高等隧道工程2演示教学

隧道选址会遇到哪些不良地质地段？在这些地段选址时，主要应考虑哪些问题？（1）滑坡、错落：滑坡、错落对隧道的危害很大，因而在隧道通过滑坡地区时，必须查明滑坡类型、范围、深度、滑动方向及发生发展原因和规律，地下水情况等。

一般应避开滑坡体或错动体，或在可能滑动面以下一定深度通过。

（2）松散堆积层：堆积层常处在暂时稳定状态。

一旦扰动，稳定即会丧失而造成崩坍。

在这种地质条件下隧道应避开不稳定、松散的堆积层，使洞身处于基岩中，并具有足够的安全厚度，在堆积体紧密稳定，且不得已时，隧道也可以穿过堆积体，但应避开堆积层中的软弱层面和堆积体与基岩的接触处通过，而应将隧道置于基岩或稳定的堆积体中。

（3）泥石流：隧道通过泥石流地段时，应结合地质情况考虑泥石流沟的改道和最大下切深度，确保洞口和洞身的安全。

隧道洞顶距基岩面或最大下切面要有一定的覆盖厚度，隧道洞口应避开泥石流沟及泥石流可能扩展的范围。

有困难时，可修建一段明洞，使泥石流在明洞顶通过。

试阐明隧道围岩分级的工程意义？并结合我国现行行业设计规范说明公路隧道围岩分级的方法和原理？经过长期的工程实践，人们逐步认识到不同的地质条件下开挖地下洞室时，其围岩有不同的稳定性，即不同的地质条件与围岩稳定性之间存在着一定的联系。

根据岩体完整程度和岩石强度等主要指标给予定性和定量评价的基础上，按其稳定性将围岩分为工程性质不同的若干级别，这就是围岩分级（也称围岩分类）。

并依照各级围岩的稳定程度制订相应的工程措施，给出最佳的施工方法和支护结构设计。

从而为地下工程的设计和施工提供了一定的基础条件。

我国现行公路隧道设计规范围岩分级的综合评定方法采用两步分级：①根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体基本质量指标BQ，综合进行初步分级；②对围岩进行详细定级时，应在岩体基本质量分级基础上考虑修正因素的影响；③按修正后的岩体基本质量指标[BQ]，结合岩体的定性特征综合评判、确定围岩的详细分级。

围岩详细定级时，遇到地下水、软弱结构面、高初始应力等情况时，对岩体基本质量指标BQ进行修正。

根据调查、勘探、试验等资料，将围岩分为6级，给出了围岩或土体的主要定性特征和围岩的基本质量指标BQ。

在工程可行性研究和初步勘测阶段，可采用定性划分的方法和工程类比的方法进行围岩级别划分。

试述隧道结构计算有哪些模型？（1）荷载结构模型：荷载结构模型是我国隧道设计规范中推荐采用的一种方法，其设计原理是按围岩分类或由实用公式确定地层压力，按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌内力，并进行结构截面设计。

采用这种设计计算模型，计算方法简单，工作量小，具有明确的安全系数评价方法，但其准确性将依赖于地层压力计算结果的真实性。

（2）收敛约束模型：收敛约束模型在国际隧道界也占有一席之地，该模型认为围岩压力与支护抗力是在围岩与支护系统共同变形中形成的，它主要关心的是支护抗力作用下的地层状态，而不是荷载作用下的支护结构状态，设置支护结构的目的是阻止围岩体受力变形状态的恶化，而不是主动承担荷载，从而体现了新奥法围岩支承作用的思想，新奥法的基本理念是充分保护和发挥围岩的自承能力，但在具体应用时，存在很多问题难以解决。

首先目前仍无法正确地确定地层和支护的响应曲线，从而使该方法仍停留在定性的描述阶段，要它作为隧道支护定量分析与设计的实用方法，还有许多理论上的难题需要解决，目前一般仅按照量测的洞周收敛值进行反馈和监控，指导后继的隧道设计与施工。

（3）地层结构模型：地层结构模型将衬砌和地层视为共同受力的统一体系，按变形协调条件分别计算衬砌与地层的内力，并据以评价地层的稳定性和进行结构截面设计。

该计算理论对一小部分课题已取得了精确的解析解，大部分课题的计算仍将依赖于数值计算方法，上个世纪七十年代中期以来，随着电子计算机的广泛应用，特别是有限元、边界元、杂交元等数值方法的推广，为连续介质模型在隧道工程中的应用创造了条件。

近年来，追求高精度、能考虑多种因素的数值仿真，已成为各设计和科研部门的时尚，但其计算结果多数都没有用到工程实践上，只能为设计人员和方案决策者提供一个定性参考。

随着高性能计算机的出现以及计算技术的不断完备，数值计算结果的准确性将极大依赖于介质本构关系的合理性和计算参数的准确性，由于这两个方面的不准确性，已经形成一个以模型识别和参数反演为主要内容的重大研究方向，并已在工程实践中显示了它的应用价值。

（4）经验类比模型：工程类比法在我国甚至于世界隧道及地下工程的设计领域占据主导地位。

根据经验总结而创立的新奥法（在我国称为“喷喵构筑法”）在预设计阶段，支护参数仍需采用工程类比经验方法来确定，即便是依据监控量测资料修正支护参数和施工方法，经验仍起决定作用。

工程类比经验设计方法的关键在于建立正确的围岩分类体系以及既有工程资料的积累和整理，现行的围岩分类带有很大的人为因素，仍是一个以定性为主的分类，工程类比也只是各单位仅依据有限的设计资料进行类比，这样进行的隧道支护设计，其功能的可靠性及经济的合理性，往往难以得到保障。

简述现代支护理论并说明其基本要求？（1）现代支护理论①一切方法、手段都以围岩稳定为目的；②支护和围岩共同承载；③围岩是承载主体，应最大限度发挥其自承力；④利用现场监测手段，获取信息，指挥设计与施工；⑤对不同的围岩条件，灵活采用不同的设计与施工方法。

（2）简述现代支护理论的基本要求：①围岩与支护要大面积牢固接触；②重视初期支护的作用并使其与二次衬砌协调作用；③允许围岩与初支产生有限变形；④保证二次衬砌适时施作；⑤支护结构要根据围岩条件及时调整。

阐述锚杆及喷射混凝土对隧道的支护机理？①灵活性。

锚喷支护是由喷射混凝土、锚杆、钢筋网等支护部件进行适当组合的支护形式，它们既可以单独使用，也可以组合使用。

其组合形式和支护参数可以根据围岩的稳定状态，施工方法和进度，隧道形状和尺寸等加以选择和调整。

它们既可以用于局部加固，也易于实施整体加固；既可一次完成，也可以分次完成。

充分体现了“先柔后刚，按需提供”的原则。

②及时性。

锚喷支护能在施作后迅速发挥其对围岩的支护作用。

这不仅表现在时间上，即喷射混凝土和锚杆都具有早强性能，需要它时，它就能起作用，而且表现在空间上，即喷射混凝土和锚杆可以最大限度地紧跟开挖而施工，甚至可以利用锚杆进行超前支护。

③密贴性。

喷射混凝土能与坑道周边的围岩全面、紧密地粘结，因而可以抵抗岩块之间沿节理的剪切和张裂。

从整体上结构上看，喷射混凝土填补了洞壁的凹穴，使洞壁变得圆顺，从而减少了应力集中。

④深入性。

锚杆能深入围岩体内部一定深度，对围岩起约束作用。

这种作用尤其是以适当密度的径向锚杆群（称为系统锚杆）的效果最为明显。

系统锚杆的围岩中形成一定厚度的锚固区，锚固区内的岩体强度和整体性得以提高和加强，应力分布状态也得以改善。

其承载能力和稳定能力显著增强。

⑤柔性。

锚喷支护属于柔性支护，它可以较便利地调节围岩变形，允许围岩作有限的变形，即允许在围岩塑性区有适度的发展，以发挥围岩的自承能力。

喷射混凝土的施工工艺的特点，使得它能与岩体密贴粘结，且能喷得很薄，故呈现柔性，而且这柔性可以通过分层分次喷射和加钢纤维或钢筋网来进一步发挥。

另一方面，锚杆也有一定的延性，它可以允许岩体有较大的变形，甚至同被加固岩体一起作整体位移，而仍能继续工作不失效。

⑥封闭性。

喷射混凝土能全面及时地封闭围岩，这种封闭不仅阻止了洞内潮气和水对围岩的侵蚀作用，减少了膨胀性岩体的潮解软化和膨胀，而且能够及时有效地阻止围岩变形，使围岩较早地进入变形收敛状态。

简述黄土对隧道施工的影响并总结黄土隧道施工的注意事项？（1）黄土对隧道施工的影响：①黄土节理：在红棕色或深褐色的古土壤黄土层，常具有各方向的构造节理，有的原生节理呈X型，成对出现，并有一定延续性。

在隧道开挖时，土体容易顺着节理张松或剪断。

如果这种地层位于坑道顶部，则极易产生“塌顶”。

如果位于侧壁，则普遍出现侧壁掉土，若施工时处理不当，常会引起较大的坍塌。

②黄士冲沟地段：隧道在黄土冲沟或塘边地段施工时，当隧道在较长的范围内沿着冲沟或塬边平行走向，而覆盖较薄或偏压很大的情况下，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。

③黄土溶洞与陷穴：黄土溶洞与陷穴，是黄土地区经常见到的不良地质现象，隧道若修建在其上方，则有基础下沉的危害。

隧道若修建在其下方，常有发生冒顶的危险。

隧道若修建在其邻侧，则有可能承受偏压。

④水对黄土隧道施工的影响；在含有地下水的黄土层中修建隧道，由于黄土在干燥时很坚固，承压力也较高，施工可顺利进行。

当其受水浸湿后，呈不同程度的湿陷后，会突然发生下沉现象，使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力，如果支护措施满足不了变化后的情况，极容易造成坍塌。

（2）黄土隧道施工的注意事项：①施工中如发现工作面有失稳现象，应及时用喷射混凝土封闭、加设锚杆、架立钢支撑等加强支护。

②施工时特别注意拱脚与墙脚处断面，如超挖过大，应用浆砌片石回填。

如发现该处主体承载力不够，应立即采取相应措施进行加固。

③黄土隧道施工，宜先作仰拱，如果不能先作仰拱时，可在开挖与灌筑仰拱前，为防止边墙向内位移，应加设横撑。

④施工中如发现不安全因素时，应暂停开挖，加强临时支护，以便采取适应性的工序安排。

分别论述隧道施工遇到溶洞、岩爆等不良地质地段时应注意哪些事项？（1）溶洞：①当施工达到溶洞边缘，各工序应紧密衔接，支护和衬砌赶前。

同时应利用探孔或物探作超前预报，设法探明溶洞的形状、范围、大小、充填物及地下水等情况，据以制定施工处理方案及安全措施。

②施工中注意检查溶洞顶部，及时处理危石。

当溶洞较大较高且顶部破碎时，应先喷射混凝土加固，再在靠近溶洞顶部附近打入锚杆，并应设置施工防护架或钢筋防护网。

③在溶蚀地段的爆破作业应尽量做到多打眼、打浅眼，并控制爆破药量减少对围岩的扰动。

防止在一次爆破后溶洞内的填充物突然大量涌入隧道，或溶洞水突然袭击隧道，造成严重损失。

④在溶洞充填体中掘进，如充填物松软，可用超前支护施工。

如充填物为极松散的砾石、块石堆积或流塑状粘土及砂粘土等可于开挖前采用地表注浆、洞内注浆或地表和洞内注浆相结合加固。

如遇颗粒细、含水量大的流塑状土壤，可采用劈裂注浆技术，注入水泥浆或水泥水玻璃双液浆进行加固。

⑤溶洞未做出处理方案前，不要将弃渣随意倾填于溶洞中。

因弃渣覆盖了溶洞，不但不能了解其真实情况，反而会造成更多困难。

（2）岩爆：①如设有平行导坑，则平导应掘进超前正洞一定距离，以了解地质，分析可能发生岩爆的地段，为正洞施工达到相应地段时加强防治，采取必要措施。

②爆破应选用预先释放部分能量的方法，如超前预裂爆破法、切缝法和排孔法等，先期将岩层的原始应力释放一些，以减少岩爆的发生。

爆破应严格控制用药量，以尽可能减少爆破对围岩的影响。