隧道变形及其控制技术

1谈谈隧道开挖后的变形控制中的几个问题隧道开挖后，由于初始地应力场的应力释放，其结果必然引起围岩发生各种形态的变形，如拱顶下沉、两侧围岩挤入、底部鼓起以及掌子面挤出等，而变形的必然后果，就是造成围岩的松弛，而当围岩的变形或松弛超过一定范围时，就会造成崩塌或不稳定。因此，隧道的设计和施工的目的：一句话来概括：就是千方百计地把把隧道开挖后的围岩变形或松弛，控制在容许的范围之内。这就是我们设计施工的基本理念和目的。为了实现这个理念和目的，就必须解决 2 个问题。一个容许变形值问题，一个是控制技术问题。要解决容许变形值问题，就必须了解和认识隧道开挖后的变形实态。一、隧道变形的种类1 1 概述研究控制技术，首先就要了解和认识隧道开挖后产生的变形形态及影响变形的各种因素。一般说隧道开挖后的变形，是各种各样的，也是极为复杂的。把围岩视为连续介质的场合，可分 3 种情况进行研究。1）一般围岩条件下深埋隧道的变形实态；2）一般围岩条件下浅埋隧道的变形实态；3）特殊围岩条件下隧道的变形实态；1 2 一般围岩条件下深埋隧道的变形实态一般围岩条件下隧道的变形，大体上可以分为以下几种。1）掌子面前方的先行变形（位移） ；2）掌子面变形（位移） ，包括掌子面挤出位移及掌子面位移；3）掌子面后方变形（位移） 。二、隧道变形的力学特征及其控制要点21 概述认识和掌握围岩在开挖后是如何变形及其变形过程、变形动态是非常重要的。2 2 一般围岩条件下深埋隧道开挖后变形的基本规律为了说明方便起见，首先用 2 个计算例加以说明。设初始地应力场的水平方向和垂直方向的分力分别为 px 和 py。例 1：静水压荷载下的圆形隧道pxp y10kgf/cm 2，E 1000kgf/cm 2，1/3例 2：承受 2 方向不同荷载的半圆形隧道px（1/2）p y5kgf/cm 2，E1000kgf/cm 2，1/3图 3 及 4 分别表示隧道壁面（r=a）及周边（r 1.5a 、2a、3a）的位移的计算结果（隧道宽度取 D2a） 。 2图 1 圆形隧道的周边位移状态（拱顶下沉）图 2 半圆形隧道的周边位移状态（拱顶下沉）从图 1、2 可知，在计算条件下，从掌子面前方到掌子面后方一定范围内的拱顶下沉分布规律，大致如下。1） 隧道开挖后在掌子面前方一定范围内（2a5a ）产生了下沉，我们称之为“先行位移” ；2） 在掌子面处，产生一定量的“初始位移” ，此值与地质条件关系密切，约为最终位移值的 2030左右，这个位移是开挖后瞬间发生的；3） 在掌子面后方，随掌子面的推进，产生不断增大的位移，其特点是初期的位移速度很大，而后增长的速度逐渐减缓，并趋于稳定。4）围岩性质（初始地应力场、围岩物性等）和施工方法是决定变形动态的主要因素，对隧道变形有一定影响。由上述各图可知，隧道开挖后隧道的变形可分为掌子面前方的先行位移、掌子面挤出位移及掌子面后方的位移三种。这三种位移是同时发生的。在复杂地形、地质条件下，支护的主要目的就是要抑制这些位移的发展，也就是抑制由这些位移引起的围岩松弛。因此，对设计、施工来说就是要搞清楚这三种位移（变形）的产生条件和发展规律，并通过什么手段来控制其发展。在一般围岩条件下隧道开挖后的变形实态可用图 5 表示。Comment l1: 掌子面正前方预加固Comment l2: 取得参数的手段？3图 5 隧道开挖后的变形实态在一般围岩条件下掌子面前方围岩的先行位移，是在开挖后瞬间发生的，先行位移的最大值是在掌子面处，其值约占总发生位移的 2030左右，掌子面前方的先行位移，涉及的范围也比较小（约为 1D左右） ，只有在围岩比较差的场合 ，如级围岩才需要加以控制。因此，在一般围岩条件下，主要是用初期支护控制掌子面后方位移的发展。掌子面后方位移的动态特点是初始位移发生的比较快，而且量值也比较大，即初期位移速度比较大。因此，控制初期位移速度的发展是非常重要的。这也是判定围岩好坏的一个重要指标。控制了初期位移速度的发展，也就控制了最终位移值。因此，在实地量测中，取得初始位移值和初期位移速度两个重要参数是非常重要的。2 3一般围岩条件下浅埋隧道开挖后变形的基本规律下面首先根据日本在 9座土砂围岩中的浅埋隧道中，对隧道开挖后引起的地表面下沉现象的认识加以说明。一般说，根据掌子面的进展，可把地表面下沉现象分为表 1几类。 表 1 地表和地中的下沉现象地表 地中典型现象 崩塌 典型现象 崩塌1前方隆起或前方相对隆起（L-1m）2横向开裂3前方下沉 3前方下沉和相对隆起4下沉持续增大 5局部崩塌6下沉加速（3mL3m） 6下沉加速和相对下沉7崩塌 8崩塌9下沉收敛(1mL) 9下沉收敛10相对下沉减小11纵向开裂一般说，隧道开挖后，地表面下沉与洞内的变形之间是相关的，表 1列出了之间的相关关系，是很重要的。图 6是一个地表面下沉量测的事例4图 6 地表面下沉量测事例图 7 是一个地表面下沉和洞内下沉的相关关系例。图 7 地表面下沉与洞内下沉的相关关系例从基本规律上看，两者（洞内及地表面）是一致的，也大体上分为掌子面前方的地表面下沉、掌子面位置正上方的地表面下沉及掌子面后方的地表面下沉。不同的是量值和涉及的发生范围。在地表面下沉的研究中，地表面下沉的横断面分布是重要的，但更为重要的是地表面下沉纵向的分布。掌子面前方的地表面下沉涉及的范围要比洞内的掌子面前方位移的范围要大，而且，在掌子面到达前，在地表面可能发生与隧道轴线正交的横向开裂。此开裂部位大致在离掌子面 0.5 D1.0D 范围内。图 8 表示地表面下沉的等值线。图 8 地表面下沉的等值线分布5因此，控制地表面下沉，除从地表面采取对策外，基本上是从洞内采取控制掌子面前方先行位移及掌子面后方位移的对策。在浅埋的土质隧道中，当地表面下沉与对应的拱脚下沉相等或小于时，会造成拱顶上部围岩整体下沉的现象（图 9） 。图 9 整体下沉现象2 4 特殊的围岩条件的隧道变形实态这里指的特殊围岩包括，例如膨胀性围岩、挤入性围岩等会出现大大超过容许值的变形的围岩。也包括特殊的地形、地质构造的条件下，会出现地形偏压和构造偏压等产生不对称的变形形态的围岩。1） 特殊围岩条件下的大变形这里所谓的围岩大变形，都与围岩的物性有直接的关系，具有膨胀性、挤入性、流变特性的围岩，均有产生大变形的物性条件。因此，研究大变形，首先要从围岩的物性分析着手。这是不言而喻的。例如，日本把土压超过围岩强度，而产生大变形的围岩，定义为挤入性围岩（Squeezing Ground） 。此外把超过 100mm（挤入性围岩的单轴抗压强度为5MPa，极限应变为 2.0，开挖半径为 5.0m，可能量测的位移是总位移值的 50条件下的净空位移值）的位移定义为大变形。隧道开挖后产生大变形的动态与一般围岩条件下的动态，大同小异。其基本特点就是：掌子面前方的先行位移值大，一般说都超过 2030的数值，有的可达 4060 ；初始位移速度也大，一般会超过 20mm/d，或者更大；变形收敛的时间长，甚至不收敛。因此，在可能发生这种大变形的隧道，开挖前就要采取对应的控制对策和开挖后采取对应的控制掌子面后方位移的对策。同时，为确保稳定后的净空断面不侵入设计断面，要适当加大预留变形量。2）偏压隧道的变形产生偏压的原因有二：一是地质构造产生的；一是地形产生的。但不管何种原因产生的偏压变形的特点是变形的不对称性。三、影响隧道变形的基本因素影响隧道变形的基本因素有两大类。即：客观因素和外部因素。3 1 客观因素（内在因素）如前所述，影响隧道开挖后变形的两个客观因素就是初始地应力场和围岩的力学特性及构造特性。1） 初始地应力场初始地应力场指未被开挖扰动的原始地应力场。对初始地应力场的认识可以归纳如下。隧道初始地应力场是由重力应力场和构造应力场构成。6以目前的认识和技术水平看，初始地应力场，多数认为按弹性的、重力的、静态的应力场考虑。在埋深较浅，或者埋深很大的条件下，可以不考虑构造应力场的影响。决定初始地应力场的关键是设定合理的侧压力系数。因为地应力场的垂直应力分量，基本上都按上覆埋深的重量考虑。而水平侧压力的大小则主要决定于侧压力系数。从侧压力系数看，初始地应力场存在三种情况。即：侧压力系数小于 1，等于 1 及小于 1 三种情况。这三种情况的变形模式是完全不同的，其模式的概念示于图 10。图 10 不同侧压力系数条件下坑道变形模式概念图因此，在设计、施工过程中，必须掌握初始地应力场的侧压力系数的变化，以便针对不同的变形模式采取不同的控制措施。一般说，侧压力系数 值，理论上是由下式决定的。即：/1-式中 ：围岩的波松比，其值在 00.5 之间变化。 （侧压力系数的确定方法）按此式决定的侧压力系数，最大是 1。即，初始地应力场相当与静水应力状态。但在实际隧道工程中， 大于 1 的情况是很多的。因此，侧压力系数，基本上不能根据理论式（1）确定，而需要根据实地量测的反分析或者统计数据等确定。例如日本“山岭隧道设计施工标准” （2008 年版）建议按以下条件推定侧压力系数。H50m 的场合 0.015H0.25H50m 的场合 1.0式中 H：埋深（m）其关系示于图 11、图 12 和 13 是根据量测数据统计的侧压力系数与埋深的关系。由图可知，侧压力系数可能在 0.42,0 之间变化。较大的场合，多在 1.0 左右。7图 11 初始侧压系数 Ko 与埋深 H 的关系图 12 始侧压系数 Ko 与埋深 H 的关系8图 13 初始侧压系数 Ko 与埋深 H 的关系因此，初始地应力场的研究中，对侧压力系数的研究也是非常重要的。实际上由于地壳运动的结果形成了各种形态的地质构造,如层状、块状、断层、褶皱等，在这种情况下,围岩的初始地应力场也有所变化。例如在背斜构造中，由于岩层成拱状分布,使上覆岩层重量向两翼传递,而直接处在背斜轴下面的岩层则受到较小的应力，其垂直应力的变化，可能如图 14 所示；而在被断裂分割的地质构造条件下，下窄上宽的楔形围岩移动时,受到两侧岩块的夹制，因而使应力减小，反之,下宽上窄的岩块,则受到附加荷载的作用，其垂直应力分布可能如图 15 所示、处于正断层和逆断层的条件下，水平应力会有很大差异，如图 16 所示。在不均质的层状围岩中，对垂直应力的分布也有很大影响（图17）等等。总之，大量的实测资料表明,地质构造形态改变了重力应力场的初始状态,这在实际工作中有时是不容忽视的。图 14 背斜对初始应力的影响 图 17 不均质层状围岩对初始应力的影响9图 16 断层对初始应力的影响 图 15 断裂分割的块状构造对初始应力的影响构造运动的结果也会使地形发生变化，如图 18 所示,这种地形的变化,当然对初始地应力场有很大影响,该图表示考虑地形影响后,初始地应力场主应力大小及其方向的变化。在埋深较小的情况下,这种影响是不容忽视的。图 18 地形对自重应力场的影响由于构造应力场的不确定性,很难用函数形式表达。它在整个初始地应力场中的作用只能通过某些量测数据加以分析。已发表的一些成果表明：（a）地质构造形态不仅改变了重力应力场,而且除以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在围岩内,这种残余构造应力将对地下工程产生重大影响。（b）构造应力场在不深的地方已普遍存在,而且最大构造应力的方向,多近似为水平,其值常常大于重力应力场中的水平应力分量,甚至也大于垂直应力分量，这与重力应力场有很大不同。位于片岩中的陶恩隧道实地量测的初始地应力场（图 19）就是一个例证。图 19 隧道的初始地应力场图 20 表明,埋深较小时,水平应力和垂直应力的比值很大。随着埋深的增加,趋于减小。从我国现阶段积累起来的浅层(埋深小于 500m)实测资料看,侧压力系数 小于 0.8 者约占27.5%。在 0.81.25 之间者约占 42.3%,大于 1.25 者约占 30.2%。这说明，在一定埋深的条件下，初始地应力场的水平应力大于 1 的情况，占主导地位。图 20 是根据大量实测数据统计的初始应力与深度的关系。10a 垂直应力与深度的关系 b 水平应力与深度的关系图 20 初始应力的实测统计根据图 20 的统计数据，Hoek 认为：深度超过 1000m 以后，垂直应力基本上可以用 p2.6H 表示；小于 1000m 深度时，水平应力一般比垂直应力大，在 500m 左右，平均大 1.5 倍。更浅的情况，其比值更大；1000m 以上的情况水平应力与垂直应力的趋于大致相等。(c)构造应力场很不均匀,它的参数无论在空间上、时间上都有很大变化,特别是它的主应力轴的方向和绝对值变化很大。（d）用分析方法求解初始地应力场,由于明显的原因(构造的、力学形态的、量测技术上的等）,常常会导致极大的偏差。因此,在理论分析中, 常把初始地应力场按静水应力场来处理。在某些重要的工程中,多采取实地量测的方法来判断主应力的大小及其方向的变化规律。初始地应力场是决定隧道稳定性和破坏形态的基本因素，因此，在隧道的设计施工中，掌握初始地应力场是极为重要的。（2 ） 地质体（围岩）力学的（强度、变形） 、构造的（不连