大跨分叉式公路隧道与轻轨隧道上下近接施工技术研究

PAGE大跨分叉式公路隧道与轻轨隧道上下近接施工技术研究课题名称：大跨分叉式公路隧道与轻轨隧道上下近接施工技术研究课题承担单位（盖章）：中国建筑第七工程局有限公司课题起止时间：2011年01月至2012年12月课题验收时间：2013年01月目录1绪论 11.1选题背景 11.2国内外研究现状 11.3依托工程特点和难点分析 61.3.1工程概况 61.3.2工程特点与难点 71.4本研究的方法及主要内容 91.4.1研究方法 91.4.2主要内容 102公路隧道围岩稳定性控制技术 112.1综述 112.2隧道施工方案的确定 112.3公路软弱围岩浅埋段隧道施工技术和方法 122.3.1首先需要对高速公路隧道的洞口进行加固 122.3.2采用工字钢拱架加固隧道表面 132.3.3地表注浆加固地面 132.3.4采用洞身开挖的方法进行加固 142.4研究结论 153隧道地表沉降控制技术 163.1概述 163.2原因分析 163.2.1地面沉降发生的机理分析 163.2.2地面沉降发生的原因分析 163.2.3沉降控制技术的机理 183.3控制沉降措施 183.3.1新奥法开挖时控制措施 193.3.2盾构法开挖时控制措施 203.4应急处理措施 233.4.1人员配置及组织管理 233.4.2应急处置所需设备、物料的储备与管理 233.4.3沉降事故应急响应程序的制定 243.5研究结论 244软弱破碎围岩支护技术 254.1概述 254.2隧道围岩变形影响因素 254.2.1工程地质因素 254.2.2设计及施工因素 254.3隧道围岩变形支护原理 294.4围岩变形支护技术措施 294.5研究结论 315结论 335.1隧道地表沉降控制技术 335.2公路隧道围岩稳定性控制技术 335.3软弱破碎围岩支护技术 34PAGE341绪论1.1选题背景首先，连拱+小净距+分离式的分叉式公路隧道，是为降低工程造价而发展形成的一种新型隧道结构，因此在地形复杂的山区修建分叉式隧道结构已经在所难免。但其受力特点、围岩稳定性分析、设计施工方法等在国内外尚处于经验积累阶段，无相应的设计和施工技术规范可循。其次，近年来随着基础设施建设的发展，大量地出现了两个及以上相邻隧道同期施工，新建隧道邻近既有隧道施工等地下工程近接施工问题，且规模越来越大，距离越来越近。打雷嘴隧道工程是中建系统承建的首个大跨分叉式公路隧道与轻轨隧道近接共建的隧道群，轻轨隧道位于公路隧道下方，并逐渐向左偏离公路隧道。因此对其设计施工进行详细研究总结，能填补中建系统内的多项技术空白，适应国内隧道建设对结构型式和施工难点的新要求。1.2国内外研究现状近年来随着基础设施（铁路、公路等）建设的发展，大量地出现了两个及以上相邻隧道同期施工，新建隧道邻近既有隧道施工等工程现象，且规模越来越大，距离越来越近。同时，城市地下铁道等地下工程的大量修建也越来越多地遇到了这类问题，即地下工程近接重叠施工问题。一些学者和工程技术人员对近接重叠隧道施工进行了一定的研究和探讨，但对此尚没有明确归属的独立研究学科，多将之归于地下工程施工力学的研究范畴。在国外，尤其是美国己经形成针对此类问题的规范化的指南《隧道衬砌设计指南》。孙钧、刘洪洲（2002）对上海市明珠线二期隧道区间盾构隧道上、下近距离交叠隧道进行了施工引起地面沉降的三维数值模拟研究，其基于“先下后上”的盾构推进过程，采用弹塑性分析成功模拟了交叠隧道地层位移及地表沉降曲线在盾构推进期间的变化关系，得出了地面最大沉降量在上下隧道开始推进后出现大幅度增长，以及要将地面沉降控制在允许范围内就必须在施工中进行预注浆加固并重点控制盾构推进前期地层沉降量的结论。张玉军、刘谊平（2002）对丰泽街隧道下穿大坪山既有高速公路隧道进行了三维弹塑性有限元分析，通过开挖后围岩的应力与变形状态，判定两洞交叉处围岩处于稳定状态，并建议了相应的开挖、支护方法和施工时的监测内容。陈先国、高波（2003）对深圳隧道一期工程中的3种典型的重叠断面进行了二维平面应变弹塑性分析，按照不同断面布局、不同开挖和支护形式进行了非线性计算，结果表明重叠隧道地表和拱顶下沉及两隧道间土体的稳定难于控制，上层隧道易发生结构整体下沉。王明年、潘小马等（2004）对邻近隧道爆破振动产生的既有隧道结构响应进行了研究，分别分析了不同间距下，既有隧道衬砌迎爆侧最大振速、最大主应力及衬砌的总体安全性评价，并与现场实测结果进行了对比。以往修建隧道时，主要采用双洞分离式方案，我国在此方面积累了丰富的经验和技术，毋庸赘述。在地形地质复杂的山区，由于线形布置、桥隧连接、工程造价、征地拆迁等方面的原因，双洞分离式方案往往受到较大局限，此时连拱隧道、小间距隧道、分叉式隧道成为重要的可选方案。连拱隧道具有线形顺畅，占用土地少，平面线形和洞口位置易于布置等优点，在国内外铁路、公路、市政和隧道等均有应用。但是，连拱隧道施工困难、工期长、造价高，连拱隧道结构易裂、易漏，已为不少事实所验证。尽管德国著名的Wuerzberg连拱隧道长达5100m，但在中国，连拱隧道多用于布线极为困难的短隧道。小间距隧道介于分离式和连拱隧道之间，是指隧道问岩柱厚度小于分离式隧道独立双洞间距的最小净距规范建议值的隧道布置形式。由于两个隧洞相距较近，往往需要对中夹岩柱进行加固。影响小间距隧道间距的因素有围岩条件、接线条件、施工技术、投资控制等。小间距隧道与连拱隧道相比，具有施工简单、防排水效果好、投资省的优点；小间距隧道与分离式隧道相比，虽然接线灵活、占地少，但是又存在中夹岩加固、施工工序多、造价相对较高等的不足。分叉式隧道作为一种新型的隧道布置形式，在较短的距离内由连拱隧道、小间距隧道，逐步过渡到一般分离式隧道。高速公路分叉隧道是在地形地质条件极端困难的山区，特大桥梁和特长隧道紧密相连的情况下，为了降低工程造价而发展出来的一种新型隧道结构形式。连拱+小净距+分离式的分叉式公路隧道，作为一种新型隧道形式，其受力特点、围岩稳定性分析、设计施工方法等在国内外尚处于经验积累阶段。在地形地质复杂的山区，由于线形布置、桥隧连接、工程造价、征地拆迁等方面的原因，双洞分离式方案往往受到较大局限。因此，在地形复杂的山区，为节省桥梁隧道的工程投资，修建分叉式隧道结构已经在所难免。这些年来随着我国建设隧道的结构形式越来越多，跨度越来越大，地表沉降问题已成为隧道建设的重大技术难题，地表沉降控制技术也应运而生并且迅速发展，水平不断提高，地表沉降控制技术己经成为活跃在土木工程领域的热点。21世纪是土木工程大发展的世纪，也是隧道建设、地下空间充分利用的大发展世纪，地表沉降控制技术也必将拥有更为广阔的前景。隧道开挖之前，在掌子面前方的自然地层里，沿隧道横断面设置一个像拱壳的连续体，使其既加固掌子面前方的地层，同时利用初期支护又保持自然地层的特性，从面保证掌子面及地层的稳定，减少地表沉降量，形成一个超前的支护体系，即通常所谓的超前支护技术，是公路隧道常用地表沉降控制技术之一。近年来随着我国建设隧道的结构形式越来越多，跨度越来越大，如何控制爆破产生的冲击波，确保围岩以及衬砌结构的安全及稳定变得越来越重要。大量的试验研究表明，在所有影响爆破振动强度的主要因素中，炸药量和距离是两个最为关键的因素。爆破振动强度与炸药量成正比，与质点距离成反比。此外，国内外学者还分别就其他因素对爆破振动强度的影响进行了试验研究。张时忠等人通过相似模型试验，在相同爆破试验条件下，对连续装药和空气间隔装药进行爆炸应力波测试，得到的波形结果表明，相对于连续装药，空气间隔装药激起的应力波峰值减小，空气间隔或不耦合装药与连续装药相比，爆破振速幅值可减小20％～50％。长沙矿冶研究院曾在国内十多个矿山从事爆破降震技术研究发现，预裂和光面爆破、缓冲爆破、斜线式多段爆破、一般微差爆破及逐排微差爆破与齐发爆破相比，降震率为70％～20％。印度的P．K．Singh等人对爆破振动受自由面条件的影响进行了研究，通过比较有自由面的爆破和离自由面较远的夹制爆破两种条件下产生的振动速度，发现有自由面的爆破产生的振动速度比离自由面较远的夹制爆破产生的振动速度小；而且爆源离自由面越远，爆破振速越大；有自由面的爆破和离自由面较远的夹制爆破两种条件下产生的振动速度相比，后者为前者的1.13～5.74倍。总结上述成果可知，爆破振动强度基本上受爆源的距离和炸药用量、地层条件、既有结构物状况的控制，此外，炸药的类型和爆破模式也有影响。因此，在施工前，应进行爆破模式、地质状况、装药状况（炸药、掏槽、装药量、起爆方法、堵塞状态）等研究；另一方面，随着爆破技术的发展，计算机模拟爆破作为爆破领域的新技术、新方法也愈来愈引起人们的重视，从力学分析入手采用数值计算的手段来研究爆破振动对围岩和支护结构产生的影响，已逐渐成为辅助爆破设计与施工不可或缺的方法。自上世纪60年代，奥地利的莱布希维兹(Rabcwics)等人提出新奥法的全新设计和施工理论以来，隧道的设计和施工有了较大的发展。新奥法的特点在于借助现场测量对围岩和衬砌进行动态监测，并据以指导开挖和支护结构的设计与完善，开创了隧道“信息化设计和施工”的先河。随着这一理论的不断发展和完善，对于隧道的研究形成了两个主要发展方向，一是隧道的静力分析和动力分析，二是对现场测试的不断发展和完善。隧道工程监测技术的研究包括量测项目的规划、测试手段和工具、测试方法、量测数据处理以及量测信息反馈等多方面的内容，既要作理论研究工作，同时也要进行现场试验，是一项理论联系实际的应用型研究。新奥法出现以来，隧道施工的监控量测在欧美以及日本等许多地下工程中得到迅速的发展。在中国的公路隧道方面的应用，是从80年代才开始的，在国内经过了20多年的发展，虽然在量测方法上有了很大的进步，但是，公路隧道施工的监控量测相对应施工与设计还不算真正意义上的融合，在施工中的监控量测不仅要能及时准确的反映出施工中出现的问题，也要对隧道施工中即将遇到的问题给以必要的信息，以便能指导施工，并通过类比的方法，对一个地区或有着同样围岩特征的隧道提供一套相对完善的量化的模式，以便使得以后的隧道施工和设计更为合理，以此能实现真正意义上的信息化施工，将监测的信息及时的反馈到设计与施工中去。1.3依托工程特点和难点分析1.3.1工程概况汉孝城际铁路工程，轻轨隧道位于公路隧道下方，并逐渐向左偏离公路隧道。中建系统承接的首个大跨分叉式公路隧道与轻轨隧道近接共建的隧道群。公路隧道左洞长1088.43m，右洞长1085.5m，双向六车道，连拱段最大开挖跨度达34.60m，隧道净距1.00～45.98m，为连拱+小净距+分离式的大跨分叉式公路隧道，其不仅设计跨度大，支护转换类型多，而且连拱及极小净距隧道段还下穿地方公路，房屋密集区，存在供水管、天然气管等干扰。轻轨隧道与公路隧道同期实施段全长425m，两隧道属近接重叠隧道，轻轨隧道A型衬砌段拱顶距公路隧道仰拱底竖向距离为3.22-7.11m，轻轨隧道B型衬砌段拱顶距公路隧道仰拱底竖向距离为1.01-3.98m。轻轨隧道与公路隧道两者相互影响严重，特别是公路隧道仰拱开挖对轻轨隧道二次衬砌造成的影响，为近接施工问题，施工难度大，科技含量高。1.3.2工程特点与难点汉孝城际铁路工程是中建系统承建的首个大跨分叉式公路隧道与轻轨隧道近接共建的隧道群。该工程具有以下几个特点及难点：（1）近接重叠施工难度极大公轨共建段共450m，轻轨隧道位于公路隧道下方，并逐渐向左偏离公路隧道，轻轨隧道与公路隧道最小开挖净距仅为1.01m，两者相互影响严重，特别是公路隧道仰拱开挖对轻轨隧道二次衬砌造成的影响。根据设计资料，暂拟定先行修建轻轨隧道，轻轨隧道二次衬砌达到设计强度后，再进行公路隧道的修建。大跨分叉式公路隧道的施工会改变轻轨隧道衬砌结构的受力状态，从而产生种种不利影响，如结构承载力下降、甚至破坏，变形过大侵入限界等。同时大跨分叉式公路隧道的受力模式也不同于半无限体或无限体中修建单一洞室的一般状况，其初始应力场往往是经过多次扰动的，其施工将再次进行扰动，使其受力往往是非对称的，表现出极大的变异性。概括地讲，公路隧道的施工会使围岩从原来的三次应力场演变到五次应力场，正是这种应力的演变导致了轻轨隧道和公路隧道的受力变异，造成既有侧的安全性和新建侧的复杂性问题。它不仅是摆在汉孝城际铁路工程面前的不可回避和必须加以解决的问题，也将是摆在全国公轨近接隧道面前的难题。因此，研究其复杂的受力机理、围岩的稳定性和相应的设计施工方法，率先形成一套较完整的大跨分叉式公路隧道与轻轨隧道近接的开挖支护施工技术成为当务之急。（2）分叉式公路隧道的设计跨度大，支护转换类型多。根据设计数据，当路基设计线间距L≤4m时，中夹岩厚度小于2m，设置为复合式中墙连拱隧道，当路基设计线间距L=4～24m时，中夹岩厚度为2～23m，设置为小净距隧道，当路基设计线间距L>24m时，设置为分离式隧道。因此，打雷嘴隧道是由连拱隧道过渡到小净距隧道再到分离式隧道的分叉式公路隧道，它同时具备这三种隧道的特点及施工难点，但绝对不是这些隧道的简单叠加，尤其是连拱与小净距过渡地段，由于其受力条件复杂，其支护方法、施工方法、稳定性评价是工程成败的关键。分叉式公路隧道作为一种新型的隧道结构，目前国内外对其设计施工尚未见全面系统的研究，国内外也无相应的设计、施工技术规范和标准。其受力特点、围岩稳定性分析、设计施工方法等尚处于经验积累阶段。为确保施工的安全进行，如何评价施工过程中的围岩稳定性和确定合理的开挖工艺和支护方法，都必须要进一步深入的研究。（3）隧道洞口段地表沉降控制要求严格隧道洞口段下穿地方公路，房屋密集，存在供水管、天然气管等干扰，施工时要严格控制地面的沉陷值，以免造成地面建筑物破坏。洞口段围岩为Ⅴ级，且又处在公路隧道与轨道隧道近接重叠段内，施工时围岩将受到多次扰动，造成地表沉降，拱顶下沉和周边收敛。如何控制地表沉降也是打雷嘴隧道面临的一大难题。（4）爆破振动控制要求严格大跨分叉式公路隧道存在连拱段和小净距段，单洞最小间距不足2米。与此同时，公路隧道与轻轨隧道近接重叠，最小间距为1.01m。因此爆破振动对公路隧道和轻轨隧道的围岩和支护结构影响都很严重。根据设计资料，暂拟定先进行轻轨隧道的建设，轻轨隧道二次衬砌达到设计强度后，再进行公路隧道的修建。因此，爆破产生的振动必然会对公路隧道本身中夹岩岩柱及围岩，先行洞的支护结构（尤其是中隔墙）产生影响，同时更会对轻轨隧道的支护结构产生严重影响。由此可见，如何减弱和控制振动产生的不利影响，确保中夹岩柱及围岩稳定，公路隧道先行洞支护结构和轻轨隧道支护结构不被破坏，是保证隧道顺利施工的关键，也是施工中的难点。1.4本研究的方法及主要内容1.4.1研究方法以代表性工程——汉孝城际铁路工程为载体，成立专门的课题组，将已经实践的施工技术以及充分挖掘我公司多年来积累起来的施工经验和数据，经深层次加工和理论探索，最终形成大跨分叉式公路隧道与轻轨隧道上下近接施工技术，并进一步形成相关工法，直接用于指导施工建设。1.4.2主要内容1）隧道地表沉降控制技术；2）公路隧道围岩稳定性控制技术；3）软弱破碎围岩支护技术。2公路隧道围岩稳定性控制技术2.1综述近年来，随着我国经济的发展，特别是随着我国改革开放的不断深入，我国的经济建设尤其是我国城乡基础设施建设取得了突飞猛进的发展。我国地质复杂，有平原也有山脉，全国的地势比较的复杂，因此我国城乡的基础设施建设的难度很大，许多的高速公路、铁路以及某些城乡基层公路的建设的难度很大，需要挖隧道，但是我国的地势又比较的复杂，隧道的建设对于地质的要求很高，对于软弱围岩浅埋路段的隧道施工，是对隧道施工者的严峻要求，而软弱围岩浅埋路段的隧道施工技术对于我国隧道的建设和发展具有至关重要的作用，也对我国城乡基础设施建设具有重大影响。2.2隧道施工方案的确定对于软弱围岩浅埋地段的隧道施工方案的选择，对于隧道施工的质量和效率具有重要作用。事实上，对于软弱围岩浅埋地段的隧道施工，我国已经有许多比较成熟的方案了，但是，为了保证隧道施工的安全性，以及考虑到我国复杂的地址环境和不均衡地势条件，对于软弱围岩浅埋地段的隧道施工，我们应该选择更加适合的方案。例如，我们可以采用“crd”方法进行隧道施工，通常采用直径为42mm，长4．1m的超前小导管支护，80cm×80c长4m中空锚杆，i18型工字钢纵向间距o．75m，钢筋网锚喷支护厚25cm。由于该地段属于软弱围岩浅埋地段，地表松散，不稳固，岩石的风化异常的严重，为了保证施工的安全以及保证隧道的安全和质量，我们应该采用比较比crd更加合适的方法进行隧道的施工。因此决定采用正台阶法分部开挖方案，并对该段地表进行注浆固结(范围30m×30m，注浆孔直径110mm，间距2．5m×2．5m，梅花形布置，孔深不小于10m)，加固地层，提高岩层承载力，减小地表沉降。同时，将钢架纵向间距减小到o．5m。在对该段开挖前1个月进行注浆，严格控制洞内爆破施工。2.3公路软弱围岩浅埋段隧道施工技术和方法对于该高速公路软弱围岩浅埋段的隧道施工我们通常采用格栅钢架、超前小导管预注浆结合喷射砼、锚杆、钢筋网的支护技术。应用该技术可以有效加固侵蚀地表的不稳定性，使得高速公路软弱围岩浅埋段的隧道施工更加的安全，也使得隧道的安全性得到很大的提高。2.3.1首先需要对高速公路隧道的洞口进行加固隧道的洞口采取锚、网、喷砼进行联合加固。洞口边仰坡采用(p22锚杆(锚固剂锚固)、钢筋网及喷射砼防护。锚杆长l=3．5m，间距为1．2×1．2m，梅花形垂直岩面布置，锚杆外露5cm。锚杆安装后，在坡面t初喷5cm厚的2004砼，然后布设钢筋网覆盖，同时在锚杆顶部设25cm×25cm(厚10mm)的锚杆媲板，将钢筋网焊接在锚杆上。进洞前，在隧道拱部开挖弧形以外布设超前小导管，小导管的安设采用钻孔打入法。将风动凿岩机回转爪拆除，借助冲击锤将小导管导管打入岩体，外插角为8—10。对强行打入的小导管在注浆前用高压风冲洗管内砂石。注浆前，首先进行压水试验，以便检查机具设备是否正常，管路连接是否正确。注浆压力控制在o．5—1．5mp之间，单管注浆量达到0．05m3时，应证即停止注浆。注浆浆液采用单液注浆，水泥为425。普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比为1：o.8：l，单管注浆量为：q=·r2·l·‘n·a·b，式中：r为浆液扩散半径，拱部为20cm；l为小导管长度，3．5m；n为岩体空隙率，经测试为0．11；a为浆液充填率，取o.85；b为浆液损耗系数，取1.15，因此，单根小导管注浆量为0．05立方米。注浆结束8小时后即可进行开挖施工。2.3.2采用工字钢拱架加固隧道表面为保证钢架置于稳固的地基上，施工中在钢架基脚部位预留0．15～0．2m原地基，架立钢架时挖槽就位，并在钢架基脚处设槽钢以增加基底承载力；在安设过程中当钢架和初喷层之间有较大间隙时设骑马垫块，钢架与围岩接触的距距离不大于50cm。为增强钢架的整体稳定性，将钢架与锚杆焊接在一起，各种钢架设纵向连接钢筋，其直径为d25mm，纵向连接钢筋按环向间距1.0m设置。钢架架立后尽快施作喷砼，并将钢架全部覆盖，使钢架与喷砼共同受力。喷砼分层进行，每层厚度5～6cm左右，开挖后立即喷射混凝土，从拱脚或墙脚向上喷射，然后架立格栅钢架，最后进行复喷混凝土，复喷前先按45度角对墙面进行喷射，喷射砼超过第一层钢筋后，再垂直墙面进行复喷砼，确保钢架与喷砼间密室度。2.3.3地表注浆加固地面对于软弱围岩浅埋地段的隧道建设，特别要注意对该地段的地表进行加固。对于该地段地表的加固，我们通常采用的是对地表进行注浆的方法来加固。这个浆就是混凝土，这是目前处理地质不稳定地区工程建设的最先进的方法。对地表进行加固，首先要在该地段的地表上深挖多个大坑，每个大坑的距离不要太远，然后将已经搅拌好的混凝土砂浆浇筑到已挖好的大坑里，然后就等着大坑的混凝土自动凝固。对于地表大坑的注浆不是一次注浆就能完成的，要进行多次注浆，并且每次注浆应当间隔一定的时间，以保证注浆的效果更加的好。同时，我们在对地表注浆的时候，我们还应该加大对注浆质量的检查，如果发现注浆不够完善，特别发现大坑不够稳固的时候，我们应该及时报告，停止后续的施工，对有问题的大坑进行重新注浆，并重复前面的动作和程序。采用这种方法可以有效的在侵蚀性地表上进行施工隧道的建设，并且可以有效的保证软弱围岩浅埋段的隧道安全。2.3.4采用洞身开挖的方法进行加固我们知道高速公路隧道洞身对于隧道的安全是非常重要的。特别是在软弱围岩浅埋地段的隧道建设就更加应该注重洞身的加固。对洞身的开挖应该讲究一定的方法，并不是随便开挖就可以的，要知道这里毕竟是软弱围岩浅埋地段的隧道。对于洞身的开挖，我们首先应该对洞身的上半断面进行开挖，应为上半面对于隧道的加固具有重要影响，其次就要对洞身的下半断面中槽位置进行开挖，再次就要对洞身的下半断面马口进行跳挖，最后就要对洞身微仰拱进行开挖。开挖的方法也是有技术讲究的，开挖采取弱爆破、短进尺的方法进行。在隧道衬砌轮廓线以外的周边，按开挖循环所需长度，将小导管打入围岩，利用注浆机的泵压使浆液通过小导管管体的注浆孔渗透、扩散到围岩孔隙中，封闭地层中的缝隙、填充地穴，从而使围岩的物理特性更加的明显，对于加固地表以及隧道具有重要作用。2.4研究结论2.4.1采用大型三维数值模拟和工程类比等方法，并结合现有施工技术水平，分别对大跨段、连拱段以及极小净距段的开挖方法、开挖顺序、台阶长度和开挖步距、临时支撑的拆除时机等进行优化，分析公轨隧道间岩体和公路小净距隧道段岩柱可能出现的破坏模式，提出了近接轻轨隧道大跨分叉式公路隧道的开挖方法和合理工序。2.4.2对于软弱围岩浅埋地段的隧道施工，我们应该采用加固洞口，搭建钢架结构以及对隧道洞身进行开挖的方法来达到加固软弱围岩浅埋地段的地表，并进而达到加固隧道的作用，保证隧道施工的质量和安全。

3隧道地表沉降控制技术3.1概述地表沉降在隧道工程施工中属于多发事故。沉降事故的发生与工程的地质条件、施工方案的选择等很多因素有关。在公路隧道工程施工中，由于工程所处地段的特殊性，一旦发生沉降事故，影响将十分严重。所以，在隧道工程的施工中进行沉降控制是十分必要的。3.2原因分析3.2.1地面沉降发生的机理分析隧道工程以上地面的岩层或土层在自然状态下，一般处于应力平衡的稳定状态。在地下工程施工中，要通过人工、机械或者爆破等方式进行土石方开挖。土石方的移除、土石层孔隙水的排出，必然会改变土石地层的应力状态，使之处于非平衡状态。这种状态可以在短时间内或者经过较长的时间效应变化之后显现出来，出现坍塌、变形等现象，进而导致地面沉降。3.2.2地面沉降发生的原因分析3.2.21）土层自身的特点：天然土体一般是由矿物颗粒构成骨架体，孔隙水和气体填充骨架体而组成的三相体系。饱和土由土颗粒和水组成，土颗粒之间存在胶结物，有些没有粘结。但是它们都能传递荷载，从而形成传力骨架，叫做土骨架。外载荷作用在土体上，一部分由孔隙水承担，叫做孔隙水压力，另一部分则由土骨架承担，就是有效应力，对引起压缩和产生强度有效。孔隙水压力可以分成两部分，一个是静水压力，在荷载施加之前就存在，一个是超孔隙水压力，由外载荷引起。土体的变形是孔隙流体及气体体积减小、颗粒重新排列、颗粒间距离缩短和骨架体发生错动的结果。粘性土有一定的厚度，水总是在土层透水面先排出，使孔隙压力降低然后向土层内部传递。这种孔压力降低的过程，一方面取决于土的渗透性，另一方面取决于在土中的位置。软粘土的渗透系数很低，固结过程很长。土体受外力后，土粒和孔隙中的流体均将发生位移。当建筑物通过基础将压力传递给地基后或者土层下部通过土石方开挖而失去支承，土体内部将发生应力变形。从而引起地基下沉或地表下沉。2）施工方案的选择：预防沉降的发生，进行正确的、可靠的支护是十分重要的。当支护方法不当或者失效的时候，难以使土层处于稳定状态，土层将失去稳定性，进而会导致地层沉降。3.2.21）岩石层的沉降与岩石层的地质特点有直接关系：岩石在长期的地质演变中产生出褶皱、裂隙、断层等地质构造。褶皱是岩石在构造中受力形成的连续弯曲变形。岩石中沿断裂面没有位移的断裂为裂隙。褶皱岩层核部产生许多裂隙，而背斜顶部岩层易塌落，向斜核部是储水丰富的地段，隧道隧道中易发生岩层的塌落、漏水及涌水。隧道隧道与褶皱走向一致时建筑中易发生岩层顺层滑动。断层是两盘岩石沿断裂面发生位移的断裂，一般伴有几米到几十米的岩石破碎带。隧道隧道工程通过断裂带时易发生坍塌，车站建筑物易发生不均匀沉降等。2）施工方案的选择：防排水、支护等施工方式的正确选择以及方案的有效性都会影响到岩层沉降控制的效果。当方案失效的时候，可能会导致生沉降的发生。3.2.3沉降控制技术的机理施工中会造成地层的地层损失、原始应力状态变化、土体固结、土体的蠕变，同时还可能发生支护结构的变形等情况的发生。所以，进行地层沉降控制，其出发点是保持或者加强原有地层的稳定性，维持其稳定的应力平衡状态。3.3控制沉降措施资料表明，隧道施工引起地表沉陷的程度主要取决于：（1）地层和地下水条件；（2）隧道埋深和直径；（3）施工方法。其中，施工方法的影响更为明显。同样的地质条件和设计，不同的施工方法引起的地表沉陷会有很大的差异。因此，对隧道的施工方法进行对比分析是建设者必须首先论证的问题。隧道的施工方法主要有3种：明挖法、新奥法和盾构法。明挖法由于对地面交通干扰大，且因敞开作业对周围环境千扰、污染严重，现在已经较少使用。新奥法和盾构法对环境干扰小，是主要的施工方法。下面结合地表沉陷的产生与控制措施对这2种施工方法进行概述。3.3.1新奥法开挖时控制措施所谓新奥法就是施工过程中充分发挥围岩本身具有的自承能力，即洞室开挖后，利用围岩的自稳能力及时进行以喷锚为主的初期支护，使之与围岩密贴，减小围岩松动范围，提高自承能力，使支护与围岩联合受力共同作用。采用新奥法时主要的施工方法有：（1）全断面开挖法，原则上是一次完成设计开挖断面，是在稳定的围岩中采用的方法；（2）台阶开挖法；（3）侧壁导坑环型开挖法，这是当地质条件特别差时所采用的一种方法，也是城市隧道抑制下沉时常用的方法。采用新奥法施工时，地面沉陷主要取决于开挖的方法、初期支护及永久支护的时间和强度，有以下防止地面下沉的措施：（1）改变施工方法：缩短开挖进尺，如计划1个循环1.5m，可缩短为1m或0.8m；不用全断面开挖方法，而用环型开挖方法．（2）稳定掌子面法：掌子面的稳定是施工的前提条件，对于粘聚力小的土砂围岩，应选用辅助施工方法，如超前支护、开挖面喷射混凝土和安设锚杆等。开挖面超前支护是在开挖面前方的围岩内插入钢筋、钢管和钢板作为辅助性支护构件，用以防护开挖面及拱部以及防止围岩松弛。插入的角度应尽可能地小，以减少超挖量。开挖面喷射混凝土应尽早进行，对于土砂围岩，一般喷射3cm厚的混凝土就能防止开挖面的局部塌落。（3）特殊施工法：有管棚法，挡墙施工法、从地表打锚杆法、特殊钢板施工法（麦塞尔插板法）、注浆法和冻结法等。管棚法，是先在开挖断面外钻孔，然后在管子的内外注浆，以加固开挖断面。这种方法，可以加固堆积层和断层破碎带等不稳定围岩，能有效防止开挖的围岩松动。但此法需要大量的设备。挡墙施工法，是在隧道的两侧（或一侧）设置挡墙，控制隧道开挖时产生的松动范围。有混凝土连续墙法和钢管、H型钢和钢插板等挡墙施工法。从地表打锚杆法，是在隧道开挖之前，先从地表大致垂直地打入锚杆，四周用砂浆固结起来，这种方法能有效地防止地表下沉。特殊钢插板施工法又称麦塞尔插板法，可以加固开挖面前方的围岩，防止围岩松动。这种施工方法是采用特殊加工的钢插板，用千斤顶将其顶入围岩中。但岩层中夹有鹅卵石时，施工困难，在砂岩和泥岩中效果显著。（4）动态施工力学法，这种方法是由朱维申教授总结完善的，这种方法强调勘察、设计、施工、科研各环节的紧密配合，能有效减少围岩的松动区，抑制地表沉降量。3.3.2盾构法开挖时控制措施盾构法是在地下暗挖隧道的一种有效方法。施工中，先在隧道的某一端建造竖井或基坑，以供盾构安装就位。盾构从竖井或基坑的墙壁开孔处出发，在地层中沿着设计轴线，向着另一竖井或基坑的设计孔洞推进。盾构推进中所受的阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部已拼装的预制隧道衬砌结构，再传到竖井或基坑的后靠壁上。盾构是这种施工方法中最主要的独特的施工机具，它是一个既能支承地层压力又能在地层中推进的圆形或矩形或马蹄形等特殊形状的钢筒结构。在钢筒结构的前面设置各种类型的支撑和开挖土体的装置，在钢筒中段周圈内面安装顶进所需的千斤顶，钢筒尾部是具有一定空间的壳状体，在盾尾可以拼装1～2环预制的隧道衬砌环。盾构每推进一环距离，就在盾尾支护下拼装l环衬砌，并及时地向紧靠盾尾后面的开挖坑道周边与衬砌环外周之间的空隙中压注足够的浆体，以防止隧道及地面下沉。盾构施工中引起的地层损失和盾构隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结，是地面沉降的基本原因。3.3.2.1引起地层损失的施工及其他因素是：（1）开挖面土体移动。当盾构掘进时，开挖面土体受到的水平支护应力小于原始侧向力，开挖土体向盾构内移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降；当盾构推进时，如作用在正面的土体的推力大于原始侧向力，则正向土体向上、向前移动，引起地层损失（欠挖）而导致盾构前上方土体隆起。（2）盾构后退。在盾构暂停推进中，由于盾构推进千斤顶漏油回缩而可能引起盾构后退，使开挖面土体坍落或松动，造成地层损失。（3）土体挤入盾尾空隙。由于盾尾后面隧道外周建筑空隙中压浆不及时，压浆量不足，压浆压力不恰当，使盾尾后周边土体失去原始三维平衡状态，而向盾尾空隙中移动，引起地层损失。（4）改变推进方向。盾构在曲线推进、纠偏、抬头推进或叩头推进过程中，实际开挖面不是圆形而是椭圆，因此引起地层损失。（5）盾构移动对地层的摩擦和剪切。（6）在土压力作用下，隧道衬砌产生的变形也会引起少量的地层损失。3.3.2.2受扰动土的固结盾构隧道土体受到盾构施工的扰动后，便在盾构隧道的周围形成超孔隙水压力区（正值或负值）。当盾构离开该处地层后，由于土体表面压力释放，隧道周围的孔隙水压力便下降。在超孔隙水压力释放过程中，孔隙水排出，引起地层移动和地面下降。此外，由于盾构推进中的挤压作用和盾尾后的压浆作用的施工因素，使周围地层形成正值的超孔隙水压区。其超孔隙水压力，在盾构隧道施工后的一段时间内复原，在此过程中地层发生排水固结变形，引起地面沉降。土体受扰动后，土体骨架还会有持续很长时间的压缩变形，在此过程中发生的地面沉降称为次固结沉降。在孔隙比和灵敏度较大的软塑和流塑性粘土中，次固结沉降往往要持续几年以上，它所占的沉降量比例可高达35％以上。从盾构法施工引起地面沉陷的原因可以看出，控制盾构施工参数如推力、推速、正面土压、同步注浆量和压力等，可有效地抑制其引起的地面沉陷。3.4应急处理措施隧道工程中地表沉降事故的发生，一般由地下空间的塌方、爆破、支护不当或者失效等事故直接引起，容易造成人员伤亡和财产损失。所以，针对地铁施工中沉降事故的发生，制定和实施一套健全的应急预案是相当重要的。应急预案是指未来加强对重大事故的处理能力，防止事故扩大，使事故损失降到最低限度，而根据实际情况制定的事故应急救援对策。通过制定应急预案并进行必要的演练，事故发生时采取正确的应对措施，一方面可以控制事故的影响范围，降低人员伤害呵财产损失，另一方面可以避免人为措施的失当造成的事故扩大。3.4.1人员配置及组织管理应急处置所需的人员有三个方面：指挥人员、沉降事故处理技术人员、应急处置辅助人员（包括医疗救护、设备物料运送、其他人员）。人员的组织管理要建立起一个完善的组织体系，实行明确的分工，拥有高效的协调机制。3.4.2应急处置所需设备、物料的储备与管理应急所需设备和物料是进行应急处置的基础，所需设备、物料的配备和使用管理关系到应急响应能否有效进行。一方面设备、物料的全面配备要有严格的组织程序保障，另一方面对所配备设备、物料的严格保养、检验也要写进组织程序。这样才能保证设备物料的有效性。3.4.3沉降事故应急响应程序的制定事故发生在时间上具有突发性，应急预案的启动必须在短时间内完成。那么，如何使应急预案在短时间内全面协调地运作起来就成为事故处置效果的关键影响因素。应急预案的启动在短时间内的启动是一个系统工程，需要调动起人员、设备、物料等多方面因素。这需要有快捷的通讯联络技术、指挥者扎实的知识基础和敏捷的处理能力、有效的人员协调机制。3.5研究结论3.5.通过现场监测数据的分析和数值模拟计算，研究连拱隧道引起的上覆地层位移大小和分布、地层失水等引起的密集建（构）筑物整体和局部变形规律以及对建（构）筑物结构安全性的影响程度进行预测和评估，即可及时调整施工方案和支护参数。3.5.2按照控制岩体变形的方法进行施工，模筑钢格栅拱砼技术，可确保建（构）筑物沉降（差异沉降）控制在要求的标准内，使建筑物不产生功能性破坏。

4软弱破碎围岩支护技术4.1概述软弱破碎围岩对隧道大变形的破坏较为普遍，洞室开挖后围岩变形较大。对隧道施工状况以及变形机理分析表明：此软弱围岩需要采用预支护和加强初期支护措施来承载施工期间的主要荷载（全部土压力、部分水压力），以控制围岩变形，到达围岩平衡稳定。4.2隧道围岩变形影响因素4.2.1工程地质因素在隧道围岩变形诸多地质因素之中，岩体的性质是内外动力地质作用的结果，主要以岩块的坚硬程度和结构特征表现出来。岩体强度主要取决于软弱结构面的抗剪强度，岩体的结构特征主要取决于结构面的发育程度。因此影响隧道稳定性的地质因素可以最终归纳为岩块的坚硬程度、岩块的完整程度、结构面性质和空间组合、地下水及地应力等。对于兴源隧道的围岩情况，全风化的炭质泥岩，呈散体结构，结构面交错复杂。而散体结构岩层一般经受十分剧烈的构造运动后由断层泥、岩粉、压碎的岩石碎屑、碎块等组成，岩层走向和倾向变化极不规则。这类围岩强度低，几乎没有自稳能力。这种围岩开挖后，地应力重新分布，若没有及时且强有力地支护，围岩很快由弹性变形进入松弛变形，出现失稳现象。4.2.2设计及施工因素隧道围岩失稳变形除了受地质条件的影响外，还受设计施工的影响。设计施工影响主要是指隧道的断面形状、尺寸、埋深、开挖方法、施工工序、支护形式等工程活动的影响。4.2.2对于相同类型的隧道，开挖空间越大，开挖时释放荷载越大，开挖后的二次应力也相应增大，导致围岩变形显著，而兴源隧道出口设计断面面积为143m³，因有预留量，实际开挖断面有169m4.2.2隧道开挖后由于应力重分布，应力场发生变化。施工中采用不同的开挖工法对开挖后围岩的二次、三次应力有很大的影响。针对软弱围岩一般采用分部开挖，优点是每次的应力变化不大，缺点是由于扰动次数过多，易造成围岩变形累计增加。由附图三可知，DK412+270断面上台阶新开挖后沉降量最大，中台阶、下台阶开挖到此时，下沉量会凸显，直至仰拱施作完毕成环后才趋于稳定。4.2由于支护结构的作用，减小了围岩塑性圈的范围。因此，支护结构直接影响围岩的应力和变形，限制了隧道开挖引起的围岩变形，使收敛变形逐渐减小。破碎围岩开挖后自稳能力差，如果快速、及时的施加支护系统，可以迅速给松动岩体提供支护抗力，减小对深部岩体的传递，也能有效降低围岩的变形。同时根据施工经验可得出，洞室开挖后支护结构在其应力、应变的变化特征与原始围岩平衡状态下岩性等方面相似，若要其洞室稳定，那么支护结构就要发挥原始围岩平衡状态时的力学要求及围岩特性。据此可以提出很多支护措施的理念。举例说明：洞室开挖后，围岩情况为：岩体风化不均匀，洞室中部岩石为强风化或弱风化，强度高，拱墙附近岩石强风化至全风化，岩石间解理面光滑且围岩较破碎，自身强度不高（中部岩石强度远大于拱墙岩石强度）；洞室未开挖之前岩体处于平衡状态，若山体内部压应力极大，而拱墙围岩由于岩体摩擦系数低等自稳能力较差，并且强度低的岩石无法承担其应力，所以中部强度较高的岩石地应力极大，此时中部岩石承担了稳定洞室平衡的关键。若开挖后为使其围岩稳定，那么该支护结构就要承担类同中部岩体的抗应力，如果支护结构强度低于原中部岩石强度就会出现初支开裂甚至拱架扭断等现象；此种围岩的支护措施可以增大拱墙围岩摩擦系数，改善拱墙围岩受力性，加强初支支护强度等。4.2.2隧道主要施工工序，如开挖、初期支护、仰拱及二衬等工序是影响隧道变形的主要因素。隧道区岩体极易受到施工扰动而发生相应的变形。4.2.2隧道初期支护后，变形逐渐趋于稳定，但由于受后期施工影响，围岩变形表现为小幅震荡变化特征。对于兴源隧道出口自稳能力很差的围岩受后续施工尤为显著，若仰拱与掌子面的步距过长，造成远离仰拱断面纵向变位大，引起周围地层的扰动，塑性区增大，使拱脚位置附近受力大而失稳。比如兴源隧道DK412+270段仰拱距离掌子面58m，以致洞室开挖后拱顶会迅速下降，围岩变形压力迅速转化为松弛压力，围岩进入松弛状态，及很快从非稳定平衡状态进入失稳状态。4.2.2有研究表明：围岩开挖后与时间等有着函数关系。对于软弱破碎的围岩，特别是粘土质岩、泥岩等有明显的流变性质。洞室开挖后会有明显的拱顶沉降；原始围岩随着时间的增加，风化程度也会随着围岩与温度、湿度接触后加剧。详见附图四.附图四

Ⅳ、Ⅴ级围岩稳定距离/时间正态分布参数类别o/mo/mo/do/dⅣ级围岩上台阶77.9032.7845.8022.32Ⅳ级围岩下台阶42.1219.0721.008.27Ⅴ级围岩上台阶87.1142.7046.0519.53Ⅴ级围岩下台阶54.0326.3331.429.81注：o为位置参数，o为标准参数。从上面可以得出仰拱、二衬与掌子面的距离要求以及施做完毕的时间要求。4.3隧道围岩变形支护原理隧道稳定基本原理：“充分发挥围岩的自