隧道变形动态及其控制技术

1、隧道变形动态及其控制技术（草稿）一、概述众所周知,隧道施工的基本目的是在各类地质体围岩中修筑为各种目的服务的、长期稳定的洞室结构体系。在隧道工程的设计施工中，我们必须清楚地认识这种结构体系的特点。1、从结构角度看,这个结构体系是由周围地质体（围岩）和各种支护结构构成的,即：洞室结构体系=周围地质体（围岩）+支护构件它是由天然的、具有固有的应力场、渗流场、温度场的地质体和人工的支护构件构成的。这与地面结构体系是完全不同的；2、在这个结构体系中，周围地质体（围岩）起着主导的作用。例如在充分稳定的地质体（围岩）中，可以不需要任何结构意义上的支护构件，而处于长期稳定的状态。如一些天然洞穴的存在，人工修

2、筑的无支护构件的洞室（黄土窑洞、无支护坑道等）等。就是需要支护的地质体（围岩），也只是需要薄薄一层喷混凝土或者几根锚杆、几榀钢架就可以使之成为稳定的结构，这也说明，周围地质体是主要的承载体；3、作为结构体系主体的地质体（围岩），的基本特征是具有极大的不确定性。我们在设计、施工中遇到的许多不确定性问题和现象也主要是由地质体（围岩）的不确定性引起的。这也是我们在设计施工中面对的最大难题；4、从工程结构的角度看，这种结构体系的形成则是通过一定的施工过程或者说是一定的力学过程来实现的.这个过程大体上可作如下表达（图1）：与之相适应的力学过程如下图1 施工过程与围岩力学状态变化5、简单地说，这个过程是动

3、态的，隧道施工也就是一个应力释放与应力控制的过程。应力释放到什么程度，是可以通过一定的人为的干涉手段加以控制的。因此，施工过程就是利用和控制围岩动态变形（应力）的过程（图2）。认识这一点是非常重要的。 初始应力状态 开挖后应力状态 支护后应力状态 应力释放 应力控制图2应力释放与应力控制因此，掌握坑道开挖后的围岩力学动态变化及其过程是极为重要的。这是隧道工程技术人员的基本功。6、与地面结构体系截然不同的一点，就是荷载的不确定性。这与地质体（围岩）的不确定性直接相关，也与支护构件与围岩的相互作用有关。因为支护构件上作用的荷载大小及其分布是控制隧道变形结果的反应，也是一个变数，也是不确定的。因此给

4、支护体系的设计带来了极大的困惑。实际上，解决了应力释放和应力控制问题，也就解决了荷载问题。在隧道的设计施工中，充分认识上述各点是非常重要的。二、隧道变形过程及其类型在长期的工程实践和理论研究中，尤其是近代岩土力学、工程地质力学的发展，使我们对坑道开挖后在围岩中产生的物理力学现象有了一个较为明确的认识。例如，我们认识到坑道开挖后将引起围岩一定范围内的应力重新分布和局部地壳残余应力的释放；在重新分布的应力作用下，一定范围内的围岩产生位移，发生松弛，与此同时也会使围岩的物理力学性质发生变化（恶化）；在这种条件下坑道围岩将在薄弱处产生局部破坏；在局部破坏的基础上造成整个坑道的崩塌。一般说这个认识正确地

5、反映了坑道从开挖后到其破坏的力学动态和过程。但这种认识并不是今天形成的，而是长期工程实践的概括和总结。从力学角度看：坑道开挖前的围岩处于初始应力状态，即前面所述的初始地应力场。我们称为一次应力状态；坑道开挖后由于应力重新分布，坑道周边围岩处于由开挖引起的应力场中，这种应力状态我们称为二次应力状态，又称为毛洞的应力状态。它受到开挖方式(爆破，非爆破)和方法(全断面开挖，分部开挖法等)的强烈影响。如果二次应力状态满足坑道稳定的要求，则可不如任何支护，坑道即可自稳。如果坑道不能自稳就须施加支护措施加以控制，促使其稳定。因此，采取支护措施后的应力场称为三次应力场或支护后的应力场。显然这种状态与支护结构

6、的类型、方法、施设时间以及与围岩的相互作用等有关。三次应力状态满足稳定要求后就会形成一个稳定的洞室结构，这样，这个力学过程才告结束。从这里我们可以清楚地看出，开挖实质上是应力释放的过程，而人工支护则是应力控制的过程。我们可以说隧道的设计、施工实质上就是要解决好这个”应力释放与控制”的问题。说得通俗一点，隧道设计施工就是要解决好因开挖引起的围岩变形（松弛）问题。前面提到，隧道工程，归根结底，就是一个应力释放和应力控制的问题。应力释放的直接后果，就是引起周边围岩的变形和松弛。因此，应力控制实质上就是控制围岩的变形和松弛。也就是说如何在开挖和支护过程中，使围岩不松弛或少松弛。这是隧道设计施工的主要原

7、则。围岩松弛与围岩变形直接相关。也就是说要想控制住围岩的松弛，就要控制住围岩的变形。因此，认识和掌握围岩在开挖后是如何变形及其变形的过程是非常重要的。为了说明方便起见，下面用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pxpy10kgf/cm2，E1000kgf/cm2，1/3例2：承受2方向不同荷载的半圆形隧道px（1/2）py5kgf/cm2，E1000kgf/cm2，1/3图3及4分别表示隧道壁面（r=a）及周边（r1.5a、2a、3a）的位移的计算结果（隧道宽度取D2a）。图3 圆形隧道的周边位移状态（拱顶下沉）图4 半圆形

8、隧道的周边位移状态（拱顶下沉）从图3、4可知，从掌子面前方到掌子面后方范围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。这是处于一般围岩中的隧道变形的基本规律。图5是一个随着掌子面推进的围岩位移测定例。在隧道拱顶上方2m的位置设一个长50m的水平铝管，根据测定的弯曲应变计算位移。图5 龟浦

9、隧道掌子面位移测定例量测位移的分布规律与计算结果基本趋势是一致的。总之，从计算和量测中我们可以得到一个重要认识，隧道开挖后的围岩变形状态可用图6的三维图表示。图6 隧道开挖时的变形三维示意图由上述各图可知，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。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。1、客观因素（内在因素）从前面的计算例中可以看出，影响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

10、特性、构造特性。1）初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。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，而不考虑其构造应力的影响是合适的。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。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。如：以垂直成层为例,由于各层的物理力学性质不同,在同一水平面上的应力分布可能是不同的；在背斜情况下,

11、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。在被断层分割的楔形岩块情况中,也可观察到类似情况。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。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。构造运动的结果也会使地形发生变化，如图7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7 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

12、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：（1）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。（2）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8）就是一个例证。 图8 隧道的初始地应力场图8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

13、500m)实测资料看,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。(3)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。（4）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。2）地质体的力学特性（强度、变形及构造特性等）地质

14、体的力学特性包括强度特性、变形特性，同时也必须认识和掌握地质体的构造特性。隧道工程实践充分表明，围岩的构造特性远比力学特性的影响更为重要。因此，对围岩不仅要从力学特性上进行分级，也要在构造特性上进行分类，两者缺一不可。目前从地质模式上，通常把围岩按其构造分为整体状围岩、块状围岩、层状围岩、碎裂状围岩及土质围岩五大类。由于这五类围岩的构造特点，其变形也有所不同。从理论上说，凡是可以用连续介质表述的围岩，如整体状围岩、土质围岩、碎裂状围岩，其开挖后的变形规律都可以用上述的基本规律表达。而在层状围岩及块状围岩，其变形动态和规律则略有不同。从强度角度出发，多按岩石的单轴抗压强度进行分级，分为硬岩、中硬

15、岩、软岩及极软岩几类。但应认识到，岩石强度与围岩强度有着本质上的差异，我们需要了解的是围岩强度。这可以通过对岩石强度的折减予以确定。3）围岩强度应力比评价地质环境的重要指标隧道设计中如何评价隧道所处地质环境的影响，它对结构设计究竟具有什么影响是一个现实而不可回避的问题。为了解决这个问题目前采用的方法是用上述两个因素的比值，即：“围岩强度应力比”这个概念来评价的。围岩强度应力比Gn的定义是：围岩内部的最大地应力值（max）与围岩强度（RB）的比值。即：GnRb /max (1)式中max ：围岩内最大地应力值Rb：围岩的抗压强度值也可以用其倒数表述。构造应力会改变自重应力的初始状态，围岩中的最大

16、地应力max可能不是垂直方向的，而是水平方向的。应根据实际量测的数据而定。在没有量测数据的条件下，可采用垂直应力为最大地应力值或采用经验公式的计算值。围岩强度通常采用围岩的抗压强度的实测值，对岩质围岩来说，可采用岩石的抗压强度，对土质围岩则应根据实测的c、值通过计算决定。目前，确定围岩强度的最有效的方法是通过对围岩和构成围岩的岩石试件的弹性波速度的测试，用其速度平方的比值来确定。即：Rb=Rc（Vp/vp）2式中 Rc：岩石试件的抗压强度Vp：围岩的弹性波速度vp：岩石试件的弹性波速度围岩强度应力比应该沿隧道纵向逐段确定。目前在隧道工程施工中，都把围岩强度应力比作为判断围岩稳定性的重要指标，也

17、作为是否大变形问题的判定基准，有的还作为围岩分级的重要指标。对隧道工程来说，初始地应力场的影响多采用“围岩强度应力比”加以评价和判定。表1是一些标准中采用的围岩强度应力比的分级指标，可以参考。围岩强度应力比与围岩开挖后的破坏现象、稳定性有关，特别是与大变形有关。表1 围岩强度应力比Gn分级标准法国隧协4247476464242我国的“工程岩体分级标准”对地应力场的分级列于表2。表2 不同地应力场的围岩在开挖中出现的主要现象地应力场情况主要现象RB/max极高地应力场硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁围岩发生剥离新主裂缝多成洞性差，基坑有剥离现象，成形性差软质岩：岩芯常有饼化现象，

18、开挖过程中洞壁围岩有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞；基坑发生显著隆起或剥离不易成形424200132.5中等地应力20010130.661.0高地应力1050660330.52微弱的岩爆52.50330.16510强烈岩爆2.5GN2GN2IS2GN1.52GN1.52GN1.5IL特S1.5GN1.5GN1.5GN表5说明，并不需要在所有的围岩中考虑围岩强度应力比。只是在中硬岩，软岩和土砂围岩中考虑，也不是在所有的级别中考虑，只是在很低的级别中考虑。4）围岩分级围岩分级，严格地说是对隧道所处的地质环境进行分级，以便于掌握围岩开挖后的变形状态及其趋势，为选定开挖方法和

19、支护模式创造基本条件。众所周知，隧道的开挖方法和支护模式主要决定于围岩级别。因此，围岩分级必须考虑上述的三个条件，即：初始地应力场、围岩强度以及围岩的地质构造模式。目前的隧道围岩分级。虽然大体上反映了上述因素的影响，但不充分，需要细化。2、外部因素（人为的因素）外部因素对隧道变形的影响，也不容忽视。其中包括隧道形状、跨度、埋深及施工方法等1）隧道形状的影响目前的理论解析多数是以圆形坑道为基础的，当坑道形状不是圆形时，相应的公式都要改变，此时可用有限元法进行求解。但在初步设计中，亦可采用将不同形状坑道变换成当量的圆形坑道的方法近似地加以分析，或直接以坑道跨度代替公式中的坑道直径亦可，但并不是所有

20、的坑道形状都可以这样做。根据计算分析，各种形状坑道顶点（A点）和侧壁中点（B点）的切向应力可用下式表述：顶点：侧壁中点：式中：为侧压力系数；A、B为坑道周边应力计算系数，其值列表6。由表6可知：编号4、5、6的坑道，基本上都可以按圆形坑道来处理，不会造成很大误差。对铁路隧道来说，双线隧道断面直接采用圆形断面的求解公式是可以的。表6 不同坑道形状的周边应力集中系数2）隧道断面尺寸的影响隧道断面尺寸影响的概念示于图9。在同样的围岩中，隧道断面尺寸，一般说不会改变开挖后的变形规律，仅仅是量值上有所不同而已。但从另一角度看，随着断面尺寸的加大，围岩的地质模式可能改变，如从整体状，变为块状，或碎裂状等。

21、实质上是围岩级别改变了（图）。因此，坑道的稳定性也会随坑道尺寸的加大而改变，例如从稳定的，变为暂时稳定的或不稳定的。 图9 隧道断面尺寸影响的概念图如何处理跨度的影响，目前有两者方法。一个是改变围岩级别，一个是改变支护模式。从国内外的设计施工实绩看，多数国家都采用改变支护模式的方法予以对应。因此，在同一围岩级别条件下，因坑道跨度不同，会有几种支护模式出现。也就是说，支护模式与围岩级别不是一一对应的。3）隧道埋深的影响； 浅埋与深埋相比，主要是难以形成承载拱。视地质条件会出现拱顶下沉急剧增大、地表下沉和开裂以及掌子面不稳定等现象。地表下沉与埋深有密切关系。从图10的试验结果可以说明，埋深大时，在

22、隧道横断面内形成了承载拱，开挖引起的下沉，局限在隧道周边，而埋深小时，没有形成承载拱，开挖下沉会直接达到地表面。图10模型试验的埋深与地表下沉在这种情况下，埋深小的隧道，因不能期待形成承载拱，故为防止支护下沉、增强承载力应采取必要的措施。如图11的试验结果所示，浅埋隧道的掌子面松弛将达到地表面，不仅在横断面方向形成不了承载拱，在纵向的掌子面前方也形成不了承载拱。(b)下半断面开挖(a)上半断面开挖埋深小的场合(a)上半断面开挖（b）下半断面开挖埋深大的场合图11埋深和掌子面稳定性根据实测结果的分析，首先是接近掌子面前方的围岩急剧下沉，并向后方扩展，结果形成了图12所示的盆状的地表下沉。此下沉槽

23、的坡度是与围岩中发生的剪应变相对应的。超过此限界后，如图所示就会发生。 图12地表下沉和地表面如上所述，在浅埋隧道中应关注的问题是（1）因掌子面前方的先行下沉很大，会造成很大的地表下沉，因此，研究控制掌子面前方的技术措施是十分必要的；（2）因埋深小，由于上方土体的整体下沉会在地表面形成凹形塌陷，因此，在施工中控制上方土体的整体下沉是一个关键。在采用台阶法施工时，首先是要控制住拱脚的下沉，才能控制上方土体的下沉；因此，研究控制拱脚下沉的施工技术也十分必要。4）施工方法的影响；以全断面法和台阶法为例加以说明。一般说开挖分部越多，在同样地质条件下，其位移值也越大。因此，从控制位移的角度出发，采用不分

24、部或少分部的开挖方法是主流的开挖方法。这也是选定开挖方法的一个重要原则。例如在台阶法中，台阶的长度与地质条件有极大关系。一般说，随地质条件的变差，台阶长度也随之变短，以便缩短断面的闭合时间（距离）。四、控制隧道变形的关键技术 开挖和支护技术1）概述前面已经对隧道开挖后是如何变形的以及变形的形态后，我们初步认识到隧道施工实际上是一个应力释放和应力控制的过程。这个过程通常是通过开挖、支护两个步骤实现的。即：围岩原始状态开挖支护形成长期稳定的结构物。因此，这里所谓的关键技术，就是开挖和支护中的关键技术。开挖是应力释放的方法，不同的开挖方法，应力释放的过程及程度也是不同的，支护则是应力控制的方法，同样

25、地，不同的支护方法应力控制的过程和程度也是不同的。除开挖。支护作业外，其他作业都是辅助性的，如运输、排水、通风、量测、地质超前预报等。但这些作业也是左右开挖、支护成败的关键，也不能忽视。因此作为关键技术主要指：开挖、支护以及不可缺少的辅助作业三大方面。2）开挖、支护作业中的关键技术在矿山法施工中，开挖和支护是密切相关的。根据地质情况，其关系大致可分为以下几类：无需支护的开挖；在无需支护的硬质围岩中采用的方法；先挖后支；开挖后进行支护的一般地质、地形条件下采用的方法；先支后挖；开挖前进行支护的特殊地质、地形条件下采用的方法。21无需支护开挖的场合 适用条件在坚硬、自支护能力比较高的，应力释放后能

26、够自稳的围岩。例如：铁路隧道的、级围岩。关键技术爆破及少扰动的开挖技术：对爆破技术的基本要求-减少爆破振动对围岩的损伤；形成平整的开挖轮廓；充分发挥围岩固有的自支护能力。 基本措施控制开挖进尺； 控制一次同时起爆的炸药量； 采用电子雷管 对开挖技术的基本要求采用少扰动围岩的开挖方法 基本措施-采用机械开挖方法，如TBM、切削方法等采用机械和爆破并用的开挖方法采用少分部、大断面的开挖方法，如全断面法、台阶法等示例一：降低爆破振动的对策众所周知，爆破振动的大小，基本上由炸药量和距离等决定。距离一般是很难变动的，因此降低炸药量是最基本的对策。此外，即使炸药量相同，变更爆破模式和与机械开挖并用，也能够

27、减轻爆破振动的影响。一般说，表7列出的减轻爆破振动的对策，可供参考。表7 减轻爆破振动的方法炸药量对策采用多段爆破，降低齐发炸药量：如采用MS电气雷管、IC雷管、有导火管的雷管等缩小爆破规模：如减小一次掘进进尺、分割爆破等K值的对策变更炸药品种：如采用控制爆破用炸药等；变更掏槽方法：如采用双楔形掏槽、平行掏槽等与机械开挖方法并用：如采用TBM、碎石机掏槽、周边沟槽爆破等其它限制爆破时间等：（特别是夜间停止爆破作业） （1）多段爆破，降低齐发炸药量一次爆破采用几段段发雷管，是减少一段装药量的方法。多段爆破的方法，根据采用的雷管不同，一般有以下3种。1）并用MS和DS电气雷管；2）采用IC雷管；3

28、）采用带导火管的雷管。采用MS和DS电气雷管进行多段爆破时，掏槽部分采用MS雷管，其它部分采用尽可能多的段数的DS雷管，最大可以使用27段。通常，在隧道爆破中，最重要的是掏槽爆破，为了充分的破碎可采用瞬发电气雷管同时起爆，但如采用短的秒时间间隔的段发雷管，也能够不损伤掏槽的破碎效果，进行掏槽爆破。最近的控制爆破已经证实了这一点。图13是掏槽爆破采用MS雷管例，图14是掏槽采用MS雷管的控制爆破例。图13 瞬发、MS雷管的掏槽例图14 MS、DS电气雷管并用的控制爆破例过去的段发雷管（MS/DS电气雷管），是用延时药控制延迟秒时的，起爆秒时多少有些离散。对此，IC雷管是用IC计时器控制确保秒时的

29、，可以具有过去的电气雷管不可能达到的0.2ms以内的确保秒时精度，最大可能达到200段发的多段爆破。在掏槽爆破中采用IC雷管，降低爆破振动的基本方法，与采用MS雷管基本相同。减轻隧道爆破振动用的IC雷管的确保秒时间隔，根据现场试验结果，以各装药孔发生的振动波的峰值不重合，而且不损伤破碎效果为宜，一般设定为30ms。如上所述，IC雷管，最大可达200段的多段爆破，掏槽眼也好，扩大眼也好都可能一个一个地起爆。为此一段的装药量只相当1孔的装药量。采用IC雷管时，需要专用的爆破器，但炸药方法和结线方法与过去的电气雷管几乎是一样的。成本上，与通常的电气雷管比较，IC雷管价格高。但是，为了确保振动限制值，

30、采用MS、DS雷管进行爆破因段数不足，而要采用减少一次爆破进尺或进行分割爆破时，在总成本上也会有减少的可能。为此，近年，特别是在振动限制条件严格的场合，不得不采用IC雷管进行爆破。IC雷管的控制爆破秒时示于图15。IC雷管划分为21、310等主段副段。各主段有10个副段（掏槽部分只有6个）。图中只标明主段的段数。图15 IC雷管的控制爆破模式例采用起爆药包的雷管段数，一般在25段左右。比采用MS、DS雷管的场合段数少，但采用带导火管的雷管时，因为能够用所谓的导火管结束，而控制秒时差，就有可能进行25段发以上的段发爆破。由于采用导火管，有可能进行100段发以上的多段段发爆破，但与电气雷管一样迟延

31、秒时的设定仍然采用延迟药的方式，起爆时间有些离散。为此，特别是一段爆破孔多的场合，要使所有的爆破孔能够分离起爆，事实上是有困难的。因为装药、结线作业比较复杂，就要求作业人员必须熟练。作为参考，用带导火管的雷管进行控制爆破的爆破例示于图16。在此例中，掌子面用分为4块，各块用导火管进行起爆。在MS、DS雷管起爆段数不足的场合，一次爆破孔数不多的场合，结线不复杂的场合，可考虑采用此法。带导火管的起爆雷管连接器9ms连接器25ms起爆用雷管图16 带导火管的雷管的控制爆破结束图例（2）减小一次爆破进尺的方法此方法应用在通常的进尺爆破中，即使采取多段段发爆破，还不能把振动值控制在容许值的场合。减小进尺

32、长度可以减少1孔的装药量，同时采用多段段发爆破，就能够减少一段的装药量。但是，进尺过短，不能确保充分的堵塞，破碎效果会显著降低，因此进尺不能极端过短。要要根据炸药种类、岩质、爆破技术等决定，经验上，一次爆破最小进尺长度不能小于50cm。日本在隧道爆破施工上，对一次爆破进尺，多控制在2m左右。（3）变更炸药品种一般说，短时间急剧的压力上升的炸药，发生的振动越大。炸药的种类主要有：硝胺炸药、含水炸药、控制爆破用炸药、混凝土破碎器等，其爆破速度按此顺序递减。表8列出各种炸药的爆速（燃速）。表8 各种炸药的爆速（燃速）种类爆速（燃速）（m/sec）2号硝胺炸药6300含水炸药45006000ANFO约

33、3000控制爆破用炸药15002000混凝土破碎器4060采用爆速（燃速）低的控制爆破用炸药约减轻振动到硝胺炸药的60。此外，混凝土破碎器可减轻到1020。但采用控制爆破用炸药，因为破碎效果低，要同时减小爆破孔的间隔，增加了爆破孔的数量。因此，这种方法采用的实绩不多。（4）变更掏槽方法在隧道爆破中，爆破振动最大的是掏槽爆破，所以，变更掏槽爆破的模式，减少一段的装药量，来减少爆破振动的影响。如：1）双V形掏槽根据围岩条件决定的掏槽爆破间，设钻孔长度短的辅助的掏槽炮眼，形成双V形掏槽模式，先行起爆短的V形炮眼，形成自由面，而后起爆长V形炮眼，就可以减轻掏槽爆破全体的振动。根据到目前为止的工程实绩，

34、设辅助掏槽的场合，看减少爆破振动约30，如果同时采用MS雷管，可减小50。2）平行掏槽爆破为了提高长孔爆破的效果，一般都采用平行掏槽爆破。此方式是在中央设大直径的空孔，空孔作为自由面，而且距空孔（自由面）的距离短（最小抵抗线短），会提高破碎效果。是减轻振动的有效方法。可减小振动约4050。（5）与机械工法并用从经济性、有效性方面看，即使爆破开挖有利的场合，由于爆破振动、噪声等制约条件严格，即使采用控制爆破的方法，也有不能满足把爆破振动控制在限制值以下的情况。在这种场合，比采用全面的机械开挖方法更为经济、有效的方法就是机械开挖与爆破开挖并用的方法。具体地说，有2种方法。一种是用TBM等机械或割岩

35、工法进行掏槽，形成自由面，依次向外周爆破开挖的方法或者用槽式钻机在开挖周边钻设沟槽，形成自由面而后依次爆破的方法。日本在某一隧道中采用图17所示的，在最外周，钻设沟槽，形成自由面，隧道内部采用IC雷管进行爆破。大大降低了爆破振动的影响。图17 外周钻设沟槽的IC雷管爆破例对开挖技术的基本要求采用少扰动围岩的开挖方法 基本措施- 采用机械开挖方法，如TBM、割岩工法等 采用机械和爆破并用的开挖方法 采用少分部、大断面的开挖方法，如全断面法、台阶法等示例二：TBM与爆破并用的开挖方法在大断面隧道施工中，先用小直径TBM掘进导坑，再用爆破扩挖成型的开挖方法，采用的越来越多。图18是日本东名高速公路隧

36、道采用的一例。图18 TBM导坑掘进，爆破扩挖成型的事例 22先挖后支的场合 适用条件在一般地质、地形条件下，基本上都采取“先挖后支”或“边挖边支”的施工方法，例如铁路隧道的、级围岩。这是应力释放与控制相结合的方法，即边开挖、边控制，最终形成稳定的隧道结构。实质上这是在开挖后以控制掌子面后方的变形为主要目的的一种施工方法，即先释放、后控制的方法。 关键技术加强初期支护控制围岩的松弛、坍塌，确保开挖工作面稳定。目的提高或维持围岩固有的自支护能力。基本措施基本上采用全断面法或超短台阶的全断面法，其次是台阶法； 提高初期支护的支护效果，控制隧道变形的发展和收敛； 严格控制各开挖工作面的步距，尽快闭合

37、； 提高单项作业的机械化程度，缩短各单项作业的时间，增加循环次数，达到快速施工的目的。示例一：用高强度喷混凝土代替钢支撑的试验施工 日本北陆新干线的峰山隧道在隧道开挖支护的施工循环中，钢支撑的架设所占用的时间比例是比较大的。因此，为了实现隧道的高速施工，日本有关人员提出取消钢支撑的建议，并在北陆新干线的峰山隧道（L7090m）进行了用高强度喷混凝土、取消钢支撑的支护体系的开发和试验，获得初步成果。峰山隧道的地质条件：泥岩、砂质泥岩、砾岩等。围岩抗压强度平均在10MPa左右，属于易变形的软弱围岩。相当于我们的级围岩。取消钢支撑后的支护体系，示于图19。采用了初期高强喷混凝土（10min的强度为3

38、N/mm2）和锚杆的支护体系，取消了钢支撑，以缩短开挖循环的作业时间和提高施工的安全性。采用的喷混凝土的技术特征如下：超低龄强度，10min达3N/mm2以上，使围岩早期稳定和进行大断面开挖；和易性及粘性好，回弹和粉尘少；获得的混凝土耐久性高；可采用既有的施工系统。 图19 支护模式图1预备试验为了开发，在主洞使用前进行了预备试验。照片1是预备试验的概貌。图20是预备试验的内容。 照片1喷射作业概貌 【室内试验】 评价项目砂浆的基本配比研究 强度发现性 作业性【模拟隧道的试验】喷射机的选择 压送性、施工性不同配比的比较 喷射性状 回弹率 强度发现性【横洞试验施工】混合材、速凝剂的添加量的研究

39、压送性、施工性围岩和支护动态的确认 粉尘浓度塌落度及塌落度损失的研究 回弹率 强度发现性 净空位移量测【最佳配比、施工机械的选定】 图20预备试验的内容及流程预备试验的结果如下。喷射机采用空气压送式有利；获得10min 3N/mm2强度的高强喷混凝土的配比：水泥380kg/m3、硅灰20kg/m3、速凝剂添加量为胶合材的9；最佳塌落度，采用空气压送式喷射机时，为2022cm。表9、10列出根据试验施工的试验配比和支护体系采用的配比。表9 强度试验结果试验施工机械强度N/mm2试件基本混凝土10min 1h 3h1d7d28d7d28d1泵送5.75.86.719.137.049.231.657

40、.92空气压送6.36.825.136.550.735.160.7泵送5.46.425.843.558.2表10 初期高强度喷混凝土的配比塌落度(cm)W/胶合材（）S/a（）单位用量（kg/m3）拌合时投 入时水（W）水泥（C）硅灰（SF）细骨料（S）石灰石微粉末（L）粗骨料（G）高强度混合材（C+SF）速凝剂添加量（C+SF）92426202245702003802010731275304436工程试验中制造高强度喷混凝土采用了分批拌合（SEC）的方法。其特征是：因为泵的压送性好，压送低塌落度的混凝土故障少，易于施工；能够降低回弹率和粉尘量；能够获得耐久性好的混凝土；同样的细骨料场合，单位

41、水量细小，混合剂使用量也比较少。 在SEC拌合中，因为要用水泥裹砂，所以要通过试验求出最佳一次水量，进行一次拌合，是非常重要的，因此，要采用表面水自动补偿装置。取消钢支撑挖循环作业时间示于图21。 图21 开挖循环时间图21中的施工条件如下。围岩强度10MPa左右，无涌水；短台阶法（台阶长度24m）；月工作日:23天；一班作业时间：540min；一次掘进长度：1.0m；喷混凝土：厚度10cm，一次喷射；锚杆：上半断面10根，下半断面4根；参考：开挖能力（SLB350S）150m3/h；出碴处理能力：180m3/h；喷射能力：13m3/h；锚杆：3min/根。 图21的每一施工循环为151分钟，

42、一天7.5个循环，月进尺约246m。3.隧道的施工概况1）开挖顺序此次是按平行作业进行机械编组和开挖的。即：分开左侧半断面和右侧半断面，一侧用单臂掘进机开挖，另一侧用装碴机连续出碴（图22）。图22开挖顺序图2）机械编组采用的机械编组示于图23。主要机械有：开挖用的单臂掘进机（照片2）；连续出碴的装碴机；喷混凝土一体型喷射机；锚杆采用二臂液压台车。模板台车、仰拱栈桥，一次浇注12m。 照片2 开挖用的单臂掘进机 图23施工机械构成3）自动开挖控制系统为了提高作业效率和缩短作业时间，在单臂掘进机上搭载了近几年开发的自动开挖控制系统。此控制系统是按开挖的三维坐标进行管理的。不受技术熟练程度的影响。

43、可按设定的断面进行高精度的机械开挖。系统的特征如下。可自动测量，实现降低超挖和高精度开挖；确认开挖断面的测量，极为简便；由于缩短测量时间，可缩短循环时间；不需要在掌子面附近进行测量，提高了安全性。通过上述的研究和开发，随着技术的成熟，隧道曾取得最高月进304m的记录。4.比较试验为了研究新的支护模式的性能，在峰山隧道西工区地质条件比较匀质的新第三纪的泥岩，一部分凝灰岩和砾岩区间（长度约121m），进行了改变支护模式和掘进速度的试验。比较试验的组合列于表11。高速掘进A模式是按取消钢支撑的支护模式，掘进速度为250m（10.9m/日）设定的。通常掘进A模式也是按取消钢支撑支护模式，但掘进速度为1

44、00m/月（4.3m/日）设定的。通常掘进B模式，是按标准支护模式、月进100m设定的。表11 试验施工模式试验模式掘进速度一次循环进尺支护模式类别喷混凝土锚杆钢支撑高速掘进A250m/月1.5m新支护初期高强度喷混凝土T10cmL3.0mn14根c1.0m通常掘进A100m/月1.0m通常掘进B标准支护高品质喷混凝土T15cm同上H125ctc1.0m图24是各种支护模式的标准图。图24 各种施工模式的支护标准图在比较试验区间进行了量测和围岩调查。其中包括垂直位移和净空位移测定、地中位移测定、喷混凝土应力应变测定以及锚杆轴力和钢支撑应力测定。围岩调查都是在量测A断面进行的。包括采取试样进行室内试验、各钻孔的原