隧道變形及其控制技術(shù)

隧道變形及其控制技術(shù)基礎(chǔ)開頭語隧道設(shè)計、施工，最本質(zhì)的問題是什么？“把隧道開挖后的圍巖變形（松弛），控制在容許范圍之內(nèi)”，這也是確保施工安全和質(zhì)量的關(guān)鍵所在。為此，要解決三個問題：1、隧道開挖后是如何變形的？；2、如何把變形（松弛）控制在容許范圍之內(nèi)？；3、容許范圍有多大？。隧道開挖后初始地應(yīng)力場的應(yīng)力釋放，其結(jié)果必然引起變形，而變形的后果，就是造成圍巖松弛。因此當圍巖的變形或松弛超過一定范圍時，就會造成崩塌或不穩(wěn)定，因此需要采取一定對策對變形加以控制，把變形或松弛，控制到容許的范圍之內(nèi)。這就是我們要研究的基本內(nèi)容。一、隧道變形的實態(tài)

1－1概述研究控制技術(shù)，首先就要了解和認識隧道開挖后產(chǎn)生的變形形態(tài)及影響變形的各種因素。一般說隧道開挖后的變形，是各種各樣的，也是極為復雜的。把圍巖視為連續(xù)介質(zhì)的場合，可分3種情況進行研究。1）一般圍巖條件下深埋隧道的變形實態(tài)2）一般圍巖條件下淺埋隧道的變形實態(tài)3）特殊圍巖條件下隧道的變形實態(tài)1）一般圍巖條件下深埋隧道的變形實態(tài)

為了說明方便起見，首先用2個計算例加以說明。設(shè)初始地應(yīng)力場的水平方向和垂直方向的分力分別為px和py。例1：靜水壓荷載下的圓形隧道px＝py＝10kgf/cm2，E＝1000kgf/cm2，υ＝1/3例2：承受2方向不同荷載的半圓形隧道px＝（1/2）py＝5kgf/cm2，E＝1000kgf/cm2，υ＝1/3圖3及4分別表示隧道壁面（r=a）及周邊（r＝1.5a、2a、3a）的位移的計算結(jié)果（隧道寬度取D＝2a）。

圖1圓形隧道的周邊位移狀態(tài)（拱頂下沉）圖2半圓形隧道的周邊位移狀態(tài)（拱頂下沉）從圖1、2可知，在計算條件下，從掌子面前方到掌子面后方一定范圍內(nèi)的拱頂下沉分布規(guī)律，大致如下。1）隧道開挖后在掌子面前方一定范圍內(nèi)（2a~5a）產(chǎn)生了下沉，我們稱之為“先行位移”；2）在掌子面處，產(chǎn)生一定量的“初始位移”，此值與地質(zhì)條件關(guān)系密切，約為最終位移值的20～30％左右，這個位移是開挖后瞬間發(fā)生的；3）在掌子面后方，隨掌子面的推進，產(chǎn)生不斷增大的位移，其特點是初期的位移速度很大，而后增長的速度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。4）圍巖性質(zhì)（初始地應(yīng)力場、圍巖物性等）和施工方法是決定變形動態(tài)的主要因素，對隧道變形有一定影響。從圖1、2可知，在計算條件下，從掌子面前方到掌子面后方一定范圍內(nèi)的拱頂下沉分布規(guī)律，大致如下。1）隧道開挖后在掌子面前方一定范圍內(nèi)（2a~5a）產(chǎn)生了下沉，我們稱之為“先行位移”；2）在掌子面處，產(chǎn)生一定量的“初始位移”，此值與地質(zhì)條件關(guān)系密切，約為最終位移值的20～30％左右，這個位移是開挖后瞬間發(fā)生的；3）在掌子面后方，隨掌子面的推進，產(chǎn)生不斷增大的位移，其特點是初期的位移速度很大，而后增長的速度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。4）圍巖性質(zhì)（初始地應(yīng)力場、圍巖物性等）和施工方法是決定變形動態(tài)的主要因素，對隧道變形有一定影響。圖3是一個隨著掌子面推進的圍巖位移測定例。在隧道拱頂上方2m的位置設(shè)一個長50m的水平鋁管，根據(jù)測定的彎曲應(yīng)變計算位移。量測位移的分布規(guī)律與計算結(jié)果基本趨勢是一致的。總之，從計算和量測中我們可以得到一個重要認識，隧道開挖后的圍巖變形狀態(tài)可用圖4的三維圖表示。由上述各圖可知知，隧道開挖后后隧道的變形可可分為掌子面前方的先先行位移、掌子面擠出位移移及掌子面后方方的位移三種。這三種位位移是同時發(fā)生生的。在復雜地地形、地質(zhì)條件件下，支護的主主要目的就是要要抑制這些位移移的發(fā)展，也就就是抑制由這些些位移引起的圍圍巖松弛。因此此，對設(shè)計、施施工來說就是要要搞清楚這三種種位移（變形））的產(chǎn)生條件和和發(fā)展規(guī)律，并并通過什么手段段來控制其發(fā)展展。在一般圍巖條件件下隧道開挖后后的變形實態(tài)可可用圖5表示。在一般圍巖條件件下掌子面前方方圍巖的先行位位移，是在開挖挖后瞬間發(fā)生的的，先行位移的的最大值是在掌掌子面處，其值值約占總發(fā)生位位移的20～30％左右，掌子面面前方的先行位位移，涉及的范范圍也比較?。ǎs為1D左右），只有在在圍巖比較差的的場合，如Ⅴ級圍巖才需要加加以控制。因此，在一般圍圍巖條件下，主主要是用初期支支護控制掌子面面后方位移的發(fā)發(fā)展。掌子面后方位移移的動態(tài)特點是是初始位移發(fā)生生的比較快，而而且量值也比較較大，即初期位位移速度比較大大。因此，控制制初期位移速度度的發(fā)展是非常常重要的。這也也是判定圍巖好好壞的一個重要要指標。控制了了初期位移速度度的發(fā)展，也就就控制了最終位位移值。因此，，在實地量測中中，取得初始位位移值和初期位位移速度兩個重重要參數(shù)是非常常重要的。2－3一般圍巖條件下下淺埋隧道開挖挖后變形的基本本規(guī)律下面首先根據(jù)日日本在9座土砂圍巖中的的淺埋隧道中，，對隧道開挖后后引起的地表面面下沉現(xiàn)象的認認識加以說明。。一般說，根據(jù)據(jù)掌子面的進展展，可把地表面面下沉現(xiàn)象分為為表1幾類。地表地中典型現(xiàn)象崩塌典型現(xiàn)象崩塌1前方隆起或前方相對隆起（L<-1m）2橫向開裂3前方下沉3前方下沉和相對隆起4下沉持續(xù)增大5局部崩塌6下沉加速（－3m≤L≤3m）6下沉加速和相對下沉7崩塌8崩塌9下沉收斂(1m<L)9下沉收斂10相對下沉減小11縱向開裂地表和地中的下下沉現(xiàn)象一般說，隧道開開挖后，地表面面下沉與洞內(nèi)的的變形之間是相相關(guān)的，表1列出了之間的相相關(guān)關(guān)系，是很很重要的。從基本規(guī)律上看看，兩者（洞內(nèi)內(nèi)及地表面）是是一致的，也大大體上分為掌子子面前方的地表表面下沉、掌子子面位置正上方方的地表面下沉沉及掌子面后方方的地表面下沉沉。不同的是量量值和涉及的發(fā)發(fā)生范圍。在地表面下沉的的研究中，地表表面下沉的橫斷斷面分布是重要要的，但更為重重要的是地表面面下沉縱向的分分布。掌子面前前方的地表面下下沉涉及的范圍圍要比洞內(nèi)的掌掌子面前方位移移的范圍要大，，而且，在掌子子面到達前，在在地表面可能發(fā)發(fā)生與隧道軸線線正交的橫向開開裂。此開裂部部位大致在離掌掌子面0D.5~1.0D范圍內(nèi)。圖8表示地表面下沉沉的等值線。因此，控制地表表面下沉，除從從地表面采取對對策外，基本上上是從洞內(nèi)采取取控制掌子面前前方先行位移及及掌子面后方位位移的對策。在淺埋的土質(zhì)隧隧道中，當?shù)乇肀砻嫦鲁僚c對應(yīng)應(yīng)的拱腳下沉相相等或小于時，，會造成拱頂上上部圍巖整體下下沉的現(xiàn)象（圖圖9）。2－4特殊的圍巖條件件的隧道變形實實態(tài)這里指的特殊圍圍巖包括，例如如膨脹性圍巖、、擠入性圍巖等等會出現(xiàn)大大超超過容許值的大大變形的圍巖。。也包括特殊的的地形、地質(zhì)構(gòu)構(gòu)造的條件下，，會出現(xiàn)地形偏偏壓和構(gòu)造偏壓壓等產(chǎn)生不對稱稱的變形形態(tài)的的圍巖。特殊圍巖條件下下的大變形這里所謂的圍巖巖大變形，都與與圍巖的物性有有直接的關(guān)系，，具有膨脹性、、擠入性、流變變特性的圍巖，，均有產(chǎn)生大變變形的物性條件件。因此，研究究大變形，首先先要從圍巖的物物性分析著手。。這是不言而喻喻的。例如，日日本把土壓超過過圍巖強度，而而產(chǎn)生大變形的的圍巖，定義為為擠入性圍巖（（SqueezingGround）。此外把超過過100mm（擠入性圍巖的的單軸抗壓強度度為5MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.0％，開挖半徑為為5.0m，可能量測的位位移是總位移值值的50％條件下的凈空空位移值）的位位移定義為大變變形。隧道開挖后產(chǎn)生生大變形的動態(tài)態(tài)與一般圍巖條條件下的動態(tài)，，大同小異。其其基本特點就是是：掌子面前方方的先行位移值值大，一般說都都超過20～30％的數(shù)值，有的的可達40～60％；初始位移速速度也大，一般般會超過20mm/d，或者更大；變變形收斂的時間間長，甚至不收收斂。因此，在可能發(fā)發(fā)生大變形的隧隧道，開挖前就就要采取對應(yīng)的的控制對策和開開挖后采取對應(yīng)應(yīng)的控制掌子面面后方位移的對對策。同時，為確保穩(wěn)穩(wěn)定后的凈空斷斷面不侵入設(shè)計計斷面，要適當當加大預留變形形量。2）偏壓隧道的變變形產(chǎn)生偏壓的原因因有二：一是地地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的的；一是地形產(chǎn)產(chǎn)生的。但不管何種原因因產(chǎn)生的偏壓變變形的特點是變變形的不對稱性性。三、影響隧道變變形的基本因素素影響隧道變形的的基本因素有兩兩大類。即：客客觀因素和外部部因素。3－1客觀因素（內(nèi)在在因素）如前所述，影響響隧道開挖后變變形的兩個客觀觀因素就是初始地應(yīng)力場和和圍巖的力學特特性及構(gòu)造特性性。1）初始地應(yīng)力場場初始地應(yīng)力場指指未被開挖擾動動的原始地應(yīng)力力場。對初始地應(yīng)力場場的認識可以歸歸納如下?！に淼莱跏嫉貞?yīng)力力場是由重力應(yīng)應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力場構(gòu)成。以目前的認識和和技術(shù)水平看，，初始地應(yīng)力場，，多數(shù)認為按彈性的、重力力的、靜態(tài)的應(yīng)應(yīng)力場考慮。在埋深較淺，或或者埋深很大的的條件下，可以以不考慮構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力場的影響。?！Q定初始地應(yīng)力力場的關(guān)鍵是設(shè)設(shè)定合理的側(cè)壓壓力系數(shù)。因為為地應(yīng)力場的垂垂直應(yīng)力分量，，基本上都按上上覆埋深的重量量考慮。而水平平側(cè)壓力的大小小則主要決定于于側(cè)壓力系數(shù)。。從側(cè)壓力系數(shù)看看，初始地應(yīng)力力場存在三種情情況。即：側(cè)壓壓力系數(shù)小于1，等于1及大于1三種情況。這三三種情況的變形形模式是完全不不同的，其模式式的概念示于圖圖10。因此，在設(shè)計、、施工過程中，，必須掌握初始始地應(yīng)力場的側(cè)側(cè)壓力系數(shù)λ的變化，以便針針對不同的變形形模式采取不同同的控制措施。。一般說，側(cè)壓力力系數(shù)λ值，理論上是由由下式?jīng)Q定的。。即：λ＝μ/1-μ式中μ：圍巖的波松比比，其值在0～0.5之間變化。按此式?jīng)Q定的側(cè)側(cè)壓力系數(shù)，最最大是1。即，初始地應(yīng)應(yīng)力場相當于靜靜水應(yīng)力狀態(tài)。。但在實際隧道道工程中，λ大于1的情況是很多的的。因此，側(cè)壓壓力系數(shù)，基本本上不能根據(jù)理理論式（1）確定，而需要要根據(jù)實地量測測的反分析或者者統(tǒng)計數(shù)據(jù)等確確定。例如日本“山嶺嶺隧道設(shè)計施工工標準”（2008年版）建議按以以下條件推定側(cè)側(cè)壓力系數(shù)。H≤50m的場合λ＝0.015H＋0.25H＞50m的場合λ＝1.0式中H：埋深（m）其關(guān)系示于圖11、圖12和13是根據(jù)量測數(shù)據(jù)據(jù)統(tǒng)計的側(cè)壓力力系數(shù)與埋深的的關(guān)系。由圖可可知，側(cè)壓力系系數(shù)可能在0.4～2,0之間變化。較大大的場合，多在在1.0左右。圖11初始側(cè)壓系數(shù)Ko與埋深H的關(guān)系圖12始側(cè)壓系數(shù)Ko與埋深H的關(guān)系因此，初始地應(yīng)應(yīng)力場的研究中中，對側(cè)壓力系系數(shù)的研究也是是非常重要的。?！嶋H上由于地殼殼運動的結(jié)果形形成了各種形態(tài)態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造,如層狀、塊狀、、斷層、褶皺等等，在這種情況況下,圍巖的初始地應(yīng)應(yīng)力場也有所變變化。例如在背背斜構(gòu)造中，由由于巖層成拱狀狀分布,使上覆巖層重量量向兩翼傳遞,而直接處在背斜斜軸下面的巖層層則受到較小的的應(yīng)力，其垂直直應(yīng)力的變化，，可能如圖14所示；而在被斷斷裂分割的地質(zhì)質(zhì)構(gòu)造條件下，，下窄上寬的楔楔形圍巖移動時時,受到兩側(cè)巖塊的的夾制，因而使使應(yīng)力減小，反反之,下寬上窄的巖塊塊,則受到附加荷載載的作用，其垂垂直應(yīng)力分布可可能如圖15所示、處于正斷斷層和逆斷層的的條件下，水平平應(yīng)力會有很大大差異，如圖16所示。在不均質(zhì)質(zhì)的層狀圍巖中中，對垂直應(yīng)力力的分布也有很很大影響（圖17）等等?？傊?，，大量的實測資資料表明,地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)改改變了重力應(yīng)力力場的初始狀態(tài)態(tài),這在實際工作中中有時是不容忽忽視的?！?gòu)造運動的結(jié)果果也會使地形發(fā)發(fā)生變化，如圖圖18所示,這種地形的變化化,當然對初始地應(yīng)應(yīng)力場有很大影影響,該圖表示考慮地地形影響后,初始地應(yīng)力場主主應(yīng)力大小及其其方向的變化。。在埋深較小的的情況下,這種影響是不容容忽視的。圖18地形對自重應(yīng)力力場的影響·由于構(gòu)造應(yīng)力場場的不確定性,很難用函數(shù)形式式表達。它在整整個初始地應(yīng)力力場中的作用只只能通過某些量量測數(shù)據(jù)加以分分析。已發(fā)表的的一些成果表明明：（a）地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)態(tài)不僅改變了重重力應(yīng)力場,而且除以各種構(gòu)構(gòu)造形態(tài)獲得釋釋放外，還以各各種形式積蓄在在圍巖內(nèi),這種殘余構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力將對地下工工程產(chǎn)生重大影影響。（b）構(gòu)造應(yīng)力場在在不深的地方已已普遍存在,而且最大構(gòu)造應(yīng)應(yīng)力的方向,多近似為水平,其值常常大于重重力應(yīng)力場中的的水平應(yīng)力分量量,甚至也大于垂直直應(yīng)力分量，這這與重力應(yīng)力場場有很大不同。。位于片巖中的的陶恩隧道實地地量測的初始地地應(yīng)力場（圖19）就是一個例證證。圖19隧道的初始地應(yīng)應(yīng)力場圖20表明,埋深較小時,水平應(yīng)力和垂直直應(yīng)力的比值很很大。隨著埋深深的增加,趨于減小。從我我國現(xiàn)階段積累累起來的淺層(埋深小于500m)實測資料看,側(cè)壓力系數(shù)λ小于0.8者約占27.5%。在0.8～1.25之間者約占42.3%,大于1.25者約占30.2%。這說明，在一一定埋深的條件件下，初始地應(yīng)應(yīng)力場的水平應(yīng)應(yīng)力大于1的情況，占主導導地位。a垂直應(yīng)力與深度度的關(guān)系b水平應(yīng)力與深度度的關(guān)系圖20初始應(yīng)力的實測測統(tǒng)計根據(jù)圖20的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，Hoek認為：·深度超過1000m以后，垂直應(yīng)力力基本上可以用用p＝2.6×H表示；·小于1000m深度時，水平應(yīng)應(yīng)力一般比垂直直應(yīng)力大，在500m左右，平均大1.5倍。更淺的情況況，其比值更大大；·1000m以上的情況水平平應(yīng)力與垂直應(yīng)應(yīng)力趨于大致相相等。(c)構(gòu)造應(yīng)力場很不不均勻,它的參數(shù)無論在在空間上、時間間上都有很大變變化,特別是它的主應(yīng)應(yīng)力軸的方向和和絕對值變化很很大。（d）用分析方法求求解初始地應(yīng)力力場,由于明顯的原因因(構(gòu)造的、力學形形態(tài)的、量測技技術(shù)上的等）,常常會導致極大大的偏差。因此此,在理論分析中,常把初始地應(yīng)力力場按靜水應(yīng)力力場來處理。在在某些重要的工工程中,多采取實地量測測的方法來判斷斷主應(yīng)力的大小小及其方向的變變化規(guī)律。初始地應(yīng)力場是是決定隧道穩(wěn)定定性和破壞形態(tài)態(tài)的基本因素，，因此，在隧道道的設(shè)計施工中中，掌握初始地地應(yīng)力場是極為為重要的。（2）地質(zhì)體（圍巖巖）力學的（強強度、變形）、、構(gòu)造的（不連連續(xù)面分布、各各向異性、層狀狀、塊狀等）特特性地質(zhì)體的力學特特性包括強度特特性、變形特性性，同時也必須須認識和掌握地地質(zhì)體的構(gòu)造特特性。隧道工程程實踐充分表明明：圍巖的構(gòu)造造特性遠比力學學特性的影響更更為重要。因此此，對圍巖不僅僅要從力學特性性上進行分級，，也要在構(gòu)造特特性上進行分類類，兩者缺一不不可。目前從圍巖的地地質(zhì)模式上，通通常把圍巖按其其構(gòu)造分為整體體狀圍巖、塊狀狀圍巖、層狀圍圍巖、碎裂狀圍圍巖及土質(zhì)圍巖巖五大類。由于于這五類圍巖的的構(gòu)造特點，其其變形和破壞模模式也有所不同同。實際上，這這種劃分方法與與采用的理論分分析方法也是相相適應(yīng)的，如表表2所示。圍巖地質(zhì)模式土砂狀碎裂狀塊狀（層狀）大塊狀整體狀圍巖介質(zhì)模式連續(xù)介質(zhì)似連續(xù)介質(zhì)不連續(xù)介質(zhì)似連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)變形形態(tài)松散（松弛）變形彈塑性變形塊體松弛塊體錯動變形彈性變形也有分為硬巖系系圍巖，軟巖系系圍巖、土砂系系圍巖及特殊圍圍巖四大類的。。從理論上說，，凡是可以用連連續(xù)介質(zhì)表述的的圍巖，如整體體狀圍巖、土質(zhì)質(zhì)圍巖、碎裂狀狀圍巖，其開挖挖后的變形規(guī)律律都可以用上述述的基本規(guī)律表表達。而在層狀狀圍巖及塊狀圍圍巖，其變形動動態(tài)和規(guī)律則略略有不同。例如如垂直層狀圍巖巖和水平層狀圍圍巖其破壞模式式基本上如圖21所示。從強度角度出發(fā)發(fā)，多按巖石的的單軸抗壓強度度進行分級，分分為硬巖、中硬硬巖、軟巖及極極軟巖、土砂等等幾類。但應(yīng)認認識到，巖石強強度與圍巖強度度有著本質(zhì)上的的差異，我們需需要了解的是圍圍巖強度。因為為，決定坑道穩(wěn)穩(wěn)定性的不是巖巖塊的強度，而而是由包括巖塊塊、不連續(xù)面、、充填物構(gòu)成的的圍巖的強度。。這可以通過對對巖石強度的折折減予以確定。。依上所述，可以以看出：初始地地應(yīng)力場和圍巖巖的力學特性是是評價圍巖變形形動態(tài)的重要指指標，兩者缺一一不可。但從目目前的技術(shù)和研研究水平看，這這兩個指標都具具有極大的不確確定性。在多數(shù)數(shù)情況下是通過過類比、試驗、、量測及經(jīng)驗確確定的。（3）圍巖強度應(yīng)力力比――評價地質(zhì)（圍巖巖）條件的重要要指標隧道設(shè)計中如何何評價隧道所處處圍巖條件，它它對結(jié)構(gòu)設(shè)計究究竟具有什么影影響是一個現(xiàn)實實而不可回避的的問題。為了解解決這個問題目目前采用的方法法是用上述兩個個因素的比值，，即：“圍巖強度應(yīng)力力比”這個概念來評價價的。圍巖強度應(yīng)力比比Gn的定義是：圍巖巖內(nèi)部的最大地地應(yīng)力值（σmax）與圍巖強度（（RB）的比值。即：：Gn＝Rb/σmax(1)式中σmax：圍巖內(nèi)最大的的初始地應(yīng)力值值Rb：圍巖的抗壓強強度值也可以用其倒數(shù)數(shù)表述。構(gòu)造應(yīng)力會改變變自重應(yīng)力的初初始狀態(tài)，圍巖巖中的最大初始始地應(yīng)力σmax可能不是垂直方方向的，而是水水平方向的。應(yīng)應(yīng)根據(jù)實際量測測的數(shù)據(jù)而定。。在沒有量測數(shù)數(shù)據(jù)的條件下，，可采用垂直應(yīng)應(yīng)力為最大地應(yīng)應(yīng)力值或采用經(jīng)經(jīng)驗公式的計算算值。圍巖強度通常采采用圍巖的抗壓壓強度的實測值值，對巖質(zhì)圍巖巖來說，例如Ⅰ、Ⅱ級可采用巖石的的抗壓強度，而而其它級別的巖巖質(zhì)圍巖，則應(yīng)應(yīng)考慮對巖石強強度進行折減確確定，對土質(zhì)圍圍巖則應(yīng)根據(jù)實實測的c、φ值通過計算決定定。目前，確定圍巖巖強度的最有效效的方法是通過過對圍巖和構(gòu)成成圍巖的巖石試試件的彈性波速速度的測試，用用其速度平方的的比值來確定。。即：Rb=Rc（Vp/vp）2式中Rc：巖石試件的抗抗壓強度Vp：圍巖的彈性波波速度vp：巖石試件的彈彈性波速度圍巖強度應(yīng)力比比應(yīng)該沿隧道縱縱向逐段確定。。目前在隧道工程程施工中，都把把圍巖強度應(yīng)力力比作為判斷圍圍巖穩(wěn)定性的重重要指標，有的的還作為圍巖分分級的重要指標標。ⅠⅡⅢ法國隧協(xié)>42～4<2我國工程圍巖分級標準>74～7<4日本新奧法指南>42～4<2日本仲野分級>42～4<2地應(yīng)力場情況主要現(xiàn)象RB/σmax極高地應(yīng)力場硬質(zhì)巖：開挖過程中時有巖爆發(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)時間長，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，基坑時有剝離現(xiàn)象，成形性—般尚好軟質(zhì)巖：巖芯時有餅化現(xiàn)象．開挖工程中洞壁巖位移顯著，持續(xù)時間較長，成洞性差，基坑有隆起現(xiàn)象，成形性較差4～7表4不同地應(yīng)力場的的圍巖在開挖中中出現(xiàn)的主要現(xiàn)現(xiàn)象圍巖強度應(yīng)力比>42～4<2土壓特性不產(chǎn)生塑性地壓有時產(chǎn)生塑性地壓多產(chǎn)生塑性地壓應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)RB/σmaxRt/σmaxSRF圍巖強度充分，但有地應(yīng)力問題的情況低地應(yīng)力、地表附近>200>132.5中等地應(yīng)力200～1013～0.661.0高地應(yīng)力10～50．66～0．330.5～2微弱的巖爆5～2.50．33～0.165～10強烈?guī)r爆<2.5<0.1610～20地應(yīng)力值高、擠出和塑性流動的情況緩慢擠出5～10急劇擠出10～20表6Barton的圍巖強度應(yīng)力力比分級注：RB：圍巖抗壓強度度；σmax：最大地應(yīng)力值值；Rt：圍巖抗拉強度度；SRF：應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)數(shù)圍巖種類中硬巖軟巖土砂圍巖級別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在日本道路公團團的隧道圍巖分分級中，也把圍圍巖強度應(yīng)力比比作為中硬巖、、軟巖及土砂圍圍巖分級的一個個重要參考指標標（表7）加以考慮。表7日本隧道圍巖分分級中的圍巖強強度應(yīng)力比基準準根據(jù)以上所述，，應(yīng)該認識到“圍巖強度應(yīng)力力比”是判定圍圍巖條件的重要要指標。它基本上決定了了隧道開挖后的的變形動態(tài)。因因此，加強決定定圍巖強度應(yīng)力力比的兩個條件件，即：初始地應(yīng)力場場的最大應(yīng)力和和圍巖強度的研研究是非常重要的。眾所周知，坑道道圍巖的穩(wěn)定性性是由圍巖自身身的強度和坑道道的尺寸所決定定的。其中，由由圍巖的物理力學學和圍巖完整性性決定的圍巖強強度是最基本的因素素。因此，在一一些國家中，對對此問題進行了了大量的試驗的的、理論的以及及設(shè)計值的研究究。例如，日本根據(jù)據(jù)隧道施工事例例的凈空位移和和拱頂下沉量測測結(jié)果、實施的的支護模式及數(shù)數(shù)值解析結(jié)果計計算出圍巖強度度應(yīng)力比和隧道道斷面變形率的的關(guān)系示于圖22。據(jù)此，可以知知道，圍巖強度度應(yīng)力比小，斷斷面變形率大。。特別是，圍巖巖強度應(yīng)力比在在2以下，斷面變形形率急劇增加。。這里以日本公路路隧道的圍巖分分級的圍巖強度度應(yīng)力比為基準準，按圖22讀取斷面變形率率，兩者的關(guān)系系列于表8。由表可知，圍圍巖強度應(yīng)力比比在1以下，斷面變形形率在0.8％以上，需要采采用能夠控制變變形的施工技術(shù)術(shù)。這樣，就可可以在事前調(diào)查查及隧道施工時時的量測結(jié)果掌掌握圍巖強度應(yīng)應(yīng)力比，也就是是掌握了斷面變變形率。因此，在無支護護坑道穩(wěn)定性的的研究中，研究究圍巖強度應(yīng)力力比的確定、應(yīng)應(yīng)用是非常重要要的。圍巖強度應(yīng)力比斷面變形率（％）4以上0.3以下4～20.1～0.52～10.5～0.81以下0.8以上表8斷面變形率的范范圍注：（斷面變形形率＝隧道凈空空位移值/隧道開挖寬度×100）。3－2外部因素（人為為的因素）外部因素對隧道道變形的影響，，也不容忽視。。其中包括隧道道形狀、跨度、、埋深及施工方方法等。1）隧道形狀的影影響目前的理論解析析多數(shù)是以圓形形坑道為基礎(chǔ)的的，當坑道形狀狀不是圓形時，，相應(yīng)的公式都都要改變，此時時可用有限元法法進行求解。但但在初步設(shè)計中中，亦可采用將將不同形狀坑道道變換成當量的的圓形坑道的方方法近似地加以以分析，或直接接以坑道跨度代代替公式中的坑坑道直徑亦可，，但并不是所有有的坑道形狀都都可以這樣做。。根據(jù)理論計算算分析，各種形形狀坑道的頂點點（A點）和和側(cè)壁壁中點點（B點）的的切向向應(yīng)力力可用用下式式表述述：頂點：：側(cè)壁中中點：：式中：：λ為側(cè)壓壓力系系數(shù)；；當λ＝1時，A、B兩點的的坑道道周邊邊應(yīng)力力集中中系數(shù)數(shù)，列列表9。由表9可知：：編號號4、5、6的坑道道，基基本上上都可可以按按圓形形坑道道來處處理，，不會會造成成很大大誤差差。對對鐵路路隧道道來說說，雙雙線隧隧道斷斷面直直接采采用圓圓形斷斷面的的求解解公式式是可可行的的。2）隧道道斷面面尺寸寸的影影響隧道斷斷面尺尺寸影影響的的概念念示于于圖23。在同樣樣的圍圍巖中中，隧隧道斷斷面尺尺寸，，一般般說不不會改改變開開挖后后的變變形規(guī)規(guī)律，，僅僅僅是量量值上上有所所不同同而已已。但但從另另一角角度看看，隨隨著斷斷面尺尺寸的的加大大，圍圍巖的的地質(zhì)質(zhì)模式式可能能改變變，如如從整整體狀狀，變變?yōu)閴K塊狀，，或碎碎裂狀狀等。。實質(zhì)質(zhì)上是是圍巖巖級別別改變變了（（圖23）。因因此，，坑道道的穩(wěn)穩(wěn)定性性也會會隨坑坑道尺尺寸的的加大大而改改變，，例如如從穩(wěn)穩(wěn)定的的，變變?yōu)闀簳簳r穩(wěn)穩(wěn)定的的或不不穩(wěn)定定的。。如何處處理跨跨度的的影響響，目目前有有兩者者方法法。一一個是是改變變圍巖巖級別別，一一個是是改變變支護護模式式。從從國內(nèi)內(nèi)外的的設(shè)計計施工工實績績看，，多數(shù)數(shù)國家家都采采用改改變支支護模模式的的方法法予以以對應(yīng)應(yīng)。因因此，，在同同一圍圍巖級級別條條件下下，因因坑道道跨度度不同同，會會有幾幾種支支護模模式出出現(xiàn)。。也就就是說說，支支護模模式與與圍巖巖級別別不是是一一一對應(yīng)應(yīng)的。。在圍圍巖級級別確確定的的條件件下，，一種種支護護模式式其適適應(yīng)的的跨度度也有有一定定的范范圍。。目前，，客運運專線線的隧隧道斷斷面設(shè)設(shè)計，，根據(jù)據(jù)列車車速度度而異異，在在同樣樣圍巖巖條件件下，，其開開挖跨跨度大大體上上，從從7m變化到到16m左右。。顯而而易見見，對對開挖挖跨度度合理理分級級，決決定其其對應(yīng)應(yīng)的支支護結(jié)結(jié)構(gòu)參參數(shù)，，是在在控制制技術(shù)術(shù)研究究中必必須解解決的的問題題。日日本新新的公公路隧隧道技技術(shù)標標準（（構(gòu)造造篇）），就就按開開挖跨跨度分分為3級：5～8m、8～12.5m和12.5～14.0m三級。。從穩(wěn)定定性角角度出出發(fā)，，要進進行跨跨度分分級就就必須須解決決無支支護跨跨度的的問題題。例例如根根據(jù)Barton對約30個無支支護空空洞的的調(diào)查查，給給出圖圖24無支護護坑道道的坑坑道與與Q值的關(guān)關(guān)系并并用下下式表表示。。無支護護空洞洞跨度度＝2×Q0.663）隧道道埋深深的影影響；；隧道埋埋深，，對開開挖后后隧道道變形形的影影響是是很顯顯著的的。埋埋深的的影響響有雙雙重意意義，，一個個是深深淺埋埋隧道道的劃劃分，，一個個是深深埋隧隧道不不同埋埋深條條件下下的變變形動動態(tài)。。淺埋埋與深深埋相相比，，主要要是難難以形形成承承載拱拱。視視地質(zhì)質(zhì)條件件會出出現(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。而而后者者則是是在同同樣圍圍巖條條件下下，隨隨埋深深的增增加，，變形形急劇劇增長長，甚甚至變變得不不穩(wěn)定定。首先談?wù)劦乇肀硐鲁脸僚c埋埋深有有密切切關(guān)系系。從從圖25的模型型試驗驗結(jié)果果可以以說明明，埋埋深大大時，，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，，沒有有形成成承載載拱，，開挖挖下沉沉會直直接達達到地地表面面。因此，，我們們基本本上把把開挖挖的影影響達達到地地表面面的隧隧道，，定義義為淺淺埋隧隧道。。其變變形動動態(tài)在在前面面已經(jīng)經(jīng)說明明。埋深的的增加加，實實質(zhì)上上就是是初始始地應(yīng)應(yīng)力場場量值值的增增加，，而且且，如如上所所述，，圍巖巖的側(cè)側(cè)壓力力系數(shù)數(shù)也會會隨之之變化化，因因此隧隧道開開挖后后的變變形動動態(tài)，，也會會出現(xiàn)現(xiàn)很大大的差差異。。在同同樣圍圍巖條條件下下，其其變形形動態(tài)態(tài)可能能從彈彈性變變形逐逐漸轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)闉閺椝芩苄宰冏冃危?，甚至至發(fā)生生與時時間有有關(guān)的的流變變變形形等。。4）施工工方法法的影影響；；施工方方法對對隧道道開挖挖后的的變形形動態(tài)態(tài)的影影響是是非常常顯著著的。。其影影響主主要表表現(xiàn)在在以下下幾個個方面面。（1）橫斷斷面開開挖的的分部部開挖挖；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重重要原原則。。從這這個角角度出出發(fā)，，當然然選擇擇全斷斷面法法或者者臺階階法是是最好好的。。從快快速施施工的的角度度出發(fā)發(fā)也是是這樣樣。（2）開挖挖縱斷斷面形形狀另外，，如圖圖26所示的的開挖挖縱斷斷面形形狀，，這是是一般般采用用的縱縱向分分割施施工的的，但但要考考慮隧隧道全全體的的穩(wěn)定定，決決定上上半斷斷面、、下半半斷面面、仰仰拱開開挖各各自的的長度度，也也就是是決定定整個個斷面面的閉閉合時時期。。從橫橫斷面面看，，一個個斷面面閉合合圍巖巖就是是穩(wěn)定定的，，但從從縱斷斷面形形狀看看，隧隧道閉閉合意意味在在各個個階段段上半半斷面面的支支護、、下半半斷面面的支支護、、仰拱拱部位位的支支護都都要完完成才才能形形成閉閉合的的狀態(tài)態(tài)。為為此，，在隧隧道掘掘進過過程中中，一一般說說，從從隧道道縱斷斷面看看不穩(wěn)穩(wěn)定狀狀態(tài)是是連續(xù)續(xù)的。。因此此，從從隧道道全體體的穩(wěn)穩(wěn)定看看，不不僅