隧道變形及其控制技術(shù)2

隧道變形及其控制技術(shù)

一、概述

眾所周知,隧道施工的基本目的是在各類地質(zhì)體〈圍巖〉中修筑為各種目的服務(wù)的、長(zhǎng)期穩(wěn)定的洞室結(jié)構(gòu)體系。在隧道工程的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)中，我們必須清楚地認(rèn)識(shí)這種結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)。一、隧道結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)1、從結(jié)構(gòu)角度看,這個(gè)結(jié)構(gòu)體系是由周圍地質(zhì)體（圍巖）和各種支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的,即：洞室結(jié)構(gòu)體系=周圍地質(zhì)體（圍巖）+支護(hù)構(gòu)件它是由天然的、具有固有的應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的地質(zhì)體和人工的支護(hù)構(gòu)件構(gòu)成的。這與地面結(jié)構(gòu)體系是完全不同的；2、在這個(gè)結(jié)構(gòu)體系中，周圍地質(zhì)體（圍巖）起著主導(dǎo)的作用。例如在充分穩(wěn)定的地質(zhì)體（圍巖）中，可以不需要任何結(jié)構(gòu)意義上的支護(hù)構(gòu)件，而處于長(zhǎng)期穩(wěn)定的狀態(tài)。如一些天然洞穴的存在，人工修筑的無支護(hù)構(gòu)件的洞室（黃土窯洞、無支護(hù)坑道等）等。就是需要支護(hù)的地質(zhì)體（圍巖），也只是需要薄薄一層噴混凝土或者幾根錨桿、幾榀鋼架就可以使之成為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，這也說明，周圍地質(zhì)體是主要的承載體；3、作為結(jié)構(gòu)體系主體的地質(zhì)體（圍巖），的基本特征是具有極大的不確定性。我們?cè)谠O(shè)計(jì)、施工中遇到的許多不確定性問題和現(xiàn)象也主要是由地質(zhì)體（圍巖）的不確定性引起的。這也是我們?cè)谠O(shè)計(jì)施工中面對(duì)的最大難題；4、從工程結(jié)構(gòu)的角度看，這種結(jié)構(gòu)體系的形成則是通過一定的施工過程或者說是一定的力學(xué)過程來實(shí)現(xiàn)的.這個(gè)過程大體上可作如下表達(dá)（圖1）：與之相適應(yīng)的力學(xué)過程如下5、簡(jiǎn)單地說，這個(gè)過程是動(dòng)態(tài)的，其力學(xué)狀態(tài)的變化過程，充分說明：隧道施工也就是一個(gè)應(yīng)力釋放與應(yīng)力控制的過程。應(yīng)力釋放到什么程度？，是可以通過一定的人為的干涉手段加以控制的。因此，施工過程就是利用和控制圍巖動(dòng)態(tài)變形（應(yīng)力）的過程（圖2）。認(rèn)識(shí)這一點(diǎn)是非常重要的。6、與地面結(jié)構(gòu)體系截然不同的一點(diǎn)，就是荷載的不確定性。這與地質(zhì)體（圍巖）的不確定性直接相關(guān)，也與支護(hù)構(gòu)件與圍巖的相互作用有關(guān)。因?yàn)橹ёo(hù)構(gòu)件上作用的荷載大小及其分布是控制隧道變形結(jié)果的反應(yīng)，也是一個(gè)變數(shù)，也是不確定的。因此給支護(hù)體系的設(shè)計(jì)帶來了極大的困惑。實(shí)際上，解決了應(yīng)力釋放和應(yīng)力控制問題，也就解決了荷載問題。二、隧道變形過程及其類型前面提到，隧道工程，歸根結(jié)底，就是一個(gè)應(yīng)力釋放和應(yīng)力控制的問題。應(yīng)力釋放的直接后果，就是引起周邊圍巖的變形和松弛。因此，應(yīng)力控制實(shí)質(zhì)上就是控制圍巖的變形和松弛。也就是說如何在開挖和支護(hù)過程中，使圍巖不松弛或少松弛。這是隧道設(shè)計(jì)施工的主要原則。圍巖松弛與圍巖變形直接相關(guān)。也就是說要想控制住圍巖的松弛，就要控制住圍巖的變形。因此，認(rèn)識(shí)和掌握圍巖在開挖后是如何變形及其變形的過程是非常重要的。從圖3、4可知，在計(jì)計(jì)算條件下下，從掌子子面前方到到掌子面后后方一定范范圍內(nèi)的拱拱頂下沉分分布規(guī)律，，大致如下下。1）隧道開挖挖后在掌子子面前方一一定范圍內(nèi)內(nèi)（2a~5a）產(chǎn)生了下下沉，我們們稱之為““先行位移移”；2）在掌子面面處，產(chǎn)生生一定量的的“初始位位移”，此此值與地質(zhì)質(zhì)條件關(guān)系系密切，約約為最終位位移值的20～30％左右，這這個(gè)位移是是開挖后瞬瞬間發(fā)生的的；3）在掌子面面后方，隨隨掌子面的的推進(jìn)，產(chǎn)產(chǎn)生不斷增增大的位移移，其特點(diǎn)點(diǎn)是初期的的位移速度度很大，而而后增長(zhǎng)的的速度逐漸漸減緩，并并趨于穩(wěn)定定。這是處于一一般圍巖中中的隧道變變形的基本本規(guī)律。圖5是一個(gè)隨著著掌子面推推進(jìn)的圍巖巖位移測(cè)定定例。在隧隧道拱頂上上方2m的位置設(shè)一一個(gè)長(zhǎng)50m的水平鋁管管，根據(jù)測(cè)測(cè)定的彎曲曲應(yīng)變計(jì)算算位移?？傊瑥挠?jì)計(jì)算和量測(cè)測(cè)中我們可可以得到一一個(gè)重要認(rèn)認(rèn)識(shí)，隧道道開挖后的的圍巖變形形狀態(tài)可用用圖6的三維圖表表示。由上述各圖圖可知，隧隧道開挖后后隧道的變變形可分為為掌子面前方方的先行位位移、掌子面位移移及掌子面面后方的位位移三種。這三三種位移是是同時(shí)發(fā)生生的。在復(fù)復(fù)雜地形、、地質(zhì)條件件下，支護(hù)的主要要目的就是要抑制這些位位移的發(fā)展展，也就是抑抑制由這些些位移引起起的圍巖松弛。因此，對(duì)對(duì)設(shè)計(jì)、施施工來說就就是要搞清清楚這三種種位移（變變形）的產(chǎn)產(chǎn)生條件和和發(fā)展規(guī)律律，并通過過什么手段段來控制其其發(fā)展。三、影響隧隧道變形的的基本因素素影響隧道變變形的基本本因素有兩兩大類。即即：客觀因因素和外部部因素。1、客觀因素素（內(nèi)在因因素）從前面的計(jì)計(jì)算例中可可以看出，，影響開挖挖后變形的的兩個(gè)客觀觀因素就是是初始地應(yīng)力力場(chǎng)和圍巖力學(xué)的的、構(gòu)造的的特性。1）初始地應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)對(duì)初始地應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)的認(rèn)認(rèn)識(shí)可以歸歸納如下。?！に淼莱跏嫉氐貞?yīng)力場(chǎng)是是由重力應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)場(chǎng)構(gòu)成。以目前的認(rèn)認(rèn)識(shí)和技術(shù)術(shù)水平看，，初始地應(yīng)力力場(chǎng)，多數(shù)認(rèn)為按彈性的、、重力的、、靜態(tài)的應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)考慮慮。在埋深較淺淺，或者埋埋深很大的的條件下，，可以不考考慮構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)的影影響?！Q定初始地地應(yīng)力場(chǎng)的的關(guān)鍵是設(shè)設(shè)定合理的的側(cè)壓力系系數(shù)。因?yàn)闉榈貞?yīng)力場(chǎng)場(chǎng)的垂直應(yīng)應(yīng)力分量，，基本上都都按上覆埋埋深的重量量考慮。而而水平側(cè)壓壓力的大小小則主要決決定于側(cè)壓壓力系數(shù)。。從側(cè)壓力系系數(shù)看，初初始地應(yīng)力力場(chǎng)存在三三種情況。。即：側(cè)壓壓力系數(shù)小小于1，等于1及小于1三種情況。。這三種情情況的變形形模式是完完全不同的的，其模式式的概念示示于圖7?！?shí)際上由于于地殼運(yùn)動(dòng)動(dòng)的結(jié)果形形成了各種種形態(tài)的地地質(zhì)構(gòu)造,如層狀、塊塊狀、斷層層、褶皺等等，在這種種情況下,圍巖的初始始地應(yīng)力場(chǎng)場(chǎng)也有所變變化。例如如在背斜構(gòu)構(gòu)造中，,由于巖層成成拱狀分布布,使上覆巖層層重量向兩兩翼傳遞,而直接處在在背斜軸下下面的巖層層則受到較較小的應(yīng)力力，其垂直直應(yīng)力的變變化，可能能如圖8所示；而在在被斷裂分分割的地質(zhì)質(zhì)構(gòu)造條件件下，下窄窄上寬的楔楔形圍巖移移動(dòng)時(shí),受到兩側(cè)巖巖塊的夾制制，因而使使應(yīng)力減小小，反之,下寬上窄的的巖塊,則受到附加加荷載的作作用，其垂垂直應(yīng)力分分布可能如如圖9所示、處于于正斷層和和逆斷層的的條件下，，水平應(yīng)力力會(huì)有很大大差異，如如圖10所示。在不不均質(zhì)的層層狀圍巖中中，對(duì)垂直直應(yīng)力的分分布也有很很大影響（（圖11）等等?？偪傊?，大量量的實(shí)測(cè)資資料表明,地質(zhì)構(gòu)造形形態(tài)改變了了重力應(yīng)力力場(chǎng)的初始始狀態(tài),這在實(shí)際工工作中有時(shí)時(shí)是不容忽忽視的。·由于構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)的不不確定性,很難用函數(shù)數(shù)形式表達(dá)達(dá)。它在整整個(gè)初始地地應(yīng)力場(chǎng)中中的作用只只能通過某某些量測(cè)數(shù)數(shù)據(jù)加以分分析。已發(fā)發(fā)表的一些些成果表明明：（1）地質(zhì)構(gòu)造造形態(tài)不僅僅改變了重重力應(yīng)力場(chǎng)場(chǎng),而且除以各各種構(gòu)造形形態(tài)獲得釋釋放外，還還以各種形形式積蓄在在圍巖內(nèi),這種殘余構(gòu)構(gòu)造應(yīng)力將將對(duì)地下工工程產(chǎn)生重重大影響。。（2）構(gòu)造應(yīng)力力場(chǎng)在不深深的地方已已普遍存在在,而且最大構(gòu)構(gòu)造應(yīng)力的的方向,多近似為水水平,其值常常大大于重力應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)中的的水平應(yīng)力力分量,甚至也大于于垂直應(yīng)力力分量，這這與重力應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)有很很大不同。。位于片巖巖中的陶恩恩隧道實(shí)地地量測(cè)的初初始地應(yīng)力力場(chǎng)（圖9）就是一個(gè)個(gè)例證。從我國(guó)現(xiàn)階階段積累起起來的淺層層(埋深小于500m)實(shí)測(cè)資料看看,側(cè)壓力系數(shù)數(shù)λ小于0.8者約占27.5%。在0.8～1.25之間者約占占42.3%,大于1.25者約占30.2%。這說明，，在一定埋埋深的條件件下，初始始地應(yīng)力場(chǎng)場(chǎng)的水平應(yīng)應(yīng)力大于1的情況，占占主導(dǎo)地位位。(3)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)場(chǎng)很不均勻勻,它的參數(shù)無無論在空間間上、時(shí)間間上都有很很大變化,特別是它的的主應(yīng)力軸軸的方向和和絕對(duì)值變變化很大。。（4）用分析方方法求解初初始地應(yīng)力力場(chǎng),由于明顯的的原因(構(gòu)造的、力力學(xué)形態(tài)的的、量測(cè)技技術(shù)上的等等）,常常會(huì)導(dǎo)致致極大的偏偏差。因此此,在理論分析析中,常把初始地地應(yīng)力場(chǎng)按按靜水應(yīng)力力場(chǎng)來處理理。在某些些重要的工工程中,多采取實(shí)地地量測(cè)的方方法來判斷斷主應(yīng)力的的大小及其其方向的變變化規(guī)律。。初始地應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)是決決定隧道穩(wěn)穩(wěn)定性和破破壞形態(tài)的的基本因素素，因此，，在隧道的的設(shè)計(jì)施工工中，掌握握初始地應(yīng)應(yīng)力場(chǎng)是極極為重要的的。2）地質(zhì)體（（圍巖）力力學(xué)的（強(qiáng)強(qiáng)度、變形形）、構(gòu)造造的（不連連續(xù)面分布布、各向異異性、層狀狀、塊狀等等）特性地質(zhì)體的力力學(xué)特性包包括強(qiáng)度特性、變形特性，同時(shí)也必必須認(rèn)識(shí)和和掌握地質(zhì)質(zhì)體的構(gòu)造特性。隧道工程程實(shí)踐充分分表明：圍圍巖的構(gòu)造造特性遠(yuǎn)比比力學(xué)特性性的影響更更為重要。。因此，對(duì)對(duì)圍巖不僅僅要從力學(xué)學(xué)特性上進(jìn)進(jìn)行分級(jí)，，也要在構(gòu)構(gòu)造特性上上進(jìn)行分類類，兩者缺缺一不可。。目前從地質(zhì)質(zhì)模式上，，通常把圍圍巖按其構(gòu)構(gòu)造分為整體狀圍巖巖、塊狀圍圍巖、層狀狀圍巖、碎碎裂狀圍巖巖及土質(zhì)圍圍巖五大類。由由于這五類類圍巖的構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)，，其變形和和破壞模式式也有所不不同。從理理論上說，，凡是可以以用連續(xù)介介質(zhì)表述的的圍巖，如如整體狀圍圍巖、土質(zhì)質(zhì)圍巖、碎碎裂狀圍巖巖，其開挖挖后的變形形規(guī)律都可可以用上述述的基本規(guī)規(guī)律表達(dá)。。而在層狀狀圍巖及塊塊狀圍巖，，其變形動(dòng)動(dòng)態(tài)和規(guī)律律則略有不不同。例如如垂直層狀狀圍巖和水水平層狀圍圍巖其破壞壞模式基本本上如圖11所示。從強(qiáng)度角度度出發(fā)，多多按巖石的的單軸抗壓壓強(qiáng)度進(jìn)行行分級(jí)，分分為硬巖、、中硬巖、、軟巖及極極軟巖幾類類。但應(yīng)認(rèn)認(rèn)識(shí)到，巖巖石強(qiáng)度與與圍巖強(qiáng)度度有著本質(zhì)質(zhì)上的差異異，我們需需要了解的的是圍巖強(qiáng)強(qiáng)度。因?yàn)闉?，決定坑坑道穩(wěn)定性性的不是巖巖塊的強(qiáng)度度，而是由由包括巖塊塊、不連續(xù)續(xù)面、充填填物構(gòu)成的的圍巖的強(qiáng)強(qiáng)度。這可可以通過對(duì)對(duì)巖石強(qiáng)度度的折減予予以確定。。3）圍巖強(qiáng)度度應(yīng)力比――評(píng)價(jià)地質(zhì)（（圍巖）條條件的重要要指標(biāo)隧道設(shè)計(jì)中中如何評(píng)價(jià)價(jià)隧道所處處圍巖條件件，它對(duì)結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)究究竟具有什什么影響是是一個(gè)現(xiàn)實(shí)實(shí)而不可回回避的問題題。為了解解決這個(gè)問問題目前采采用的方法法是用上述述兩個(gè)因素素的比值。。即：“圍巖強(qiáng)度度應(yīng)力比””這個(gè)概念來來評(píng)價(jià)的。。圍巖強(qiáng)度應(yīng)應(yīng)力比Gn的定義是：：圍巖內(nèi)部部的最大地地應(yīng)力值（（σmax）與圍巖強(qiáng)強(qiáng)度（Rb）的比值。。即：Gn＝Rb/σσmax(1)式中σmax：圍巖內(nèi)最最大的初始始地應(yīng)力值值Rb：圍巖的抗抗壓強(qiáng)度值值也可以用其其倒數(shù)表述述。目前在隧道道工程施工工中，都把把圍巖強(qiáng)度度應(yīng)力比作作為判斷圍圍巖穩(wěn)定性性的重要指指標(biāo)，也作作為是否發(fā)發(fā)生大變形形問題的判判定基準(zhǔn)，，有的還作作為圍巖分分級(jí)的重要要指標(biāo)。表1是一些標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)中采用的的圍巖強(qiáng)度度應(yīng)力比的的分級(jí)指標(biāo)標(biāo)，可以參參考。圍巖巖強(qiáng)度應(yīng)力力比與圍巖巖開挖后的的破壞現(xiàn)象象、穩(wěn)定性性有關(guān)，特特別是與大大變形有關(guān)關(guān)。表1圍巖強(qiáng)度應(yīng)應(yīng)力比Gn分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)ⅠⅡⅢ法國(guó)隧協(xié)>42～4<2我國(guó)工程圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)>74～7<4日本新奧法指南>42～4<2日本仲野分級(jí)>42～4<2表2不同地應(yīng)力力場(chǎng)的圍巖巖在開挖中中出現(xiàn)的主主要現(xiàn)象地應(yīng)力場(chǎng)情況主要現(xiàn)象RB/σmax極高地應(yīng)力場(chǎng)硬質(zhì)巖：開挖過程中時(shí)有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁圍巖發(fā)生剝離．新主裂縫多．成洞性差，基坑有剝離現(xiàn)象，成形性差軟質(zhì)巖：巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁圍巖有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不易成洞；基坑發(fā)生顯著隆起或剝離不易成形<4高地應(yīng)力場(chǎng)硬質(zhì)巖：開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁圍巖有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂縫較多．成洞性較差，基坑時(shí)有剝離現(xiàn)象，成形性—般尚好軟質(zhì)巖：巖芯時(shí)有餅化現(xiàn)象．開挖工程中洞壁巖位移顯著，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，成洞性差，基坑有隆起現(xiàn)象，成形性較差4～72、判定土壓壓性質(zhì)的指指標(biāo)日本仲野采采用圍巖強(qiáng)強(qiáng)度應(yīng)力比比作為是否否產(chǎn)生塑性性地壓的指指標(biāo)（表3）。表3不同同圍圍巖巖強(qiáng)強(qiáng)度度應(yīng)應(yīng)力力比比開開挖挖中中出出現(xiàn)現(xiàn)的的現(xiàn)現(xiàn)象象圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比>42～4<2土壓特性不產(chǎn)生塑性地壓有時(shí)產(chǎn)生塑性地壓多產(chǎn)生塑性地壓這說說明明：：當(dāng)當(dāng)圍圍巖巖度度應(yīng)應(yīng)強(qiáng)強(qiáng)力力比比大大于于道道4，隧隧開開挖挖其其后后，，不不會(huì)會(huì)出出現(xiàn)現(xiàn)塑塑性性區(qū)區(qū)，，坑坑道道是是自自穩(wěn)穩(wěn)的的周周邊邊圍圍巖巖。在日日本本道道路路公公團(tuán)團(tuán)的的隧隧道道圍圍巖巖分分級(jí)級(jí)中中，，也也把把圍圍巖巖強(qiáng)強(qiáng)度度應(yīng)應(yīng)力力比比作作為為中中硬硬巖巖、、軟軟巖巖及及土土砂砂圍圍巖巖分分級(jí)級(jí)的的一一個(gè)個(gè)重重要要參參考考指指標(biāo)標(biāo)（（表表5）加加以以考考慮慮。。表5日本本圍圍巖巖分分級(jí)級(jí)中中的的圍圍巖巖強(qiáng)強(qiáng)度度應(yīng)應(yīng)力力比比基基準(zhǔn)準(zhǔn)圍巖種類中硬巖軟巖圍巖級(jí)別D巖類E巖類F巖類粘性土砂質(zhì)土INGN≥24>GN≥2G≥N2IS2>GN≥1.52>GN≥1.52>GN≥1.5IL特S1.5>GN1.5>GN1.5>GN表5說明明，，并并不不需需要要在在有有所所中中硬硬巖巖，，軟軟巖巖和和土土砂砂圍圍巖巖中中考考慮慮，，的的圍圍巖巖中中考考慮慮圍圍巖巖強(qiáng)強(qiáng)度度應(yīng)應(yīng)力力比比。。只只是是在在也也不不是是在在所所有有的的級(jí)級(jí)別別中中考考慮慮，，只只是是在在很很低低的的級(jí)級(jí)別別中中考考慮慮。。根據(jù)據(jù)以以上上所所述述，，應(yīng)應(yīng)該該認(rèn)認(rèn)識(shí)識(shí)到到“圍圍巖巖強(qiáng)強(qiáng)度度應(yīng)應(yīng)力力比比””是是判判定定圍圍巖巖條條件件的的重重要要指指標(biāo)標(biāo)。。它基基本本上上決決定定了了隧隧道道開開挖挖后后的的變變形形動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)。。因因此此，，加加強(qiáng)強(qiáng)決決定定圍圍巖巖強(qiáng)強(qiáng)度度應(yīng)應(yīng)力力比比的的兩兩個(gè)個(gè)條條件件，，即即：初初始始地地應(yīng)應(yīng)力力場(chǎng)場(chǎng)的的最最大大應(yīng)應(yīng)力力和和圍圍巖巖強(qiáng)強(qiáng)度度是非非常常重重要要的的。眾所所周周知知，，坑坑道道圍圍巖巖的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性是是由由圍圍巖巖自自身身的的強(qiáng)強(qiáng)度度和和坑坑道道的的尺尺寸寸所所決決定定的的。。其其中中，，由由圍巖巖的的物物理理力力學(xué)學(xué)和和圍圍巖巖完完整整性性決決定定的的圍圍巖巖強(qiáng)強(qiáng)度度是最最基基本本的的因因素素。。因因此此，，在在一一些些國(guó)國(guó)家家中中，，對(duì)對(duì)此此問問題題進(jìn)進(jìn)行行了了大大量量的的試試驗(yàn)驗(yàn)的的、、理理論論的的以以及及設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)值值的的研研究究。。2、外外部部因因素素（（人人為為的的因因素素））1）隧隧道道形形狀狀的的影影響響目前前的的理理論論解解析析多多數(shù)數(shù)是是以以圓圓形形坑坑道道為為基基礎(chǔ)礎(chǔ)的的，，當(dāng)當(dāng)坑坑道道形形狀狀不不是是圓圓形形時(shí)時(shí)，，相相應(yīng)應(yīng)的的公公式式都都要要改改變變，，此此時(shí)時(shí)可可用用有有限限元元法法進(jìn)進(jìn)行行求求解解。。但但在在初初步步設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)中中，，亦亦可可采采用用將將不不同同形形狀狀坑坑道道變變換換成成當(dāng)當(dāng)量量的的圓圓形形坑坑道道的的方方法法近近似似地地加加以以分分析析，，或或直直接接以以坑坑道道跨跨度度代代替替公公式式中中的的坑坑道道直直徑徑亦亦可可，，但但并并不不是是所所有有的的坑坑道道形形狀狀都都可可以以這這樣樣做做。。根根據(jù)據(jù)計(jì)計(jì)算算分分析析，，各各種種形形狀狀坑坑道道頂頂點(diǎn)點(diǎn)（（A點(diǎn)））和和側(cè)側(cè)壁壁中中點(diǎn)點(diǎn)（（B點(diǎn)））的的切切向向應(yīng)應(yīng)力力可可用用下下式式表表述述：：頂點(diǎn)點(diǎn)：：側(cè)壁壁中中點(diǎn)點(diǎn)：：式中中：：λ為側(cè)側(cè)壓壓力力系系數(shù)數(shù)；；當(dāng)當(dāng)λ＝1時(shí)，，A、B兩點(diǎn)點(diǎn)的的坑坑道道周周邊邊應(yīng)應(yīng)力力集集中中系系數(shù)數(shù)，，列列表表6。2）隧隧道道斷斷面面尺尺寸寸的的影影響響隧道道斷斷面面尺尺寸寸影影響響的的概概念念示示于于圖圖10。在同同樣樣的的圍圍巖巖中中，，隧隧道道斷斷面面尺尺寸寸，，一一般般說說不不會(huì)會(huì)改改變變開開挖挖后后的的變變形形規(guī)規(guī)律律，，僅僅僅僅是是量量值值上上有有所所不不同同而而已已。。但但從從另另一一角角度度看看，，隨隨著著斷斷面面尺尺寸寸的的加加大大，，圍圍巖巖的的地地質(zhì)質(zhì)模模式式可可能能改改變變，，如如從從整整體體狀狀，，變變?yōu)闉閴K塊狀狀，，或或碎碎裂裂狀狀等等。。實(shí)實(shí)質(zhì)質(zhì)上上是是圍圍巖巖級(jí)級(jí)別別改改變變了了（（圖圖））。。因因此此，，坑坑道道的的穩(wěn)穩(wěn)定定性性也也會(huì)會(huì)隨隨坑坑道道尺尺寸寸的的加加大大而而改改變變，，例例如如從從穩(wěn)穩(wěn)定定的的，，變變?yōu)闉闀簳簳r(shí)時(shí)穩(wěn)穩(wěn)定定的的或或不不穩(wěn)穩(wěn)定定的的。。如何何處處理理跨跨度度的的影影響響，，目目前前有有兩兩者者方方法法。。一一個(gè)個(gè)是是改改變變圍圍巖巖級(jí)級(jí)別別，，一一個(gè)個(gè)是是改改變變支支護(hù)護(hù)模模式式。。從從國(guó)國(guó)內(nèi)內(nèi)外外的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)施施工工實(shí)實(shí)績(jī)績(jī)看看，，多多數(shù)數(shù)國(guó)國(guó)家家都都采采用用改改變變支支護(hù)護(hù)模模式式的的方方法法予予以以對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)。。因因此此，，在在同同一一圍圍巖巖級(jí)級(jí)別別條條件件下下，，因因坑坑道道跨跨度度不不同同，，會(huì)會(huì)有有幾幾種種支支護(hù)護(hù)模模式式出出現(xiàn)現(xiàn)。。也也就就是是說說，，支支護(hù)護(hù)模模式式與與圍圍巖巖級(jí)級(jí)別別不不是是一一一一對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的。。目前前，，客客運(yùn)運(yùn)專專線線的的隧隧道道斷斷面面設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)，，根根據(jù)據(jù)列列車車速速度度而而異異，，在在同同樣樣圍圍巖巖條條件件下下，，其其開開挖挖跨跨度度大大體體上上，，從從7m變化化到到16m左右右。。顯顯而而易易見見，，對(duì)對(duì)開開挖挖跨跨度度合合理理分分級(jí)級(jí)，，決決定定其其對(duì)對(duì)應(yīng)應(yīng)的的支支護(hù)護(hù)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)參參數(shù)數(shù)，，是是在在控控制制技技術(shù)術(shù)研研究究中中必必須須解解決決的的問問題題。。日日本本新新的的公公路路隧隧道道技技術(shù)術(shù)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)（（構(gòu)構(gòu)造造篇篇）），，就就按按開開挖挖跨跨度度分分為為3級(jí)：：5～8m、8～12.5m和12.5～14.0m三級(jí)級(jí)。。3）隧隧道道埋埋深深的的影影響響；；淺埋埋與與深深埋埋相相比比，，主主要要是是難難以以形形成成承承載載拱拱。。視視地地質(zhì)質(zhì)條條件件會(huì)會(huì)出出現(xiàn)現(xiàn)拱頂下下沉急急劇增增大、、地表表下沉沉和開開裂以以及掌掌子面面不穩(wěn)穩(wěn)定等等現(xiàn)象象。地表下下沉與與埋深深有密密切關(guān)關(guān)系。。從圖圖11的試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果果可以以說明明，埋埋深大大時(shí)，，在隧隧道橫橫斷面面內(nèi)形形成了了承載載拱，，開挖挖引起起的下下沉，，局限限在隧隧道周周邊，，而埋埋深小小時(shí)，，沒有有形成成承載載拱，，開挖挖下沉沉?xí)敝苯舆_(dá)達(dá)到地地表面面。圖12(b)下半斷面開挖挖(a)上半斷面開挖埋深小的場(chǎng)合(a)上半斷面開挖（b）下半斷面開挖埋深大的場(chǎng)合根據(jù)實(shí)實(shí)測(cè)結(jié)結(jié)果的的分析析，首首先是是接近近掌子子面前前方的的圍巖巖急劇劇下沉沉，并并向后后方擴(kuò)擴(kuò)展，，結(jié)果果形成成了圖圖13所示的的盆狀狀的地地表下下沉。。此下沉沉槽的的坡度度是與與圍巖巖中發(fā)發(fā)生的的剪應(yīng)應(yīng)變相相對(duì)應(yīng)應(yīng)的。。超過過此限限界后后，如如圖所所示就就會(huì)發(fā)發(fā)生。。如上所所述，，在淺淺埋隧隧道中中應(yīng)關(guān)關(guān)注的的問題題是（1）因掌掌子面面前方方的先行下下沉很大，，會(huì)造造成很很大的的地表表下沉沉，因因此，，研究究控制制掌子子面前前方的的技術(shù)術(shù)措施施是十十分必必要的的；（2）因埋埋深小小，由由于上方土土體的的整體體下沉沉?xí)诘氐乇砻婷嫘纬沙砂夹涡嗡菹?，因因此，，在施施工中中控制制上方土土體的的整體體下沉沉是一一個(gè)關(guān)關(guān)鍵。在采采用臺(tái)臺(tái)階法法施工工時(shí)，，首先先是要要控制制住拱拱腳的的下沉沉，才才能控控制上上方土土體的的下沉沉；因因此，，研究究控制制拱腳腳下沉沉的施施工技技術(shù)也也十分分必要要。4）施工工方法法的影影響；；一般說說開挖挖分部部越多多，在在同樣樣地質(zhì)質(zhì)條件件下，，其位位移值值也越越大。。因此此，從從控制制位移移的角角度出出發(fā)，，采用用不分分部或或少分分部的的開挖挖方法法是主主流的的開挖挖方法法。這這也是是選定定開挖挖方法法的一一個(gè)重重要原原則。。例如在在臺(tái)階階法中中，臺(tái)臺(tái)階的的長(zhǎng)度度與地地質(zhì)條條件有有極大大關(guān)系系。一一般說說，隨隨地質(zhì)質(zhì)條件件的變變差，，臺(tái)階階長(zhǎng)度度也隨隨之變變短，，以便便縮短短斷面面的閉閉合時(shí)時(shí)間（（距離離）。。四、控控制隧隧道變變形的的關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)――開挖和和支護(hù)護(hù)技術(shù)術(shù)這里所所謂的的關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)，就就是開開挖和和支護(hù)護(hù)中的的關(guān)鍵鍵技術(shù)術(shù)。開開挖是是應(yīng)力力釋放放的方方法，，不同同的開開挖方方法，，應(yīng)力力釋放放的過過程及及程度度也是是不同同的，，支護(hù)護(hù)則是是應(yīng)力力控制制的方方法，，同樣樣地，，不同同的支支護(hù)方方法應(yīng)應(yīng)力控控制的的過程程和程程度也也是不不同的的。除除開挖挖、支支護(hù)作作業(yè)外外，其其他作作業(yè)都都是輔輔助性性的，，如運(yùn)運(yùn)輸、、排水水、通通風(fēng)、、量測(cè)測(cè)、地地質(zhì)超超前預(yù)預(yù)報(bào)等等。但但這些些作業(yè)業(yè)也是是左右右開挖挖、支支護(hù)成成敗的的關(guān)鍵鍵，也也不能能忽視視。因此作作為關(guān)關(guān)鍵技技術(shù)主主要指指：開挖、、支護(hù)護(hù)以及及不可可缺少少的輔輔助作作業(yè)三大方方面。。開挖、、支護(hù)護(hù)作業(yè)業(yè)的關(guān)關(guān)系定定位在礦山山法施施工中中，開開挖和和支護(hù)護(hù)是密密切相相關(guān)的的。根根據(jù)地地質(zhì)情情況，，其關(guān)關(guān)系大大致可可分為為以下下幾類類：·只挖不不支；在無無需支支護(hù)的的硬質(zhì)質(zhì)圍巖巖中采采用的的方法法；·先挖后后支；開挖挖后進(jìn)進(jìn)行支支護(hù)的的一般般地質(zhì)質(zhì)、地地形條條件下下采用用的方方法；；·先支后后挖；開挖挖前進(jìn)進(jìn)行支支護(hù)的的特殊殊地質(zhì)質(zhì)、地地形條條件下下采用用的方方法。。1、只挖挖不支支的場(chǎng)場(chǎng)合適用條條件――在堅(jiān)硬硬、自自支護(hù)護(hù)能力力比較較高的的圍巖巖。關(guān)鍵技技術(shù)之之一：：減少爆爆破振振動(dòng)對(duì)對(duì)圍巖巖的損損傷，，形成成平整整的開開挖輪輪廓。。目的――充分發(fā)發(fā)揮圍圍巖固固有的的自支支護(hù)能能力。?；敬氪胧┄D―··控制開開挖進(jìn)進(jìn)尺；；·控制一一次同同時(shí)起起爆的的炸藥藥量；；·采用電電子雷雷管對(duì)開挖挖技術(shù)術(shù)的基基本要要求在“只只挖不不支””的場(chǎng)場(chǎng)合，，圍巖巖本身身具有有充分分的自自支護(hù)護(hù)能力力，隧隧道開開挖后后，周周邊圍圍巖是是自穩(wěn)穩(wěn)的。。從結(jié)結(jié)構(gòu)角角度看看，隧隧道斷斷面能能夠自自然形形成穩(wěn)穩(wěn)定的的閉合合結(jié)構(gòu)構(gòu)，因因此無無需采采用任任何力力學(xué)意意義上上的支支護(hù)手手段。。在這這種情情況下下，控控制爆爆破對(duì)對(duì)周邊邊圍巖巖的損損傷是是開挖挖技術(shù)術(shù)的基基本要要求，，也是是控制制技術(shù)術(shù)的基基本要要求。。但從結(jié)結(jié)構(gòu)的的耐久久性出出發(fā)，，為了了防止止圍巖巖在運(yùn)運(yùn)營(yíng)時(shí)時(shí)期的的劣化化（風(fēng)風(fēng)化）），設(shè)設(shè)置一一定厚厚度的的砂漿漿或噴噴混凝凝土的的保護(hù)護(hù)層還還是必必要的的?；敬氪胧?-·采用機(jī)機(jī)械開開挖方方法，，如TBM工法、、盾構(gòu)構(gòu)工法法等·采用機(jī)機(jī)械和和爆破破并用用的開開挖方方法·采用少少分部部、大大斷面面的開開挖方方法，，如全全斷面面法、、臺(tái)階階法等等示例一一：降降低爆爆破振振動(dòng)的的對(duì)策策眾所周周知，，爆破破振動(dòng)動(dòng)的大大小，，基本本上是是由一一次齊齊發(fā)的的炸藥藥量等等決定定的。。因此此降低低一次次齊發(fā)發(fā)的炸炸藥量量是最最基本本的對(duì)對(duì)策。。此外外，即即使炸炸藥量量相同同，變變更爆爆破模模式和和與機(jī)機(jī)械開開挖并并用，，也能能夠減減輕爆爆破振振動(dòng)的的影響響。一一般說說，表表1列出的的減輕輕爆破破振動(dòng)動(dòng)的對(duì)對(duì)策，，可供供參考考。表1減輕爆爆破振振動(dòng)的的方法法炸藥量對(duì)策·采用多段爆破，降低齊發(fā)炸藥量：如采用MS電氣雷管、IC雷管、有導(dǎo)火管的雷管等·縮小爆破規(guī)模：如減小一次掘進(jìn)進(jìn)尺、分割爆破等其它對(duì)策·變更炸藥品種：如采用控制爆破用炸藥等；·變更掏槽方法：如采用雙楔形掏槽、平行掏槽等·與機(jī)械開挖方法并用：如采用TBM、碎石機(jī)掏槽、周邊溝槽爆破等·限制爆破時(shí)間等：（特別是夜間停止爆破作業(yè)）示例二二：TBM與爆破破并用用的開開挖方方法在大斷斷面隧隧道施施工中中，先先用小小直徑徑TBM掘進(jìn)導(dǎo)導(dǎo)坑，，再用用爆破破擴(kuò)挖挖成型型的開開挖方方法，，采用用的越越來越越多。。圖6是日本本東名名高速速公路路隧道道采用用的一一例。。示例三三：導(dǎo)導(dǎo)坑超超前與與擴(kuò)挖挖爆破破并用用的方方法在大斷斷面隧隧道施施工中中，為為了減減少爆爆破對(duì)對(duì)圍巖巖的損損傷和和振動(dòng)動(dòng)的影影響，，也有有采用用導(dǎo)坑坑超前前，而而后擴(kuò)擴(kuò)挖的的方法法。圖圖20是日本本在一一座公公路隧隧道中中采用用此法法的事事例。。2、先挖挖后支支的場(chǎng)場(chǎng)合適用條條件――在一般般地質(zhì)質(zhì)、地地形條條件下下，基基本上上都采采取““先挖挖后支支”或或“邊邊挖邊邊支””的施施工方方法，，例如如鐵路路隧道道的Ⅲ、Ⅳ級(jí)圍巖巖。這這是應(yīng)應(yīng)力釋釋放與與控制制相結(jié)結(jié)合的的方法法，即即邊開開挖、、邊控控制，，最終終形成成穩(wěn)定定的隧隧道結(jié)結(jié)構(gòu)。。實(shí)質(zhì)質(zhì)上這這是在在開挖挖后以以控制掌掌子面面后方方的變變形為主要要目的的的一一種施施工方方法，，即先釋放放、后后控制制的方法法。關(guān)鍵技技術(shù)――加強(qiáng)初初期支支護(hù)控控制圍圍巖松松弛，，坍塌塌，確確保開開挖工工作面面穩(wěn)定定目的――提高或或維持持圍巖巖固有有的支支護(hù)功功能基本措措施――·采用少少分部部的開開挖工工法。如：：全斷斷面法法或超超短臺(tái)臺(tái)階的的全斷斷面法法，其其次是是臺(tái)階階法；；·提高噴噴混凝凝土的的性能能；控控制隧隧道變變形的的發(fā)展展；·嚴(yán)格控控制各各開挖挖工作作面的的步距距，盡盡快閉閉合；；·縮短各各單項(xiàng)項(xiàng)作業(yè)業(yè)的時(shí)時(shí)間，，增加加循環(huán)環(huán)次數(shù)數(shù)，快快速施施工。。在“先挖挖后支支”的場(chǎng)合合，用用一般的的初期期支護(hù)護(hù)方法，，完全全可以以滿足足安全全、快快速施施工的的要求求。一一般說說，在在這樣樣的圍圍巖條條件下下，隧隧道的的變形形通過過初期期支護(hù)護(hù)，都都可以以收斂斂到變變形容容許值值范圍圍之內(nèi)內(nèi)，而而無需需采用用特殊殊的，，或輔輔助的的施工工措施施。這這是與與“先先支后后挖““的圍圍巖條條件的的一個(gè)個(gè)分界界點(diǎn)。。因此，從從控制變變形的角角度出發(fā)發(fā)，目前前提高初初期支護(hù)護(hù)的功能能和質(zhì)量量是關(guān)鍵鍵。提高初期期支護(hù)功功能和質(zhì)質(zhì)量的基基本措施施。1）噴混凝凝土首先應(yīng)該該認(rèn)識(shí)到到噴混凝凝土是如如何發(fā)揮揮支護(hù)作作用的。。從理論上上看，必必須具備備一定強(qiáng)強(qiáng)度和剛剛性之后后，才能能發(fā)揮其其支護(hù)作作用。但但噴混凝凝土與混混凝土一一樣，其其強(qiáng)度出出現(xiàn)需要要一定的的時(shí)間，，剛剛噴噴射到璧璧面的混混凝土是是沒有支支護(hù)作用用的，只只有其強(qiáng)強(qiáng)度達(dá)到到一定值值之后，，才開始始發(fā)揮支支護(hù)作用用。為此此，為了了讓噴混混凝土及及早發(fā)揮揮支護(hù)作作用，不不得不在在噴混凝凝土中摻摻入速凝凝劑。用用以控制制噴混凝凝土早期期強(qiáng)度的的出現(xiàn)。。這個(gè)時(shí)時(shí)間可長(zhǎng)長(zhǎng)可短，，是可以以控制的的。噴混凝土土的支護(hù)護(hù)作用主主要受到到噴混凝凝土與圍圍巖的附附著強(qiáng)度度和初期期強(qiáng)度所所支配。。因此，，提高噴噴混凝土土與圍巖巖的附著著性和初初期強(qiáng)度度是噴混混凝土施施工技術(shù)術(shù)的重要要課題。。在一般圍圍巖條件件下，即即采用先先挖后支支的場(chǎng)合合，噴混混凝土的的初期強(qiáng)強(qiáng)度可以以采用1天的抗壓壓強(qiáng)度達(dá)達(dá)到8～10MPa，附著強(qiáng)強(qiáng)度達(dá)到到1.0MPa即可。這這也是規(guī)規(guī)范對(duì)噴噴混凝土土的基本本要求。。從近期期噴混凝凝土技術(shù)術(shù)的發(fā)展展看，噴噴混凝土土中的粗粗骨料的的最大直直徑有向向小直徑徑方向發(fā)發(fā)展的趨趨勢(shì)，美美國(guó)“噴噴混凝土土用材料料規(guī)格””（ASTMC1436（2004）中，骨骨料的最最大直徑徑只有9.5mm，取消了了原來12.5mm的規(guī)定。。2）錨桿與噴混凝凝土有一一個(gè)共同同點(diǎn)，就就是砂漿漿錨桿，，也是要要在砂漿漿出現(xiàn)一一定強(qiáng)度度之后才才能發(fā)揮揮其支護(hù)護(hù)作用的的。因此此，砂漿漿也必須須采用早早強(qiáng)的，，這一點(diǎn)點(diǎn)一定要要加以注注意。錨桿的支支護(hù)作用用主要決決定于錨錨桿與圍圍巖的附附著強(qiáng)度度和抗剪剪強(qiáng)度。。如何提提高錨桿桿的附著著性和抗抗剪強(qiáng)度度，可以以采用適適當(dāng)增大大錨桿直直徑（增增加附著著面積））、適當(dāng)當(dāng)改變錨錨桿的表表面形狀狀，采用用早強(qiáng)砂砂漿等措措施。錨桿因圍圍巖變形形和滑動(dòng)動(dòng)，產(chǎn)生生拉力和和剪力而而發(fā)揮其其效果，，但在顯顯示連續(xù)續(xù)動(dòng)態(tài)的的軟弱圍圍巖和節(jié)節(jié)理發(fā)育育的中硬硬巖中，，因?yàn)樽冏冃文Ｊ绞讲煌?，，錨桿中中產(chǎn)生的的應(yīng)力也也不同。。所以，，定量評(píng)評(píng)價(jià)錨桿桿的支護(hù)護(hù)效果和和支護(hù)機(jī)機(jī)理的場(chǎng)場(chǎng)合，要要分開連連續(xù)動(dòng)態(tài)態(tài)的圍巖巖（連續(xù)續(xù)性圍巖巖）還不不連續(xù)面面發(fā)育的的圍巖（（不連續(xù)續(xù)性圍巖巖）考慮慮。（1）不連續(xù)續(xù)性圍巖巖的場(chǎng)合合在裂隙發(fā)發(fā)育的不不連續(xù)性性圍巖中中，沿裂裂隙、節(jié)節(jié)理的巖巖塊會(huì)產(chǎn)產(chǎn)生剝落落和移動(dòng)動(dòng)。因此此，在這這種圍巖巖中，如如圖21所示，錨錨桿應(yīng)控控制剝落落使圍巖巖成為一一體，而而發(fā)揮懸懸吊和組組合的作作用，同同時(shí)在不不連續(xù)面面處的錨錨桿呈S形變形而而發(fā)揮抗抗剪的作作用。而在全長(zhǎng)長(zhǎng)膠結(jié)型型錨桿中中，砂漿漿等會(huì)防防止巖塊塊沿節(jié)理理和裂隙隙滑動(dòng)，，而顯示示出控制制松弛的的效果。。（2）連續(xù)性性圍巖的的場(chǎng)合在連續(xù)性性圍巖中中，如圖圖22所示，設(shè)設(shè)置錨桿桿后，圍圍巖沿錨錨桿軸向向變形的的場(chǎng)合，，圍巖與與錨桿因因變形系系數(shù)的不不同，兩兩者間產(chǎn)產(chǎn)生相對(duì)對(duì)位移，，形成圖圖22b新的平衡衡狀態(tài)。。此時(shí)的的圍巖與與錨桿的的位移分分布如圖圖22c所示，錨錨桿出現(xiàn)現(xiàn)沒有相相對(duì)位移移的中性性點(diǎn)。同時(shí)，因因圍巖與與錨桿間間的相對(duì)對(duì)位移，，錨桿的的軸向產(chǎn)產(chǎn)生如圖圖22d所示的剪剪力?？偪傊谠谙韧诤蠛笾У膱?chǎng)場(chǎng)合，錨錨桿的支支護(hù)作用用，不容容忽視。。3）鋼架（（鋼支撐撐和格柵柵）格柵與鋼鋼支撐，，我們都都?xì)w為構(gòu)構(gòu)件支撐撐一類，，但兩者者的力學(xué)學(xué)作用是是完全不不同的。。前者，，只有與與噴混凝凝土并用用，才能能發(fā)揮其其支護(hù)作作用，而而且不能能立即發(fā)發(fā)揮承載載作用。。而后者者可以立立即地、、獨(dú)立地地發(fā)揮承承載作用用。因此此，需要要采用鋼鋼支撐的的場(chǎng)合，，決不能能用格柵柵代替。。兩者的的比較列列于表9。表9鋼支撐與與格柵的的比較支撐形式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)鋼支撐·架設(shè)后能夠立即承載，充分發(fā)揮其力學(xué)作用·加工比較容易，但需要較大的加工設(shè)備·安裝及構(gòu)件連接，比較簡(jiǎn)潔、方便·背后的混凝土不易填充密實(shí)，留有隙·重量大，架設(shè)安裝困難·鋼支撐的變形與混凝土變形不協(xié)調(diào)，混凝空土易開裂格柵·架設(shè)后不能立即承載，必須與噴混凝土配合，才能發(fā)揮其力學(xué)作用·加工容易，且不需要大型加工設(shè)備·重量小，易于架設(shè)安裝·因具有一定的柔性，能夠適應(yīng)圍巖的變形·噴混凝土完全包裹格柵，整體性好，背后不易留下空隙·架設(shè)后不能立即承載，一次支護(hù)作用小·在圍巖變形大的場(chǎng)合，不能有效地控制圍巖的變形對(duì)鋼支撐撐來說，，理論上上是可以以立即承承載的，，但實(shí)際際上，由由于鋼支支撐架設(shè)設(shè)的時(shí)間間和與周周邊圍巖巖接觸的的狀態(tài)，，都不是是很理想想的。一一般說，，鋼支撐撐屬于點(diǎn)點(diǎn)接觸的的構(gòu)件，，其受力力狀態(tài)主主要決定定于其接接觸狀態(tài)態(tài)。例如如，日本本在鋼支支撐的實(shí)實(shí)驗(yàn)研究究中，為為了確保保鋼支撐撐的支護(hù)護(hù)作用，，按圖24的接觸狀狀態(tài)進(jìn)行行了不同同組合的的試驗(yàn)。。試驗(yàn)結(jié)結(jié)果列于于表10。接觸點(diǎn)位置接觸點(diǎn)狀態(tài)FABF無荷載狀態(tài)下，接觸點(diǎn)具有300kg反力的鋼支撐1008060Fa無荷載狀態(tài)下接觸點(diǎn)無反力的鋼支撐907050Fb無荷載狀態(tài)下接觸點(diǎn)接觸點(diǎn)有空隙的鋼支撐605040表10明確指出出：鋼支支撐的接接觸點(diǎn)數(shù)數(shù)量越多多其承載載力也越越大，接接觸點(diǎn)具具有一定定反力，，比沒有有反力的的，承載載力也大大。由此此可見，，鋼支撐撐架設(shè)，，人為地地設(shè)置若若干個(gè)具具有一定定反力的的接觸點(diǎn)點(diǎn)，對(duì)提提高鋼支支撐的支支護(hù)作用用具有重重要意義義。日本本的鋼支支撐在架架設(shè)后都都要用木木楔，按按規(guī)定位位置，對(duì)對(duì)稱地打打入鋼支支撐與圍圍巖之間間，并施施加不小小于300kg以上的反反力，因因此，鋼鋼支撐受受力是均均勻的，，能夠更更好的發(fā)發(fā)揮鋼支支撐的作作用。我我們?cè)谑┦┕ひ?guī)范范中也規(guī)規(guī)定了要要設(shè)置楔楔點(diǎn)，堅(jiān)堅(jiān)持這一一點(diǎn)很重重要。示例一用高強(qiáng)度度噴混凝凝土代替替鋼支撐撐的試驗(yàn)驗(yàn)施工――日本北陸陸新干線線的峰山山隧道在隧道開開挖－支支護(hù)的施施工循環(huán)環(huán)中，鋼鋼支撐的的架設(shè)所所占用的的時(shí)間比比例是比比較大的的。因此此，為了了實(shí)現(xiàn)隧隧道的高高速施工工，日本本有關(guān)人人員提出出取消鋼鋼支撐的的建議，，并在北北陸新干干線的峰峰山隧道道（L＝7090m）進(jìn)行了了用高強(qiáng)強(qiáng)度噴混混凝土、、取消鋼鋼支撐的的支護(hù)體體系的開開發(fā)和試試驗(yàn)，獲獲得初步步成果。。峰山隧道道的地質(zhì)質(zhì)條件：：泥巖、、砂質(zhì)泥泥巖、礫礫巖等。。圍巖抗抗壓強(qiáng)度度平均在在10MPa左右，屬屬于易變變形的軟軟弱圍巖巖。相當(dāng)當(dāng)于我們們的Ⅴ級(jí)圍巖。。取消鋼支支撐后的的支護(hù)體體系，示示于圖7。采用了了初期高高強(qiáng)噴混混凝土（（10min的強(qiáng)度為為3N/mm2）和錨桿桿的支護(hù)護(hù)體系，，取消了了鋼支撐撐，以縮縮短開挖挖循環(huán)的的作業(yè)時(shí)時(shí)間和提提高施工工的安全全性。采采用的噴噴混凝土土的技術(shù)術(shù)特征如如下：·超低齡強(qiáng)強(qiáng)度，10min達(dá)3N/mm2以上，使使圍巖早早期穩(wěn)定定和進(jìn)行行大斷面面開挖；；·和易性及及粘性好好，回彈彈和粉塵塵少；·獲得的混混凝土耐耐久性高高；·可采用既既有的施施工系統(tǒng)統(tǒng)。表3、4列出根據(jù)據(jù)試驗(yàn)施施工的試試驗(yàn)配比比和支護(hù)護(hù)體系采采用的配配比。表3強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)施工機(jī)械

強(qiáng)度N/mm2試件基本混凝土10min1h3h1d7d28d7d28d1泵送5.75.86.719.137.049.231.657.92空氣壓送6.36.825.136.550.735.160.7泵送5.46.425.843.558.2表4初期高強(qiáng)強(qiáng)度噴混混凝土的的配比塌落度(cm)W/膠合材（％）S/a（％）單位用量（kg/m3）拌合時(shí)投入時(shí)水（W）水泥（C）硅灰（SF）細(xì)骨料（S）石灰石微粉末（L）粗骨料（G）高強(qiáng)度混合材（C+SF）速凝劑添加量（C+SF）×9％24～2620～2245702003802010731275304436取消鋼支支撐后的的開挖循循環(huán)作業(yè)業(yè)時(shí)間示示于圖9。施工步驟驟示于圖圖10.采用超短短臺(tái)階全全斷面法法。按平平行作業(yè)業(yè)進(jìn)行機(jī)機(jī)械編組組和開挖挖。即：：分開左左側(cè)半斷斷面和右右側(cè)半斷斷面，一一側(cè)用單單臂掘進(jìn)進(jìn)機(jī)開挖挖，另一一側(cè)用裝裝碴機(jī)連連續(xù)出碴碴（圖10）。采用的機(jī)機(jī)械編組組示于圖圖11。主要機(jī)機(jī)械有：：開挖用用的單臂臂掘進(jìn)機(jī)機(jī)（照片片2）；連續(xù)續(xù)出碴的的裝碴機(jī)機(jī)；噴混混凝土一一體型噴噴射機(jī)；；錨桿采采用二臂臂液壓臺(tái)臺(tái)車。模模板臺(tái)車車、仰拱拱棧橋，，一次澆澆注12m。為了研究究新的支支護(hù)模式式的性能能，在峰峰山隧道道西工區(qū)區(qū)地質(zhì)條條件比較較勻質(zhì)的的新第三三紀(jì)的泥泥巖，一一部分凝凝灰?guī)r和和礫巖區(qū)區(qū)間（長(zhǎng)長(zhǎng)度約121m），進(jìn)行行了改變變支護(hù)模模式和掘掘進(jìn)速度度的試驗(yàn)驗(yàn)。比較試驗(yàn)驗(yàn)的組合合列于表表5。試驗(yàn)?zāi)Ｊ骄蜻M(jìn)速度一次循環(huán)進(jìn)尺支護(hù)模式類別噴混凝土錨桿鋼支撐高速掘進(jìn)A250m/月1.5m新支護(hù)初期高強(qiáng)度噴混凝土T＝10cmL＝3.0mn＝14根c＝1.0m通常掘進(jìn)A100m/月1.0m通常掘進(jìn)B標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)高品質(zhì)噴混凝土T＝15cm同上H－125ctc＝1.0m比較試驗(yàn)驗(yàn)的量測(cè)測(cè)結(jié)果如如下。對(duì)高性能能噴混凝凝土的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)支護(hù)護(hù)模式來來說，取取消鋼支支撐的支支護(hù)模式式使開挖挖影響范范圍、位位移位移移值、拱拱頂部支支護(hù)軸力力都變小小了，高高性能初初期高強(qiáng)強(qiáng)度噴混混凝土的的強(qiáng)度、、剛性的的早期發(fā)發(fā)現(xiàn)也有有效果。。從掘進(jìn)速速度看，，高速掘掘進(jìn)比通通常掘進(jìn)進(jìn)在拱頂頂?shù)奈灰埔?、開挖挖影響范范圍、下下沉量、、位移速速度的收收斂期間間、支護(hù)護(hù)軸力等等都顯著著減小。。這是由由于高速速掘進(jìn)比比通常掘掘進(jìn)，從從開挖完完了到噴噴射完了了能夠在在比較短短的時(shí)間間內(nèi)，出出現(xiàn)早期期支護(hù)效效果，使使開挖影影響范圍圍、圍巖巖位移值值變小所所致。不采用鋼鋼支撐的的支護(hù)模模式中，，低材齡齡噴混凝凝土能夠夠承受比比較大的的荷載作作用的影影響；示例二提高單項(xiàng)項(xiàng)作業(yè)的的機(jī)械化化水平，，縮短各各單項(xiàng)作作業(yè)的時(shí)時(shí)間，增增加循環(huán)環(huán)次數(shù)，，是快速速施工的的主要方方法之一一。如采用用架設(shè)機(jī)機(jī)械架設(shè)設(shè)鋼支撐撐，鋼筋筋混凝土土襯砌采采用鋼架架骨架方方式澆筑筑混凝土土等。先把鋼筋筋組裝成成鋼筋塊塊而后搬搬入洞內(nèi)內(nèi)，在固固定位置置連接好好的方法法。鋼筋筋保持方方法也采采用墊塊塊的方法法，必要要時(shí)也可可采用最最小數(shù)量量的懸吊吊鋼筋?yuàn)A夾具。圖圖13是自立組組裝鋼筋筋的概念念圖和墊墊塊的使使用例。。在一些國(guó)國(guó)家，鋼鋼支撐的的架設(shè)，，一般說說，都是是采用鋼鋼支撐架架設(shè)機(jī)械械安裝的的。例如如日本在在赤巖隧隧道采用用的裝備備有舉重重臂的一一體型噴噴射機(jī)，，就是一一例。該該機(jī)械，，就是在在一體型型噴射機(jī)機(jī)上，裝裝備了2個(gè)能夠安安設(shè)鋼支支撐的舉舉重臂，，如圖14所示。2－3先支后挖挖的場(chǎng)合合適用條件件――在特殊地地質(zhì)、地地形條件件下要先先行支護(hù)護(hù)，才能能順利進(jìn)進(jìn)行開挖挖的方法法。關(guān)鍵技術(shù)術(shù)：加強(qiáng)超前前預(yù)支護(hù)護(hù)，抑制制掌子面面前方先先行位移移（變形形）和掌掌子面位位移（變變形）確確保開挖挖工作面面穩(wěn)定目的――控制圍巖巖松弛、、坍塌，，提高圍圍巖的支支護(hù)功能能。2－4“先支后挖挖”的基基本措施施這里指的的特殊地地質(zhì)、地地形條件件是易于于產(chǎn)生下下述現(xiàn)象象的圍巖巖。如：：1）開挖工工作面失失穩(wěn)；包包括掌子子面失穩(wěn)穩(wěn)、拱腳腳失穩(wěn)、、底部鼓鼓起、斷斷面擠入入等2）埋深小小的隧道道，會(huì)引引起地表表面大量量下沉及及偏壓；；3）在臺(tái)階階法施工工中，由由于拱腳腳承載力力不足，，引起拱拱腳下沉沉；4）在擠壓壓性圍巖巖、膨脹脹性圍巖巖以及斷斷層破碎碎帶等圍圍巖條件件下，會(huì)會(huì)產(chǎn)生極極大變形形、偏壓壓等。在這些地地質(zhì)。地地形條件件下，隧隧道施工工是相當(dāng)當(dāng)困難的的。不采采取超前預(yù)支支護(hù)加固固圍巖，是很難難進(jìn)行開開挖的。。發(fā)生上述述現(xiàn)象的的基本原原因是施工過程程中的開開挖工作作面失穩(wěn)穩(wěn)。因此，，在這種種場(chǎng)合，，控制掌子子面前方方先行位位移和掌掌子面位位移，是是確保施施工安全全、減少少施工風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)關(guān)鍵。因此，，許多技技術(shù)的開開發(fā)和發(fā)發(fā)展都與與此有關(guān)關(guān)。其針針對(duì)性是是十分明明確的。。從目前的的施工實(shí)實(shí)績(jī)看，，開挖工工作面失失穩(wěn)可以以分為以以下幾種種情況：：1）開挖工工作面正正面（以以后稱為為掌子面面）失穩(wěn)穩(wěn)；2）拱頂失失穩(wěn)、坍坍塌；3）臺(tái)階法法中拱腳腳下沉、、失穩(wěn)；；4）大變形形失穩(wěn)等等。解決這些些問題的的基本方方法是對(duì)對(duì)隧道周邊邊圍巖進(jìn)進(jìn)行預(yù)加加固，提高圍巖巖的自支支護(hù)能力力，減少少開挖過過程中的的圍巖松松弛。下面介紹紹的一些些示例，，都是國(guó)國(guó)外圍繞繞上述開開挖工作作面失穩(wěn)穩(wěn)而采取取的一些些技術(shù)。。三、控制制掌子面面失穩(wěn)的的技術(shù)1、傾斜的的掌子面面英國(guó)最近近在幾座座鐵路和和公路隧隧道中。。為了提提高掌子子面穩(wěn)定定性和作作業(yè)人員員的安全全，采用用傾斜的的掌子面面進(jìn)行開開挖，取取得了良良好的穩(wěn)穩(wěn)定效果果。其施施工步驟驟示于圖圖18。圖18斜掌子面的施施工步驟圖19是不同形狀掌掌子面的解析析結(jié)果一例。。塑性區(qū)的比較較位位移分布布的比較2、掌子面錨桿桿設(shè)置掌子面錨錨桿的目的是是給全斷面開開挖創(chuàng)造條件件。掌子面錨錨桿的長(zhǎng)度一一般都在12～24m之間，是比較較長(zhǎng)的。因此此，必須具備備打長(zhǎng)錨桿的的設(shè)備和技術(shù)術(shù)。下面是意意大利采用掌掌子面錨桿加加固掌子面前前方圍巖的一一些示例（圖圖20）。日本近期施工工的一些隧道道也開始采用用掌子面錨桿桿的方法來提提高掌子面的的自穩(wěn)性、一一直掌子面前前方圍巖的坍坍塌和先行下下沉。例如在在六戶隧道因因地表面存在在重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)物，要求控控制開挖引起起的先行位移移，就采用了了直徑76mm，長(zhǎng)18m（搭接長(zhǎng)度6m）的纖維掌子子面錨桿。圖圖21是錨桿的詳圖圖、照片6是其施工狀況況。圖23最大剪應(yīng)變分分布的比較圖22拱頂下沉、地地表面下沉、、掌子面擠出出量的比較日本在阿部倉(cāng)倉(cāng)隧道中采用用的開挖面注注漿式長(zhǎng)錨桿桿，為了解決決易于拆除的的問題，橫向向開槽的鋼管管，如圖24所示。開槽錨錨桿的規(guī)格：：STK400，φ76.3××5.2t，L＝12.5m。注漿材料采采用水泥系或或二氧化硅樹樹脂系。開槽槽錨桿的最大大特征是：每每50cm在鋼軌周圍設(shè)設(shè)一個(gè)槽，與與過去采用的的鋼管、鋼棒棒正面錨桿比比，歲開挖面面進(jìn)展易于切切斷，拆除容容易。圖24是日本采用金金屬錨桿的一一個(gè)事例，可可以借鑒。3、留核心土這也是我們經(jīng)經(jīng)常采用的方方法。日本對(duì)對(duì)不留核心土土，留核心土土以及不同臺(tái)臺(tái)階長(zhǎng)度的影影響等進(jìn)行的的一項(xiàng)研究說說明，不留核核心土的場(chǎng)合合，掌子面擠擠出量超過70mm的部分可達(dá)到到掌子面前方方1.3m，而留有核心心土的場(chǎng)合，，掌子面擠出出量超過70mm的部分，只達(dá)達(dá)到掌子面前前方0.6m處。核心土對(duì)對(duì)掌子面起到到了控制掌子子面擠出的效效果（圖25和26）。四、控制拱頂頂失穩(wěn)、坍塌塌的技術(shù)在復(fù)雜地質(zhì)、、地形條件下下，要想安全施施工必須確保保掌子面的穩(wěn)穩(wěn)定和極力控控制圍巖的松松弛和坍塌，，除加強(qiáng)初期期支護(hù)外，必必須采用有效效的超前支護(hù)技術(shù)術(shù)。超前支護(hù)技術(shù)術(shù)它不是輔助助性的，而是是支護(hù)技術(shù)中中的主要方法法之一，與噴噴混凝土、錨錨桿以及鋼架架具有同等的的重要性。1、超前支護(hù)超前支護(hù)依其其構(gòu)筑方法，，大體上分為為以下幾類。。·短超前支護(hù)：：2～5m左右，日本以以插板法和預(yù)預(yù)襯砌法為主主；·中超前支護(hù)；；5～10m左右，以水平平噴射注漿方方式為主；·長(zhǎng)超前支護(hù)：：10～15m左右，以長(zhǎng)鋼鋼管注漿方式式為主。1）短超前支護(hù)護(hù)，預(yù)襯砌和和短插板支護(hù)護(hù)示例一：插板板法這是日本在土土質(zhì)圍巖隧道道中采用的一一種方法。施施工證實(shí)，這這是一個(gè)超挖挖少，圍巖沒沒有松弛的、、可以用于任任意斷面形狀狀的開挖方法法。在土質(zhì)隧道施施工中，插板板法可以根據(jù)據(jù)地質(zhì)、埋深深、地表結(jié)構(gòu)構(gòu)物等進(jìn)行設(shè)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)出出適合周邊環(huán)環(huán)境和能夠正正確推進(jìn)的插插板和穩(wěn)定機(jī)機(jī)構(gòu)。其推進(jìn)進(jìn)千斤頂?shù)耐仆屏κ?0t/臺(tái)，可以人工工操作、連續(xù)續(xù)作業(yè)。此法一直到目目前，在城市市礦山法隧道道施工中應(yīng)用用。示例二：壓入入式短超前鋼鋼管工法壓入式短超前前鋼管工法作作為受到拱頂頂附近有軟弱弱圍巖時(shí)的掌掌子面穩(wěn)定對(duì)對(duì)策，在幾座座隧道中得到到了應(yīng)用。此此法是把直徑徑48.6mm，長(zhǎng)2～4m的鋼管，用臺(tái)臺(tái)車的鉆機(jī)壓壓入。圖29是壓入式短超超前鋼管工法法圖，照片9是其施工狀況況。與我們的的小導(dǎo)管極為為相似。圖29壓入式短超前前鋼管工法示例三鋼鋼管鋼背板壓壓入打擊工法法（SSPB工法）鋼管鋼背板壓壓入打擊工法法（SteelpipeSteelsheetpipePressfitBlowMethod）是在拱頂附附近地質(zhì)軟弱弱的場(chǎng)合，作作為穩(wěn)定掌子子面的對(duì)策而而實(shí)施的，在在幾座隧道中中得到應(yīng)用。。此法是在直徑徑65mm的鋼管上安設(shè)設(shè)輕量鋼背板板，搭載在臺(tái)臺(tái)車的導(dǎo)軌槽槽中，用鉆機(jī)機(jī)的壓入力和和打擊力，打打入掌子面拱拱頂?shù)那胺?。。鋼管具有使鋼鋼背板成為連連續(xù)的拱的效效果、提高超超前支護(hù)的剛剛性效果以及及使外周圍巖巖擠密的效果果。鋼管鋼背背板比注漿方方式的改良體體的剛性高，，能夠確實(shí)地地形成拱形結(jié)結(jié)構(gòu)及周邊圍圍巖擠密效果果。示例四：預(yù)襯襯砌法預(yù)襯砌法是用用厚約２０ｃｃｍ混凝土殼殼或砂漿殼，，形成比較柔柔軟的拱殼，，也可以用厚厚約３０ｃｍｍ形成剛性比比較大的拱殼殼。柔軟的拱拱殼主要用于于穩(wěn)定掌子面面，剛性大的的拱殼用于控控制地表下沉沉。日本預(yù)襯砌法法的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)數(shù)如下。預(yù)襯砌厚度：：１７０ｍｍｍ設(shè)置范圍：１１２０°（１１５°～１２５°）設(shè)置角度：７７°（５°～１０°）縱斷方向鉆孔孔長(zhǎng)度：４.０ｍ縱斷方向充填填長(zhǎng)度：３.５ｍ搭接長(zhǎng)度：００.５ｍ超前殘余長(zhǎng)度度：１.０ｍ（１.０～２.０ｍ）．鐵道和公路隧隧道的橫斷面面的標(biāo)準(zhǔn)模式式和縱向的標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)模式示于于圖34。2）中等長(zhǎng)度的的超前支護(hù)水平噴射注漿漿方式是中等等長(zhǎng)度超前支支護(hù)的主要方方式，日本規(guī)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)參參數(shù)如下：噴射改良體直直徑：６０００ｍｍ（600～800mm）設(shè)置范圍：１１２０°（１２０°～１８０°）設(shè)置角度：５５°（５°～１０°）縱斷方向改良良長(zhǎng)度：１００ｍ（6.0～13.0m）搭接長(zhǎng)度：１１.０ｍ（1.0～3.0m）超前殘余長(zhǎng)度度：4.0ｍ（3.0～4.0ｍ）．設(shè)置間距：６６００ｍｍ（（４００～６６００ｍｍ））標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面面示于圖39。3）長(zhǎng)鋼管超前前支護(hù)在全斷面開挖挖中，由于掌掌子面暴露的的面積大，當(dāng)當(dāng)需要采用超超前支護(hù)穩(wěn)定定掌子面時(shí)多多采用長(zhǎng)鋼管管超前支護(hù)。。日本規(guī)定的長(zhǎng)長(zhǎng)鋼管超前支支護(hù)的參數(shù)如如下：鋼管直徑：１１１４.３ｍｍ（76.3～114.3mm）設(shè)置范圍：１１２０°（５０°～１８０°）設(shè)置角度：５５°（４°～1０°）縱斷方向注漿漿長(zhǎng)度：12.5ｍ（5.5～17.5m）搭接長(zhǎng)度：３３.５ｍ（1.0～1.75m）超前殘余長(zhǎng)度度：３.５ｍ（１.０～７.５ｍ）．設(shè)置間距：４４５０ｍｍ（（3００～6００ｍｍ）標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)斷面面示于圖41