，并对所述第二围岩中剩余的围岩进行冻结法处理；
50.s4：对所述预设范围进行开挖作业，并在开挖作业完成后施做支护。
51.现有技术中，对于软岩隧道相关施工已经有了大量的研究，如发表于《铁道学报》的《成兰铁路软岩隧道大变形控制技术及变形控制基准研究》所提及的：研究结果表明：基于“主动控制”的软岩隧道支护理念,成兰铁路提出“优化断面，强化锚杆，减少开挖分步，动态调整,分级控制”的软岩隧道大变形控制技术,重点优化锚杆的类型、参数及施工机械等,使锚杆快锚固,早承载。针对不同大变形等级，逐渐优化隧道断面，尽量采用大断面开挖，既可以减少围岩扰动,又可以减少空间限制对长锚杆施作的影响，从而控制围岩变形，提高施工效率，二衬作为安全储备，在初支变形稳定后施作,保证结构的长期稳定性。其虽然提及了主动控制的概念，但是依然基于现有技术中超前支护的概念进行施工方案优化。
52.本技术实施例实施时，需要采用现有技术中较为成熟的超前地质检测技术获取第一围岩和第二围岩的范围，其中超前地质检测技术可以采用超前地质雷达、超前钻孔等成熟的技术，本技术实施例对此不多做复述。在本技术实施例中，将围岩分为了第一围岩和第二围岩，分类方式根据在卸载后稳定的程度进行，具体的评判方式为预设时长内的收敛值，对于第一围岩和第二围岩可以采用不同的手段进行分别处理。
53.在本技术实施例中，提出了一种基于消除、转换、释放和吸能四种方案来针对软岩进行处理。其中消除方案是指提前进行突泥消除的方案；转换方案是指将软岩进行形态转换的方案，如冻结法等方案，将极软岩的流态转化为固态，防止突泥；释放方案是指允许围岩变形或者让围岩提前变形释放能量；吸能是指采用吸能结构或吸能材料对流态极软岩隧道围岩释放的能量进行吸收。
54.基于上述思路，本技术实施例中对于所认定的第一围岩为相对稳定的围岩，所以在可以先对第一围岩进行开挖，开挖需要预留一定的对第二围岩处理的条件，例如预留对第二围岩处理的工作面和预留支撑第二围岩的部分区域等，这种需要对围岩进行较为精准的开挖工作，所以一般优先采用悬臂挖掘机进行相关开挖。
55.对于第二围岩来说，直接开挖可能会发生突泥、涌水、即挖即垮等现象，所以在本技术实施例中结合消除和转换两种方案对第二围岩进行处理。其中消除方案为抽取第二围岩中的流态物质，如流态极软岩、混合在软岩中的水等，其还可以辅助其他手段进一步的保证第二围岩中的流态物质被抽出。在第二围岩中的流态物质被抽出后，剩下的物质一般也不能长时间的稳定，所以在本技术实施例中需要通过冻结法对剩下的物质进行冻结处理，
从而保证开挖时的安全。在完成开挖后即可施做支护，应当理解的是此处的施做支护可以包括任何一种需要施做的支护方式及相关的配套结构。本技术实施例通过基于消除、转换、释放和吸能四种方案来针对软岩进行处理，总结形成一整套完整的软岩隧道施工工艺，即确保了施工安全和施工进度，又具有非常良好的通用性，使得软岩隧道施工成本和周期更为可控。
56.在一种可能的实现方式中，通过超前地质检测技术获取软岩隧道掌子面前方预设范围内的第一围岩和第二围岩的范围包括：
57.通过超前地质雷达扫描所述预设范围内的围岩，并获取回波数据；
58.根据所述第一围岩和所述第二围岩的回波特性从所述回波数据中获取第一围岩和第二围岩的边缘数据；
59.根据所述边缘数据获取第一围岩和第二围岩的范围。
60.本技术实施例实施时，优选了超前地质雷达进行第一围岩和第二围岩的扫描识别，其通过获取边缘数据来描述第一围岩和第二围岩的范围。具体的，识别过程包括：
61.获取所述雷达波穿过第一围岩的速度作为第一速度；获取所述雷达波穿过第二围岩的速度作为第二速度；获取所述雷达波在第一围岩和第二围岩处的反射特征；
62.获取回波数据中匹配所述反射特征的数据作边界数据，并获取所述边界数据对应的回波角度；
63.根据所述边界数据和所述回波角度确定所述边缘数据的方向，并根据所述第一速度和所述第二速度计算所述边缘数据的具体位置形成边缘数据点阵；
64.对所述边缘数据点阵拟合形成第一围岩和第二围岩的范围。
65.在一种可能的实现方式中，在所述预设范围内对所述第一围岩的范围进行部分开挖至满足对所述第二围岩进行处理的条件包括：
66.根据所述第一围岩和所述第二围岩的范围计算所述所述第一围岩和所述第二围岩的交接边界；
67.在所述交接边界上计算所述第一围岩的留存厚度；所述留存厚度为支撑所述第二围岩的第一围岩的厚度；
68.开挖所述第一围岩至所述留存厚度。
69.本技术实施例实施时，由于需要对第二围岩进行开挖前的预处理，其中需要为处理预留相应的空间和支撑厚度，所以在第一围岩开挖时，需要预留留存厚度的围岩，形成稳定的作业面。应当理解的是，为了支撑第二围岩所预留的留存厚度可以通过计算获取，本技术实施例在此不多做解释和限定。开挖第一围岩后，对于交接边界应当留下对应的留存厚度。
70.在一种可能的实现方式中，抽取所述第二围岩中的流态极软岩包括：
71.在所述交接边界上钻出第一孔洞和第二孔洞；
72.通过所述第一孔洞向所述第二围岩内注入外加剂；所述外加剂包括泵送剂、水、防冻剂和引气剂中的至少一种；
73.通过泵机从所述第二孔洞将所述第二围岩中的流态极软岩抽出。
74.本技术实施例实施时，为了保证消除工艺在第二围岩中的良好应用，需要向第二围岩注入相应的外加剂，这些外加剂主要是用于稀释第二围岩中的流态极软岩另其便于抽
出。
75.在一种可能的实现方式中，对所述第二围岩中剩余的围岩进行冻结法处理包括：
76.扩充第一孔洞和/或第二孔洞至满足冻结管尺寸；
77.将所述冻结管插入所述第一孔洞和/或第二孔洞直至所述第二围岩中剩余的围岩；
78.通过所述冻结管对所述第二围岩中剩余的围岩进行冷冻处理。
79.本技术实施例实施时，采用冻结法处理第二围岩中剩余的围岩，其主要方案为通过冻结管对这些剩余围岩进行降温冻结，冻结法本身为现有技术，其可以利用前端的降温设备对冻结管内介质降温实现冻结管降温，具体方案本技术不再复述。由于在上述实施例中，已经施做了第一孔洞和第二孔洞，所以在本技术实施例中，在第一孔洞和第二孔洞中进行选择性的扩充，使得第一孔洞和第二孔洞中的部分或全部可以满足冻结管尺寸。再通过这些孔洞将冻结管插入剩余围岩中进行冻结，以此提供后续施工的安全性。
80.在一种可能的实现方式中，对所述预设范围进行开挖作业包括：
81.当所述第二围岩中剩余的围岩的冷冻程度达到预期时，抽出所述冻结管，并对预设范围进行开挖作业。
82.在一种可能的实现方式中，对所述预设范围进行开挖作业，并在开挖作业完成后施做支护包括：
83.在所述预设范围开挖，并超挖预设深度后等待围岩收敛至预设位置后施做支护。
84.本技术实施例实施时，提供了一种进一步提高施工安全的技术方案，其中通过超挖的方式令围岩进行可以控制的变形，将围岩内部的能量进行释放，可以有效的降低软岩围岩的应力，从而减少开挖及施做支护中的软岩围岩变形，提高施工安全性。
85.在一种可能的实现方式中，在开挖作业完成后施做支护包括：
86.对开挖作业完成的毛洞施做锚杆并施做喷射混凝土；
87.所述喷射混凝土达到预期强度后，在所述喷射混凝土的外表面挂设钢筋网；
88.在所述钢筋网的表面铺设吸能件，并对所述喷射混凝土的外表面复喷混凝土至所述钢筋网和所述吸能件均被混凝土完全覆盖；
89.在复喷混凝土的表面施做防水和二衬结构。
90.本技术实施例实施时，提供了一种进一步提高施工安全的技术方案；现有技术中在施做了锚杆和初喷的混凝土后需要铺设钢筋网进行混凝土复喷，本技术实施例在铺设的钢筋网上安装埋设进复喷混凝土的吸能件，此处的吸能件可以采用吸能材料，也可以采用吸能结构，如小型钢桁架等结构，通过这些吸能件可以在后续施做防水时，吸收围岩变形带来的初衬变形能量，减少防水被破坏的几率；也可以减少二衬施做后，内部应力带来的开裂等问题。
91.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种软岩隧道大变形控制的施工方法，其特征在于，包括：通过超前地质检测技术获取软岩隧道掌子面前方预设范围内的第一围岩和第二围岩的范围；所述第一围岩为在裸露预设时长内收敛小于或等于预设值的围岩；所述第二围岩为在裸露预设时长内收敛大于预设值的围岩；在所述预设范围内对所述第一围岩的范围进行部分开挖至满足对所述第二围岩进行处理的条件；抽取所述第二围岩中的流态极软岩，并对所述第二围岩中剩余的围岩进行冻结法处理；对所述预设范围进行开挖作业，并在开挖作业完成后施做支护。2.根据权利要求1所述的一种软岩隧道大变形控制的施工方法，其特征在于，通过超前地质检测技术获取软岩隧道掌子面前方预设范围内的第一围岩和第二围岩的范围包括：通过超前地质雷达扫描所述预设范围内的围岩，并获取回波数据；根据所述第一围岩和所述第二围岩的回波特性从所述回波数据中获取第一围岩和第二围岩的边缘数据；根据所述边缘数据获取第一围岩和第二围岩的范围。3.根据权利要求1所述的一种软岩隧道大变形控制的施工方法，其特征在于，在所述预设范围内对所述第一围岩的范围进行部分开挖至满足对所述第二围岩进行处理的条件包括：根据所述第一围岩和所述第二围岩的范围计算所述所述第一围岩和所述第二围岩的交接边界；在所述交接边界上计算所述第一围岩的留存厚度；所述留存厚度为支撑所述第二围岩的第一围岩的厚度；开挖所述第一围岩至所述留存厚度。4.根据权利要求3所述的一种软岩隧道大变形控制的施工方法，其特征在于，抽取所述第二围岩中的流态极软岩包括：在所述交接边界上钻出第一孔洞和第二孔洞；通过所述第一孔洞向所述第二围岩内注入外加剂；所述外加剂包括泵送剂、水、防冻剂和引气剂中的至少一种；通过泵机从所述第二孔洞将所述第二围岩中的流态极软岩抽出。5.根据权利要求4所述的一种软岩隧道大变形控制的施工方法，其特征在于，对所述第二围岩中剩余的围岩进行冻结法处理包括：扩充第一孔洞和/或第二孔洞至满足冻结管尺寸；将所述冻结管插入所述第一孔洞和/或第二孔洞直至所述第二围岩中剩余的围岩；通过所述冻结管对所述第二围岩中剩余的围岩进行冷冻处理。6.根据权利要求5所述的一种软岩隧道大变形控制的施工方法，其特征在于，对所述预设范围进行开挖作业包括：当所述第二围岩中剩余的围岩的冷冻程度达到预期时，抽出所述冻结管，并对预设范围进行开挖作业。7.根据权利要求1所述的一种软岩隧道大变形控制的施工方法，其特征在于，对所述预
设范围进行开挖作业，并在开挖作业完成后施做支护包括：在所述预设范围开挖，并超挖预设深度后等待围岩收敛至预设位置后施做支护。8.根据权利要求1所述的一种软岩隧道大变形控制的施工方法，其特征在于，在开挖作业完成后施做支护包括：对开挖作业完成的毛洞施做锚杆并施做喷射混凝土；所述喷射混凝土达到预期强度后，在所述喷射混凝土的外表面挂设钢筋网；在所述钢筋网的表面铺设吸能件，并对所述喷射混凝土的外表面复喷混凝土至所述钢筋网和所述吸能件均被混凝土完全覆盖；在复喷混凝土的表面施做防水和二衬结构。

技术总结

本发明公开了一种软岩隧道大变形控制的施工方法，包括：通过超前地质检测技术获取软岩隧道掌子面前方预设范围内的第一围岩和第二围岩的范围；在预设范围内对第一围岩的范围进行部分开挖至满足对第二围岩进行处理的条件；抽取第二围岩中的流态极软岩，并对第二围岩中剩余的围岩进行冻结法处理；对预设范围进行开挖作业，并在开挖作业完成后施做支护。本发明一种软岩隧道大变形控制的施工方法，通过基于消除、转换、释放和吸能四种方案来针对软岩进行处理，总结形成一整套完整的软岩隧道施工工艺，即确保了施工安全和施工进度，又具有非常良好的通用性，使得软岩隧道施工成本和周期更为可控。期更为可控。期更为可控。