隧道工程围岩大变形及预测预报研究
隧道超前地质预报的概念及其研究的目的与意义
隧道超前地质预报的概念及其研究的目的与意义一、隧道超前地质预报的定义近年来，随着我国国民经济的迅速发展，以及高速铁路、高速公路、路、城市轨道交通等工程大规模建设，长大隧道数量也越来越多。
但隧道施工进度经常成为制约整个整个工程进展的瓶颈，隧道快速掘进的主要难题是如何超前了解掌子面前方的地质情况和岩石力学参数，其中隧道轴线的地质界面可能会在施工掘进中发生严重的问题，如塌方、突泥、突涌等灾害，尤其是当这些灾害交叉发生时，问题会更加严重。
隧道超前地质预报就是解决个难题行之有效的方法。
隧道超前地质预报是通过物探、钻探或导坑，并配合地质测绘或地质调查等手段收集的资料，对隧道的某个段落，或某个部位及其前方一定范围内的围岩地质特征、结构特征和完整状态、围岩级别及隧道开挖后的稳定性进行预测，并提出隧道前方开挖和支护建议的报告。
力图在施工前掌握前方的岩土体结构、性质、状态，以及地下水、瓦斯等的赋存情况、地应力情况等地质信息，指导隧道施工，以避免施工及运营过程中发生涌水、瓦斯突出、岩爆、大变形等地质灾害，保证施工的安全。
二、隧道超前地质预报的目的与意义隧道工程属于隐蔽工程，常常会受到各种不良地质体的影响，在隧道施工前或者施工过程中如果不能准确地对可能遇到的不良地质体进行预报或预测，就有可能影响施工的进度，甚至会引发灾难性事故。
不良地质体本包括括施工地段岩件不同的岩体、断层裂隙构浩带、强富水诱水她层、岩溶等。
不同岩性的岩体可能会对施工机械造成损害，也有可能发生冒落、塌方等事故，这不仅增加了建造及维护维修成本，还会影响工期，造成较大的损失；断层裂隙构造带对工程影响很大，破碎带可能将上下岩层的水系导通，在岩层间形成润滑层。
断层裂隙面极易滑动，造成岩层失稳，引发山体滑坡及泥石流涌动。
所以在断层裂隙构造带附近施工时，要随时观察构造的联系及导通情况，防止透水和由岩层失稳引起的事故发生；在强富水透水层以及岩溶区，主要是防止透水事故的发生，以及透水后園地层减压造成的岩层失稳。
隧道围岩挤压变形预测方法研究
岩体强度进行估算 ， Ｆ中地应力应取垂 直于隧道走 向的最 大地应 力。挤压变形 破坏 大都发生 在 Ｆ≤１的情 况
ａ ｎ ｗ ｎｄ ａ ａｌ ｂ ｅ ｍｅｈｏ ｒ ｐ ｅ ｉ ｔ ｎ ｏ ｈ ｑ ｅ ｉ ｇ ｄｅｏ ａ ｉｎ ｏ ｈｅ ｓ ｒｏ ｄ ｎ ｏ ｋ ｏ ｕ ｎｅ ． ｅ ａ ｖ ｉａ ｌ ｔ ｄ ｆ ｒ ｄ ｃｉ ｆｔ ｅ ｓ ｕｅ ｚｎ ｆ ｒ ｔｏ ｆｔ ｕ ｒ ｕｎ ｉ ｇ ｒ ｃ ｆｔ ｎ １ ｏ ｏ ｍ
ｔ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｒ ｓａ ｔ ｓ ｒ ｎ ｉ ｇ ｔ ｈ ｕ ｎ ｌａ ｈ ｒ ｓａ ｔ ｓ ｎ ｔ ｅ ｓｒ ｎ ｈ ｓ ｅ ｓ ｒ ｔ ａｕ ｈ ｘ ｍｕ ｃ ｕ ｔｌｓｒ ｓｔｅ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｔ ｎ ｅ ｓｔ ｅ ｃ ｔｌｓｒ ｓ ｉ ｈ ｔ ｇ ｔ ｓ ａｉ ｖ ｌ ｅ Ｆ． Ｕｓ ａｌ ｅ ｕ ｅ ｅｔ ｒ ｏ ｕｌ ｙ，ｔ ｅ ｈ
０ ２年 １ 第２ １ （ ２月１ ２期 总 ６ ）
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文 章编 号 ：０ ６—２ ０ （ ０ ２ ０ ０ ５ １０ １６ ２ １ ） ２— ０ ０—０ ５
隧 道 围 岩 挤 压 变 形 预 测 方 法 研 究
节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究
第 55 卷第 1 期2024 年 1 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.55 No.1Jan. 2024节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究阳军生1，夏裕栋1，方星桦1，刘伟龙1，王法岭2(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；2. 中铁十二局集团有限公司，山西 太原，030024)摘要：某高速铁路XHS 隧道穿越节理化炭质页岩地层，在施工过程中围岩大变形、失稳坍塌现象显著，现场采用强支护和仰拱加深等措施后围岩变形控制效果不佳。
针对XHS 隧道节理化炭质页岩地层地质条件，结合现场监测手段、离散−连续耦合数值模拟分析围岩大变形及破坏特征，基于数值模拟提出以采取地层预加固为主的围岩变形控制措施，并通过现场试验探讨该控制措施的应用效果。
研究结果表明：隧道开挖后，围岩变形具有变形量大、变形速率快的特点，围岩拱部沉降量大于水平收敛量且变形具有非对称的分布特征；受三台阶法多次开挖扰动影响，围岩卸荷范围动态发育并不断向全环扩展，松动区逐渐由浅部围岩向深部转移，并呈现出非对称的破坏特征，最终引发围岩大变形；采取地层预加固后，模型中围岩变形和松动区范围明显减小，围岩非对称变形破坏也得到了有效控制；在采用地层预加固、管棚超前支护、三台阶临时仰拱法开挖的控制措施后，围岩变形得到控制，施工效果良好，隧道恢复正常施工，保证了隧道的顺利贯通；以地层预加固为主的控制措施是此类节理化炭质页岩地层围岩变形控制的有效手段。
关键词：节理化岩体；炭质页岩；大变形；离散−连续耦合分析；预加固中图分类号：U459.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2024）01-0188-13Research on large deformation and control technology of tunnelsurrounding rock in jointed carbonaceous shale strataYANG Junsheng 1, XIA Yudong 1, FANG Xinghua 1, LIU Weilong 1, WANG Faling 2(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. China Railway 12th Bureau Group Co. Ltd., Taiyuan 030024, China)Abstract: A high-speed railroad XHS tunnel which crosses through the jointed carbonaceous shale stratum shows significant large deformation and collapse of the surrounding rock. The control effect is not good after adopting measures such as strong support and deepening of the tunnel invert. For the geological conditions of jointed carbonaceous shale stratum in XHS tunnel, the large deformation and damage characteristics of the surrounding收稿日期： 2023 −03 −05； 修回日期： 2023 −04 −20基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(U1934211) (Project(U1934211) supported by the National Natural ScienceFoundation of China)DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2024.01.016引用格式： 阳军生, 夏裕栋, 方星桦, 等. 节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究[J].中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(1): 188−200.Citation: YANG Junsheng, XIA Yudong, FANG Xinghua, et al. Research on large deformation and control technology of tunnel surrounding rock in jointed carbonaceous shale strata[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2024, 55(1): 188−200.第 1 期阳军生，等：节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究rock were analyzed by combining on-site monitoring means and discrete-continuum coupled numerical method.Based on the numerical simulation, the control measures of surrounding rock deformation which mainly focused on pre-reinforcement of stratum were proposed, and the application effect was explored through on-site test. The results show that the rock mass deformation after tunnel excavation is characterized by large volume and fast rate, the crown settlement value is larger than the horizontal convergence value, and the deformation has asymmetric distribution characteristics. Under the influence of multiple excavation disturbances, the unloading area dynamically develops and continuously expands to the whole ring, and the loosening area gradually transfers from the shallow rock mass to the deep and presents asymmetric damage characteristics, which eventually causes the large rock mass deformation. After taking pre-reinforcement measures, the sizes of deformation and loosening areas in the numerical model are obviously reduced, and the asymmetric deformation damage is effectively controlled. With the control measures of pre-reinforcement of the stratum, combined with over-supporting of the pipe shed and three-bench excavation method with temporary invert, the deformation is controlled and the construction effect is good. The tunnel resumes normal construction, and these measures also ensure the tunnel completion. The control measures which are mainly based on pre-reinforcement of the stratum are effective means to control the surrounding rock deformation in this type of jointed carbonaceous shale stratum.Key words: jointed rock mass; carbonaceous shale; large deformation; discrete-continuum coupled analysis; pre-reinforcement我国中西部地区地势起伏较大、地质构造强烈、地质环境复杂，区域内广泛分布炭质板岩、页岩、千枚岩等层状变质软岩，其具有构造层理及节理密集发育、岩体软弱破碎、强度低、自稳能力差、遇水易软化崩解、各向异性力学性质显著等特征。
软岩大变形研究现状
隧道围岩大变形阶段报告1．概述深埋隧道通过软岩和断层带时,在高的地应力和富水条件下通常产生大变形.这种隧道围岩变形量大,而且位移速度也很大,一般可以达到数十厘米到数米,如果不支护或支护不当,收敛的最终趋势是隧道将被完全封死,如果发生在永久衬砌构筑以前,往往表现为初期支护严重破裂、扭曲,挤出面侵入限界.这种大变形危害巨大,严重影响施工工期或者线路正常运营,而且整治费用高昂.在国内外相继出现了大量的隧道围岩大变形工程实例,并且在治理这些问题中取得了很多经验.日本的岩手隧道,长25.8km,采用新奥法施工.地质条件为凝灰岩与泥岩互层,单轴抗压强度为2~6MPa.施工中净空位移和拱顶沉降都是很大的,上断面的净空位移100~400mm,最大到411mm；下断面的净空位移最大为200mm,拱顶下沉为10~100mm.日本惠那山隧道,长8.635km,围岩以花岗岩为主,其中断层破碎带较多,局部为粘土,岩体节理发育、破碎,岩石的抗压强度为 1.7~3.0MPa,隧道埋深为400~450m,原始地应力为10~11MPa.施工时产生了大变形,在地质最差的地段,拱顶下沉达到930mm,边墙收敛达到1120mm,有600cm2面积的喷射混凝土侵入模筑混凝土净空.最后采用9.0m和13.5m的长锚杆,并重新喷护20cm厚的钢纤维混凝土后,结构才得以基本稳定.陶恩隧道长6400m,开挖断面面积90-105m2,位于显著变质的岩带内,如片岩、千枚岩等,主要岩层为绢云母、千枚岩夹绿泥石,抗压强度,洞内无地下水活动,隧道埋深为600-1000m,原始地应力为16.0-27.0 MPa,侧压力系数近似为1.0,围岩强度比为.陶恩隧道采用台阶法施工,在设计时,由于对在挤压性围岩隧道施工缺乏经验,采用的初期支护参数较小,导致拱顶发生1.2m的位移.而后把锚杆改为6m,并初次采用纵向伸缩缝,缝宽20cm,间隔3m,支撑也是可缩的,并在隧道底部增加了隧底锚杆,喷射混凝土厚度保持25cm不变.上述补强措施对大变形起到了一定的控制作用,但已完成段,其洞壁已严重侵入二次衬砌净空,只能采取扩挖的办法处理,增加了施工的难度,同时又具有一定的危险性.此时的净空收敛大约是20-25cm.要再大时,要增打9m以上长度的锚杆.奥地利阿尔贝格隧道隧道长13980m,开挖断面面积90-103m2,岩石主要为千枚岩、片麻岩,局部为含糜棱岩的片岩、绿泥岩,岩石强度为1.2~1.9 MPa,隧道的埋深平均为350m,最大埋深为740m,原始地应力为13.0 MPa,围岩强度比为0.1~0.2.隧道采用自上而下的分布开挖法,先开挖弧形导坑,施作初期支护,然后再开挖台阶<分左、右两次分别进行>,最后检底.由于阿尔贝格隧道是在陶恩隧道之后施工的,该隧道设计时的初期支护就比较强,喷射混凝土厚20~25cm,锚杆长6.0m,同时安设了可缩刚架.但是由于岩层产状不利,锚杆的长度仍不够,施工中支护产生了很大变形,拱顶下沉量达到15~35cm,最大水平收敛达70cm,变形速度达11.5cm/d,后来采取将锚杆的长度增加到9.0~12.0m的办法,才是变形得到了控制,变形速度降为5.0cm/d,变形收敛时间为100~150d.家竹箐隧道隧道全长4990m.隧道位于盘关向斜东翼,属单斜构造,岩层产状N20°～35°E/18°～30°NW.由于距向斜轴部较远,故皱褶、断层不发育,只在隧道中部煤系地层中发育有一正断层F1,其破碎带宽15～20 m. 隧道横穿家竹箐煤田.隧道南段为玄武岩,北段为灰岩,北段为灰岩,中部3890 m为砂、泥岩与为钙质、泥质胶结的砂岩夹泥岩的煤系地层.隧道掘进进入分水岭之下的地层深部后,在接近最大埋深<404m>的煤系地层地段,由于高地应力的作用,锚喷支护相继发生严重变形.在一般地段,拱顶下沉为50-80cm,侧壁内移50-60cm,底部隆起50-80cm；在变形最严重地段,拱顶下沉达到240cm,底部隆起达到80-100cm,侧壁内移达到160cm.为整治病害具体措施如下:①设置特长锚杆加固地层；②改善隧道断面形状,加大边墙曲率；③采用先柔后刚、先放后抗的支护措施；④加大预留变形量；⑤提高二次衬砌的刚度；⑥加强仰拱.大变形得到迅速整治,衬砌施工后,结构完好,未出现任何开裂现象,经预埋的应力、应变计测试,有足够的安全储备.木寨岭隧道全长1710m,穿越地层围岩主要为二叠系炭质板岩夹砂岩与硅质砂板岩.存在的主要构造体系是山字型构造体系.属地应力集中区,隧道穿越区为沟谷侧,原始地应力难以释放.隧道主要地质为炭质板岩夹泥岩,局部泥化软弱,呈灰黑色,围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重,大部分地段围岩较破碎,洞身渗涌水频繁,部分地段呈股流.隧道在高地应力大变形地段,严重处拱顶累计下沉达155cm.经研究主要采取的处理措施有：①开挖总体采用双侧壁法；②初期支护钢架与临时支撑采用I22型工字钢、自进式锚杆,超前支护小导管,拱脚两侧增设小导管锁脚.导坑开挖时预留变形；③修改原设计仰拱；④二次衬砌采用双层钢筋网,与仰拱预留钢筋焊接；⑤对需换拱段与开挖后变形较大的地段,除施作长的自进式锚杆外,再采用小导管进行双液注浆.2．发生围岩大变形的地质条件与隧道围岩大变形发生机理大变形目前还没有一个统一的定义,目前有的学者提出根据围岩变形是否超支护的预留变形量来定义大变形,即在隧道,如果初期支护发生了大于25 cm<单线隧道> 和50cm<双线隧道>的位移,则认为发生了大变形.姜云、李永林等将隧道围岩大变形定义为：隧道与地下工程围岩的一种具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏,它既区别于岩爆运动脆性破坏,又区别于围岩松动圈中受限于一定结构面控制的坍塌、滑动等破坏.同时将隧道围岩大变形分为受围岩岩性控制、受围岩结构构造控制和受人工采掘扰动影响三个大的类型.2.1大变形发生的地质条件发生大变形的隧道一般具有以下地质特征：〔1〕隧道围岩条件.发生大变形的围岩主要有：①显著变质的岩类,如片岩、千枚岩等；②膨胀性凝灰岩；③软质粘土层和强风化的凝灰岩；④凝灰岩和泥岩分互层；⑤泥岩破碎带和矿化变质粘土等.这类围岩的凝聚强度c值较低,内摩擦角 值很小,单轴抗压强度较低.〔2〕隧道处于高应力区,且大变形地段的隧道一般埋深在100m以上.〔3〕隧道围岩的天然含水量大.2.2隧道围岩大变形发生的机理人们通常把大变形机制分为两大类：〔1〕大变形的原因之一,是开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生塑性变化.如果发生缓慢就属于挤出〔如果是立刻发生就属于岩爆〕.〔2〕大变形的原因之二,是岩石中的某些矿物成分和水反应而发生膨胀.发生膨胀变形的围岩在开挖时一般有较高的强度,变形主要发生在隧道运营过程中,一般表现为底部鼓起,而隧道顶部和边墙保持较好的工作状态.在隧道通过炭质板岩和断层带时,引起大变形的原因主要为第一条.同时国内外学者也认为,软岩隧道的大变形可以描述为一种以挤出为主、膨胀为辅的水-力耦合过程.而对于第一条原因目前国内外学者认为围岩挤出是开挖引起的应力重分布超过岩体强度时屈服的结果,并且通过一些列的研究将围岩挤出的力学机制分为以下三大类：〔1〕完全剪切的破坏〔如图1a〕.在连续的塑性岩体与含有大开裂度裂隙的非连续岩体中会发生这种破坏.〔2〕弯曲破坏〔如图1b〕.一般发生在千枚岩与云母片岩等变质岩或泥岩、油页岩、泥质砂岩与蒸发岩等薄层状塑性沉积岩中.〔3〕剪切和滑动破坏〔如图1c〕.发生于相对厚层的沉积岩中,包括沿层面的滑动和完整岩石的剪切两种破坏形式.〔a 〕完全剪切的破坏 〔b 〕弯曲破坏 〔c 〕剪切和滑动破坏图1 挤出性围岩隧道失稳形式分类3．大变形的预测研究现状隧道的大变形给隧道施工和运营造成了很大的困难,国内外学者对隧道大变形的预测进行了大量的研究.目前在预测隧道变形的方法中具有代表性的有C&C 法,这种方法由Egger 〔1973〕、Kastner 〔1974〕和Hoek 、Brown 〔1980〕提出,并逐步完善.这种方法基于以下假设：〔1〕圆形隧道；〔2〕课题可以概化为二维平面应变问题；〔3〕均质各向同性介质；〔4〕弹-塑性材料；〔5〕现场地应力属于静水压力场；〔6〕均匀的径向支护压力.其计算公式如下：〔1〕弹性状态下的围岩位移〔i u 〕011()i i u P P r μκ+=-〔1〕 其中,μ、κ分别为岩石的泊松比和杨氏模量；0P 、1P 分别为地静压力和支护压力；i r 为隧道半径.〔2〕塑性状态下的位移〔j u 〕Hoek-Brown 方法：1j j u r ⎡=-⎢⎣ 〔2〕 式中当e j r r <,2ln e j r R D r ⎡⎤=⋅⎢⎥⎢⎥⎣⎦；e jr r >, 1.1R D = 式中,r m 、r s 为破碎岩石的常数；e r 、e u 、re σ分别为弹性和塑性边界处的半径、位移和径向应力.此外还有Egger 和Kastner 也提出了相应的塑性状态向的围岩位移预测方法.4．大变形的一般治理措施根据国内外的施工经验,对大变形的治理措施归纳如下：〔1〕加强稳定掌子面的辅助措施① 正面喷混凝土和打锚杆；② 打超前锚杆或钢筋.〔2〕加强基脚的措施,这是基本的,即首先要把底鼓和侧壁的挤入控制住,包括：① 向底部地层注浆加固；②向两侧打底部锚杆；③支撑加底部与加劲肋；④设底部横撑或临时仰拱.〔3〕防止断面挤入的措施①增打加长锚杆,主要在两侧,锚杆长度一定要深入到围岩塑性区一定X围才有效果；②设底部横撑,打底部锚杆,修筑仰拱,这是极为重要的工程措施；③缩短台阶长度,与早闭合；④下半断面、仰拱同时施工；⑤设纵向伸缩缝,采用可缩性支撑〔4〕防止衬砌开裂的措施①采用湿喷钢纤维混凝土；②设加强钢筋；③设纵向伸缩缝.〔5〕设立日常量测管理体制与管理基准①监测初期位移速度；②最终位移值的预测；③建立控制基准值；〔6〕加强施工地质预报①预测和预报掌子面前方的地质状态；②建立地质数据库,与时反馈；③各种岩类的特性试验数据的测试.这些措施是综合的,是相互补充的,应视具体情况采用.这些措施也是一般性的,当条件变化很大时,还要采用一些特殊的辅助施工措施,如注浆加固,改良岩体等措施.5．郎洞断层束破碎带地质概况5.1二郎洞断裂带〔F3〕该断层位于二郎洞附近,西起阿尔扎沟以西,向南经果可沟沟脑、二郎洞、肯德隆沟、茶卡北山以北,延伸长度约130km.该断裂是北侧南祁连海西期地槽和南侧南秦岭印支期地槽的分界断层,沿断裂带岩浆活动强烈,断层两侧岩层破碎,沿断裂有一系列与之近于平行的断裂,共同组成断层束,断层两侧岩层产状较乱,多拖拉现象和挠曲.地貌上主要表现为一系列断层谷地、垭口和洼陷地带,航、卫片上线性影像明显.断层形成于华力西期,在印支期以来仍有活动.断层产状：N40°～70°W/40°～80°N,属逆断层,主断层破碎带宽100～500m,断层西段发生过6级地震,东段可见第四系中更新统地层中的断坎,未见第四系全新统地层错动,该断层在隧道通过附近主要表现为断层负地形,未见新活动迹象,属晚更新世活断层.隧于DK303+611～DK304+071,通过长度460 m ,由断层泥砾与碎裂岩组成,Ⅴ级-Ⅵ级围岩.由于该断裂为区域性深大断裂,断层规模大,并且未来还有发生中强地震的可能性,因此对工程影响较大.5.2围岩情况隧道在二郎洞断裂带附近,岩性主要为石炭系片岩、##岩、志留系变质砂岩夹板岩,受地质构造影响较严重,岩体节理、裂隙较发育.其中软岩占主体.5.3涌水情况该区地下水类型主要为基岩裂隙水、构造裂隙水,岩层富水性较差,为弱富水区.根据地表测流,本区地下水径流模数M=563.72 m3/d·km2,水化学类型属HCO3-Ca·Na型水,矿化度小于1g/L,地下水无侵蚀性.双线同时施工时参数常涌水量为3825.12m3/d,最大涌水量为7650.24m3/d.5.4地应力根据场址与邻近地区的震源机制解和区域水平运动与构造应变场特征,可以看出本区域构造应力场主压应力优势方位为北东向.根据实测结果,隧道部位最大主应力方向为N33°E～ N43°E,平均为N38°E,和隧道轴线〔线路走向N54°E〕的夹角为21°～11°,平均为16°.根据3个孔地应力的实测结果分析,最大水平主应力的最大值为22.04 MPa,DSZ-8孔最大水平主应力测值明显高于DSZ-1孔、DSZ-7孔,而DSZ-8孔位于f17断层附近〔F3断裂带内〕,说明,随着钻孔所处构造部位的不同,所反映的构造应力强度差异也较大,在断裂带附近存在应力集中现象.根据《工程岩体分级标准》〔GB50218—94〕、岩体物理力学参数与弹性力学公式,在3个孔共19个测段中,Rc/σmax<4的极高地应力占全部测段的15.8%,4<Rc/σmax<7高地应力占全部测点的10.5%,极高和高地应力占全部测点的26.1%.经综合分析,岭脊埋深较大的石炭系变质砂岩与片岩段可能存在高地应力问题.5.5结论根据2.1大变形发生的地质条件,并结合实测的地应力结果和隧道区工程地质、水文地质特征,软弱围岩〔主要指断层破碎带与一定影响X围内〕存在发生较大变形的可能. 6．关角隧道F3断层影响带大变形治理建议与注意事项结合中国中铁隧道集团通过对乌鞘岭隧道千枚岩大变形的研究,引用其控制大变形的快速施工指导思想：〔1〕开挖支护、仰拱作业区,上下断面与仰拱的各工序在时间和空间上优化组合,实现稳步有序作业,平行交叉作业.〔2〕分秒必抢,将围岩暴露时间和结构不利受力状态压缩至最短,使初期支护结构与早、快速封闭成环,从而有效控制变形.〔3〕超前支护、钻爆、锚杆、锚索、注浆、立拱等关键工序实行标准化作业.〔4〕石变我变,主动支护,步步为营,稳中求快.6.1治理建议结合以往隧道围岩施工的成功经验建议如下措施：〔1〕措施一6．乌鞘岭隧道控制大变形经验与和关角隧道F3断层影响段比较6.1乌鞘岭隧道变形情况治理经验乌鞘岭隧道设计为两座单线隧道,隧道长20050m,隧道洞身最大埋深1100m左右.隧道所经过地层岩性复杂,分布主要受区域断裂构造控制.主要有第四系、第三系、白垩系、三叠系、志留系、奥陶系等,并伴有加里东晚期的侵入.隧道施工中,在辅助坑道和正洞均发生过较为严重的变形,在高地应力下隧道发生极其严重变形,出现支护裂损、钢架扭曲,净空侵限明显等现象.乌鞘岭隧道在穿越岭脊复杂地段时出现了软岩挤压大变形问题,尤其是F7断层带,变更设计前左线隧道最大拱顶下沉1053 mm<DK177+495>,平均下沉30~35 mm/d,一般在500~600 mm左右;左线隧道内轨上1. 5 m收敛值最大1034 mm<DK177+590>,一般为700mm左右,拱脚最大978mm,一般为300~700mm；右线隧道最大拱顶下沉227 mm<YDK177+610>,一般在100~200 mm左右；右线隧道内轨4m收敛值最大548 mm<YDK177+590>,一般为300~400 mm 左右.由于施工中发生严重变形,乌鞘岭隧道在大变形段均采用钻爆法施工、台阶法开挖,台阶长度4－5m,人工手持风钻上下台阶分部钻眼、装药、连线与同时进行光面微差控制爆破；立I20或H175钢拱架3榀/2m,拱部设φ42超前小导管,长度4m,环向间距25m,注水泥水玻璃双液浆,全断面喷射C20钢纤维砼,厚度25cm,径向采用φ42注浆锚管,间距0.8×0.8m,锚管长度拱部4m,边墙6m,梅花布置,拱墙设φ8钢筋网,网格间距25×25cm.循环进尺一般为1.4 m 或2.0m.通过以上措施控制了变形,顺利通过了大变形地段.乌鞘岭特长隧道位于兰新铁路##西至##南端增建第二线乌鞘岭越岭段,隧道长20050m,在施工过程中出现了软岩大变形,在工程人员的努力下,通过一系列的工程措施顺利的通过了大变形段,取得了较好的工程经验,现就对关角隧道F3断层附近和乌鞘岭隧道发生大变形段的工程概况进行比较〔见表1〕表1 关角隧道F3断层附近和乌鞘岭隧道发生大变形段工程概况比较表从乌鞘岭隧道成功控制带变形的经验值得借鉴.乌鞘岭隧道隧道产生大变形除了地质因素以外,还有以下几点原因：①初期支护强度不足.由于F7断层的影响,本段围岩内富存高地应力.在隧道开挖后,强大的地应力将作用到初期支护上,若初期支护强度和刚度不足将无法抵抗强大的地应力作用,就会产生大变形.②施工工序间距太长.由于施工工序间距太长,未能与时形成封闭的支护体系,致使初期支护在无约束下产生无限制性的变形,最终必然出现大变形.因此,施工工序间距太长,未能与时封闭也是本段发生大变形的直接原因之一.③掌子面刚度不足.在隧道开挖过程中,掌子面前方的变形特性是围岩变形响应的真正原因,又由于本段为四条区域性大断层组成的宽大"挤压构造带〞,岩体的的高地应力强挤压作用非常明显,这就更加剧了掌子面的挤出, 若不采取合适的强化措施保证掌子面的稳定,就会导致前方围岩的变形响应.因此,掌子面刚度不足是隧道洞壁产生大变形的关键原因.中国中铁隧道集团通过对乌鞘岭隧道千枚岩大变形的研究得出以下控制大变形的快速施工指导思想：〔1〕开挖支护、仰拱作业区,上下断面与仰拱的各工序在时间和空间上优化组合,实现稳步有序作业,平行交叉作业.〔2〕分秒必抢,将围岩暴露时间和结构不利受力状态压缩至最短,使初期支护结构与早、快速封闭成环,从而有效控制变形.〔3〕超前支护、钻爆、锚杆、锚索、注浆、立拱等关键工序实行标准化作业.〔4〕石变我变,主动支护,步步为营,稳中求快.。
挤压性隧道施工时空效应及其大变形控制研究
挤压性隧道施工时空效应及其大变形控制研究一、概述挤压性隧道施工时空效应及其大变形控制研究，是隧道工程建设领域中的一项重要课题。
随着交通基础设施建设的不断推进，隧道工程在山区、城市等复杂地质环境中的应用越来越广泛，而挤压性隧道作为一种特殊的隧道类型，其施工过程中的时空效应及大变形问题一直是工程实践中的难点和热点。
挤压性隧道通常指的是在软弱、破碎、高应力等不利地质条件下进行施工的隧道。
这类隧道在开挖过程中，由于围岩的自稳能力较差，容易发生显著的挤压变形，给施工安全和工程质量带来严重威胁。
研究挤压性隧道施工过程中的时空效应，揭示其变形机理，提出有效的控制措施，对于提高隧道施工的安全性和效率，保障工程质量具有重要意义。
时空效应是指在隧道施工过程中，由于开挖面的推进和支护结构的施作，围岩应力场、位移场以及渗流场等随时间和空间的变化而发生的动态响应。
这种响应不仅影响隧道施工的稳定性和安全性，还直接关系到工程的质量和经济效益。
深入研究挤压性隧道施工的时空效应，对于指导工程实践、优化施工方案具有重要意义。
大变形控制则是针对挤压性隧道施工过程中的变形问题而提出的一种技术措施。
通过采用合理的开挖方法、支护结构形式和施工工艺，以及加强监测和预警等手段，可以有效地控制隧道的变形，确保施工安全和工程质量。
由于挤压性隧道的特殊性，其大变形控制技术的研发和应用仍面临诸多挑战和困难。
挤压性隧道施工时空效应及其大变形控制研究是一项具有重要理论价值和实际意义的课题。
本文旨在通过对挤压性隧道施工过程中的时空效应进行深入分析，探讨其变形机理和控制措施，为类似工程的实践提供理论支持和技术指导。
1. 挤压性隧道施工的特点与挑战挤压性隧道施工面临着极高的地质不确定性。
由于地质构造复杂多变，隧道掘进过程中可能会遭遇软弱地层、断层破碎带、涌水涌砂等不良地质现象，这些现象不仅增加了施工难度，还可能对隧道结构的安全性造成严重影响。
挤压性隧道施工中的围岩变形控制是一项极具挑战性的任务。
软岩大变形研究现状
隧道围岩大变形阶段报告1．概述深埋隧道通过软岩和断层带时，在高的地应力和富水条件下通常产生大变形。
这种隧道围岩变形量大，而且位移速度也很大，一般可以达到数十厘米到数米，如果不支护或支护不当，收敛的最终趋势是隧道将被完全封死，如果发生在永久衬砌构筑以前，往往表现为初期支护严重破裂、扭曲，挤出面侵入限界。
这种大变形危害巨大，严重影响施工工期或者线路正常运营，而且整治费用高昂。
在国内外相继出现了大量的隧道围岩大变形工程实例，并且在治理这些问题中取得了很多经验。
日本的岩手隧道，长25.8km，采用新奥法施工。
地质条件为凝灰岩及泥岩互层，单轴抗压强度为2~6MPa。
施工中净空位移和拱顶沉降都是很大的，上断面的净空位移100~400mm，最大到411mm；下断面的净空位移最大为200mm，拱顶下沉为10~100mm。
日本惠那山隧道，长8.635km，围岩以花岗岩为主，其中断层破碎带较多，局部为粘土，岩体节理发育、破碎，岩石的抗压强度为1.7~3.0MPa，隧道埋深为400~450m，原始地应力为10~11MPa。
施工时产生了大变形，在地质最差的地段，拱顶下沉达到930mm，边墙收敛达到1120mm，有600cm2面积的喷射混凝土侵入模筑混凝土净空。
最后采用9.0m和13.5m 的长锚杆，并重新喷护20cm厚的钢纤维混凝土后，结构才得以基本稳定。
陶恩隧道长6400m，开挖断面面积90-105m2，位于显著变质的岩带内，如片岩、千枚岩等，主要岩层为绢云母、千枚岩夹绿泥石，抗压强度R=0.4-1.7MPa，洞内无地下水活动，隧道埋深为600-1000m，原始地应力为16.0-27.0 MPa，侧压力系数近似为1.0，围岩强度比为0.05-0.06。
陶恩隧道采用台阶法施工，在设计时，由于对在挤压性围岩隧道施工缺乏经验，采用的初期支护参数较小，导致拱顶发生1.2m的位移。
而后把锚杆改为6m，并初次采用纵向伸缩缝，缝宽20cm，间隔3m，支撑也是可缩的，并在隧道底部增加了隧底锚杆，喷射混凝土厚度保持25cm不变。
滇中红层软岩大变形预测分级研究——以滇中引水工程大转弯隧洞为例
总第817期第23期2023年12月河南科技Henan Science and Technology矿业与水利工程收稿日期：2023-05-29作者简介：李昱（1984—），男，本科，高级工程师，研究方向：隧道与地下工程。
滇中红层软岩大变形预测分级研究——以滇中引水工程大转弯隧洞为例李昱1赵信1李克献2（1.云南省滇中引水工程建设管理局楚雄分局，云南楚雄675000；2.云南省滇中引水工程有限公司，云南昆明650000）摘要：【目的】为探究滇中红层隧洞软岩大变形规律，以滇中引水工程楚雄段隧洞为例，进行预测分级研究。
【方法】采用三维计算模型对隧洞初始地应力进行分析，结合工程实际对各典型断面进行计算，并系统性地分析隧洞各典型断面最大位移量和工程地质情况及[BQ]值之间的关系。
【结果】滇中红层软岩大变形主要受工程地质影响，通过[BQ]值和最大位移量可以对滇中红层隧洞软岩大变形等级进行分级预测。
【结论】本研究为判别隧洞软岩大变形情况提供了技术支撑，并为大变形分级提供了重要依据。
关键词：软岩隧洞；软岩大变形；预测分级指标；数值模拟中图分类号：TV554文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2023）23-0070-04DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.23.014Study on Large Deformation Prediction Classification of Red-Bed SoftRock in Central Yunnan——Taking the Large Turning Tunnel of Water Diversion Project in Central Yunnan as an Example LI Yu 1ZHAO Xin 1LI Kexian 2(1.Chuxiong Branch of Central Yunnan Water Diversion Project Construction Management Bureau,Chuxiong 675000,China;2.Yunnan Dianzhong Water Diversion Engineering Co.,Ltd.,Kunming 650000,China )Abstract:[Purposes ]In order to explore the large deformation law of soft rock in red bed tunnel in cen⁃tral Yunnan,the prediction and classification research is carried out based on the Chuxiong section tun⁃nel of central Yunnan water diversion project.[Methods ]The three-dimensional calculation model was used to analyze the initial geostress of the tunnel,and the typical sections were calculated according to the engineering practice.Secondly,the relationship between the maximum displacement of each typical section of the tunnel and the engineering geological conditions and [BQ]values is systematically ana⁃lyzed.[Findings ]The large deformation of red-bed soft rock in central Yunnan is mainly affected by en⁃gineering geology.The large deformation grade of soft rock in red-bed tunnel in central Yunnan can be predicted by [BQ]value and maximum displacement.[Conclusions ]This study provides technical sup⁃port for judging the large deformation of tunnel soft rock and provides an important basis for large defor⁃mation classification.Keywords:soft rock tunnel;large deformation of soft rock;prediction classification index;numericalsimulation0引言随着中国地下工程建设的不断发展，隧洞建设逐渐变得更复杂。
地铁隧道围岩变形规律研究
地铁隧道围岩变形规律研究地铁隧道是城市交通规划中必不可少的一部分，是连接城市各个区域的重要工程。
然而，建设地铁隧道需要克服许多工程难点，其中之一就是解决隧道围岩变形问题。
一、隧道围岩变形的原因地铁隧道地下深处，地下水的存在无疑是隧道围岩变形的主要原因之一。
除此之外，脆弱的地质结构和不同地质层之间的接触面也会造成变形。
此外，地铁隧道在开挖过程中，由于爆破挖掘和地质条件的差异，围岩会产生集中解体现象，这也是围岩变形的原因之一。
二、隧道围岩变形的分类及特点具体而言，隧道围岩变形可以分为以下几种类型：1. 岩爆。
当采用爆炸方法开挖地铁隧道时，可能会引起围岩的爆炸现象。
这种变形往往是突然的，造成的危害也很大。
岩爆的危险性有时甚至不能用工程措施来消除。
2. 岩溶。
这种变形是由于围岩中的溶洞或裂隙导致，它对地铁隧道的安全运行产生了很大的影响。
此外，岩溶现象还会对地下水的分布产生影响，为地下水污染带来风险和危害。
3. 内部变形。
内部变形是指物理性质弱化和物质回流现象的发生，也可称为“地下泄漏”现象。
这种变形很难通过人类干预而得以遏制，会持续性地给地下环境和城市地下设施带来巨大的威胁。
三、围岩变形的危害及防治措施变形对地铁隧道的安全运行带来极大威胁，可能会导致隧道坍塌、漏水、地基沉降等问题。
基于此，需要采用一系列措施来预防和控制围岩的变形，其中最重要的是做好隧道围岩的预处理工作。
1. 预处理。
预处理是指采取一定的手段对地质形态进行修复和整顿。
比如，在隧道开挖前，可以进行围岩支护、地下止水等措施，以减轻对围岩的损害，从而减少隧道围岩变形的危害。
2. 支护结构。
隧道支护结构可以分为明挖法和暗挖法。
明挖法是在开挖过程中直接固定围岩，暗挖法是指采用预制法将支护结构放置在隧道内。
这些支护结构能够起到承重和稳定围岩的作用。
3. 闭环监控。
闭环监控是指利用传感器对隧道围岩的变形情况进行实时监测，以判断隧道运行状态。
在发现变形问题时，及时采取措施，通过科学方法解决隧道围岩变形问题。
隧道围岩动态变形规律及控制技术研究
隧道围岩动态变形规律及控制技术研究赵勇【摘要】基于前人既有研究成果和日本龟浦隧道围岩变形试验,结合郑西客运专线大断面黄土隧道围岩大变形的工程实践,阐述隧道施工影响下围岩变形动态规律,提出围岩变形控制的技术要点和技术措施,并提出相应的围岩变形控制建议.研究结果表明:隧道开挖后的围岩变形可分为掌子面前方的先行变形、掌子面变形及掌子面后方变形3种形式,且这3种变形是同时发生的.控制开挖工作面失稳、拱顶失稳、拱脚下沉和围岩大变形等是隧道围岩变形控制的要点.开挖过程控制和辅助工法控制是隧道围岩变形控制的重点,其中初期支护及时闭合和合理辅助工法的选取是关键.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2010(034)004【总页数】5页(P1-5)【关键词】隧道工程;围岩变形;控制要点;控制技术【作者】赵勇【作者单位】北京交通大学,隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京,100044;铁道部工程设计鉴定中心,北京,100844【正文语种】中文【中图分类】U451.2隧道的结构体系是由周围地质体和人工修筑的支护构件组成的,并且周围地质体起着主导作用,这是与地面结构体系完全不同的.从工程结构的角度看,这种结构体系的形成是通过一定的施工过程或者说一定的力学过程来实现的,这个过程状态的变化如图1所示[1].可以看出,隧道施工就是一个开挖与支护的过程,施工过程就是应力释放与应力控制、利用和控制围岩动态变形的过程.图1 施工过程与围岩力学状态变化过程示意图Fig.1 Construction and surrounding rock mechanical state change process chart对于隧道围岩变形规律及控制技术的研究,国内外学者做了大量工作,并取得了丰富的研究成果[2-5].本文作者基于前人的研究,结合日本龟浦隧道围岩变形试验和郑西客运专线大断面黄土隧道围岩大变形的工程实践,根据实测数据总结隧道围岩变形动态规律,并提出具体的控制措施.1 隧道围岩变形动态规律大量的数值计算和现场监测资料均表明,隧道围岩变形是在开挖工作面的前方开始,而在开挖工作面后方距离d=1.5～2.0D(洞径)处的变形才与最大径向变形基本相等,这是隧道开挖引起围岩变形的一般规律.日本龟浦隧道施工时,在隧道拱顶上方2 m 的位置设一个长50 m的水平铝管,实测的弯曲应变计算变形如图2所示.图2 龟浦隧道掌子面变形监测实例Fig.2 The heading face displacement monitoring example of GuiPu Tunnel我国郑西客运专线大断面黄土隧道开挖监测数据分析的规律也大致相同.图3为2006-11—2007-09的实测数据,其中1#～8#分别对应隧道左右导洞及主洞断面上的8个测点.各分步施工引起隧道拱顶沉降占总沉降的比例分别为:超前沉降,5%～14%;导洞开挖,35%～50%;导洞开挖至全断面封闭前,40%～50%;全断面封闭后,3%～9%.可以看出,反映在掌子面前方到后方一定范围内的拱顶下沉分布规律为:隧道开挖后在掌子面前方一定范围(2～5倍洞径)产生下沉,称之为“先行变形”;在掌子面处,产生一定量的“初始变形”,此值与地质条件关系密切,约为最终变形值的20%～30%,这个变形是开挖后瞬间发生的;在掌子面后方,随掌子面的推进,产生不断增大的变形,其特点是初期的变形速度很大,而后增长的速度逐渐减缓,并趋于稳定.其变形过程如图4所示[2].图3 大断面黄土隧道双侧壁导坑法施工拱顶沉降曲线Fig.3 Vault crown settlement curve of both-side head excavating method construction in large section loess tunnel因此,隧道开挖后隧道的变形可分为掌子面前方的先行变形、掌子面变形及掌子面后方变形3种,且这3种变形是同时发生的.图4 隧道开挖围岩变形三维示意图Fig.4 Surrounding rock deformation during tunnel excavation three-dimensional chart2 隧道围岩变形控制要点隧道围岩变形控制的要点在于控制开挖工作面的失稳、坍塌,拱顶的失稳、坍塌,台阶法中拱脚下沉、失稳和围岩大变形等.2.1 控制掌子面失稳、坍塌1)倾斜掌子面.采用倾斜形状的掌子面开挖,配合掌子面喷混凝土封闭措施,可以抑制掌子面的变形,减少作业人员的风险,控制地表的下沉,大幅度改善进度和封闭时间,提高喷混凝土的品质和耐久性.2)掌子面锚杆.设置掌子面锚杆的目的是控制围岩开挖后的先行变形和掌子面变形,也是为全断面和半断面开挖创造条件.掌子面锚杆的长度一般在12～24 m之间,为开挖方便,通常采用玻璃纤维锚杆.采用掌子面锚杆技术的关键是长锚杆的快速施工工艺和配套施工机具.3)留核心土.在台阶法施工中,为了掌子面的稳定,经常采用弧形开挖法,即留核心土法.日本进行的一项研究表明:不留核心土时,掌子面挤出量超过70 mm的部分可达到掌子面前方1.3 m;而留核心土时,掌子面挤出量超过70 mm的部分只达到掌子面前方0.6 m 处.可见核心土对掌子面起到控制挤出的效果.2.2 控制拱顶失稳、坍塌控制拱顶失稳坍塌的技术要点是采用超前支护和加强初期支护.1)超前支护.根据构筑方法,超前支护通常分为短超前支护、中超前支护和长超前支护3种情况.①短超前支护:一般支护长度为2～5 m,通常采用超前小导管、插板法和预衬砌技术;②中超前支护:一般支护长度为5～10 m,通常采用中管棚(直径89 mm,长度10 m)或水平喷射注浆方式;③长钢管超前支护:一般采用长度在15～20 m、直径大于108 mm的长钢管,即大管棚超前支护,以有效控制拱顶失稳、坍塌.2)加强初期支护.加强初期支护通常有两种做法,其一是加大喷混凝土的厚度,加密钢架间距或缩小锚杆间距;其二是改变喷混凝土的性能,提高钢架的规格和采用抗拔力大的锚杆.实践证明,第二种方法更有利于控制拱顶下沉.采用初期高强度喷混凝土技术能减薄喷层厚度,有效加快施工进度,符合技术发展的趋势.2.3 控制拱脚下沉、失稳在台阶法施工中,控制拱脚下沉的方法通常有扩大拱脚、设置锁脚锚杆、临时仰拱封闭和设置横撑等方法.日本近期开发出了利用弯曲钻机,设置弯曲形脚部钢管桩或采用高承载力的脚部支撑钢管来控制钢架的下沉,效果较好,如图5所示.另外,也可用喷射混凝土来加固拱脚,如图6所示.图5 控制隧道拱脚下沉失稳的曲线形钢管桩工法Fig.5 Shaped form pipe pile method for controlling tunnel arch springing subsidence instability图6 控制隧道拱脚下沉失稳的拱脚喷射混凝土工法Fig.6 Shotcrete method for controlling tunnel arch springing subsidence instability2.4 控制软岩大变形通常认为初期变形速率快、变形值大、长时间无收敛趋势,且超过预计变形值的变形,可以称为“大变形”.这种围岩一般为软弱围岩,这种变形也通常被称作“软岩大变形”.控制软岩大变形的方法有:①在喷混凝土中设置伸缩缝来吸收一部分变形;②采用长锚杆(8～15 m)来控制围岩的后期变形;③采用掌子面锚杆控制围岩的先行变形等.这些方法对解决大变形问题起到一定的作用,特别是长锚杆和掌子面锚杆.日本在东海道新干线的饭山隧道(长22.2 km)的大变形地段试验,采用多重支护方法取得了成功.多重支护方法的特点是:不需要进行反复扩挖和反复支护,即没有拆除顶替已经承载的支护构件和对围岩的多次扰动的问题,留出充分的变形富裕值,先释放一部分变形进行第一次支护,然后继续释放变形.第一次支护达到极限状态后,再继续第二次支护,必要时可继续第三次支护,将变形控制在容许范围之内.多重支护的基本观点是:容许一次支护变形,以减轻作用在二次支护的土压,并在最内侧形成健全的壳体,使整个支护稳定.因此,二次支护的设置最好在围岩内应力释放到某一程度后实施.3 隧道围岩变形控制技术3.1 开挖过程控制隧道开挖后,随着时间的推移,变形也在发展.一般说,开挖过后,变形发展很快,即初期变形速度很快,而且变形值也比较大,如果能够控制住初期的变形速度,就可以控制隧道围岩的松弛.因此通常强调开挖后要迅速喷射混凝土,迅速架设钢支撑,其目的就是要求初期支护及时闭合.另外需要关注的是从开挖到初期支护全断面闭合的时间.在复杂地形、地质条件下,从开挖到全断面初期支护的闭合时间,要求越短越好.闭合距离也是越短越好.因为,初期支护全断面闭合的过程,就意味着隧道围岩变形逐渐趋于稳定的过程.而闭合距离,基本上要求在距掌子面2～3倍隧道开挖跨度之内,甚至更短一些.因此,有效控制隧道围岩变形的开挖方法,应该是首选全断面法,其次是短台阶法.总之,开挖分部越少,封闭时间越短,变形就越小.3.2 辅助工法控制以改善围岩条件为目的而采用的辅助或特殊工法称为辅助工法,如图7所示.隧道开挖中最危险的应力释放面是掌子面和一次开挖长度的无支护区间.为了控制其危险度,了解地下水分布状况和掌子面前方围岩的动态是非常重要的.图7 辅助工法概念示意图Fig.7 Assistant construction method concept chart 在隧道围岩变形及控制技术措施中,辅助工法占据重要地位.常用稳定掌子面的辅助工法有:超前锚杆、超前长钢管、掌子面喷混凝土、掌子面锚杆、脚部补强锚杆、临时仰拱等.在地下水处理中常用排水钻孔等工法.在控制地表下沉对策中有:长超前钢管、管棚等.在地下水对策中有:排水钻孔、降低地下水位、排水坑道等工法.4 隧道围岩变形控制建议隧道施工主要分为开挖和支护两大工序,变形控制是开挖和支护中的技术关键点.开挖是应力释放的过程,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过程,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,不能忽视.因此,控制隧道围岩变形的关键措施主要指开挖、支护过程中控制围岩变形的措施及必要的辅助作业工法.在隧道施工过程中,开挖和支护是密切相关的,根据围岩地质情况,其关系可大致分为只挖不支、先挖后支和先支后挖3种情况.1)只挖不支,适用于坚硬、自支护能力比较高,应力释放后能够自行控制稳定的围岩,围岩级别为Ⅰ级、Ⅱ级.关键技术:减少爆破振动和少扰动的开挖技术.基本措施建议:控制开挖进尺,控制一次起爆炸药量,采用电子雷管,采用机械开挖或机械与爆破并用的开挖方法.2)先挖后支,适用于一般地质条件,围岩级别为Ⅲ级、Ⅳ级.关键技术:加强初期支护控制围岩的松弛、坍塌,确保开挖工作面的稳定.基本措施建议:采用全断面法或超短台阶法,提高初期支护的支护效果,控制隧道围岩变形的发展和收敛;严格控制各开挖工作面的步距,尽快闭合;提高机械化程度,缩短各单项作业的时间.3)先支后挖,适用于特殊地质、地形条件,一般用于软岩大变形、掌子面或拱脚易失稳、底部鼓起等情况,围岩级别为Ⅴ级、Ⅵ级.关键技术:加强超前预支护,确保开挖工作面稳定,控制围岩松弛、坍塌,提高围岩的自支护能力.基本措施建议:采用掌子面超前锚杆、喷混凝土封闭掌子面、倾斜掌子面或留核心土的施工方法;超前管棚、管幕、插板等超前支护;加强初期支护,采用高强度、高刚度喷混凝土技术;采用锁脚锚杆等控制拱脚下沉.只挖不支的场合主要是控制爆破振动,采取减少围岩扰动的施工方法;先挖后支的场合主要是控制掌子面后方的变形,采取加强初期支护和快速封闭的施工方法;先支后挖的场合重点是控制掌子面前方的变形和掌子面变形,采取超前预支护、掌子面支护和掌子面后方支护,及时封闭的措施和工法.5 结语1)隧道围岩变形包括掌子面前方的先行变形、掌子面变形及掌子面后方的变形,其中掌子面变形是隧道开挖过程围岩变形发展的重要阶段,是隧道围岩变形控制的重点.2)隧道围岩变形控制是隧道围岩稳定性控制的核心,要采取系统的控制措施.既要控制掌子面前方的先行变形,又要控制掌子面和掌子面后方的变形.3)隧道围岩变形控制的要点在于控制开挖工作面失稳、拱顶失稳、拱脚下沉和失稳及围岩大变形等几种形式.4)隧道围岩变形控制重在开挖过程控制和辅助工法控制,其中初期支护及时闭合和合理辅助工法的选取是控制隧道围岩变形的关键.5)隧道开挖和支护相互作用关系可分为只挖不支、先挖后支和先支后挖3种情况,且每种情况有其关键技术和建议的基本措施,在隧道施工过程中,应根据围岩条件和工程特点选定合理的工序.参考文献:[1]关宝树.隧道力学概论[M].成都:西南交通大学出版社,1993.GUAN Baoshu.Generality of Tunnel Mechanics[M].Chengdu:Southwest Jiaotong University Press,1993.(in Chinese)[2]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽教育出版社,2004.WANG Mengshu.Technology of Shallow Tunnel Excavation[M].Hefei:Anhui Education Press,2004.(inChinese)[3]张顶立,王梦恕,高军,等.复杂围岩条件下大跨隧道修建技术研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2):290-296.ZHANG Dingli,WANG Mengshu,GAO Jun,et al.Research on Construction Technology of Large Span Tunnel in Complex Rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics andEngineering,2003,22(2):290-296.(in Chinese)[4]吕勤,张顶立,黄俊.城市地铁暗挖施工地层变形机理及控制实践[J].中国安全科学学报,2003,13(7):29-34.LU Qin,ZHANG Dingli,HUANG Jun.Mechanism of Stratum Deformation and Its Control Practice in Tunneling Urban SubwayAt Shallow Depth[J].China Safety Science Journal,2003,13(7):29-34.(in Chinese)[5]岳广学,何平,蔡炜.隧道开挖过程中地层变形的统计分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(增2):3793-3803.YUE Guangxue,HE Ping,CAI Wei.Statistic Analysis of Stratum Deformation During Tunnel Excavation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(S2):3793-3803.(in Chinese)。
深埋软岩隧道围岩大变形灾变机理及控制研究
深埋软岩隧道围岩大变形灾变机理及控制研究隧道工程中，软岩隧道的围岩大变形与灾变是比较常见的问题。
这种变形与灾变不仅会造成工程进展缓慢，也会对人们的生命财产造成威胁。
因此，对于软岩隧道围岩大变形和灾变机理的研究和控制显得尤为重要。
软岩隧道围岩大变形的形成机理是多方面的，常见的因素有以下几个方面。
1、围岩地应力的作用。
软岩隧道周围的地质结构较松散，地应力的大小受到了岩层变形和移位的影响，因此会对软岩隧道围岩产生较大的压力，并引起岩层的变形。
2、地下水的作用。
地下水的压力和流动方向也会使岩石发生变形。
因此，在软岩中开挖隧道时，如果不及时处理水的问题，就会因为水流的作用而引发滑坡、塌方等灾变。
3、开挖施工的影响。
软岩隧道开挖能力过强，会导致隧道周围的围岩受到破坏，并发生位移和塌方等变形现象。
4、围岩自身的性质。
软岩围岩本身具有一定的变形性能，加之地震、风化等环境因素的影响，也会导致围岩大变形。
为了控制软岩隧道围岩的大变形，需要对研究结果进行整合，实现多方面、多角度的控制措施。
1、优化支护结构。
在进行软岩隧道施工的过程中，可以采取更加严密的支护结构体系，如采用高强度材料、优化加固方案，从而控制围岩变形。
2、加强隧道预处理工作。
地下水可能是软岩隧道工程中最主要的问题之一，必须在隧道施工中加强对地下水的处理工作，确保水的流向和分配不影响围岩的稳定性。
3、动态监测围岩的变形。
采用遥感技术、GPS定位技术、遥感图像处理等技术手段，实现对软岩隧道变形过程的精确监测，从而及时控制围岩的变形程度。
4、应对地下水体系的不同。
软岩隧道围岩大变形不完全有一个模式，不同隧道周围的地下水体系因地质情况的不同而存在差异。
所以，针对不同的水体系，需要量身制定不同的应对措施。
5、提高施工过程的效率。
软岩隧道工程的施工周期通常比较长，如果不能在较短时间内完成相应的工程，就会让软岩隧道工程变得繁琐和冗长，从而增加了围岩险象，预测灾变等的可能性。
金西隧道地应力场反演及软岩大变形分析
金西隧道地应力场反演及软岩大变形分析摘要：金西隧道是古宁高速公路的控制性工程,隧址区穿越丽江-小金河断裂带衔接区。
其中丽江-小金河断裂具有强烈闭锁及小震空缺区特征，预测其发生强震及地表破裂的潜力强于其他断裂。
综合岩性评价及软岩大变形模拟认为二叠系黑泥哨组因发育软弱层，导致其强度较低易变形具极强变形风险。
总之，本文认为工程及岩组与现今NNW-NW向走滑型的主压应力方向高角度相交是区域岩组产生高变形风险的主要原因之一，其次软岩的变形与岩体的强度与断层破碎带的影响有关。
本文综合断裂和岩组各种因素通过数值模拟对软岩变形进行预测，并评价其工程稳定性。
关键词：古宁高速；活动断裂；地应力；软岩变形；工程地质比选；1 引言丽江古城至宁蒗高速公路工程（以下简称古宁高速）是“川滇藏大香格里拉旅游环线”的重要组成部分，项目建设对于加密国家西南部高速公路网起到十分重要的作用。
本项目是川渝地区通往丽江最近的陆路通道，项目的建成将成为丽江市北上成都、南下大理的最短通道，对于改善沿线居民出行条件，对加快推进全市社会经济跨越发展，有着重大意义。
古宁高速公路工程区位于川滇块体腹地—丽江-小金河断裂带西南段的丽江和宁蒗地区。
受印度板块北东向推挤、青藏高原软流层物质沿大型走滑断层向东侧移及华南块体强烈阻挡等因素影响，川滇块体现近构造应力场分布格局具有复杂性。
基于中小地震震源机制解，许忠淮等分析认为川滇地区现今构造应力场以NW向为主导；吴建平等研究认为川滇块体内部主压应力方位从北到南由NNW向转为近SN向；综合震源机制解、水压致裂地应力测量结果和断层滑动反演资料，崔效锋等认为川滇地区现今构造应力场存在3个明显不同的应力区，即滇西南应力区（NE向）、川滇应力区（NNW向）和马边-昭通应力区（NW向）；乔学军等利用1998年~2002年200多个GPS点观测数据对川滇地区形变场进行研究，发现滇中次级块体的水平形变优势方向为165°~168 °，一定程度上表明川滇地区NNW~NW向的主压应力方位；此外，丰成君等还分析认为丽江-剑川地区现今最大主压应力方位为NNW~NW向，与上世纪80年代中期主压应力方位（NNE～NE向）相比，主压应力方位发生较明显的逆时针偏转。
隧道开挖中围岩损伤演化分析及力学参数预测
万方数据 万方数据 万方数据岩土力学２００９焦典型断面进行实体建模，两个断面的围岩级别分别被评定为ＩＩＩ级和Ⅳ级围岩，开挖方法分别为上下台阶法和上中下台阶法。
模型上边界施加自重力学条件，两侧边界受Ｘ方向位移约束，底部边界受ｙ方向位移约束。
隧道衬砌选用ＢＥＡＭ３单元，锚杆选用ＬＩＮＫｌ单元，围岩选用ＰＬＡＮＥ４２平面应变单元。
考虑到隧道开挖过程中，同一开挖断面不同区域围岩的材料参数变化情况不一样，故在数值模拟时将洞周围岩划分为拱顶、侧墙和洞周（约为１．０Ｄ－一Ｉ．５Ｄ之间）３个区域，具体划分情况见图ｌ，分别为图中编号４、５、６单元。
图１隧道围岩的区域划分Ｆｉｇ．１Ｒｅｇｉ【ｏｎａｌｄｉｖｉｓｉｏｎｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｏｆｔｕｎｎｅｌ４．３围岩力学参数估算结果本文通过测量围岩的弹性纵波波速的变化来反演围岩的损伤演化。
据式（８），采用壁城隧道现场测试声波纵波速，计算出围岩的初始损伤，判定围岩的级别，据现有规范【ｌ５ｌ选取隧道开挖前围岩的力学参数Ｅ、肌Ｃ、缈值，建立ＡＮＳＹＳ数值模拟模型，将上台阶开挖时围岩的应变模型计算值代入岩体受荷时变形模量随应变变化的宏观统计损伤演化方程，得出上台阶衬砌时围岩的损伤值；然后根据上文推导公式推求上台阶衬砌时围岩的力学参数，建立这一时步的隧道渐进性ＡＮＳＹＳ数值模拟模型；根据数值模拟结果应力、应变，反演开挖过程中隧道围岩的损伤变量；反复上述过程直至整个开挖过程的完成。
壁城隧道Ｚｋｌ＋０８７和Ｚｋｌ＋１７８典型断面在整个模拟开挖过程中围岩力学参数值详见表ｌ。
图２－－．６为隧道开挖过程中围岩的损伤演化过程和力学参数变化过程。
由图可知，隧道围岩各区域的损伤加剧、强度恶化时Ｃ值明显降低，而缈值则降低不多。
在围岩塑性区中，沿塑性区深度各点的应力与变形形态不同，Ｃ、矽值也相应不同，靠近弹塑性区交界面的点Ｃ、缈值高，而靠近洞壁的点Ｃ、妒值低。
与此同时，塑性区中随着塑性变形增大，弹性模量Ｅ逐渐减小，而横向变形系数口却逐渐增大，所以塑性区Ｅ和∥也随塑性区深度而变化。
隧道软弱围岩段大变形分析及处理措施
斛协论坛 ・２ １ ０ ０年第 ｌ ２期（ ）—— 下
０ ｍ。 日， 上 台 阶施 工至 ＤＫ１０ ７４ 下 台 阶施 工 至 ＤＫ１０ ８ ０ 射砼厚度为 ２ｃ 第一次变形后的支 护措 施调整 为系统锚杆 当 ＋５ ， １ ＋４， １ ．米 拱墙 Ｉ１ ６型钢 拱架 间距 １ ． 榀， ０米／ 喷射砼 厚度 ２ ｃ ０ ｍ。 仰拱 施 工 至 ＤＫ１０ ８０时 ， 现 边 墙 部位 向 内挤 出 ， 变 形 ３５ ， ５ １ ＋ 发 且 变形段采用径 向５ ｍ长 ２ ４ 速 率 较 快 ； ５月 ８日 ， 至 ＤＫ１０ ８０￣＋ ８ 线 路左 侧 Ｄ 第二次变形后 的支护措施调整施为： １＋ ５ ８ ０段 Ｃ、
界处 ， 壳 活 动极 为活 跃 ， 震极 为 频 繁 ， 应 力较 高 ； 之 滇 ￣＋ ０ 段变形主要位于上台阶拱部及拱脚处， 地 地 地 加 ９５ 位移量约 １ｃ ０ｍ；
西地 区位于三江断裂带， 地质构造极为复杂破碎 。 该隧道原设 后采用临时横撑加 固， 变形基本得到控制。
． １＋ ０ ８ ０段 计 Ｖ级 围岩 １５米 ， 围岩 １２ ２ Ⅳ １０米 ， Ｉ 围岩 １５ Ｉ级 Ｉ ２ ０米 而 实 ２２ ＤＫｌ ０ ８ ０ 一＋ ８
３２３ 氢 脆 性 ．．
能力表现的较弱， 能满足防腐的需求 ， 不 一年 内出现 了锈蚀。 通过 以上试验 ， 以用锌镍合 金代替原有 的电镀锌 ， 高本厂 可 提
据文献资料报道 ， 我厂采用 的锌酸盐镀锌 ， 镀层的脆化率 产品在沿海及湿热带区域的防腐能力及 公司的信誉度 同时也 很高 ， 高达 ７ ％。 高强度钢具有氢脆敏 感性 ， ８ 超 镀锌去氢困难， 解决了高强度钢镀锌产生氢脆 的困扰 。
０ ６年 ５月 ６ 设、 计、 设 科研 单 位 的 密切 关 注 ， 多次 组 织各 方 面 的专 家进 行 底 结束 。随 后 上 台阶 和 下 台阶 继 续 往 前 施 工 ，２ ０ 曾
高地应力软岩隧道大变形控制技术
contents
目录
• 引言 • 高地应力软岩隧道变形机理分析 • 大变形控制技术措施 • 现场监测与信息化施工技术 • 工程案例分析与经验总结 • 结论与展望
01 引言
背景与意义
随着我国交通基础设施建设的不 断推进，高地应力软岩隧道建设
日益增多。
高地应力软岩隧道大变形问题已 成为制约隧道建设与安全运营的
化开挖方法、加强初期支护等手段，有效减小了隧道变形。
03
案例三
某水电站引水隧洞工程，在高地应力软岩区域采用双层初期支护和径向
注浆等技术措施，确保了隧洞的稳定性和安全性。
成功经验总结
重视地质勘察和超前地质预报
采取综合控制措施
准确掌握地质情况和变形特征，为制定合 理控制措施提供依据。
结合工程实际情况，采取多种控制措施相 结合的方法，如超前支护、注浆加固、优 化开挖方法等。
布置合理的监测点位
结合隧道地质条件和施工工况，在关键部位和变形敏感区域布置监 测点，确保监测数据的准确性和代表性。
监测数据采集与处理
实时采集数据
按照监测方案要求，定期对监测点进行数据采集，确保数据的及 时性和连续性。
数据处理与分析
对采集到的数据进行整理、分析和处理，提取有用的变形信息和趋 势，为隧道施工提供决策支持。
将隧道断面分成上下两个台阶进行开挖，先开挖上台阶并及时支 护，再开挖下台阶，保持围岩稳定。
支护结构设计与选型
初期支护结构设计
根据围岩级别和变形量大小，设计合理的初期支护结构形式和参数， 如喷射混凝土厚度、钢筋网片规格等。
钢拱架选型与布置
根据隧道断面形状和尺寸选择合适的钢拱架型号和间距，并进行合 理布置，形成有效的支护体系。
隧道施工地质超前预警方法
浅析隧道施工地质超前预警方法摘要：建立隧道施工地质灾害预警是减少和避免因地质灾害造成财产损失、人员伤亡的有效办法。
本文分析隧道施工地质灾害的类型、预警的必要性，以及建立隧道施工地质超前预警的有效方法。
关键词：隧道施工；地质灾害；超前预警随着经济的飞速发展，大量山区交通建设都采用长大隧道方式通过越岭地段，特别是在我国西南部，如云南省地处云贵高原，大部分地区位于西南横断山脉地带，沟谷纵横，山高谷深，地势陡峻，这给公路隧道的建设和发展提供了有利条件。
还有地铁，过江和海底隧道的建设等等。
由于隧道施工及运营将穿越不同地层地质条件下的围岩介质，从而将不可避免的遇到山体变形、地震、塌方、涌水、岩溶塌陷、岩爆、泥屑流、高地温、瓦斯爆炸及有害气体突出等地质灾害，其中以涌水最为普遍和严重。
除此之外，隧道施工开挖工作面前方地质情况的预报是国内外工程地质和隧道工程界关注而又没有得到很好解决的难题。
实践证明在隧道施工中开展灾害预测预报技术能极大的减少塌方突水突泥等不良地质灾害，既可保证施工的顺利进行，又能极大的降低成本，故其在隧道施工中非常重要且十分必要。
一、析隧道施工地质灾害的类型1、固体地质灾害①岩爆岩爆是高地应力区的地下工程在开挖过程中或开挖完毕后，围岩因开挖卸荷发生脆性破坏而导致储存于岩体中的弹性应变能突然释放且产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳地质灾害。
其直接威胁人员、设备安全，影响工程进度，已成为地下工程世界性难题之一。
近几十年来，国内外在岩爆预测方面作了大量的研究工作，提出了一系列的理论和方法，如失稳理论、强度理论、能量理论、断裂损伤理论和突变理论等；并采用了数值分析方法、模糊数学综合评判方法、分形几何法和人工神经网络法等。
岩爆预测的目的是为岩爆防治提供可能发生的位置、烈度等信息。
然而，由于岩爆预测问题的复杂性，到目前为止还没有哪一种理论或方法能准确地预测岩爆，满足工程建设的需求。
②软弱围岩塌方a、地壳在构造运动的作用下，薄层岩体形成小褶曲，错动发育地段，隧道施工从此处通过，常发生塌方。
隧道软弱围岩施工及初期支护大变形的认识与探讨
隧道软弱围岩施工及初期支护大变形的认识与探讨孟祥马河北路桥集团有限公司摘要:近几年来隧道施工中常有围岩或初期支护发生大变形的事例，每次造成的损失少则数十万元多则上百万元，加强对这一现象的认识与探讨，预防发生大变形事故，是隧道施工人员需认真面对的课题。
文章收集整理了一些相关资料，对初支变形的原因、应对措施等作了一些简要介绍，希望能为类似工程防变形施工提供一点参考。
关键词:软弱围岩施工；大变形；原因；应对措施；认识与探讨一、变形情况隧道围岩大变形主要发生于低级变质岩、断层破碎带及煤系地层等低强度围岩中，一般具有变形量大、径向变形显著及危害巨大等特点，19世纪中叶就已经出现并引起人们的关注。
据悉国外著名的有辛普伦I线隧道、奥地利陶恩(Tauem)、阿尔贝格(Arlberg)及日本惠那山(Enasan)等公路隧道，海代尔(Maneri hvdel)、苏特来季(sutlei)、哑木那(Yamuna)及楼克塔克(IJ0ktak)等水工隧洞；国内有宝中铁路大寨岭隧道、青藏铁路关角隧道、南昆铁路家竹箐隧道及宝兰复线乌鞘岭隧道、宜万线堡镇隧道等铁路隧道，凉风垭隧道、华蓥山隧道、国道212线木寨岭隧道等公路隧道，都曾经发生过围岩或初期支护大变形，每次造成的损失少则数十万多元则匕百万元。
兰新线乌鞘岭隧道全长20 050 m，设计为两座单线隧道，线间距为40 m，隧道最大埋深l 100 m左右。
某单位施工的F7断层(DKl77+867~+050)长达817 m，埋深800 m左右，在施工中初期支护发生了连续大变形：墙腰最大收敛36．7 cm，拱顶下沉21．2 cm，最大日变形量5．2 cm，导致初期支护破坏侵入净空而拆换；+720～+150段改为圆型断面施工，也发生了大面积变形：墙腰最大变形69 cm拱顶最大变形62 cm，最大日变形量21 cm，导致第二次初支破坏，也进行了拆换处理。
泰井线碧溪隧道左洞zK41+730。
隧道全断面开挖施工及围岩变形监测
隧道全断面开挖施工及围岩变形监测摘要：随着经济的快速发展，各类隧道的开挖建设，而隧道的开挖需要进行围岩变形监测，维挂围岩的稳定性，由现场的量测结果，给出超前支护和二次衬砌的最好时机。
关键词：隧道；全断面开挖；监测Abstract: with the rapid development of economy, all kinds of tunnel excavation construction, but the need for surrounding rock tunnel excavation deformation monitoring, d hang the stability of surrounding rocks, by the measurement results, give support and advance the second lining the best time.Keywords: tunnel; Whole section excavation; monitoring一、工程概况隧道是上下分离的长隧道，左线的的长度5107米，右线长度5228米，，10335米的开挖断面110平方米的面积，属于大断面隧道。
隧道开挖采用全断面光面爆破开挖法。
在隧道施工过程中，洞穴有多处出现，从而影响了围岩的稳定性，其中需要处理两部分，位于左段ZK48+168〜ZK48+190，ZK46995〜ZK46920段。
二、夹活岩隧道施工监控量测（1）监控量测结果在施工中重点对岩溶发育区进行监测，监测的项目主要是拱顶下沉位移和收敛位移，周边收敛位移量测采用一条基线。
现选择溶洞前后测试断面ZK48+175、ZK48+190、ZK46+995，ZK46+975，ZK46+970及ZK46+930，(如图1所示)的数据进行分析。
图2为各所选断面实测拱顶下沉位移曲线和收敛位移曲线。
隧道工程中的围岩变形稳定性监测与预警研究
隧道工程中的围岩变形稳定性监测与预警研究隧道工程是现代城市建设中不可或缺的一部分，它不仅能提供交通便利，还能解决城市交通拥堵问题。
然而，在隧道施工过程中，围岩的变形稳定性一直是一个重要的问题。
为了有效地监测和预警围岩的变形，科学家们进行了广泛而深入的研究。
首先，围岩的变形稳定性监测是隧道工程中的关键问题之一。
围岩的变形会对隧道结构的安全和稳定性产生重要影响。
因此，为了保证施工和使用过程中的安全，需要对围岩的变形进行全面的、实时的监测。
目前，常用的监测方法包括岩石力学试验、地面测量技术、遥感技术和地下水位监测等。
这些监测方法的综合应用可以有效地评估围岩的变形稳定性，并为工程人员提供决策依据。
其次，预警系统的建立是围岩变形稳定性监测的重要组成部分。
预警系统能够及时发现围岩变形的异常情况，并通过定性和定量的方法对围岩的变形进行评估。
在隧道施工过程中，及时预警可以帮助工程人员采取相应的措施，减轻围岩变形对隧道结构的影响。
预警系统的建立需要采用多种监测手段和数据处理技术，如人工智能、数据挖掘和模型预测等。
这些技术的不断发展和改进，为围岩变形稳定性监测与预警提供了更加精确和可靠的方式。
除了监测和预警技术的不断研究，应注意围岩变形稳定性监测与预警中存在的挑战和问题。
首先，地质条件的复杂性是围岩变形稳定性监测的主要挑战之一。
地球深部的地壳运动和地质活动经常导致隧道工程中的围岩变形，这些现象具有不确定性和复杂性，给监测和预警带来了诸多困难。
其次，数据采集和处理的难度也是围岩变形稳定性监测的一个问题。
监测数据的采集需要耗费大量的时间和人力，并且对数据的处理和分析要求高超的技术水平。
因此，需要持续地优化和改进监测与预警系统，以满足工程施工的需要。
然而，尽管存在一些挑战和问题，围岩变形稳定性监测与预警的研究已经取得了很大的进展。
工程师们在多个隧道工程中成功地应用了监测与预警技术，并取得了显著的效果。
这些应用案例的成功经验为其他隧道工程提供了借鉴和参考。
隧道施工变形监测及风险预警
宜选 用隧道设计的预留变形量作为允许位移值 Ｕ ０
［ ４ １
，
它区别于传统所谓保证隧道稳定的 “ 允许相对位移
则，围岩收敛后总体变形不能超过该值，否则 ，围岩压 力就作用到二衬上 ，导致其开裂。 根据变形完成量与距离掌子面距离的关系，测点的 变形量控制可根据与掌子面 的距离选择 ，如表７ 。当实 测变形量超过标准时，应加强支护。
Ｂ时，必须将变形控制在 ５ ０ ％ 、７ ５ ％、８ ５ ％、１ ０ ０ ％的允许 的精度 ，精确到 １ 眦 即可 ，大于 ３ ｍ ｍ的变形需重视。 （ ２ ）隧道 围岩变形主要集中在Ⅳ、Ｖ级围岩，埋深 位移值内。 较浅段 ，变形超过 １ ０ ０ ｍ ｍ的段落是最值得警惕和谨慎处 置的地段。 （ ３ ）可采用变形速 率判定隧道是否稳定 。当小于
参考文献
【 １ 】Ｊ ＴＧ Ｆ ６ ０ — ２ ０ ０ ９ ，公路 隧道 施 工技 术 规 范 【 ｓ 】 ．
３ ｍｍ／ ｄ ｌ ｆ ￣ ，可正常施工；当在 （ ３ ～１ ０ ）ｍ ｍ／ ｄ ｇ ￣ ， ，需加 密监测 ，加强支护 ；当大于 １ ０ ｍ ｍ／ ｄ 时，需加密监测 ，
采取特殊措施加固。
实属不ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ。
Ｊ ｏ ． ２ ９ ＋ １ ． １ ５ ＋ ０ ． ５ ８ ＋ （ ４ ． ２ ９ × １ ０ － ６ ）
＝１ ． ３ ２ ｍｍ
因此 ，变形量测精度可按＋ ｌ ｍ ｍ控制，规范规定的 测试精度 ０ ． １ ｍｍ或 ０ ． ５ ｍ ｍ没必要 ，也做不到。实践 中， 大于 ３ ｍ ｍ的变形应引起注意 ，小于 ３ ｍ ｍ的变形可视为
值”（ 注： 实践证明 ，大于该值不见得坍塌 ；小于该值不
见得稳定） 。该值包含两层含义：一则 ， 隧道围岩稳定情 况下的变形值要小于该值 ，否则，要换拱返工处理 ；二
山岭隧道围岩失稳的预测研究
３ 综 合 超 前 地 质 预 报
考 虑 隧道处 于缓 坡地带 、 埋 深浅 、 穿越 节理 裂 隙
作者简介： 庄 绍勇（ １ ９ ７ ３ 一） ， 男， 工程师 ， ２ ０ ０ ８年 本 科毕 业 于 长沙 理 工 大 学 ， 土木工程专业 ， 研 究 方 向 为 高 速 公 路施 工 建设 与管 理 。
１ 引 言
目前 ， 公路 隧道 设计 和施 工过 程 中 ， 新 奥法 已得 到广 泛 的应用 ］ 。新 奥 法 的主要 优 点在 于 能够 最 大 限度 的保 留 围岩 原 有 的 自承 能 力 ， 并充 分 利 用 实
出 口与山间沟谷 盆地相 连 ， 切割 深 达 １ ５ ～３ Ｏ ｍ， 隧道 上方 发育有溪 水 ； 地 表植 物 覆盖 较差 多辟 为茶 园 ， 多
质 预报 和监 控 量测 ， 预 极 围 岩 失稳 事 故 ，为今 后 相
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
似 灾害 条件 下 的隧道 施工 提供参 考 和借鉴 。
差、 围岩稳 定性 差 、 上 部 荷 载 复杂 、 开挖 方 式 及 结 构
２ 工 程简 介
２ ． １ 工 程 概 况
受力 转换 多 样 化 ， 极易造成坍 塌而引发安全事 故。
面做 了大量 的探 索 工 作 ， 而 由于 现 场地 质 条 件 的 复
杂性 、 多变 性 ， 围岩失 稳 灾害理 论 的研究 还具 有很 大
的局 限性 ［ ７ ］ 。但 生 产 实 践 中却 取 得 大 量 成 果 ， 成
功 的控制 一 系列 隧道工 程 的失 稳灾 害 。
以大 丘 林 ２号 隧道 为 背 景 ， 通过 综 合 的超 前 地
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围岩为浅变质岩 ,如千 开挖和初期支护 5～6个月后 ,混凝土开裂 、钢拱架发生严重变
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海代尔 引水隧洞
印度 (1979)
枚岩 、页岩及各类片岩 等
形 。3年以后 (1982年 11～12月 ) ,当要进行永久衬砌施工时 , 该洞段的大部分钢拱架再次发生严重变形 ,隧底隆起 80 cm ,扭
曲的钢架和回填混凝土侵入限界 ,不得不被完全拆除扩挖
惠那山 11 公路隧道
木寨岭 12 公路隧道
日本 ( 1978 ～ 1985)
中国甘肃 ( 2002 )
断层带 ,单轴抗压强度 1. 7～4. 0 M Pa,埋深约 400 m。地应力 10～11
为双洞隧道 ,在日本中央公路的两宫线上 。 I号隧道于 1975年 8月建成 ,全长 8 300m ,是双向行驶的公路隧道 。1978 年建 Ⅱ 号隧道 ,该隧道全长 8 635 m ,于 1985年建成
(1) 围岩的物质条件为强度低的软岩类 ,在结 构上岩体具原生结构 ,软岩中具有膨胀性的岩石 。
(2) 围岩环境条件为不同程度地存在高地应力 问题 ,地应力达 16～23 M Pa,由于围岩强度低 ,形成 了很高的应力强度比 。
(3) 围岩的变形破坏主要为挤出作用 ,软岩的
修改稿返回日期 : 2005 - 05 - 09 作者简介 :李永林 ,男 ,博士研究生 ,高级工程师.
膨胀作用并不显著 。 (4) 地下水的存在对软岩的软化作用在围岩大
变形中发挥很重要的作用 。 (5) 围岩变形破坏的模式主要为塑性流动 、弯
曲变形 。 2. 2. 2 岩体结构控制类
这种围岩变形类型发生在岩体受构造改造和浅 表生改造型的岩体中 ,围岩岩块具有较坚硬岩的特 性 ,但岩体强度受其结构特征的影响 ,岩体变形受围 岩应力环境的明显控制 ,当隧道开挖前处在高围压 状态时尚具有较高的强度和稳定性 ;当围压降低 、围 岩应力差增大时 ,结构面张开或滑移 ,围岩整体强度 和模量降低 ,表现出显著的结构流变的特点 。按照 岩体结构形成机制类型 ,可以划分为构造改造型和 浅表生改造型 。按改造程度 ,可进一步划分为块裂 状结构 、碎块状结构和碎屑状结构型 。这类围岩具 有以下特点 :
关键词 公路隧道 围岩大变形 预预报 中图分类号 : U456. 3 + 3 文献标识码 : A
1 引 言
当交通隧道 、水工隧洞等地下工程穿越高地应 力区及遇到软弱围岩体时 ,常形成软岩大变形等相 关地质灾害 。自 20 世纪初首例交通隧道软弱围岩 大变形发生以来 ,国内外隧道工程发生的围岩大变 形灾害事例屡见不鲜 ,它成为困扰地下工程界的一 个重大问题 。19 世纪中叶 ,隧道底鼓 、仰拱破坏等 现象就已经出现并引起人们的关注 ,但首例严重的 交通隧道软弱围岩大变形应该是 1906年竣工的长 19. 8 km 的辛普伦隧道 。此后 ,日本的惠那山公路 隧道 、奥地利的陶恩隧道和阿尔贝格隧道等都是典 型的隧道围岩大变形灾害工程事例 。我国青藏线的 关角隧道 、宝中线的大寨岭隧道 、南昆线上穿越煤系 地层的家竹箐铁路隧道 ,以及铁山隧道等工程均出 现了不同形式和程度的围岩大变形情况 ,给工程建 设造成极大的困难 。
中国四川 ( 2002 )
地表移动 、变形成破碎 带
采用常规的支护 ,围岩变形持续不断 。在 2003年 5月 ～7月两 个月的时间拱顶相对下沉 73 mm ,后该段部分段落发生塌方 , 塌方一直影响至地表 ,导致地表形成塌陷坑
中国四川 (1998年 )
粉砂质泥岩 、泥质粉砂 岩夹煤层 ,含少量细 中粒砂岩 ,为软质岩夹 少量硬质岩地层组成
中深变质岩系 ,包括混 合岩 、片麻岩 、片岩 、大 理岩 。侵 入 岩 有 超 基 性岩 、花岗岩及各种岩 脉
巷道收敛可达数 10 cm甚至 1. 0 m 以上 ,底鼓可达数 10 cm 甚 至更大 ,变形破坏持续时间达数月至数年 。巷道破坏 、钢架严 重扭曲甚至折断 、喷层开裂和剥离 (落 ) 、锚杆失效 、预制混凝土 砌块的挤出或塌落 、现浇混凝土衬砌破裂和剥离 、混凝土底板 折断翘起等现象随处可见
阿尔贝格 3 公路隧道
鹧鸪山 4 公路隧道
关角 5 铁路隧道
地点
地质简况
中国梅七线 围岩 为 泥 质 页 岩 和 砂 (1976) 质泥岩
中国宝中线 ( 1992 )
有 500 m 一 段 大 部 分 为绿 色 泥 岩 , 软 弱 破 碎 ,膨胀率为 46%
奥地利 ( 1974 ～ 1979)
千枚岩 、片麻岩 、含糜棱 岩的片岩绿泥石等 ,抗 压强度 1. 2～2. 9 MPa, 原始地应力 13 MPa
(1) 受构造改造作用的围岩大变形发生在受构造 改造作用的岩体中 ,即断裂带的碎裂化、破碎化岩体。 围岩岩体的特性是岩块的强度较高 ,但结构面发育 ,为 断层带碎裂化岩体 ,或者在硬岩中不规则地发育有多 组、多种性质的软弱结构面或软弱带 ,岩体破碎。
(2) 受构造改造作用的围岩大变形 ,其围岩一 般处于较高的应力状态 ,围岩因高围压而紧密闭合 ; 而在开挖卸荷后 ,结构面易于张开滑移 ,因此 ,岩体 强度远低于岩石强度 。
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隧道工程围岩大变形及预测预报研究
表 1 国内外部分发生大变形隧道的基本情况 Table 1 Large deforma tion s encoun tered in som e tunnels both a t hom e and abroad
序号 名称 崔家沟
1 铁路隧道
堡子梁 2 铁路隧道
(3) 围岩变形破坏演化机制表现为渐进和累进 性发展的特点 ,其变形破坏模式表现为塑性楔体挤 出 、结构流变等 。 2. 2. 3 人工采掘扰动控制类
这类围岩的变形破坏机制为剪切和滑动破坏 , 发生于相对厚层的沉积岩中 ,包括沿层面的滑动和 完整岩石的剪切两种破坏形式 。这种形式的破坏多
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发生在受人工扰动影响的采空区 ,岩体的移动导致 隧道围岩的大变形 ,如四川省达州市巴彭公路铁山 隧道采空区变形和孝柳铁路麻子山隧道煤窑采空段 的变形就是这类大变形类型中的典型实例 。由于受 人工扰动影响 ,即采煤活动形成煤层采空区变形 ,导 致隧道工程通过采空区时其衬砌结构变形 、破裂 。 这种结构类型可按采空区岩层走向与隧道的关系划 分为倾斜型和水平型两种形态 。这类围岩具有以下 特点 :
软弱围岩类 ,包括软弱的泥质页岩和砂质泥岩 、 泥灰岩以及具有膨胀性的软岩等 ,这一类型的围岩 往往保持岩体的原生结构 ,在高应力状态下围岩岩 体产生流动或塑性变形 ,在地下水的参与下岩体软 化流动 ,当岩体中含有膨胀性矿物时也会发生膨胀 变形 。根据软岩中结构面的发育特征 ,划分为均质 类型 、层状类型 、互层状类型 、具膨胀性的软弱岩类 。 这种软岩类的变形破坏机制为剪切破坏 ,围岩的变 形破坏模式表现为剪切变形以及弯曲变形产生的塑 性流动 。这类围岩具有以下特点 :
第 42卷第 5期 2005年 10月
现代隧道技术
Vol. 42 No.
Modern Tunnelling Technology
Oct. 2005
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文章编号 : 1009 - 6582 (2005) 05 - 0046 - 06
隧道工程围岩大变形及预测预报研究
辛普伦 瑞士 - 意大利 围岩 为 石 灰 质 云 母 片 施工期间 ,多处发生围岩大变形 ;隧道在竣工若干年后 ,强大的
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隧道
(1906) 岩
山体压力再次引起横通道边墙 、拱部和隧底破裂 、隆起
陶恩 8 公路隧道
奥地利 ( 1970 ～ 1975)
绿泥 石 、千 枚 岩 , 原 始 地应力 16～27 M Pa
长 6 400 m ,埋深 600～1 000 m。施工中在千枚岩和绿泥石地段 发生了大变形 ,产生了 50 cm (一般 )及 120 cm (最大 )的位移 , 最大位移速度达 20 cm / d,是世界上第一座知名的大变形隧道
中国南昆线 泥质砂岩 、页岩及煤系 1995年 4月 ～12月底 ,大变形的范围扩展到长达 390 m的洞段 ,
2 隧道围岩大变形类型
2. 1 隧道围岩大变形实例
自 20世纪初首例严重的交通隧道软弱围岩大 变形发生以来 ,国内外隧道工程及地下工程已发生 了多起围岩大变形灾害 (表 1) 。
2. 2 隧道围岩大变形的主要类型
根据大量围岩大变形实例的分析与研究 ,按不 同的受控条件 ,大变形主要有受围岩岩性控制 、受围 岩结构构造控制和受人工采掘扰动影响三个大的类 型 [1]。 2. 2. 1 围岩岩性控制类
以薄层 状 碳 质 千 枚 岩
中国四川 ( 2000～2003 )
为主 ,岩石硬度小 ,膨 胀率 13% , 易 风 化 , 地 应力 17～20 M Pa
中国青藏线 泥质 片 岩 , 最 大 埋 深
( 1977 )
500 m 左右
工程情况及大变形特征 隧道中有 8段 1 680 m 的路段发生底鼓 ,严重地段轨顶抬高 0. 136 m; 1980年轨顶抬高达到 0. 206 m,水沟盖板跷起 0. 129 m; 隧底出现 330余条横向裂缝 ,最大缝宽 4～8 mm
李永林 1 冯学钢 2 姜 云 2 何 川 1
(1 西南交通大学地下工程系 ,成都 610031; 2 四川省交通厅公路水运质量监督站 ,成都 610041)
摘 要 文章在对国内外隧道工程及地下工程已发生的大量围岩大变形实例收集 、分析的基础上 ,讨论了隧 道围岩大变形的类型 ,提出了围岩大变形的预测预报体系 ,并已在鹧鸪山隧道工程中应用 。
1998年 5月 ～9月 ,隧道西段 K140 + 550. 5～ + 608处衬砌混凝 土破裂 ,衬砌中的钢筋被弯曲 、剪断 ; 隧道两侧排水沟墙体开 裂 ,出现从边墙底部延伸至拱顶的斜向裂缝 ;拱顶出现长 18 m、 最宽处约 20 mm 的纵向裂缝 ,裂缝表面呈压扭性劈裂状 ;拱腰 处出现一条 10 m 长 、宽约 2 mm 纵向水平裂缝