【中铁】隧道施工方案决策技术（共265）

隧道工程施工工方案决策技术中铁隧道集团团副总工程师师汪纲领●引言：基本概概念●隧道工程洞室室支护、结构构设计和工法法选择的基础础理论。●隧道施工的基基本工法与辅辅助工法。●隧道超前地质质预报技术。。●信息化施工与与动态反馈设设计。●隧道工程通过过岩溶地质地地段安全风险险控制技术。引言：基本概概念●工程地质条件件工程地质条件件就是工程活活动的地质环环境，可以理理解为工程建建筑物所在地地区地质环境境中各项因素的综综合。一般认认为它包括如如下六个方面面：○岩土类型及工工程性质(地层岩性)这是最基本的的工程地质因因素，包括它它们的成因、、时代、岩性性、产状、成成岩作用特点点、变质程度度、风化特征征、软弱夹层层和接触带以以及物理力学学性质等。○地质构造是工程地质工工作研究的基基本对象，包包括褶皱、断断层、节理构构造的分布和和特征。地质质构造，特别别是形成时代代新、规模大大的优势断裂裂，对工程建设具有控制作用用，对建筑物物的安全稳定定、沉降变形形等具有重要要意义。○水文地质条件件这是重要的工工程地质因素素，地下水是是降低岩土体体稳定性的重重要因素，在在某些情况下下对建筑物的的某些部位(如基础)发生侵蚀作用用，影响建筑筑物的安全。。研究内容包括地下水的的成因、埋藏藏、分布、动动态和水质等等。○地表地质作用用与工程建设选址址区域的地形、气候、、岩性、构造造、地下水和和地表水作用用密切相关，，主要包括滑滑坡、崩塌、、岩溶、泥石石流、风沙移移动、河流冲冲刷与沉积等等，对建筑物物稳定性评价意义重大。○地形地貌地形是指地表表高低起伏状状况、山坡陡陡缓程度、沟谷宽窄及形形态特征等，，地貌则说明明地形形成的的原因、过程程和时代。不同的地形地貌代表不同的地地质特征，这些因素都直直接影响到建建筑选址和线位的选择。○天然建筑材料料工程中常用的的天然建筑材材料主要有：：粘性土料、、砂性土、砂砂卵砾石料、、碎石、块石石石料等等，在大型土木木及水利工程程中，天然建建筑材料的开开采运输条件件与质和量的条件等直接关系到到场址选择、、工程造价、、工期长短等等，因此，也也是工程地质质条件评价的的重要内容，，有时甚至可可以成为选择择工程建筑物物类型的决定定性因素。●工程地质问题题工程地质问题题是指已有的的工程地质条条件在工程建设和运行期间会会产生一些新新的变化和发发展（再平衡过程程），导致影响建建筑物安全的地质问问题，是特指与人类工程活活动有关的地地质问题。它它会影响建筑物修修建的技术可可能性、经济济合理性和安安全可靠性。。（可行性、、经济性、可可靠性）工程地质条件件复杂多变，，不同类型的的工程对工程程地质条件的的要求也不尽相同，所所以工程地质质问题是多种种多样的。就就土木工程而而言，主要的的工程地质问问题包括以下下四类：○地基稳定性问问题。是工业业与民用建筑筑工程常遇到到的主要工程程地质问题，，它包括强度度和变形两个个方面。此外外岩溶、土洞洞等不良地质质作用和现象象都会影响地地基稳定。铁铁路、公路等等工程建设则会遇到路基基的稳定性问题。。○斜坡稳定性问问题。天然斜斜坡是长期地地表地质作用用达到相对平平衡的产物，，而工程活动尤其其是道路工程程需要开挖和填筑人人工边坡，这时，斜坡稳定对防防止地质灾害害发生及保证证地基稳定十十分重要。地地层岩性、地地质构造特征征是影响其稳稳定性的物质质基础，风化化作用、地应应力、地震、、地表水、地地下水等对斜斜坡软弱结构构面的作用往往会破环斜坡稳定定，地形地貌貌和气候条件件是影响其稳稳定的重要因因素。○洞室围岩稳定定性问题。在在隧道开挖和和建设过程中中破坏了地下下岩体原始平平衡条件，就会出现一系列列不稳定现象象，如围岩塌方、突泥突水、涌水等等。一般在工程程建设规划和和选址时都要要进行线位地质稳定性评价，，这是防止决策失误和工程事故，保保证洞室围岩岩稳定所必需需要做的工作。○区域稳定性问问题。在特定定地质条件中中产生的、并并影响到广大大区域的工程程地质问题。。包括活地层层、地震、水水库诱发地震震、地震砂土土液化和地面面沉降等对工工程稳定性的的影响。对于于大型水利水电工程、地地下工程以及及建筑群密布布的城市地区区，区域稳定定性问题应该该是需要首先先论证的问题题。●水文地质条件件水文地质指自自然界中地下下水的各种变变化和运动的的现象。水文地质学是是研究地下水水的科学。它它主要是研究究地下水的分分布和形成规规律，地下水水的物理性质质和化学成分分，地下水资资源及其合理理利用，地下下水对工程建建设和矿山开开采的不利影影响及其防治治等。从工程施工的的角度看，水水的存在是一一个极为不利利的因素，在在不同的地质质条件下对工工程的作用与与影响，会形形成不同的施施工技术问题题和施工安全全问题。●地质条件评价价○复杂地质条件：①地质灾害发育育强烈；②地形与地貌类类型复杂；③地质构造复杂杂、岩性岩相变化化大、岩土体工程地地质性质不良良；④工程地质、水水文地质条件件不良；⑤破坏地质环境境的人类工程活动强烈烈。○中等地质条件：①地质灾害发育育中等；②地形较简单、地貌类型单一一；③地质构造较复复杂、岩性岩相不稳稳定、岩土体工程地地质性质较差差；④工程地质、水水文地质条件件较差；⑤破坏地质环境境的人类工程程活动较强烈烈。○简单地质条件：①地质灾害一般般不发育；②地形简单、地貌类型单一一；③地质构造简单单、岩性单一、岩土体工程地地质性质良好好；④工程地质与水文地质条件件良好；⑤破坏地质环境境的人类工程程活动一般不大。评价原则：以上每类五项条件中，只要有一条符合复复杂条件者，即划为复杂地质条件类型。●隧道工程：地地质难题与方方法体系随着交通运输输、水利水电电、城市地铁铁和地下空间间开发利用，，隧道施工技技术也取得了了长足的进步步，隧道工程程的规模和数数量都有了较较大增长。目目前，中国是是世界上隧道道最多的国家家，是地质最最复杂的国家家，也是今后后隧道发展最最快的国家。。随着隧道应用用领域的不断断拓展，也带带来了新的地地质难题:①超浅埋隧道的的结构稳定与与地面限沉问问题；②极深埋隧道道的岩爆和高高应力下隧道道结构大变形形问题；③隧道穿过特特殊地质地段段（如岩溶洞穴、、岩爆、瓦斯斯、膨胀性围围岩、冻结层层、第四季沉沉积砂土等地地段）时也往往会遇遇到许多复杂杂的工程地质质问题，给工工程带来很大大的困难。○就隧道工程而而言，若对地质条条件有足够深深度的了解，，对可能发生生的地质灾害害能够适时预预报，通过动动态设计与合合理的施工技技术措施，对对隧道施工安安全风险是可可以进行有效效控制的。○就地质工程而而言，对于地质条条件的预测及及地质灾害的的预报问题一一直困扰着工工程建设者，，往往成为大大型工程项目目的重难点问问题。地质灾害常常常导致隧道建建设严重受挫挫。即使工程程规模较小，，若地质条件件差，施工技技术措施不当当，也会变成成相当困难的的工程。地质条件具有有复杂性、特特殊性和不确确定性，由于于勘察手段的的局限性，使使得勘察成果果往往不能满满足施工方案案对地质条件件的需求。为为了避免在工工程施工过程程中由于地质质条件突变而而形成地质灾灾害，将超前前地质预报工工作纳入工序序进行管理十十分必要。○就施工技术措措施而言，技术方案、、工序管理与与工艺控制是是技术管理的的三大基本问问题。技术方方案不合理，，工艺控制不不到位，工序序管理不正确确往往直接导导致重大安全全风险甚至造造成项目失败败。大量失败案例例分析证实，，现场管理者者观念陈旧、、理念错误固固然是主要原原因，但在方方案实施中对对关键工序、、工艺某些重重要环节与细细节的控制失失误往往是重重要因素。从理念到实践践，从超前地地质预报到方方案设计，从从工艺控制到到工序管理，，从监控量测测到动态反馈馈设计与信息息化施工等，，这些都是比比较成熟的隧隧道工程施工工安全风险控控制技术，这些理论与与方法，共同同构成了隧道施工技术术的一个方法法体系。接下我想就就以上问题与与各位同行进进行探讨，不不当之处请批批评指正。第一部分隧隧道工程洞室室支护、结构构设计和工法法选择的基础础理论第一章围围岩压力力（岩压）一、围岩压力力的定义与内内涵周围岩体作用用于隧道或地地下洞室衬砌砌或支护上的的荷载，也称称地层压力。。围岩压力是开开挖隧道后围岩变形和应应力重新分布布的一种物理现现象。围岩压力是一一个可测量、、可感知的量量，人们可以以从开挖洞室室后围岩变形形和坍塌，衬衬砌或支护产产生变形和开开裂等现象，，逐步认识到到围岩压力的的存在。影响围岩压力力的因素:洞室形状或大大小、地质构构造、支护型型式和刚度、、洞室埋深，，以及时间因因素和施工方方法等。一次应力(初始应力)状态:洞室开挖前，，岩体处在相相对静止状态态，其中任何何一点的岩土土都受到周围围地层的挤压压而处于应力力平衡状态。。二次应力状态态:洞室开挖以后后，解除了部部分围岩的约约束，原始的的应力平衡和和稳定状态被被破坏，围岩岩中出现了应应力的重分布布，围岩向洞洞室内部空间间变形，并力力图达到新的的平衡。二、隧道开挖挖后围岩应力力状态的三个个区域1、应力降低区区在软弱围岩中中，岩体的强强度很小，不不能承受开挖挖后急剧增大大的洞室周边边应力而产生生塑性变形，，沿坑道周边边围岩应力松松弛而形成一一个应力降低低了的区域，，高应力向围围岩深部转移移。扰动了的的岩体向坑道道内变形，如如果变形超过过一定数值就就会出现围岩岩失稳和坍塌塌。在坚硬的完整整围岩中，由由于岩体强度度大，坑道周周边不会现开开裂和坍塌，，故无应力降降低区，这种种洞室往往是是自稳的。2、应力升高区区围岩深部应力力升高的区域域，但其强度度尚未被破坏坏，相当于一一个承载环。。坑道上方形形成承载拱，，承受上覆地地层的自重，，并将荷载向向两侧地层传传递。此即围岩的成拱作作用。3、初始应力区区远离坑道周边边的区域，由由于岩体受洞洞室开挖的影影响较小，应应力状态没有有发生变化，，仍处于初始始应力状态，，也称为一次次应力状态。。三、围岩压力力的分类1、松动压力松动或塌落的的岩体以重力力形式直接作作用在支护上上的压力。岩岩体可以由于于节理裂隙或或岩石强度破破坏而引起松松动，直至坑坑道的顶部和和侧部产生坍坍落。2、形变压力是指围岩变形形受到支护约约束而产生的的压力。形变压力除与与围岩应力有有关外，还与支护时间及及其刚度有关关。柔性支护可可产生一定位位移而使形变变压力减小，，这是一个值得得推崇的设计计方向。但初期支护护必须足够强强，否则须及及时施做衬砌砌，以避免围围岩位移过大大而形成松动压力，不利于结构构受力和稳定定。松动压力和形形变压力经常常同时存在。。但以地质条条件、支护类类型和施工方方法等不同而而以某一种形形式为主。在松散地层中中，若采用现现浇混凝土衬衬砌而回填不不密实时，通通常以松动压压力为主；若若及时施作柔柔性的喷锚支支护，则就会会以形变压力力为主。形变变压力常随时时间推移而逐逐渐加大，最最终才趋于平平衡而稳定。。●膨胀压力：：形变压力的的一种。在膨膨胀地层中，，由水和化学学作用引起岩岩土体积膨胀胀产生的压力力。●岩爆冲击力力：属松动压压力范畴。在在脆性岩层中中，因洞室开开挖使围岩压压力突然释放放，从而引起起岩爆。四、围岩压力力的现行理论论1、岩土柱理论论坑道开挖以后后，由于支护护或拱圈向坑坑道内部位移移，引起其顶顶部上覆岩土土柱的下沉，，两侧地层对对柱体产生与与下沉反向的的摩擦力，故故上覆岩层重量量减去岩土柱柱两侧的摩擦擦力即为围岩压力。●铁路行业的的方法：拱顶土柱的下下沉，将带动动两侧三棱体体下滑，由三三角楔体的平平衡条件求出出与土柱间的的摩阻力，土柱重量减去去此摩阻力即为土体竖直直压力。该理理论多用于浅浅埋隧道，但但也可推广用用于深埋隧道道。当隧道埋埋置极浅或遇遇软土层时，，土柱两边的的摩阻力接近近于零，故围围岩压力直接接为土柱全重重。2、压力拱理论论对埋置较深的的隧道，顶部部岩体失去稳稳定，产生坍坍塌而形成不延向地表的局部破裂区区。该区内的的岩体自重即即洞室支护上上的荷载。破破裂区上部边边界线有抛物物线、椭圆、、半圆和三角角形等不同假假定，如科默雷尔岩体体破碎理论等。50年代初期，曾曾广泛采用普普氏地压理论论，假定岩体体为松散体，，其压力拱承承受上覆土柱柱的全部均布布重量，根据据散粒材料不不能承受拉应应力，即弯矩矩为零的条件件，得到拱形形为抛物线，，其矢高：h＝b/f(b为压力拱跨度度之半，f为岩层坚固系系数)。塌落拱岩体体重量即为竖竖直地层压力力。3、弹塑性理论论利用弹塑性理理论可求出沿沿洞室周边地地层内产生塑塑性区的范围围。设置衬砌砌后，利用地地下结构与地地层的位移协协调条件，可可求得塑性区区半径和围岩岩压力值。4、极限平衡理理论岩体内有各种种各样的结构构面。开挖坑坑道后，洞周周的围岩出现现与整个岩体体相脱离的岩岩块。它的自自重对衬砌产产生压力。故故用地质分析析法时，需先先查明断层、、节理和软弱弱夹层的分布布情况及其组组合。当分离离体由数组平平行节理面组组成时，可用用裂隙岩石的的极限平衡理理论计算；当当节理呈随机机分布时，可可用块体力学学理论计算。。5、数值解法除简单边界条条件的圆形洞洞室有较严格格的解析解以以外，对其他他断面形状的的洞室可采用用有限元法或或其他数值方方法计算弹性性、弹塑性或或粘弹与粘（（弹）塑性的的围岩压力值值。如已给出垂直直压力，则侧侧向压力可视视具体情况采采用主动、静静止和被动抗抗力等理论进进行计算。如如底部地层较较差而承载力力不好，处于于极限状态，，产生塑流，，岩土将向洞洞室底部隆起起；或遇膨胀胀地层时，均均需要考虑底底部围岩的隆隆起压力。五、理论局限限与解决方法法●由于地层初初始压力和岩岩土参数不易易准确测定，，上述各种地地压理论，实实际应用时会会受到一定限限制，因此，，目前还较多多地采用工程类比法。。●长期以来，，人们都想通通过量测作用用在隧道上的的围岩压力及及围岩和衬砌砌的变形，得得出可靠的围围岩压力分布布规律和数据据。如以洞径径位移量测为为主的收敛——约束法，强调调在施工期间间进行量测，，并反馈信息息指导设计，，称为现场监控法。。●依靠实测来求求得围岩压力力值是当前的的发展方向。。围岩性质千变变万化，支护护形式多种多多样，施工方方法各不相同同，故应综合合经经验验、、理理论论和和实实测测的的成成果果，针针对对不不同同情情况况，，采采用用不不同同的的理理论论和和方方法法。。第二二章章岩岩体体力力学学理理论论1、关关于于岩岩体体力力学学岩体体力力学学是是力力学学的的一一个个分分支支学学科科，，它它是是研研究究岩岩体体在在各各种种力力场场作作用用下下变变形形与与破破坏坏规规律律的的理理论论及及其其实实际际应应用用的的科科学学，，属属于于应用用型型基基础础学学科科。。是力力学学、、地地质质学学与与工工程程学学之之间间的的一一门门边边缘缘学学科科。。岩体体力力学学主主要要研研究究经经过过变变形形和和破破坏坏的的岩体体在在地地应应力力条条件件改改变变时时产生生再变变形形和和再再破破坏坏的力力学学规规律律的的学学科科。。其其研研究究目目的的是是运运用用岩岩体体的的力力学学规规律律合合理理地地利利用用岩岩体体，，预预测测、、预预报报岩岩体体工工程程中中出出现现或或可可能能出出现现的的灾灾害害，，并并拟拟定定防防治治措措施施。。2、岩岩体体力力学学研研究究的的基基本本问问题题岩体体结结构构，，特特别别是是结结构构面面的的地地质质规规律律；；岩岩体体中中应应力力，，包包括括地地应应力力及及工工程程建建设设引引起起的的二次次应应力力；岩岩体体变变形形规规律律；；岩岩体体破破坏坏机机制制及及强强度度理理论论；；岩岩体体水水力力学学理理论论。。3、岩岩体体力力学学研研究究的的主主要要工工程程问问题题岩体体上上各各种种工工程程地地基基的的变变形形、、破破坏坏；；岩岩体体边边坡坡的的变变形形、、破破坏坏；；地地下下工工程程的的围围岩岩变变形形、、破破坏坏、、开开挖挖和和支支护护；；岩岩体体改改造造方方案案及及技技术术。。第三三章章新新奥奥法法原原理理新奥奥法法属属于于应用用岩岩体体力力学学的的理理论论，通通过过对对隧隧道道围围岩岩变变形形的的量量测测、、监监控控，，采采用用新新型型的的支支护护结结构构，，尽尽量量利利用用围围岩岩自自承承能能力力指指导导隧隧道道设设计计和和施施工工的的方方法法。。●新新奥奥法法的的三三大大要要素素：：喷混混凝凝土土、、锚锚杆杆与与量量测测。。在开开挖挖面面附附近近适时时施作作密密贴贴于于围围岩岩的的薄薄层层柔柔性性喷喷锚锚支支护护，，以以便便控控制制围围岩岩的的变变形形和和应应力力释释放放，，从从而而在在支护护和和围围岩岩的的共共同同变变形形过程程中中，，调调整整围围岩岩应应力力重重分分布布而而达达到到新新的的平平衡衡，，以以求求最最大大限限度度地地保保持持围围岩岩的的固固有有强强度度和和利利用用其其自自承承能能力力。。新奥奥法法是是一一个个具具体体应应用用岩岩体体动动态态性性质质的的完完整整力力学学方方法法，，其目目的的在在于于促促使使围围岩岩能能够够形形成成环环状状承承载载结结构构，，故故一一般般应应及时时修修筑筑仰仰拱拱，，使使断断面面闭闭合合成成环环。它适适用用于于各各种种不不同同的的地地质质条条件件，，在在软软弱弱围围岩岩中中更更为为有有效效。。一、、支支护护机机理理着眼眼于于洞洞室室开开挖挖后后形形成成塑塑性性区区的的二二次次应应力力重重分分布布，，而而不不拘拘泥泥于于传传统统的的荷荷载载观观念念；；它它主主要要不不是是建建立立在在对对于于坍坍落落拱拱的的“支撑撑概概念念”上，，而而是是建建立立在在对对围围岩岩的的“加固固概概念念”上。。在合合理理的的临临界界限限度度内内，，它它所所需需要要的的表表面面支支护护抗抗力力Pi是与与围围岩岩塑塑性性区区半半径径R、洞洞室室周周边边位位移移ur、以以及及围围岩岩的的内内聚聚力力с、内内摩摩擦擦角角φ等参参数数成成反反比比，，而而支支护护能能提提供供的的抗力力则则与与其其刚刚度度成成正正比比。。图1：隧隧道道围围岩岩应应力力再再分分布布和和支支护护抗抗力力之之间间的的关关系系示意意图围岩岩特特征征曲曲线线1————若不不允允许许围围岩岩壁壁面面位位移移发发展展，，洞洞壁壁径径向向压压应应力力非非常常大大；；而而若若允允许许位位移移发发展展，，则则径径向向压压应应力力减减小小，，当当位位移移达达到到某某一一数数值值时时，，围围岩岩径径向向压压应应力力，，也也就就是是支支护护抗抗力力，，为为最最小小(Pi)。如如果果接接近近开开挖挖面面修修筑筑支支护护，，则则位位移移ur较小小。。支护护特特性性曲曲线线2————随着着ur的增增加加，，Pi也增增加加，，并并在在与与曲曲线线1的交交点点处处取取得得应应力力稳稳定定，，此此时时的的径径向向压压应应力力为为P（Ⅰ，1）。。如如果果修修筑筑刚刚性性更更大大的的支支护护，，如如曲曲线线3所示示，，径径向向压压应应力力增增大大如如图图中中的的P(ⅡⅡ，2)。新奥奥法法就就是是根根据据上上述述理理由由，，接接近近开开挖挖面面适时时施作作密密贴贴围围岩岩的的薄薄层层柔柔性性支支护护的的。。如如果果施施作作支支护护时时间间过过迟迟，，则则使使围围岩岩位位移移过过大大而而产产生生塌塌落落荷荷载载。。如如图图中中阴阴影影部部分分，，也也使使径径向向压压应应力力P(ⅢⅢ，3)增大大，，如如曲曲线线4所示示。。曲线线5表示示，，由由于于围围岩岩应应力力重重分分布布和和衬衬砌砌之之间间相相互互作作用用而而存存在在的的四四个个显显著著的的特特征征阶阶段段。。第Ⅰ阶段段：：围岩岩不不受受支支护护的的约约束束而而能能够够向向洞洞室室内内自自由由位位移移的的时时期期。。第Ⅱ阶段段：：施作作一一次次支支护护，，由由于于支支护护抗抗力力而而使使变变形形速速度度减减小小，，并并且且这这个个抗抗力力还还和和支支护护的的刚刚度度有有关关。。第Ⅲ阶段段：：由于于施施作作了了仰仰拱拱，，支支护护刚刚度度变变大大而而使使变变形形速速度度越越来来越越小小。。第Ⅳ阶段段：：当仰仰拱拱完完全全受受力力时时，，变变形形基基本本停停止止。。二、、新新奥奥法法的的基基本本要要点点1、最最大大限限度度地地发发挥挥围围岩岩的的自自承承能能力力。。洞室室开开挖挖后后，，应应使使围围岩岩自自身身承承担担主主要要的的支支护护作作用用，，而而衬衬砌砌只只是是对对围围岩岩进进行行加加固固，，使使成成为为一一个个整整体体而而共共同同发发生生作作用用。。因因此此，，须须最最大大限限度度地地保保持持围围岩岩的的固固有有强强度度，，以以发发挥挥围围岩岩的的自自承承能能力力。。方法法：：及时时喷喷混混凝凝土土封封闭闭岩岩壁壁，，就能能有有效效地地防防止止围围岩岩松松弛弛，，而而不不使使其其强强度度大大幅幅度度降降低低，，同同时时也也不不存存在在因因顶顶替替支支撑撑而而使使围围岩岩变变形形松松弛弛。。总总之之，，使使围围岩岩经经常常处处于于三轴轴应应力力约约束束状状态态最为理想。。2、适时施做初期支支护。预计围岩有有较大变形形和松弛时时，应在恰当的时候候对开挖面施施做柔性支支护，过早或过迟迟均不利。。方法：支护护刚度不能能太大或太太小，又必必须是能与与围岩密贴贴，而要做做成薄层柔柔性，允许许有一定变变形，以使使围岩释放放应力时起起卸载作用用，尽量不不使其有弯弯矩破坏的的可能。与传统支护护结构不同同，它不是是因受弯矩而是受压剪作用破坏的的。由于混混凝土的抗抗压和抗剪剪强度比抗抗拉和抗弯弯强度大得得多，从而而具有更高高的承载能能力。一次支护的的位移收敛敛后，可在在其光滑的的表面上敷敷设高质量量的防水层层，并修筑筑为提高安安全度的二二次支护。。前后两次次支护与围围岩之间都都只有径向力力作用。3、当支护抗抗力不足时时，应优先先考虑初期期支护补强强。对于支护需需要加强的的区段，不是增大混混凝土的厚厚度，而是是增加钢筋筋网、钢支支撑和锚杆杆，使隧道全全长范围内内采用大致致相同的开开挖断面。。此外，因为为新奥法不不在坑道内内架设杆件件支撑，空空间宽敞，，从而提高高了安全性性和作业效效率。4、监控量测测是新奥法法的基础。。为正确掌握握和评价围围岩与支护护的时间特特性，可在在现场进行行量测。量量测内容为为衬砌内应力力、围岩与与衬砌间的的接触应力力以及围岩岩的变位，，据以确定围围岩的稳定定时间、变变形速度和和围岩分类类等重要参参数，以适适应地质变变化及时调调整设计参参数和变更更施工方法法。监控量测是是信息化施施工的基本本手段，量量测的重点点是围岩和和支护的力力学特征随随时间的变变化动态。。衬砌的做法法和施作时时间都是依依据围岩变变位量测结结果决定的的。5、无角隅闭闭合结构受受力条件最最好。隧道支护在在力学上可可看作厚壁壁圆筒。它它是由围岩支承环环和支护环环组成的结构构，且两者者存在共同同作用。结结构只有在在闭合后才才能在力学学上起结构构作用，所所以除坚硬硬岩层外，，敷设仰拱使使支护结构构闭合是特特别重要的的措施。围岩的动态态主要取决决于支护环环的闭合时时间。当上半断断面超前掘掘进过多时时，就相应应地推迟了了它的闭合合时间，在在隧道纵向向形成悬臂臂梁的状态态而产生大大弯曲的不不良影响。。同样道理，，为防止应力集中引引起围岩破破坏，断面应尽尽量做成无无角隅，最最好采用圆圆形断面。。6、难以把握握的时间效效应，难以以接受的严严重后果。。时间效应是是工法选择择的主要依依据，对围岩自自稳时间的的判断十分分关键，因因为支护作作业的工序序时间必须须足够。考考虑掘进循循环周期、、仰拱闭合合时间、拱拱部导坑的的长度以及及支护强度度等变化因因素，把围围岩和支护护作为一个个整体来谋谋求稳定。。从应力重分分布角度去去考虑，全全断面一次次开挖肯定定是最有利利的；分部部开挖会使使应力反复复分布而造造成围岩受受损。这些些因素都需需要去综合合平衡。7、岩层内的的渗透水压压力，必须须采取排水水措施来降降低。思想方法与与技术理念念●新奥法的的支护结构构至今仍处处于经验设设计阶段，，一般都采采取工程类类比法进行行预设计，，然后再根根据现场监监控量测进进行动态修修正，这本本质上就是是“变化与选选择”的思想方法法。●“及时支支护”与““适时支护护”是两个个完全不同同的概念，，而“适时支护”更能符合合新奥法提倡的支护护方式。很很显然，““及时”无需技术术思维，而而“适时”则需要经经验判断。。●从围岩与与支护特性性曲线可知知，围岩应应力与支护护抗力都是是一个对时间高度度敏感的函数，安安全的本质质是二者始始终处理一一种稳定平平衡状态，，平衡点的的选择具有有“过程本质质”。三、新奥法法的施工和和量测新奥法的施施工作业必必须根据事事前的调查查决定下列列四个问题题：●开挖方法法；●支护布置置及进行支支护的最适适宜时机；；●是否设置置仰拱及设设置的时间间和方法；；●是否采用用辅助施工工方法及其其种类等。。采用新奥法法施工的绝绝大多数工工程均采用用各种断面分割法法（台阶法））进行开挖挖，其次是是采用全断断面法。新新奥法要求求保证光面面爆破的质质量，避免免凹凸不平平而引起应应力集中和和减少超挖挖，从而节节约为填平平表面所需需的大量混混凝土。●新奥法的量量测十分重重要在制定现场场量测计划划时，要根根据隧道及及地下工程程的规模、、地质资料料、各量测测项目的作作用，考虑虑工点所需需解决的问问题针对性性地制定量量测计划，，选择合理理的量测项项目和方法法。同时，，还必须考考虑采用切切实可靠的的手段和仪仪器，保证证量测工作作准确安全全，并且尽尽可能不妨妨碍施工。。在应力应变变、接触应应力、位移移等三大类类量测项目目中，新奥奥法应以位移的的量测为主主。四、新奥法法的适用性性实践证明，，新奥法的的适用性很很广，我国国已在亚粘粘土和黄土土隧道施工工中取得成成功。但在在下列情况况下，一般般都应采取取适当的辅助措施才能施工：：1、涌水量大大的地层；；2、因涌水产产生流沙现现象的地层层；3、围岩破碎碎使锚杆钻钻孔和插入入都极为困困难的场合合；4、开挖面不不能自稳的的围岩。第四章隧隧道道围岩变形形与支护的的机理分析析隧道开挖前前是处于三三维应力状状态的，隧隧道开挖后后形成了新新的空间，，出现了临临空面，围围岩向洞内内移动，应应力进行重重新调整，，从而形成成了二次应力。●如果围岩的强度度高于二次次应力，则围岩是是稳定的；；●如果围岩的强度度低于二次次应力，则必须进进行支护，，以保证围围岩的稳定定。对于第二种种情况，如如果不对围围岩进行适适时支护，，围岩就会会发生破坏坏。围岩的破坏坏是从围岩岩表面开始始的，逐渐渐向深部开开展，依次次形成塑性软化区区、塑性强强化区和弹弹性区。塑性强化化区和弹性性区是围岩岩承载的主主体，塑性软化区区是我们要要支护的对对象。通过对软化化区进行支支护，一方方面可以提提高其强度度，有利于于其自身的的稳定，另另一方面软软化区围岩岩再对塑性性强化区的的围岩实施施作用，增增大了强化化区岩压，，使强化区区围岩的承承载力得到到提高。所所以通过支护护或加固固软化区区围岩，，可以提提高强化化区围岩岩的强度度，围岩的的自承能能力得以以充分发发挥，实实现深部部围岩的的稳定，，并使其其成为主主要承载载区。除了对软软化区围围岩的加加固措施施外，在在矿山法法施工隧隧道时一一般采用用光面爆爆破进行行开挖，，目的是是减轻爆爆破对围围岩的震震动，尽尽可能保保持其原原始状态态。在稳定性性差的围围岩中施施工隧道道时，常常采用预预支护方方法，使使破碎围围岩在隧隧道开挖挖前即得得到强化化。●浅部支护护、光面面爆破和和预支护护等措施都都是工程程施工中中常用的的技术手手段，其其目的都都是在施施工时尽尽可能“基本维持持围岩原原始状态态”，保持原原有强度度，从而而保证围围岩的稳稳定。第五章隧隧道围围岩的平平衡稳定定性问题题●按照控制制论理解解：一般地说说，任何何一个力力学系统统、物理理系统以以及工程程技术中中的某些些系统都都有平衡衡稳定性性问题。。●工程施工工安全的的本质内内涵：从一种稳稳定平衡衡状态（（施工前前）到另另一种稳稳定平衡衡状态（（工程竣竣工），，过程有有n个工序，，如果每每一个工工序及工工序转换换都能实实现稳定定平衡，，则整个个工程施施工过程程就会是是安全的的。●简例说明明稳定平平衡问题题：当球体处处于图2状态时，，外力使使球体偏偏离原始始位置，，但球体体无法自自行恢复复到原始始状态，，则球体体处于不不稳定平平衡状态态；当球球体处于于图3状态时，，外力使使球体偏偏离原始始位置，，而球体体能自行行恢复到到原始状状态，则则球体处处于稳定定平衡状状态。图2.不稳定平平衡图3.稳定平衡衡根据经典典力学分分析，如如果任一一时刻作作用于结结构系统统的力（（合力））都是相相互平衡衡的，稳稳定的平平衡结构构系统就就能够实实现持久久的平衡衡。如使使用中的的桥梁、、隧道结结构等；；如果结结构平衡衡系统一一旦丧失失其稳定定性，其其平衡状状态就经经不起外外力干扰扰，可能能随即发发生破坏坏。如桥桥梁、隧隧道结构构破坏；；所以不不稳定平平衡系统统是不能能长期存存在的。。●安全风风险多发发生在施施工过程程中，尤尤其在工工序转换换过程中中。在地地下工程程施工中中，不但要注注意结构构的受力力平衡，，还要注注意环境境的水土土平衡。。●对于隧隧道工程程，可应应用平衡衡概念处处理设计计问题，，如果周周围相关关环境处处于稳定定平衡状状态，则则隧道工工程建设设就较容容易；如如果周围围相关环环境处于于不稳定定平衡状状态，则则隧道工工程建设设就较难难甚至非非常难。。对于后者者，可采采用绕避不稳稳定平衡衡体或压低延延长隧道道使之处处于稳定定平衡状状态，否否则只能能采用工工程措施施使隧道道与周围围相关环环境共同同作用符符合力学学规律——即施工过过程中每步序或或使用过过程中每每时段，，隧道围岩岩和支护护系统都都必须满满足三维维力学平平衡、变变形协调调与稳定定。第六章隧隧道预预支护原原理一、理论论与理念念的统一一性各种隧道道设计理理论和工工法存在在内在联联系和统统一性，，如围岩岩与支护护系统共共同作用用理论是是许多工工法的共共同理论论基础，，根据围围岩实际际情况进进行设计计与施工工的理念念对任何何施工设设计理论论、工法法都具有有指导意意义。●以不同同设计理理论为基基础的各各种隧道道工法，，其核心心都是一一致的，，即隧道围岩岩与支护护共同作作用要达达到足够够强大，，形成稳稳定平衡衡体系，实现“基本维持持围岩原原始状态态”，从而达达到“充分发挥挥围岩的的自承能能力”的目的。。图4各种隧道道设计理理论和工工法比较较二、“围围岩—支护”体体系预支护原原理是以以现有设设计理论论为基础础并结合合各种工工法的优优点，阐阐述了隧隧道围岩极限限自承力力Pmax、支护抗抗力T和围岩原原始内力力P0三者之间间的力学学关系，，真实反反映隧道道“围岩－支支护”结构体系系在开挖挖与支护护（含预预支护））施作过过程中的的互动过过程和相相互作用用。预支护原原理解释释了各种种设计理理论及其其工法的的统一性性和适用用性问题题。建立立预支护护原理的的完整理理论体系系将有助助于解决决隧道设设计计算算方法的的合理选选用和施施工方案案的合理理制定。。1、力学模模型隧道开挖挖形成新新的临空空面，导导致洞周周围岩在在径向产产生应力力释放，，而远离离隧道地地层的应应力状态态并不发发生变化化。不失失一般性性，考虑虑均匀初初始地应应力场，，用P0表示初始始地应力力，如图图5所示。从从静力学学的原理理可知，，P0由“围岩－支支护”结构体系系的承载载力来平平衡。定义围岩预支支护力F等于“围岩－支支护”结构体系系的承载载力，即：F=T+Pmax(1)式中：F为预支护护力；T为支护抗抗力；Pmax为围岩极极限自承承能力。。●认知力力学模型型：F=T+Pmax隧道预支护力力（F）不只是支支护结构构对围岩岩的作用用力，它它是由围岩结构构的极限限自承能能力（Pmax）和支护结结构直接接对围岩岩提供的的支护抗力力（T）共同组组成的。。围岩结构构的自承承能力可可以通过过预支护护措施和和通过采采取合理理开挖措措施得到到维持。。（关键词：：共同与与相互）●当预支支护力大大于使围围岩发生生过大变变形或破破坏的力力时，隧隧道围岩岩就处于于稳定平平衡状态态，称之之为隧道的预预支护原原理。根据围岩岩稳定的的一般原原理，地地应力是是使围岩岩发生变变形和破破坏的根根本动力力，使围围岩失稳稳的“力源”，因此，，隧道预预支护原原理可进进一步表表述为：：预支护力力F要始终保保持大于于隧道施施工前保保持原始始岩体稳稳定平衡衡的原始始内力P0，使围岩处处于稳定定平衡状状态的条条件可以以表示为为：F>P0(2)●对于围围岩好的的隧道，，开挖后后围岩发发生了变变形，极极限承载载能力下下降，经经过一段段时间后后围岩内内部结构构调整完完毕，变变形收敛敛，围岩岩极限承承载能力力虽然发发生了下下降但还还是大于于P0，预支护护力也大大于P0，即F>P0，围岩处处于稳定定平衡状状态。●对于围围岩差的的隧道，，开挖后后围岩处处于加速速变形阶阶段，在在较短时时间内围围岩极限限自承能能力就急急剧下降降并小于于P0，如果来来不及施施加支护护，预支支护力等等于极限限自承能能力，预预支护力力也小于于P0，即F<P0，短时间间内围岩岩垮塌。。这种情况况下，隧道开挖挖前就要要进行超超前支护护以提高高围岩的的极限自自承能力力，开挖后围围岩虽然然没有垮垮塌但仍仍处于不不平衡稳稳定状态态，因此此初支要要及时跟跟上，提提高围岩岩的预支支护力，，使F>P0，围岩处处于稳定定平衡状状态。●更具有有广泛意意义的是是处于这这两种极极端情况况之间的的围岩，，隧道开开挖后围围岩变形形过程可可以分为为两个阶阶段，一个是形形变压力力阶段，，另一个个是松弛弛压力阶阶段。在形变压压力阶段段，围岩岩极限自自承能力力下降但但还是大大于P0，围岩发挥的的自承力随变变形增大而增增大，围岩的的自承能力得得到了发挥，，所以隧道开开挖完成初期期，要允许围围岩发生一定定的变形，应应及时采用柔柔性支护，若若采用高刚度度的支护结构构限制围岩变变形，支护结结构将承受较较大的载荷。。如果支护刚刚度过小或支支护时机过晚晚，围岩变形发展展到松弛压力力阶段时，围岩进入松弛弛状态，其极极限自承能力力迅速下降并并小于P0，预支护力也也小于P0，即F<P0，围岩垮塌。。2、初期支护合理理时机的选择择隧道开挖后允允许围岩有一一定的变形，，再进行支护护，促使围岩岩从非稳定平平衡状态向稳稳定平衡状态态转变。这样样既可以发挥挥围岩的自承承能力，减小小支护刚度，，进而降低造造价。●确定“适时支护”是难点，通通常参考围岩岩允许围岩变变形量结合现现场监控量测测结果简化处处理：可根据围岩级级别、断面大大小、埋置深深度、施工方方法和支护情情况等，采用用工程类比法法预测，当无无法预测时可可依据公路隧隧道设计规范范（JTGD70－2004）规定选用（（见表1），并根据现现场监控量测测结果进行调调整。围岩类别两车道隧道三车道隧道围岩类别两车道隧道三车道隧道I－－IV50～8080～120II－10～50V80～120100～150III20～5050～80VI现场量测确定预留变形量（（mm）表1.注：围岩破碎碎取大值，围围岩完整取小小值。3、隧道施工核核心理念正确理念是，，在施工过程程中要最大限限度地保护围围岩的自承能能力——要尽可能地防防止岩体松动动，防止产生生不利的应力力条件，尽最最大可能地保保持原始岩体体强度。●不论围岩处处于何种情况况，预支护力力（F）都要足够大大，才能使隧隧道“基本维持围岩岩原始状态”，从而达到隧隧道“充分发挥围岩岩的自承能力力”的目的，这就就是隧道预支支护原理的核核心。也是确确保隧道施工工安全的核心心理念！4、理论应用●自承能力好好的完整围岩岩建议：隧道开挖应允允许围岩有一一定的变形，，这样有利于于围岩自承力力的发挥，从从而可以提供供较小的支护护力，达到节节约建设成本本的目的。方法：开挖采取全断断面光面爆破破，形成洞室室后视情况或或毛洞或只作作少量初喷砼砼，充分利用用围岩的自承承能力来维持持洞室的稳定定。●有一定自承承能力的围岩岩初期围岩的自自承能力大于于原始内力P0，隧道开挖后后围岩不会立立即松弛垮塌塌，岩压还处于形形变压力阶段段，属于非稳定定平衡状态。。随着变形不不断增大，围围岩内部结构构和应力状态态在不断的调调整，围岩的的自承能力呈呈下降趋势而而承载力不断断增加，围岩岩的自承能力力得到发挥。。建议：关键是“适时支护”，过早支护护不能充分发发挥围岩的自自承能力，同同时需要的支支护抗力也比比较大；支护护过迟，岩压压由形变压力力转换为松弛弛压力，围岩岩发生松弛，，很容易引起起隧道坍塌。。方法：根据量测数据据确定支护参参数，选择支支护时机。●自承能力差差的破碎围岩岩或软弱围岩岩这种围岩的自自承能力相对对较小，在洞洞室开挖后会会迅速下降。。围岩形变压力力迅速转化为为松弛压力，，很快进入松松弛状态，即很快从非非稳定平衡状状态向失稳状状态转化。建议：采取预支护或或超前支护，，从而提高围围岩的自承能能力。这样虽虽然隧道开挖挖后围岩仍处处于非稳定平平衡状态，但但其自承能力力有了较大提提高，不会瞬瞬时垮塌，为为进行初期支支护赢得了时时间。方法：即使采取了预预支护措施，，隧道开挖后后围岩仍然处处于非稳定平平衡状态，对对初支顺序非非常敏感，因因此，应采用刚性支支护，合理选选择支护顺序序，加强工序序管理。●破碎围岩或或软弱围岩，，应关注如下下理念：①设计遵循“初次支护要强强，承受部分分水压和全部部土荷载，浅浅埋和海底隧隧道则承受全全部水荷载和和土荷载，二二次衬砌作为为安全储备”。②当隧道开挖挖未采取预支支护措施而发发生较大松弛弛或冒落时，，说明围岩较较差，必须采用预支支护技术，才才能确保支护护结构承受的的围岩压力是是形变压力而而不是松弛压压力。③任何工序都都需要时间，，应同时考虑虑时空效应，，选择既满足足支护刚度要要求、又满足足安全需要的的辅助工法，，这些因素都都会影响围岩岩的变形，影影响围岩压力力的发展与分分布。三、特殊环境境隧道开挖问问题特别说明：预支护原理是是针对一般性性隧道工程问问题为基础提提出的，用于解释新奥法设计理论以及工法选择的统一性和适适用性问题。。对于特殊地质环境的隧道工程问题题，预支护原原理的应用需要适当当扩展。1、超深埋隧道道——锦屏二级水电电站引水洞由4条长约16.6km的引水隧洞，，开挖洞径12m，衬砌后洞径径11m，一般段埋深深为1500～2000m，最大埋深达达2525m。问题：即使不考虑构构造应力影响响，对于埋深深达2525m的洞身，仅上上覆岩体自重重应力就达68MPa。如果按弹性性力学理论计计算，考虑隧洞开挖引起起2倍应力集中，洞壁围岩的的最大应力就就达到136MPa。围岩以大理理岩为主，抗抗压强度仅为为80～120MPa。这样，围岩岩应力将超过过岩块的抗压压强度，而岩岩体强度还远远低于岩块的的强度。同时时，引水隧洞洞围岩中还存存在超过1000m的外水压力。。（计算方法需要要讨论）结论：深埋长长大隧洞开挖挖引起围岩较较大范围的塑塑性破坏是在在所难免的，，针对超高的地地应力场环境境，允许围岩岩产生一定范范围的塑性破破坏是必然的的选择。设计与施工控控制的基本要要求是：因势利导，控控制塑性变形形区域的扩展展不出现有害害的后果，利利用围岩塑性性变形降低围围岩应力的集集中程度，并并使应力集中中区向围岩深深部转移，有利于减小小支护结构的的受力水平。。（关键词：有限塑性破坏坏）2、Ⅵ级围岩——软塑状粘性土土及饱和粉细细砂层、软土土处理方法：当隧道工程遇遇到这种岩层层时，由于岩岩体变形比较较大，支护应应采用先柔后刚的双双层初期支护护型式。如图6所示，一层柔柔性支护使围围岩有一定的的变形，发挥挥围岩的自承承力，使塑性性区得到一定定的发展，以以完成适度的的岩体应力释释放和卸压作作用，但必须须保持岩体不不至失稳。另另一层刚性支支护，来控制制变形，以免免变形过大。。这两层支护护共同提供支支护抗力，来来保持围岩的的稳定。工序要求：一次柔性支护护（3～10m）做好后，隔隔适当距离（（5～20m）根据量测反反馈及时做好好刚性支护，，控制围岩变变形，达到基基本维持围岩岩原始状态的的目的，如图图7。（关键词：先柔后刚）图6Ⅵ级围岩衬砌情情况图7Ⅵ级围岩施工示示意图四、预支护原原理的具体应应用1、Ⅰ～Ⅲ级硬质完整围围岩问题：隧道开挖后围围岩的自承能能力大于原始始地应力，围围岩本身能够够自稳。这时时围岩的稳定定性只需要考考虑局部掉块块或岩爆，即即由于洞周临临空，暴露在临空面面上的某些结结构面强度较较低的块体，，失去了原始始的静力平衡衡状态而成为为关键块体。。措施：初期支护重点点考虑关键块块体的处理，，这时采用的的支护技术是是通过锚喷使使关键块体成成为稳定块体体。2、Ⅰ～Ⅲ级硬岩及稳定定性较好的Ⅳ级围岩问题：在此种地质条条件下开挖隧隧道，由于岩岩体被各种结结构面切割成成各种类型的的空间镶体，，结构面强度成成为围岩稳定定性的关键因因素。隧道开挖后后，由于洞周周临空，围岩岩中的某些块块体在自重作作用下向洞内内滑移。措施：初期支护以锚喷支护为为主，起到稳稳定围岩、控控制变形、防防止围岩松弛弛和坍塌及产产生“松弛压力”的作用。锚喷支护把把围岩和支护护结构组成一一个统一的结结构体系，通通过加强围岩岩而实现充分分利用围岩自自身承载能力力的目标。3、Ⅱ、Ⅲ级硬岩及较好好的Ⅳ级围岩问题：要使围岩不发发生破坏，必必须限制其变变形的发展。。这就需要在在洞壁上施加加一定的支护护抗力，使围围岩从非稳定定平衡状态向向稳定平衡状状态转变。措施：采用柔性支护护，使F>P0，既允许围岩岩有一定的变变形又给围岩岩提供了一定定的支护抗力力。柔性支护护主要通过锚锚喷支护来实实现，根据实实际情况可采采用锚喷网、锚喷喷架、锚喷架架网等多种组合形形式。图8围岩位移支护护特性曲线新奥法：通过合理的支支护方法与适适当的支护时时机，使支护护特性曲线在在接近Pmin处与围岩特性性曲线相交，，取得平衡，，以充分发挥挥围岩的自承承能力。矿山法：施工采用传统统支架法支护护，由于不能能提供连续的的支护抗力或或无法选择适适当的支护时时机，导致不不能在接近Pmin处提供适宜的的支护抗力。。由（图8）可以看出，，理想的锚喷喷支护设计就就是对应于D点的支护抗力力Pmin，这时维持围围岩的稳定抗抗力最小。通通常支护设计计应有一定的的安全储备，，支护特性曲曲线在C点处与围岩特特征曲线相交交。图9块状围岩锚喷喷支护原理示示意图（1）砂浆；（2）锚杆；（3）块体潜在坍坍塌方向；1、2、3为潜在块体坍坍落次序五、工法选择择的合理性问问题在隧道施工中中，每一种工工法都不是万万能的，都有有其各自的适适用条件，必必须根据围岩岩类别及环境境条件选用不不同的工法。。即使是同一一级围岩，由由于所处地质质环境不同，，岩体完整程程度也不会完完全相同，选选用工法也有有差别。无论论选用何种工工法，目标只只有一个，就就是要用最经经济的手段维维持隧道围岩岩的稳定，确确保施工安全全。●工法法选择择的基基本原原则：：预支护护原理理的正正确运运用，，充分分发挥挥围岩岩的自自承能能力和和基本本维持持围岩岩的原原始状状态，，预防防和控控制特特殊地地质隧隧道因因局部失失稳引引发整整体失失稳，，使隧隧道开开挖扰扰动最最小。。1、核心心理念念与系系统概概念核心理理念：：不论哪哪种情情况，，预支支护力力都要要足够够大，，才能能“基本维维持围围岩原原始状状态”。使使围岩岩与支支护系系统共共同作作用形形成三三维应应力平平衡状状态，，从而而达到到“充分发发挥围围岩自自承能能力”的目目的。。●完整整围岩岩：围围岩的的承载载能力力可以以保持持洞室室的稳稳定。。对于这这类围围岩，，要允允许围围岩发发生一一定的的变形形，可可不进进行支支护或或仅提提供弱弱支护护即可可。●一般般围岩岩：采采取适时支护措措施。。因为开开挖后后围岩岩不会会立即即松弛弛垮塌塌，岩岩压还还处于于形变变压力力阶段段，允允许围围岩发发生一一定的的变形形是必必要的的。但但应控控制变变形过过大，，防止止岩压压转化化为松松弛压压力，