隧道工程施工安全風險控制技術(shù)

1、隧道工程施工安全風險控制技術(shù)中鐵隧道集團副總工程師 汪綱領(lǐng),隧道工程洞室支護、結(jié)構(gòu)設(shè)計和工法選擇的基礎(chǔ)理論。 隧道施工的基本工法與輔助工法。 隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)。 信息化施工與動態(tài)反饋設(shè)計。 隧道工程通過巖溶地質(zhì)地段安全風險控制技術(shù),隨著交通運輸、水利水電、城市地鐵和地下空間開發(fā)利用，隧道施工技術(shù)也取得了長足的進步，隧道工程的規(guī)模和數(shù)量都有了較大增長。目前，中國是世界上隧道最多的國家，是地質(zhì)最復(fù)雜的國家，也是今后隧道發(fā)展最快的國家,隨著隧道應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，也帶來了新的地質(zhì)難題: 超淺埋隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與地面限沉問題； 極深埋隧道的巖爆和高應(yīng)力下隧道結(jié)構(gòu)大變形問題； 隧道穿過特殊地質(zhì)地段（如

2、巖溶洞穴、巖爆、瓦斯、膨脹性圍巖、凍結(jié)層、第四季沉積砂土等地段）時也往往會遇到許多復(fù)雜的工程地質(zhì)問題，給工程帶來很大的困難,就隧道工程而言，若對地質(zhì)條件有足夠深度的了解，對可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害能夠適時預(yù)報，通過動態(tài)設(shè)計與合理的施工技術(shù)措施，對隧道施工安全風險是可以進行有效控制的,就地質(zhì)工程而言，對于地質(zhì)條件的預(yù)測及地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報問題一直困擾著工程建設(shè)者，往往成為大型工程項目的重難點問題。 地質(zhì)災(zāi)害常常導致隧道建設(shè)嚴重受挫。即使工程規(guī)模較小，若地質(zhì)條件差，施工技術(shù)措施不當，也會變成相當困難的工程。 地質(zhì)條件具有復(fù)雜性、特殊性和不確定性，由于勘察手段的局限性，使得勘察成果往往不能滿足施工方案對地質(zhì)條

3、件的需求。為了避免在工程施工過程中由于地質(zhì)條件突變而形成地質(zhì)災(zāi)害，將超前地質(zhì)預(yù)報工作納入工序進行管理十分必要,就施工技術(shù)措施而言，技術(shù)方案、工序管理與工藝控制是技術(shù)管理的三大基本問題。技術(shù)方案不合理，工藝控制不到位，工序管理不正確往往直接導致重大安全風險甚至造成項目失敗。 大量失敗案例分析證實，現(xiàn)場管理者觀念陳舊、理念錯誤固然是主要原因，但在方案實施中對關(guān)鍵工序、工藝某些重要環(huán)節(jié)與細節(jié)的控制失誤往往是重要因素,從理念到實踐，從超前地質(zhì)預(yù)報到方案設(shè)計，從工藝控制到工序管理，從監(jiān)控量測到動態(tài)反饋設(shè)計與信息化施工等，這些都是比較成熟的隧道工程施工安全風險控制技術(shù)。接下我想就以上問題與各位同行進行探討

4、，不當之處請批評指正,第一部分隧道工程洞室支護、結(jié)構(gòu)設(shè)計和工法選擇的基礎(chǔ)理論,第一章 圍巖壓力 一、圍巖壓力的定義與內(nèi)涵 周圍巖體作用于隧道和地下洞室襯砌或支護上的荷載，也稱地層壓力。 圍巖壓力是開挖隧道后圍巖變形和應(yīng)力重新分布的一種物理現(xiàn)象。人們從開挖洞室后圍巖變形和坍塌，襯砌或支護產(chǎn)生變形和開裂等現(xiàn)象，逐步認識到圍巖壓力的存在,影響圍巖壓力的因素: 洞室形狀或大小、地質(zhì)構(gòu)造、支護型式和剛度、洞室埋深，以及時間因素和施工方法等。 一次應(yīng)力 (初始應(yīng)力)狀態(tài): 洞室開挖前，巖體處在相對靜止狀態(tài)，其中任何一點的巖土都受到周圍地層的擠壓而處于應(yīng)力平衡狀態(tài)。 二次應(yīng)力狀態(tài): 洞室開挖以后，解除了部分

5、圍巖的約束，原始的應(yīng)力平衡和穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，圍巖中出現(xiàn)了應(yīng)力的重分布，圍巖向洞室內(nèi)部空間變形，并力圖達到新的平衡,二、隧道開挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)的三個區(qū)域 1、應(yīng)力降低區(qū) 在松軟圍巖中，巖體的強度很小，不能承受開挖后急劇增大的洞室周邊應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形，沿坑道周邊圍巖應(yīng)力松弛而形成一個應(yīng)力降低了的區(qū)域，高應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。擾動了的巖體向坑道內(nèi)變形，如果變形超過一定數(shù)值就會出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)和坍塌。 在堅硬而完整的圍巖中，由于巖體強度大，坑道周邊未達到開裂和坍塌，故無應(yīng)力降低區(qū)，這種洞室往往是自穩(wěn)的,2、應(yīng)力升高區(qū) 圍巖深部應(yīng)力升高的區(qū)域，但其強度尚未被破壞，相當于一個承載環(huán)。坑道上方形成承載拱，承受上

6、覆地層的自重，并將荷載向兩側(cè)地層傳遞。此即圍巖的成拱作用。 3、初始應(yīng)力區(qū) 距離坑道較遠的巖體所受開挖的影響較小，仍處于初始的一次應(yīng)力狀態(tài),三、圍巖壓力的分類 1、松動壓力 松動或塌落的巖體以重力形式直接作用在支護上的壓力。巖體可以由于節(jié)理裂隙或巖石強度破壞而引起松動，直至坑道的頂部和側(cè)部產(chǎn)生坍落,2、形變壓力 定義：圍巖變形受到支護約束而產(chǎn)生的壓力。 形變壓力除與圍巖應(yīng)力有關(guān)外，還與支護時間及其剛度有關(guān)。柔性支護可產(chǎn)生一定位移而使形變壓力減小，宜大力推廣。但初期支護必須足夠強，否則須及時施做襯砌，以免圍巖位移過大而形成松動壓力，不利于結(jié)構(gòu)受力和穩(wěn)定,松動壓力和形變壓力經(jīng)常同時存在。但以地質(zhì)條

7、件、支護類型和施工方法等不同而以某一種為主。 在松散地層中采用現(xiàn)澆混凝土襯砌而回填不密實時，通常以松動壓力為主；而及時作的柔性噴錨支護則以形變壓力為主。形變壓力常隨時間推移而逐漸加大，最終才趨于穩(wěn)定。 說明：在膨脹地層中，還會產(chǎn)生水和化學作用引起巖土體積膨脹的膨脹壓力，這也是形變壓力的一種。在脆性巖層中，因坑道開挖，使圍巖原先的高壓力突然釋放引起巖爆而產(chǎn)生的沖擊壓力，則屬松動壓力范疇,四、圍巖壓力的現(xiàn)行理論 1、巖土柱理論 開挖坑道以后，由于支護或拱圈向坑道內(nèi)部位移，引起其頂部上覆巖土柱的下沉，兩側(cè)地層對柱體產(chǎn)生與下沉反向的摩擦力，故上覆巖層重量減去巖土柱兩側(cè)的摩擦力即為圍巖壓力。 鐵路行業(yè)的

8、方法：拱頂土柱的下沉，將帶動兩側(cè)三棱體下滑，由三角楔體的平衡條件求出與土柱間的摩阻力，土柱重量減去此摩阻力即為土體豎直壓力。該理論多用于淺埋隧道，但也可推廣用于深埋隧道。當隧道埋置極淺或遇軟土層時，土柱兩邊的摩阻力接近于零，故圍巖壓力直接為土柱全重,2、壓力拱理論 對埋置較深的隧道，頂部巖體失去穩(wěn)定，產(chǎn)生坍塌而形成不延向地表的局部破裂區(qū)。該區(qū)內(nèi)的巖體自重即洞室支護上的荷載。破裂區(qū)上部邊界線有拋物線、橢圓、半圓和三角形等不同假定，如科默雷爾巖體破碎理論等。 50年代初期，曾廣泛采用普氏地壓理論，假定巖體為松散體，其壓力拱承受上覆土柱的全部均布重量，根據(jù)散粒材料不能承受拉應(yīng)力，即彎矩為零的條件，得

9、到拱形為拋物線，其矢高：hb/f (b為壓力拱跨度之半，f為巖層堅固系數(shù))。塌落拱巖體重量即為豎直地層壓力,3、彈塑性理論 利用彈塑性理論可求出沿洞室周邊地層內(nèi)產(chǎn)生塑性區(qū)的范圍。設(shè)置襯砌后，利用地下結(jié)構(gòu)與地層的位移協(xié)調(diào)條件，可求得塑性區(qū)半徑和圍巖壓力值,4、極限平衡理論 巖體內(nèi)有各種各樣的結(jié)構(gòu)面。開挖坑道后，洞周的圍巖出現(xiàn)與整個巖體相脫離的巖塊。它的自重對襯砌產(chǎn)生壓力。故用地質(zhì)分析法時，需先查明斷層、節(jié)理和軟弱夾層的分布情況及其組合。當分離體由數(shù)組平行節(jié)理面組成時，可用裂隙巖石的極限平衡理論計算；當節(jié)理呈隨機分布時，可用塊體力學理論計算,5、數(shù)值解法 除簡單邊界條件的圓形洞室有較嚴格的解析解以

10、外，對其他斷面形狀的洞室可采用有限元法或其他數(shù)值方法計算彈性、彈塑性或粘彈與粘（彈）塑性的圍巖壓力值。 如已給出垂直壓力，則側(cè)向壓力可視具體情況采用主動、靜止和被動抗力等理論進行計算。如底部地層較差而承載力不好，處于極限狀態(tài)，產(chǎn)生塑流，巖土將向洞室底部隆起；或遇膨脹地層時，均需要考慮底部圍巖的隆起壓力,五、小結(jié) 由于地層初始壓力和巖土參數(shù)不易準確測定，上述各種地壓理論，實際應(yīng)用時會受到一定限制，因此目前還較多地采用工程類比法。 長期以來，人們都想通過量測作用在隧道上的圍巖壓力及圍巖和襯砌的變形，得出可靠的圍巖壓力分布和數(shù)值。如以洞徑位移量測為主的收斂約束法，強調(diào)在施工期間進行量測，并反饋信息指

11、導設(shè)計，稱為現(xiàn)場監(jiān)控法。 依靠實測來求得圍巖壓力值是當前的發(fā)展方向。圍巖性質(zhì)千變?nèi)f化，支護形式多種多樣，施工方法各不相同，故應(yīng)綜合經(jīng)驗、理論和實測的成果，針對不同情況，采用不同的理論和方法,第二章 巖體力學理論 1、關(guān)于巖體力學 巖體力學是力學的一個分支學科，它是研究巖體在各種力場作用下變形與破壞規(guī)律的理論及其實際應(yīng)用的科學，屬于應(yīng)用型基礎(chǔ)學科。是力學、地質(zhì)學與工程學之間的一門邊緣學科。 巖體力學主要研究經(jīng)過變形和破壞的巖體在地應(yīng)力條件改變時產(chǎn)生再變形和再破壞的力學規(guī)律的學科。其研究目的是運用巖體的力學規(guī)律合理地利用巖體，預(yù)測、預(yù)報巖體工程中出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的災(zāi)害，并擬定防治措施,2、巖體力學研

12、究的基本問題 巖體結(jié)構(gòu)，特別是結(jié)構(gòu)面的地質(zhì)規(guī)律；巖體中應(yīng)力，包括地應(yīng)力及工程建設(shè)引起的二次應(yīng)力；巖體變形規(guī)律；巖體破壞機制及強度理論；巖體水力學理論。 3、巖體力學研究的主要工程問題 巖體上各種工程地基的變形、破壞；巖體邊坡的變形、破壞；地下工程的圍巖變形、破壞、開挖和支護；巖體改造方案及技術(shù),第三章 新奧法原理,新奧法屬于應(yīng)用巖體力學的理論，通過對隧道圍巖變形的量測、監(jiān)控，采用新型的支護結(jié)構(gòu)，盡量利用圍巖自承能力指導隧道設(shè)計和施工的方法,新奧法的三大要素：噴混凝土、錨桿與量測。 在開挖面附近及時施作密貼于圍巖的薄層柔性噴錨支護，以便控制圍巖的變形和應(yīng)力釋放，從而在支護和圍巖的共同變形過程中，

13、調(diào)整圍巖應(yīng)力重分布而達到新的平衡，以求最大限度地保持圍巖的固有強度和利用其自承能力。 新奧法是一個具體應(yīng)用巖體動態(tài)性質(zhì)的完整力學方法，其目的在于促使圍巖能夠形成環(huán)狀承載結(jié)構(gòu)，故一般應(yīng)及時修筑仰拱，使斷面閉合成環(huán)。它適用于各種不同的地質(zhì)條件，在軟弱圍巖中更為有效,一、支護機理 著眼于洞室開挖后形成塑性區(qū)的二次應(yīng)力重分布，而不拘泥于傳統(tǒng)的荷載觀念；它主要不是建立在對于坍落拱的“支撐概念”上，而是建立在對圍巖的“加固概念”上。 在合理的臨界限度內(nèi)，它所需要的表面支護抗力Pi是與圍巖塑性區(qū)半徑R、洞室周邊位移ur、以及圍巖的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)成反比，而支護能提供的抗力則與其剛度成正比,圖1：隧道圍

14、巖應(yīng)力再分布和支護抗力之間的關(guān)系示意圖,圍巖特征曲線1若不允許圍巖壁面位移發(fā)展，洞壁徑向壓應(yīng)力非常大；而若允許位移發(fā)展，則徑向壓應(yīng)力減小，當位移達到某一數(shù)值時，圍巖徑向壓應(yīng)力，也就是支護抗力，為最小(Pi)。如果接近開挖面修筑支護，則位移ur較小。 支護特性曲線2隨著ur的增加，Pi也增加，并在與曲線1的交點處取得應(yīng)力穩(wěn)定，此時的徑向壓應(yīng)力為P（，1）。如果修筑剛性更大的支護，如曲線3所示，徑向壓應(yīng)力增大如圖中的P(，2)。 新奧法就是根據(jù)上述理由，接近開挖面適時施作密貼圍巖的薄層柔性支護的。如果施作支護時間過遲，則使圍巖位移過大而產(chǎn)生塌落荷載。如圖中斜線陰影部分，也使徑向壓應(yīng)力P(，3)增大

15、，如曲線4所示,曲線5表示，由于圍巖應(yīng)力重分布和襯砌之間相互作用而存在的四個顯著的特征階段。 第階段：圍巖不受支護的約束而能夠向洞室內(nèi)自由位移的時期。 第階段：施作一次支護，由于支護抗力而使變形速度減小，并且這個抗力還和支護的剛度有關(guān)。 第階段：由于施作了仰拱，支護剛度變大而使變形速度越來越小。 第階段：當仰拱完全受力時，變形基本停止,二、新奧法的基本要點 1、洞室開挖后，應(yīng)使圍巖自身承擔主要的支護作用，而襯砌只是對圍巖進行加固，使成為一個整體而共同發(fā)生作用。因此，須最大限度地保持圍巖的固有強度，以發(fā)揮圍巖的自承能力。 方法：及時噴混凝土封閉巖壁，就能有效地防止圍巖松弛，而不使其強度大幅度降低

16、，同時也不存在因頂替支撐而使圍巖變形松弛?？傊?，使圍巖經(jīng)常處于三軸應(yīng)力約束狀態(tài)最為理想,2、預(yù)計圍巖有較大變形和松弛時，應(yīng)對開挖面施作保護層，而且應(yīng)在恰當?shù)臅r候敷設(shè)，過早或過遲均不利。 方法：支護剛度不能太大或太小，又必須是能與圍巖密貼，而要做成薄層柔性，允許有一定變形，以使圍巖釋放應(yīng)力時起卸載作用，盡量不使其有彎矩破壞的可能。與傳統(tǒng)支護不同，其不是因受彎矩而是受壓剪作用破壞的。由于混凝土的抗壓和抗剪強度比抗拉和抗彎強度大得多，從而具有更高的承載能力。 一次支護的位移收斂后，可在其光滑的表面上敷設(shè)高質(zhì)量的防水層，并修筑為提高安全度的二次支護。前后兩次支護與圍巖之間都只有徑向力作用,3、襯砌需要

17、加強的區(qū)段，不是增大混凝土的厚度，而是增加鋼筋網(wǎng)、鋼支撐和錨桿，使隧道全長范圍采用大致相同的開挖斷面。此外，因為新奧法不在坑道內(nèi)架設(shè)桿件支撐，空間寬敞，從而提高了安全性和作業(yè)效率。 4、為正確掌握和評價圍巖與支護的時間特性，可在現(xiàn)場進行量測。量測內(nèi)容為襯砌內(nèi)應(yīng)力、圍巖與襯砌間的接觸應(yīng)力以及圍巖的變位，據(jù)以確定圍巖的穩(wěn)定時間、變形速度和圍巖分類等重要參數(shù)，以適應(yīng)地質(zhì)變化及時變更設(shè)計和施工方法。 監(jiān)控量測是新奧法的基本特征，量測的重點是圍巖和支護的力學特征隨時間的變化動態(tài)。襯砌的做法和施作時間是依據(jù)圍巖變位量測決定的,5、隧道支護在力學上可看作厚壁圓筒。它是由圍巖支承環(huán)和支護環(huán)組成的結(jié)構(gòu)，且兩者存

18、在共同作用。結(jié)構(gòu)只有在閉合后才能在力學上起結(jié)構(gòu)作用，所以除堅硬巖層外，敷設(shè)仰拱使支護閉合是特別重要的。 圍巖的動態(tài)主要取決于支護環(huán)的閉合時間。當上半斷面超前掘進過多時，就相應(yīng)地推遲了它的閉合時間，在隧道縱向形成懸臂梁的狀態(tài)而產(chǎn)生大彎曲的不良影響。 同樣道理，為防止應(yīng)力集中引起圍巖破壞，斷面應(yīng)盡量做成無角隅，最好采用圓形斷面,6、時間效應(yīng)：受開挖和支護等施工方法的影響，它對結(jié)構(gòu)的安全性起著決定的作用。考慮掘進循環(huán)周期、仰拱閉合時間、拱部導坑的長度以及支護強度等變化因素，把圍巖和支護作為一個整體來謀求穩(wěn)定。 從應(yīng)力重分布角度去考慮，全斷面一次開挖是最有利的；分部開挖會使應(yīng)力反復(fù)分布而造成圍巖受損。

19、 7、巖層內(nèi)的滲透水壓力，必須采取排水措施來降低,小結(jié) 新奧法的支護結(jié)構(gòu)至今仍處于經(jīng)驗設(shè)計的階段，它的前提是要科學地進行圍巖分類，并根據(jù)已經(jīng)修建的類似工程經(jīng)驗，提出支護設(shè)計參數(shù)或標準設(shè)計模式。 現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)計，一般分成預(yù)先設(shè)計階段和最后設(shè)計階段，后者是根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，經(jīng)分析比較或計算后，最后提出設(shè)計。 理論解析和有限元數(shù)值計算，至今還不能得出充分可靠和滿意的結(jié)果，必須由上述兩種方法即經(jīng)驗和量測加以驗證,三、新奧法的施工和量測 新奧法的施工作業(yè)必須根據(jù)事前的調(diào)查決定下列四個問題： 開挖方法； 支護布置及進行支護的最適宜時機； 是否設(shè)置仰拱及設(shè)置的時間和方法； 是否采用輔助施工方法及其種類等。

20、 采用新奧法施工的絕大多數(shù)工程均采用各種斷面分割法（臺階法）進行開挖，其次是采用全斷面法。新奧法要求保證光面爆破的質(zhì)量，避免凹凸不平而引起應(yīng)力集中和減少超挖，從而節(jié)約為填平表面所需的大量混凝土,新奧法的量測十分重要。 在制定現(xiàn)場量測計劃時，要根據(jù)隧道及地下工程的規(guī)模、地質(zhì)資料、各量測項目的作用，考慮工點所需解決的問題針對性地制定量測計劃，選擇合理的量測項目和方法。同時還必須考慮采用切實可靠的手段和儀器，保證量測工作準確安全，并盡可能不妨礙施工。 在應(yīng)力應(yīng)變、接觸應(yīng)力、位移等三大類量測項目中，新奧法應(yīng)以位移的量測為主,四、新奧法的適用性 實踐證明，新奧法的適用性很廣，我國已在亞粘土和黃土隧道施工

21、中取得成功。但在下列情況下，一般都應(yīng)采取適當?shù)妮o助措施才能施工： 1、涌水量大的地層； 2、因涌水產(chǎn)生流沙現(xiàn)象的地層； 3、圍巖破碎使錨桿鉆孔和插入都極為困難的場合； 4、開挖面不能自穩(wěn)的圍巖,第四章 隧道圍巖變形與支護的機理分析,隧道開挖前是處于三維應(yīng)力狀態(tài)的，隧道開挖后形成了新的空間，出現(xiàn)了臨空面，圍巖向洞內(nèi)移動，應(yīng)力進行重新調(diào)整，從而形成了二次應(yīng)力。 如果圍巖的強度高于二次應(yīng)力，則圍巖是穩(wěn)定的； 如果圍巖的強度低于二次應(yīng)力，則必須進行支護，以保證圍巖的穩(wěn)定,對于第二種情況，如果不對圍巖進行適時支護，圍巖就會發(fā)生破壞。 圍巖的破壞是從圍巖表面開始的，逐漸向深部開展，依次形成塑性軟化區(qū)、塑性

22、強化區(qū)和彈性區(qū)。塑性強化區(qū)和彈性區(qū)是圍巖承載的主體，塑性軟化區(qū)是我們要支護的對象。 通過對軟化區(qū)進行支護，一方面可以提高其強度，有利于其自身的穩(wěn)定，另一方面軟化區(qū)圍巖再對塑性強化區(qū)的圍巖實施作用，增大了強化區(qū)巖壓，使強化區(qū)圍巖的承載力得到提高。所以通過支護或加固軟化區(qū)圍巖，可以提高強化區(qū)圍巖的強度，圍巖的自承能力得以充分發(fā)揮，實現(xiàn)深部圍巖的穩(wěn)定，并使其成為主要承載區(qū),除了對軟化區(qū)圍巖的加固措施外，在礦山法施工隧道時一般采用光面爆破進行開挖，目的是減輕爆破對圍巖的震動，盡可能保持其原始狀態(tài)。在穩(wěn)定性差的圍巖中施工隧道時，常采用預(yù)支護方法，使破碎圍巖在隧道開挖前即得到強化。 淺部支護、光面爆破和預(yù)

23、支護等措施都是工程施工中常用的技術(shù)手段，其目的都是在施工時盡可能“基本維持圍巖原始狀態(tài)”，保持原有強度，從而保證圍巖的穩(wěn)定,第五章 隧道圍巖的平衡穩(wěn)定性問題,按照控制論理解：一般地說，任何一個力學系統(tǒng)、物理系統(tǒng)以及工程技術(shù)中的某些系統(tǒng)都有平衡穩(wěn)定性問題。 工程施工安全的本質(zhì)內(nèi)涵：從一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)（施工前）到另一種穩(wěn)定平衡狀態(tài)（工程竣工），過程有n個工序，如果每一個工序及工序轉(zhuǎn)換都能實現(xiàn)穩(wěn)定平衡，則整個工程施工過程是安全的。 簡例說明穩(wěn)定平衡問題：當球體處于圖2狀態(tài)時，外力使球體偏離原始位置，但球體無法自行恢復(fù)到原始狀態(tài)，則球體處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)；當球體處于圖3狀態(tài)時，外力使球體偏離原始位置，

24、而球體能自行恢復(fù)到原始狀態(tài)，則球體處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),圖2.不穩(wěn)定平衡,圖3.穩(wěn)定平衡,根據(jù)經(jīng)典力學分析，如果任一時刻作用于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的力（合力）都是相互平衡的，穩(wěn)定的平衡結(jié)構(gòu)系統(tǒng)就能夠?qū)崿F(xiàn)持久的平衡。如使用中的橋梁、隧道結(jié)構(gòu)等；如果結(jié)構(gòu)平衡系統(tǒng)一旦喪失其穩(wěn)定性，其平衡狀態(tài)就經(jīng)不起外力干擾，可能隨即發(fā)生破壞。如橋梁、隧道結(jié)構(gòu)破壞；所以不穩(wěn)定平衡系統(tǒng)是不能長期存在的。 安全風險多發(fā)生在施工過程中，尤其在工序轉(zhuǎn)換過程中。在地下工程施工中，不但要注意結(jié)構(gòu)的受力平衡，還要注意環(huán)境的水土平衡,對于隧道工程，可應(yīng)用平衡概念處理設(shè)計問題，如果周圍相關(guān)環(huán)境處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，則隧道工程建設(shè)就較容易；如果周圍相關(guān)環(huán)境

25、處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，則隧道工程建設(shè)就較難甚至非常難。 對于后者，可采用繞避不穩(wěn)定平衡體或壓低延長隧道使之處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，否則只能采用工程措施使隧道與周圍相關(guān)環(huán)境共同作用符合力學規(guī)律即施工過程中每步序或使用過程中每時段，隧道圍巖和支護系統(tǒng)都必須滿足三維力學平衡、變形協(xié)調(diào)與穩(wěn)定,第六章 隧道預(yù)支護原理,一、理論與理念的統(tǒng)一性 各種隧道設(shè)計理論和工法存在內(nèi)在聯(lián)系和統(tǒng)一性，如圍巖與支護系統(tǒng)共同作用理論是許多工法的共同理論基礎(chǔ)，根據(jù)圍巖實際情況進行設(shè)計與施工的理念對任何施工設(shè)計理論、工法都具有指導意義。 以不同設(shè)計理論為基礎(chǔ)的各種隧道工法，其核心都是一致的，即隧道圍巖與支護共同作用要達到足夠強大，形成

26、穩(wěn)定平衡體系，實現(xiàn)“基本維持圍巖原始狀態(tài)”，從而達到“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”的目的,圖4 各種隧道設(shè)計理論和工法比較,二、“圍巖支護”體系 預(yù)支護原理是以現(xiàn)有設(shè)計理論為基礎(chǔ)并結(jié)合各種工法的優(yōu)點，闡述了隧道圍巖極限自承力Pmax、支護抗力T和圍巖原始內(nèi)力P0三者之間的力學關(guān)系，真實反映隧道“圍巖支護”結(jié)構(gòu)體系在開挖與支護（含預(yù)支護）施作過程中的互動過程和相互作用。 預(yù)支護原理解釋了各種設(shè)計理論及其工法的統(tǒng)一性和適用性問題。建立預(yù)支護原理的完整理論體系將有助于解決隧道設(shè)計計算方法的合理選用和施工方案的合理制定,1、力學模型 隧道開挖形成新的臨空面，導致洞周圍巖在徑向產(chǎn)生應(yīng)力釋放，而遠離隧道地層的

27、應(yīng)力狀態(tài)并不發(fā)生變化。不失一般性，考慮均勻初始地應(yīng)力場，用P0表示初始地應(yīng)力，如圖5所示。從靜力學的原理可知，P0由“圍巖支護”結(jié)構(gòu)體系的承載力來平衡。 定義圍巖預(yù)支護力F等于“圍巖支護”結(jié)構(gòu)體系的承載力，即： F=T+Pmax (1) 式中：F為預(yù)支護力；T為支護抗力；Pmax為圍巖極限自承能力,上述等式說明：隧道預(yù)支護力不只是支護結(jié)構(gòu)對圍巖的作用力，它是由圍巖結(jié)構(gòu)的極限自承能力和支護結(jié)構(gòu)直接對圍巖提供的支護抗力共同組成的。圍巖結(jié)構(gòu)的自承能力可以通過預(yù)支護措施和通過采取合理開挖措施得到維持。（關(guān)鍵詞：共同與相互） 當預(yù)支護力大于使圍巖發(fā)生過大變形或破壞的力時，隧道圍巖就處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)，稱之

28、為隧道預(yù)支護原理。 根據(jù)圍巖穩(wěn)定的一般原理，地應(yīng)力是使圍巖發(fā)生變形和破壞的根本動力，使圍巖失穩(wěn)的“力源”，因此，隧道預(yù)支護原理可進一步表述為：預(yù)支護力F要始終保持大于隧道施工前保持原始巖體穩(wěn)定平衡的原始內(nèi)力P0，使圍巖處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)的條件，即： FP0 (2,對于圍巖好的隧道，開挖后圍巖發(fā)生了變形，極限承載能力下降，經(jīng)過一段時間后圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整完畢，變形收斂，圍巖極限承載能力雖然發(fā)生了下降但還是大于P0，預(yù)支護力也大于P0，即FP0，圍巖處于穩(wěn)定平衡狀態(tài)。 對于圍巖差的隧道，開挖后圍巖處于加速變形階段，在較短時間內(nèi)圍巖極限自承能力就急劇下降并小于P0，如果來不及施加支護，預(yù)支護力等于極限自

29、承能力，預(yù)支護力也小于P0，即FP0，圍巖處于穩(wěn)定平衡狀態(tài),更具有廣泛意義的是處于這兩種極端情況之間的圍巖，隧道開挖后圍巖變形過程可以分為兩個階段，一個是形變壓力階段，另一個是松弛壓力階段。 在形變壓力階段，圍巖極限自承能力下降但還是大于P0，圍巖發(fā)揮的自承力隨變形增大而增大，圍巖的自承能力得到了發(fā)揮，所以隧道開挖完成初期，要允許圍巖發(fā)生一定的變形，應(yīng)及時采用柔性支護，若采用高剛度的支護結(jié)構(gòu)限制圍巖變形，支護結(jié)構(gòu)將承受較大的載荷。如果支護剛度過小或支護時機過晚，圍巖變形發(fā)展到松弛壓力階段時，圍巖進入松弛狀態(tài)，其極限自承能力迅速下降并小于P0，預(yù)支護力也小于P0，即FP0，圍巖垮塌,2、二次支護

30、合理時機的選擇 隧道開挖后允許圍巖有一定的變形，再進行支護，促使圍巖從非穩(wěn)定平衡狀態(tài)向穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變。這樣既可以發(fā)揮圍巖的自承能力，減小支護剛度，進而降低造價。 允許圍巖變形量： 可根據(jù)圍巖級別、斷面大小、埋置深度、施工方法和支護情況等，采用工程類比法預(yù)測，當無法預(yù)測時可依據(jù)公路隧道設(shè)計規(guī)范（JTG D702004）規(guī)定選用（見表1），并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果進行調(diào)整,預(yù)留變形量（mm） 表1,注：圍巖破碎取大值，圍巖完整取小值,3、隧道施工核心理念 正確理念是，在施工過程中要最大限度地保護圍巖的自承能力要盡可能地防止巖體松動，防止產(chǎn)生不利的應(yīng)力條件，盡最大可能保持原始巖體強度。 不論圍巖處于

31、何種情況，預(yù)支護力F都要足夠大，才能使隧道“基本維持圍巖原始狀態(tài)”，從而達到隧道“充分發(fā)揮圍巖的自承能力”的目的，這就是隧道預(yù)支護原理的核心,4、理論應(yīng)用 （1）自承能力好的完整圍巖 建議：隧道開挖應(yīng)允許圍巖有一定的變形，這樣有利于圍巖自承力的發(fā)揮，從而可以提供較小的支護力，達到節(jié)約建設(shè)成本的目的。 方法：開挖采取光面爆破，形成洞室后視情況或毛洞或只作少量初噴砼，充分利用圍巖的自承能力來維持洞室的穩(wěn)定,2）有一定自承能力的圍巖 初期圍巖的自承能力大于原始內(nèi)力P0，隧道開挖后圍巖不會立即松弛垮塌，巖壓還處于形變壓力階段，屬于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)。隨著變形不斷增大，圍巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)在不斷的調(diào)整，圍

32、巖的自承能力呈下降趨勢而承載力不斷增加，圍巖的自承能力得到發(fā)揮。 建議：關(guān)鍵是要使圍巖從非穩(wěn)定平衡狀態(tài)向穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變。選擇支護時機非常重要，過早支護不能充分發(fā)揮圍巖的自承能力，同時需要的支護抗力也比較大；支護過遲，巖壓由形變壓力轉(zhuǎn)換為松弛壓力，圍巖發(fā)生松弛，很容易引起隧道坍塌。 方法：加強監(jiān)控量測，根據(jù)量測數(shù)據(jù)指導施工，確定隧道支護結(jié)構(gòu)參數(shù)，選擇支護時機,3）自承能力差的破碎圍巖或軟弱圍巖 這種圍巖的自承能力相對較小，在洞室開挖后會迅速下降。圍巖形變壓力迅速轉(zhuǎn)化為松弛壓力，很快進入松弛狀態(tài)，即很快從非穩(wěn)定平衡狀態(tài)向失穩(wěn)狀態(tài)轉(zhuǎn)化。 建議：采取預(yù)支護或超前支護，從而提高圍巖的自承能力。這樣雖然

33、隧道開挖后圍巖仍處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，但其自承能力有了較大提高，不會瞬時垮塌，為進行初期支護贏得了時間。 方法：必須采用剛性支護且必須及時，隧道開挖后由于圍巖仍然處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，對初支順序非常敏感，因此，應(yīng)合理選擇支護順序，加強工序管理,對于破碎圍巖或軟弱圍巖，如下理念很重要： 設(shè)計遵循“初次支護要強，承受部分水壓和全部土荷載，而淺埋和海底隧道則承受全部水荷載和土荷載，二次模筑初砌作為安全儲備”。 當隧道開挖未采取預(yù)支護措施而發(fā)生較大松弛或冒落時，這說明“對于特殊地質(zhì)圍巖，必須采用預(yù)支護技術(shù)，才能確保支護結(jié)構(gòu)承受的圍巖壓力是形變壓力而不是松弛壓力”。 施作時必須同時考慮：預(yù)支護的剛度和噴射混

34、凝土的時間即時空效應(yīng)，這些都會影響圍巖的變形，影響圍巖壓力的大小和分布情況,三、特殊環(huán)境隧道開挖問題 需要說明一點，預(yù)支護原理是針對一般性隧道工程問題為基礎(chǔ)提出的，解釋各種設(shè)計理論及其工法的統(tǒng)一性和適用性問題。對于特殊環(huán)境隧道工程問題，預(yù)支護原理應(yīng)用的理念需要適當擴展,1、超深埋隧道錦屏二級水電站引水洞 由4條長約16.6km的引水隧洞，開挖洞徑12m，襯砌后洞徑11m，一般段埋深為15002000m，最大埋深達2525m。 問題：即使不考慮構(gòu)造應(yīng)力影響，對于埋深達2525m的洞身，僅上覆巖體自重應(yīng)力就達68MPa。如果按彈性力學理論計算，考慮隧洞開挖引起2倍應(yīng)力集中，洞壁圍巖的最大應(yīng)力就達到

35、136MPa。圍巖以大理巖為主，抗壓強度僅為80120MPa。這樣，圍巖應(yīng)力將超過巖塊的抗壓強度，而巖體強度還遠低于巖塊的強度。同時，引水隧洞圍巖中還存在超過1000m的外水壓力。 結(jié)論：深埋長大隧洞開挖引起圍巖較大范圍的塑性破壞是在所難免的，針對超高的地應(yīng)力場環(huán)境，允許圍巖產(chǎn)生一定范圍的塑性破壞是必然的選擇。 設(shè)計與施工控制的基本要求是：因勢利導，控制塑性變形區(qū)域的擴展不出現(xiàn)有害的后果，利用圍巖塑性變形降低圍巖應(yīng)力的集中程度，并使應(yīng)力集中區(qū)向圍巖深部轉(zhuǎn)移，有利于減小支護結(jié)構(gòu)的受力水平。（關(guān)鍵詞：有限塑性破壞-合理限制,2、 級圍巖軟塑狀粘性土及飽和粉細砂層、軟土 處理方法：當隧道工程遇到這種

36、巖層時，由于巖體變形比較大，支護應(yīng)采用先柔后剛的雙層初期支護型式。如圖6所示，一層柔性支護使圍巖有一定的變形，發(fā)揮圍巖的自承力，使塑性區(qū)得到一定的發(fā)展，以完成適度的巖體應(yīng)力釋放和卸壓作用，但必須保持巖體不至失穩(wěn)。另一層剛性支護，來控制變形，以免變形過大。這兩層支護共同提供支護抗力，來保持圍巖的穩(wěn)定。 工序要求：一次柔性支護（310m）做好后，隔適當距離（520m）根據(jù)量測反饋及時做好剛性支護，控制圍巖變形，達到基本維持圍巖原始狀態(tài)的目的，如圖7。（關(guān)鍵詞：先柔后剛,圖6級圍巖襯砌情況,圖7級圍巖施工示意圖,四、預(yù)支護原理的具體應(yīng)用,1、完整性硬質(zhì)圍巖級硬質(zhì)完整圍巖 問題：隧道開挖后圍巖的自承能

37、力大于原始地應(yīng)力，圍巖本身能夠自穩(wěn)。這時圍巖的穩(wěn)定性只需要考慮局部掉塊或巖爆，即由于洞周臨空，暴露在臨空面上的某些結(jié)構(gòu)面強度較低的塊體，失去了原始的靜力平衡狀態(tài)而成為關(guān)鍵塊體。 措施：初期支護重點考慮關(guān)鍵塊體的處理，這時采用的預(yù)支護技術(shù)是通過錨噴使關(guān)鍵塊體成為穩(wěn)定塊體,2、整體穩(wěn)定性較好圍巖級硬巖及穩(wěn)定性較好的級圍巖 問題：在此種地質(zhì)條件下開挖隧道，由于巖體被各種結(jié)構(gòu)面切割成各種類型的空間鑲體，結(jié)構(gòu)面強度成為圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。隧道開挖后，由于洞周臨空，圍巖中的某些塊體在自重作用下向洞內(nèi)滑移。 措施：初期支護以錨噴支護為主，起到穩(wěn)定圍巖、控制變形、防止圍巖松弛和坍塌及產(chǎn)生“松弛壓力”的作用。

38、錨噴支護把圍巖和支護結(jié)構(gòu)組成一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)體系，通過加強圍巖而實現(xiàn)充分利用圍巖自身承載能力的目標,3、穩(wěn)定性一般的圍巖、級硬巖及較好的級圍巖 問題：要使圍巖不發(fā)生破壞，必須限制其變形的發(fā)展。這就需要在洞壁上施加一定的支護抗力，使圍巖從非穩(wěn)定平衡狀態(tài)向穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變。 措施：采用柔性支護，使FP0，既允許圍巖有一定的變形又給圍巖提供了一定的支護抗力。柔性支護主要通過錨噴支護來實現(xiàn)，根據(jù)實際情況可采用錨噴網(wǎng)、錨噴架、錨噴架網(wǎng)等多種組合形式。 由（圖8）可以看出，理想的錨噴支護設(shè)計就是對應(yīng)于D點的支護抗力Pmin，這時維持圍巖的穩(wěn)定抗力最小。通常支護設(shè)計應(yīng)有一定的安全儲備，支護特性曲線在C點處與圍

39、巖特征曲線相交,圖8圍巖位移支護特性曲線,新奧法：通過合理的支護方法與適當?shù)闹ёo時機，使支護特性曲線在接近Pmin處與圍巖特性曲線相交，取得平衡，以充分發(fā)揮圍巖的自承能力。 礦山法：施工采用傳統(tǒng)支架法支護，由于不能提供連續(xù)的支護抗力或無法選擇適當?shù)闹ёo時機，導致不能在接近Pmin處提供適宜的支護抗力,圖9塊狀圍巖錨噴支護原理示意圖,1）砂漿；（2）錨桿；（3）塊體潛在坍塌方向；1、2、3為潛在塊體坍落次序,五、工法選擇的合理性問題,在隧道施工中，每一種工法都不是萬能的，都有其各自的適用條件，必須根據(jù)圍巖類別及環(huán)境條件選用不同的工法。即使是同一級圍巖，由于所處地質(zhì)環(huán)境不同，巖體完整程度也不會完全

40、相同，選用工法也有差別。無論選用何種工法，目標只有一個，就是要用最經(jīng)濟的手段維持隧道圍巖的穩(wěn)定，確保施工安全。 工法選擇的基本原則： 預(yù)支護原理的正確運用，充分發(fā)揮圍巖的自承能力和基本維持圍巖的原始狀態(tài)，預(yù)防和控制特殊地質(zhì)隧道因局部失穩(wěn)引發(fā)整體失穩(wěn)，使隧道開挖擾動最小,1、核心理念與系統(tǒng)概念 核心理念：不論哪種情況，預(yù)支護力都要足夠大，才能“基本維持圍巖原始狀態(tài)”。使圍巖與支護系統(tǒng)共同作用形成三維應(yīng)力平衡狀態(tài)，從而達到“充分發(fā)揮圍巖自承能力”的目的。 完整圍巖：圍巖的承載能力可以保持洞室的穩(wěn)定。對于這類圍巖，要允許圍巖發(fā)生一定的變形，可不進行支護或僅提供弱支護即可。 一般圍巖：采取適時支護措施

41、。因為開挖后圍巖不會立即松弛垮塌，巖壓還處于形變壓力階段，允許圍巖發(fā)生一定的變形是必要的。但應(yīng)控制變形過大，防止巖壓轉(zhuǎn)化為松弛壓力，這樣支護抗力增大而不經(jīng)濟，故選擇支護時機非常重要。 破碎圍巖：采取超前支護措施。因為洞室開挖后圍巖會很快會進入松弛狀態(tài)，所以只有預(yù)先強化圍巖，才能保證開挖過程中圍巖的穩(wěn)定,2、實現(xiàn)方法與路徑 新奧法的理論核心是充分發(fā)揮圍巖的自承能力，這一理念從力學角度提出了保持圍巖穩(wěn)定的基本思路。決定圍巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵是圍巖與支護系統(tǒng)共同作用達到穩(wěn)定平衡，從這一概念出發(fā)，引導我們?nèi)ふ医鉀Q問題的方法。 因為“平衡與形變是可以計量的”，這也就為我們采用量測手段來控制支護時間提供了可能

42、。解決“適時支護”問題，通過現(xiàn)場監(jiān)控量測是實現(xiàn)路徑,3、嚴防局部失穩(wěn)引發(fā)整體失穩(wěn) 處理特殊地質(zhì)隧道圍巖穩(wěn)定性問題，應(yīng)樹立“預(yù)防為主，避免現(xiàn)狀處理”的理念。條件許可應(yīng)盡量強化圍巖，施工中靈活應(yīng)用斷面分割法進行開挖，及時形成空間閉合的支護系統(tǒng)，嚴控隧道圍巖局部破壞或失穩(wěn)引發(fā)隧道整體失穩(wěn)問題,4、開挖最小擾動原則 土質(zhì)或軟弱松散圍巖隧道：施工中常采用斷面分割法，這些工法基本無需或只需少量爆破，常采用機械和人工開挖施工，擾動一般較小。 石質(zhì)隧道：施工中多采用爆破法，開挖最小擾動原則要求：一是用最有效的方法將隧道斷面內(nèi)的巖石適度破碎，并將碎石適度拋擲；二是降低爆破對圍巖的擾動，最大限度地維持圍巖原始狀態(tài)

43、，以有利于隧道的長期穩(wěn)定。采取技術(shù)成熟的控制爆破方法，可以實現(xiàn)上述目標,5、工法的合理性概述 在隧道施工中，合理的施工方法應(yīng)與地質(zhì)條件、環(huán)境條件相協(xié)調(diào)，支護參數(shù)與支護時機應(yīng)符合安全、經(jīng)濟原則，開挖方法滿足最小擾動原則；同時符合“預(yù)支護原理的正確運用”、“充分發(fā)揮圍巖的自承能力和基本維持圍巖的原始狀態(tài)”，過程管理“嚴防特殊地質(zhì)隧道局部失穩(wěn)引發(fā)整體失穩(wěn)”，靈活選用輔助工法，確保與基本工法的匹配性。 從理論上講，好的工法就應(yīng)該可以復(fù)制，但所有邊界條件相同卻是一個小概率事件。特別是結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜或不良地質(zhì)與結(jié)構(gòu)耦合復(fù)雜的情況，這種情況若簡單復(fù)制有時卻是致命的，往往會造成結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題甚至災(zāi)難。到目前為止，

44、隧道及地下工程施工仍然是安全風險最突出的領(lǐng)域之一,第二部分隧道施工的基本工法與輔助工法,在隧道工程施工中，最為重要的是選擇合理的施工方法。工法選擇是否合理，與隧道工程建設(shè)的工期、安全、質(zhì)量、投資及環(huán)境影響有直接關(guān)系。 工法選擇的依據(jù)，主要是工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、施工條件、隧道埋置深度、斷面尺寸大小、隧道長度、結(jié)構(gòu)類型等，以施工安全為前提，以工程質(zhì)量為核心，結(jié)合隧道的使用功能，施工技術(shù)水平、施工機械裝備、工期要求和經(jīng)濟可行性等因素綜合考慮研究選用。就目前而言，隧道施工方法大致有盾構(gòu)法（TBM法）、沉管法與礦山法（新奧法、淺埋暗挖法）。 以隧道施工安全作為基本問題，下面僅就采用礦山法施工的隧道進

45、行討論,第一章 隧道施工的基本工法,工法定義：工藝方法和工程方法。以工程為對象，工藝為核心，運用系統(tǒng)工程原理，把先進的技術(shù)和科學管理結(jié)合起來，經(jīng)工程實踐形成的綜合配套的施工方法。 一、按破巖方法分 1、爆破法施工。 2、非爆法施工。 二、按開挖方法分 1、明挖法。 2、暗挖法,全斷面開挖法 全斷面開挖法，是指按設(shè)計開挖斷面一次開挖成型的方法。全斷面開挖法主要適用于、級硬巖地層。淺埋、偏壓和洞口地段不適宜采用全斷面法開挖。 全斷面開挖法有較大的作業(yè)空間，有利于采用大型配套機械化作業(yè)，提高施工速度，且工序少、干擾少，便于施工組織和管理。由于開挖面積較大，圍巖相對穩(wěn)定性降低，且每循環(huán)工作量相對較大，

46、因此要求施工應(yīng)具有較強的開挖、出碴、運輸及支護能力。 全斷面開挖法鉆爆效率高，采用深孔爆破可加快掘進速度，且爆破對圍巖的振動次數(shù)較少，有利于圍巖穩(wěn)定。由于每次深孔爆破震動較大，因此要求進行精心的鉆爆設(shè)計和嚴格控制爆破作業(yè),兩臺階法。 主要適用于級軟巖和級圍巖，洞口、偏壓、淺埋段硬巖地層宜采用兩臺階法開挖。將斷面分成上下兩個臺階開挖，臺階長度一般控制在11.5倍洞徑（D）以內(nèi)。原則是盡快跟進下半斷面，盡早施作初期支護形成封閉結(jié)構(gòu)；若地層較差，為了穩(wěn)定工作面，也可輔以小導管超前支護等措施。 上臺階臨時封閉正臺階法 主要適用于IV級偏弱和級圍巖，根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況靈活調(diào)整臺階長度。施工中堅持“弱

47、爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則，嚴格控制開挖進尺，嚴格控制周邊眼裝藥量，減少爆破對圍巖的擾動，及時進行監(jiān)控量測，確保施工的安全進行,正臺階環(huán)形開挖法 適用于較差的、級軟巖及V級圍巖，也可用于洞口段、偏壓段、淺埋段等。上臺階環(huán)形開挖預(yù)留核心土，實施中依具體地質(zhì)條件采用不同的輔助工法。 CD工法 適用于級圍巖，依具體地質(zhì)條件結(jié)合輔助工法采用。施工中堅持“弱爆破、短進尺、強支護、早封閉、勤量測”的原則,CRD工法 適用于特別破碎的巖石、碎石土、卵石土、圓礫土、角礫土組成的級圍巖和軟塑狀粘性土、潮濕的粉細砂組成的級圍巖及較差圍巖中的洞口段、偏壓段、淺埋段等地質(zhì)條件。實施中依具體地質(zhì)條件采

48、用不同的輔助工法。 此法適用于淺埋軟巖的大跨或特大跨隧道，它具有臺階法及側(cè)壁導坑法的優(yōu)點，與側(cè)壁導坑法相比較具有較快的施工速度；同時，本法通過中墻的減跨、臨時仰拱及時封閉成環(huán)組成有力的支護體系，能非常有效地控制拱部下沉與收斂。此法最適用于上軟下硬或半軟半硬的地層，一旦下部圍巖變硬，馬上可以轉(zhuǎn)化為上臺階法施工，半軟半硬地層轉(zhuǎn)化為CD法施工，施工方法比較靈活,單側(cè)壁導坑正臺階法 在圍巖壓力大、巖層產(chǎn)狀平緩、松軟或不穩(wěn)定含水地層中修筑跨度大、扁平率低、地表沉降要求嚴的隧道時采用，與雙側(cè)壁導坑法相比，導坑寬度較大，開挖時臨時支撐較少，施工干擾小。 雙側(cè)壁導坑法（眼睛工法）。 適用于可采用人工或人工配合

49、小型機械開挖的級圍巖地層、不穩(wěn)定巖體和淺埋段、偏壓段、洞口段以及充填性溶洞等地質(zhì)條件。實施中依具體地質(zhì)條件采用不同的輔助工法。幾種工法優(yōu)缺點比較見下表,幾種工法優(yōu)缺點比較 表2,隧道及地下工程主要開挖方法 表3,第二章 隧道施工的輔助工法,隧道施工中常常遭遇一些特殊地質(zhì)條件，所謂特殊地質(zhì)，一般包括：軟弱含水地層、擠壓與膨脹性地層、斷層破碎帶及巖溶發(fā)育地層、高壓水、高巖壓及高地熱地層、淺覆蓋及偏壓地段、煤系地層或采空區(qū)地段、含有害氣體地層等等。在上述特殊地質(zhì)條件下修建隧道工程，首先應(yīng)選擇合理的基本工法，其次再根據(jù)本項目特殊的地質(zhì)條件采用相適應(yīng)的輔助工法。輔助工法選用是否得當，往往決定著項目的成敗

50、,一、輔助工法選用原則 在特殊地質(zhì)條件下選用輔助工法，原則是：約束空間，適時支護。 正確運用預(yù)支護原理，充分發(fā)揮圍巖的自承能力，盡力維持圍巖的原始狀態(tài)，預(yù)防和控制隧道支護結(jié)構(gòu)由于局部失穩(wěn)而引發(fā)整體失穩(wěn)問題（關(guān)鍵詞：要控制處理，不要現(xiàn)狀處理）。 縮小開挖斷面以減少擾動、預(yù)支護以防止拱頂圍巖松動、支護結(jié)構(gòu)盡早閉合以抑制變形、強化基腳以增加承載能力、妥善處理地下水以免巖體弱化等。以上講的這些，集中起來就是“管超前，嚴注漿，短開挖，強支護，快封閉，早成環(huán)，勤量測，速反饋，防治水，弱爆破，少擾動，控沉降”這36個字，概述如下,二、確保開挖面穩(wěn)定 1、拱頂穩(wěn)定對策：預(yù)支護措施（管棚鋼架超前支護、超前小導管

51、注漿支護、鋼插板法等）。 2、掌子面穩(wěn)定對策：環(huán)形開挖預(yù)留核心土、噴射混凝土封閉掌子面（噴射早強混凝土，厚度宜為510cm）、臨時仰拱或臨時支護、開挖面錨栓（土釘）、地層改良等。 三、確保支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定 1、提高巖體強度：地層改良或小導管周邊注漿及圍巖深孔注漿。 2、增加支護強度：地層改良、擴大基腳、鎖腳錨桿或鎖腳錨管、縱向聯(lián)梁、微形基樁、加厚混凝土噴層、補強錨桿(加長或加密)、重型鋼肋（增加支護剛度）、臨時仰拱、加強支撐(雙層支撐或外加支撐)、反壓法、構(gòu)件支撐法等,三、地下水處理 1、排水工法：鉆孔排水或?qū)Э优潘⑸罹樗?、強制排放（控制排放）?2、止水工法：止水注漿(水泥漿、化學漿包括水玻

52、璃系、樹脂注漿等)。 3、止、排并用工法,第三章 隧道破壞模式及常用輔助工法,在特殊地質(zhì)條件下修建隧道，按照軟弱地層、斷層破碎帶、卵礫石地層與砂、泥質(zhì)地層分類，依照隧道可能出現(xiàn)的破壞模式，通常采用的輔助工法如下表,隧道破壞模式及常用輔助工法 表1-1,第四章 問題討論,1、理論上講，針對某個特定的地質(zhì)條件，隧道施工的基本工法與輔助工法應(yīng)該有一個最佳組合。 只要地質(zhì)條件明確，工法選擇得當，工序安排合理，現(xiàn)代隧道施工技術(shù)可以解決隧道施工的安全問題。但事實并非如此，就目前而言，隧道工程仍然是建筑施工行業(yè)安全風險最大的工程。 技術(shù)方案、工序管理與工藝控制是技術(shù)管理的三大基本問題，而問題往往不在技術(shù)方案

53、上。工藝控制不到位，工序管理不合理往往直接造成方案失敗。大量失敗案例分析證實，現(xiàn)場管理者觀念陳舊，理念錯誤是主要原因,2、在隧道施工中，時間與空間是一對矛盾。一般說來，當空間效應(yīng)解決后隧道施工的安全問題就一勞永逸地解決了，但做任何工作都需要時間，往往是在鎖定空間之前時間效應(yīng)就發(fā)生了作用，坍方也就形成了。 “適時支護，約束空間”是解決這對矛盾的一個基本原則。一般地講，輔助工法提供了一個可供選擇的寬泛范圍，選擇的依據(jù)是時間效應(yīng)，這也說明了監(jiān)控量測工作的重要性,隧道施工：安全主題,約束條件,空間,時間,行為,施工安全,效率,3、對于環(huán)境要求比較高的淺埋隧道（如城市地鐵隧道），如果條件允許也可采取地表

54、注漿加固、旋噴樁加固等措施。若地面有一般基礎(chǔ)的樓房或城市交通主干道的，可用管棚加固隧道拱部地層，根據(jù)不同情況采用長管棚、短管棚或兩者聯(lián)合使用，用以抵抗拱頂?shù)貙拥南鲁亮?4、水是促使工程地質(zhì)條件迅速惡化的一個主要原因。在城市地鐵隧道施工中，止、排工法的選用有許多限制性條件，實施中應(yīng)慎重對待。凍結(jié)法是在洞周土層中降溫，形成一個封閉的具有一定強度和穩(wěn)定性的凍土帷幕，然后在凍土帷幕保護下進行隧道開挖、支護與襯砌。然而，解決凍脹、融沉問題本身就非常困難。在施工排水管理方面，現(xiàn)場少有重視，水流長期浸泡拱腳也是造成隧道支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的一個重要原因。 排水型隧道-山嶺隧道的必然選擇：禁排與限排問題。 全過程全工

55、序治水理念:分區(qū)、隔斷、集中、封堵，深淺結(jié)合，先淺后深,5、關(guān)于隧道安全“六達標”問題 “六達標”的要求過于簡單化，有些情況與設(shè)計原則顯然不符。在級圍巖中，臺階法以及三臺階臨時仰拱法用得最多，這兩種工法在鐵路隧道施工中比較普遍，若輔助工法的工藝質(zhì)量控制的好，是能保證隧道安全的。限制掌子面與二襯的距離是不可行的。二襯與掌子面的距離，必須大致有100米左右才能保證防、排水及二襯施工的工序安排。幾個連續(xù)工序為：噴射混凝土初支整平防水排水系統(tǒng)施工鋼筋綁扎澆注二襯混凝土。各個工序都有不同的設(shè)備以及不同工種的工人，都需要有一定的活動空間。除非你按單工序安排作業(yè)，否則很難避免與隧道開挖工序干擾。 有兩個問題

56、必須明確： “達標”不能夠確保隧道施工安全，也就是說，它不是確保隧道施工安全的充分條件。 “達標”是有條件限制的，否則會帶來新的不安全問題,6、關(guān)于圍巖級別的修正問題 準確判定圍巖級別是決策隧道施工方案的基礎(chǔ)，根據(jù)巖石的堅硬程度和巖體的完整程度這兩個基本指標，鐵路隧道設(shè)計規(guī)范將圍巖基本分級定為六個級別。大致情況為： 級圍巖：巖石的單軸飽和抗壓強度Rc60MPa，巖塊整體厚度H1.0m； 級圍巖：巖石的單軸飽和抗壓強度：硬質(zhì)巖Rc30MPa，軟質(zhì)巖Rc30MPa，巖石整體厚度：硬質(zhì)巖0.5mH1.0m，軟質(zhì)巖H1.0m； 級圍巖：巖石的單軸飽和抗壓強度：硬質(zhì)巖Rc30MPa，軟質(zhì)巖Rc=530M

57、Pa，巖石整體厚度：硬質(zhì)巖H=0.10.5m，軟質(zhì)巖0.5mH1.0m,級圍巖：巖石的單軸飽和抗壓強度：硬質(zhì)巖Rc30MPa，軟質(zhì)巖Rc530MPa，巖石整體厚度：硬質(zhì)巖呈碎石狀，軟質(zhì)巖H=0.10.5m； 級圍巖：軟巖巖體破碎至極破碎，土體一般為第四系堅硬、硬塑粘性土，稍密及以上的碎石土、卵石土、園礫土、角礫土、粉土； 級圍巖：巖體呈粉末、泥土狀斷層帶，土體為軟塑粘性土、飽和的粉土、砂類土,以上的分級，叫做圍巖的基本分級。在影響工程巖體穩(wěn)定性的諸多因素中，巖石堅硬程度和巖體完整程度只反映了巖體質(zhì)量的基本特征，但它不是影響巖體穩(wěn)定性的全部重要因素。當隧道圍巖存在地下水、高初始應(yīng)力、不利的軟弱結(jié)

58、構(gòu)層面等情況時，其穩(wěn)定性就要大打折扣。因此，地下水、較高的初始應(yīng)力以及軟弱夾層都是圍巖分級的修正因素。 （1）地下水對圍巖級別的修正 地下水是影響巖體穩(wěn)定性的重要因素。水的作用主要表現(xiàn)為溶蝕巖石和結(jié)構(gòu)面中易溶膠結(jié)物質(zhì)，會使巖石軟化、疏松，充填物泥化，強度降低。水對圍巖級別的影響，不僅與水的賦存狀態(tài)有關(guān)，還與巖石性質(zhì)和圍巖完整性有關(guān)。巖石越致密，強度越高，完整性越好，則水的影響越小。反之，水的不利影響越大。地下水狀態(tài)的分級按1-2表確定，地下水對圍巖級別的修正按表1-3進行,地下水狀態(tài)的分級表 表1-2,地下水影響對圍巖級別的修正表 表1-3,2）初始地應(yīng)力對圍巖級別的修正 在天然狀態(tài)下存在于巖

59、體內(nèi)部的應(yīng)力，稱之為初始地應(yīng)力。圍巖初始地應(yīng)力場的影響，既反映了隧道埋深的影響，也反映了巖石強度的影響。高初始應(yīng)力是產(chǎn)生巖爆和巖芯餅化的共同條件。一定的初始應(yīng)力值對不同巖性的巖體穩(wěn)定性影響程度是不一樣的。為此，用巖石單軸飽和抗壓強度（Rc）與最大主應(yīng)力（max）的比值，作為評價巖爆和巖芯餅化發(fā)生的條件，進而評價初始應(yīng)力對工程巖體穩(wěn)定性的指標。初始地應(yīng)力對圍巖級別的修正按表1-4進行,初始地應(yīng)力影響對圍巖級別的修正表 表1-4,注：圍巖巖體為較破碎的極硬巖、較完整的硬巖時，定為級；圍巖巖體為完整的較軟巖、較完整的軟硬互層時，定為級； 圍巖巖體為破碎的極硬巖、較破碎及破碎的硬巖時，定為級；圍巖巖體

60、為完整及較完整軟巖、較完整及較破碎的較軟巖時，定為級,3）軟弱結(jié)構(gòu)面影響對圍巖級別的修正 軟弱結(jié)構(gòu)面是指成層巖體的泥化層面，一組很發(fā)育的裂隙，次生泥化夾層、斷層泥、糜棱巖的小斷層等。軟弱結(jié)構(gòu)面是影響地下工程巖體穩(wěn)定的一個重要因素。 對、級圍巖，當洞軸線與主要斷層或軟弱夾層的夾角小于30時，應(yīng)降低一級； 隧道洞深埋藏較淺，應(yīng)根據(jù)圍巖受地面的影響情況進行圍巖級別修正。圍巖僅受地表影響時，應(yīng)較相應(yīng)圍巖降低1-2級； 洞口段應(yīng)將圍巖級別降低一級考慮，其長度應(yīng)不小于1倍洞跨； 圍巖級別較低地段應(yīng)向圍巖級別較高地段延伸510米； 對、級圍巖，巖石一般受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴重，風化破碎，基礎(chǔ)易產(chǎn)生沉陷；土質(zhì)則承載