隧道施工支護(hù)技術(shù) 隧道工程支護(hù)與監(jiān)測(cè)技術(shù)講義

1、隧道施工支護(hù)技術(shù)中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)工程部二九年十月目 次 TOC o 1-1 h z u HYPERLINK l _Toc116882273 第一講 新奧法設(shè)計(jì)施工的原理 PAGEREF _Toc116882273 h 3 HYPERLINK l _Toc116882274 第二講 隧道的支護(hù)體系與圍巖的穩(wěn)定性 PAGEREF _Toc116882274 h 11 HYPERLINK l _Toc116882275 第三講 支護(hù)施工的幾點(diǎn)說(shuō)明 PAGEREF _Toc116882275 h 21 HYPERLINK l _Toc116882276 第四講 隧道支護(hù)部分規(guī)范與說(shuō)明 PAGEREF

2、_Toc116882276 h 25 HYPERLINK l _Toc116882277 第五講 監(jiān)控量測(cè)與支護(hù) PAGEREF _Toc116882277 h 32 HYPERLINK l _Toc116882278 附錄：烏鞘嶺隧道9#斜井及正洞監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析及其對(duì)支護(hù)施工的指導(dǎo) PAGEREF _Toc116882278 h 38第一講 新奧法設(shè)計(jì)施工的原理一、隧道設(shè)計(jì)施工的兩大理論及其發(fā)展過(guò)程二十世紀(jì)以來(lái)，人類對(duì)地下空間的需求越來(lái)越多，因而對(duì)地下工程的研究有了一個(gè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在大量的地下工程實(shí)踐中，人們普遍認(rèn)識(shí)到，隧道及地下洞室工程，其核心問(wèn)題，都?xì)w結(jié)在開(kāi)挖和支護(hù)兩個(gè)關(guān)鍵工序上。

3、即如何開(kāi)挖，才能更有利于洞室的穩(wěn)定和便于支護(hù)：若需支護(hù)時(shí)，又如何支護(hù)才能更有效地保證洞室穩(wěn)定和便于開(kāi)挖。這是隧道及地下工程中兩個(gè)相互促進(jìn)又相互制約的問(wèn)題。在隧道及地下洞室工程中，圍繞著以上核心問(wèn)題的實(shí)踐和研究，在不同的時(shí)期，人們提出了不同的理論并逐步建立了不同的理論體系，每一種理論體系都包含和解決（或正在研究解決）了從工程認(rèn)識(shí)（概念）、力學(xué)原理，工程措施到施工方法（工藝）等一系列工程問(wèn)題。一種理論是二十世紀(jì)20年代提出的傳統(tǒng)的“松弛荷載理論”。其核心內(nèi)容是：穩(wěn)定的巖體有自穩(wěn)能力，不產(chǎn)生荷載：不穩(wěn)定的巖體則可能產(chǎn)生坍塌，需要用支護(hù)結(jié)構(gòu)予以支撐。這樣，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載就是圍巖在一定范圍內(nèi)由于

4、松弛并可能塌落的巖體重力。這是一種傳統(tǒng)的理論，其代表人物有泰沙基和普氏等人。它類似于地面工程考慮問(wèn)題的思想，至今仍被廣泛的應(yīng)用著。另一種理論是二十世紀(jì)50年代提出的現(xiàn)代支護(hù)理論，或稱“巖承理論”。其核心內(nèi)容是：圍巖穩(wěn)定顯然是巖體自身有承載自穩(wěn)能力：不穩(wěn)定圍巖喪失穩(wěn)定是有一個(gè)過(guò)程的，如果在這個(gè)過(guò)程中提供必要的幫助或限制，則圍巖仍然能夠進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。這種理論體系的代表性人物有拉布西維茲、米勒-菲切爾、芬納-塔羅勃和卡斯特奈等人。這是一種比較現(xiàn)代的理論，它已經(jīng)脫離了地面工程考慮問(wèn)題的思路，而更接近于地下工程實(shí)際，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)已被廣泛接受和推廣應(yīng)用，并且表現(xiàn)出了廣闊的發(fā)展前景。由以上可以看出，前一種

5、理論更注意結(jié)果和對(duì)結(jié)果的處理：而后一種理論則更注意過(guò)程和對(duì)過(guò)程的控制，即對(duì)圍巖自承能力的充分利用。由于有此區(qū)別，因而兩種理論體系在過(guò)程和方法上各自表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。新奧法是巖承理論在隧道工程實(shí)踐中的代表方法。二、新奧法新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)的理論，以維護(hù)和利用圍巖的自承能力為基點(diǎn)，采用錨桿和噴射混凝土為主要支護(hù)手段，及時(shí)地進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖的變形（松弛），使圍巖成為支護(hù)體系的組成部分，并通過(guò)對(duì)圍巖和支護(hù)的量測(cè)、監(jiān)控來(lái)指導(dǎo)隧道和地下工程設(shè)計(jì)施工的方法和原則。（光爆+錨噴支護(hù)+量測(cè)）新奧法與傳統(tǒng)施工方法的區(qū)別：傳統(tǒng)方法認(rèn)為巷道圍巖是一種荷載，應(yīng)用厚壁混凝土加以支護(hù)松動(dòng)圍巖。而新奧法認(rèn)為圍巖是一種承載

6、機(jī)構(gòu)，構(gòu)筑薄壁、柔性、與圍巖緊貼的支護(hù)結(jié)構(gòu)（以噴射混凝土、錨桿為主要手段）并使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同形成支撐環(huán)，來(lái)承受壓力，并最大限度地保持圍巖穩(wěn)定，而不致松動(dòng)破壞。新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡(jiǎn)稱，原文是New Austrian Tunnelling Method,簡(jiǎn)稱為NATM。它與法國(guó)稱收斂約束法或有些國(guó)家所稱動(dòng)態(tài)觀測(cè)設(shè)計(jì)施工法的基本原則一致。新奧法概念是奧地利學(xué)者拉布西維茲教授于二十世紀(jì)50年代提出的。它是以既有隧道工程經(jīng)驗(yàn)和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ)，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護(hù)手段的一種施工方法，經(jīng)奧地利、瑞典、意大利等國(guó)的許多實(shí)踐和理論研究，于60年代取得專利權(quán)并正式命名。之

7、后這個(gè)方法在西歐、北歐、美國(guó)和日本等許多地下工程中獲得極為迅速的發(fā)展，已成為現(xiàn)代隧道工程新技術(shù)的標(biāo)志之一。我國(guó)近40年來(lái)，鐵路等部門通過(guò)科研、設(shè)計(jì)、施工三結(jié)合，在許多隧道修建中，根據(jù)自己的特點(diǎn)成功地應(yīng)用了新奧法，取得了較多的經(jīng)驗(yàn)，積累了大量的數(shù)據(jù)，現(xiàn)已進(jìn)入推廣應(yīng)用階段。目前新奧法幾乎成為在軟弱破碎圍巖地段修建隧道的一種基本方法，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益是明顯的。新奧法的基本要點(diǎn)可歸納如下：1巖體是隧道結(jié)構(gòu)體系中的主要承載單元，在施工中必須充分保護(hù)巖體，盡量減少對(duì)它的擾動(dòng)，避免過(guò)度破壞巖體的強(qiáng)度。為此，施工中斷面分塊不宜過(guò)多，開(kāi)挖應(yīng)當(dāng)采用光面爆破、預(yù)裂爆破或機(jī)械掘進(jìn)。新奧法將圍巖視為巷道承載構(gòu)件的一部分，因

8、此，施工時(shí)應(yīng)盡可能全斷面掘進(jìn)，以減少巷道周邊圍巖應(yīng)力的擾動(dòng)，并采用光面爆破、微差爆破等措施。減少對(duì)圍巖的震動(dòng)，以保全其整體性。同時(shí)注意巷道表面盡可能平滑，避免局部應(yīng)力集中。2為了充分發(fā)揮巖體的承載能力，應(yīng)允許并控制巖體的變形。一方面允許變形，使圍巖中能形成承載環(huán)；另一方面又必須限制它，使巖體不致過(guò)度松弛而喪失或大大降低承載能力。在施工中應(yīng)采用能與圍巖密貼、及時(shí)筑砌又能隨時(shí)加強(qiáng)的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，例如，錨噴支護(hù)等。這樣，就能通過(guò)調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和它參加工作的時(shí)間（包括閉合時(shí)間）來(lái)控制巖體的變形。新奧法將錨桿、噴射混凝土適當(dāng)進(jìn)行組合，形成比較薄的襯砌層，即用錨桿和噴射混凝土來(lái)支護(hù)圍巖，使噴射層

9、與圍巖緊密結(jié)合，形成圍巖-支護(hù)系統(tǒng)，保持兩者的共同變形，故而可以最大限度地利用圍巖本身的承載力。3為了改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，施工中應(yīng)盡快閉合，而成為封閉的筒形結(jié)構(gòu)。另外，隧道斷面形狀應(yīng)盡可能圓順，以避免拐角處的應(yīng)力集中。4允許圍巖由一定量的變形，以利于發(fā)揮圍巖的固有強(qiáng)度。同時(shí)巷道的支護(hù)結(jié)構(gòu)，也應(yīng)具有預(yù)定的可縮量，以緩和巷道壓力。 圍巖的變形是控制在一定范圍內(nèi)的，必須避免圍巖變形過(guò)大，從而導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度的削弱以致引起垮落、失穩(wěn)。支護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的變形量，允許巷道圍巖產(chǎn)生一定的變形，以緩和來(lái)自巷道的巨大壓力，更進(jìn)一步減輕支護(hù)荷載。新奧法施工過(guò)程中量測(cè)工作的特殊性 由于巖體生成條件與地質(zhì)作用的復(fù)雜性

10、，施工條件的復(fù)雜性，以及對(duì)工程設(shè)計(jì)參數(shù)的精確要求，得要通過(guò)許多量測(cè)手段，在施工過(guò)程中對(duì)圍巖動(dòng)態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。并用監(jiān)測(cè)結(jié)果修改初步設(shè)計(jì)，指導(dǎo)施工。 量測(cè)的結(jié)果可以作為施工現(xiàn)場(chǎng)分析參數(shù)和修改設(shè)計(jì)的依據(jù)，因而能夠預(yù)見(jiàn)事故和險(xiǎn)情，以便及時(shí)采取措施，防患于未然提到施工的安全程度。通過(guò)施工中對(duì)圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)觀察、量測(cè)，合理安排施工程序、進(jìn)行設(shè)計(jì)變更及日常的施工管理。5新奧法施工在巷道開(kāi)挖后采取了一系列綜合性措施：構(gòu)筑防水層、圍巖巷道排水；選擇合理的斷面形狀尺寸；給支護(hù)留變形余量；開(kāi)巷后及時(shí)做好支護(hù)、封閉圍巖等，都是為保護(hù)巷道圍巖的自身承載能力，使圍巖的擾動(dòng)影響控制在最小范

11、圍內(nèi)，并加固圍巖，提高圍筵強(qiáng)度。使其與人工支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承受巷道壓力。為了敷設(shè)防水層，或?yàn)榱顺惺苡捎阱^桿銹蝕，圍巖性質(zhì)惡化、流變、膨脹所引起的后續(xù)荷載，可采用復(fù)合式襯砌。6二次襯砌原則上是在圍巖與初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的條件下修筑的，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，因而提高了支護(hù)體系的安全度。由上所述，新奧法的支護(hù)原則是：圍巖不僅是載物體，而且是承載結(jié)構(gòu)；圍巖承載圈和支護(hù)體組成巷道的統(tǒng)一體，是一個(gè)力學(xué)體系；巷道的開(kāi)挖和支護(hù)都是為保持改善與提高圍巖的自身支撐能力服務(wù)。上述新奧法的基本要點(diǎn)可扼要的概括為：“少擾動(dòng)、早噴錨，勤量測(cè)、緊封閉”。三、用一個(gè)彈簧來(lái)理解新奧法原理1洞室邊緣某一點(diǎn)A在開(kāi)挖前具有原始應(yīng)

12、力（自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力）處于一個(gè)平衡狀態(tài)。如同一根彈性剛度為K的彈簧，在P0作用下處于壓縮平衡狀態(tài)。2洞室開(kāi)挖后，A點(diǎn)在臨空面失去約束，原始應(yīng)力狀態(tài)要調(diào)整，如果圍巖的強(qiáng)度足夠大，那么經(jīng)過(guò)應(yīng)力調(diào)整，洞室可處于穩(wěn)定狀態(tài)（不需支護(hù)）。然而大多數(shù)的地質(zhì)情況是較差的，即洞室經(jīng)過(guò)應(yīng)力調(diào)整后，如不支護(hù)，就會(huì)產(chǎn)生收斂變形，甚至失穩(wěn)（塌方），所以必須提供支護(hù)力PE，才能防止塌方失穩(wěn)。等同于彈簧產(chǎn)生了變形u后，在PE作用又處于平衡狀態(tài)。3由力學(xué)平衡方程可知，彈簧在P0作用時(shí)處于平衡狀態(tài)；彈簧在發(fā)生變形u后，在PE的作用下又處于平衡狀態(tài)，假設(shè)彈簧的彈性系數(shù)為K，則有：P0=PE+Ku討論：（1）當(dāng)u=0時(shí)，P0=P

13、E 即不允許圍巖變形，采用剛性支護(hù)，不經(jīng)濟(jì)；（2）當(dāng)u時(shí)，PE；當(dāng)u時(shí)，PE。即圍巖發(fā)生變形，可釋放一定的荷載（卸荷作用），所以要允許圍巖產(chǎn)生一定的變形，以充分發(fā)揮圍巖的自承能力。是一種經(jīng)濟(jì)的支護(hù)措施，圍巖的自穩(wěn)能力P=P0-PE=Ku；（3）當(dāng)u=umax時(shí)，發(fā)生塌方，產(chǎn)生松馳荷載，不安全。四、要點(diǎn)1圍巖是受洞室開(kāi)挖影響的那一部分巖（土）體，圍巖是三位一體的即：產(chǎn)生荷載、承載結(jié)構(gòu)、建筑材料。2隧道是修筑在應(yīng)力巖體中的，具有特殊的建筑環(huán)境，不能等同于地面建筑。3隧道結(jié)構(gòu)體系=圍巖+支護(hù)體系。五、新奧法施工特點(diǎn) 1.1及時(shí)性 新奧法施工采用噴錨支護(hù)為主要手段，可以最大限度地緊跟開(kāi)挖作業(yè)面施工，因

14、此可以利用開(kāi)挖施工面的時(shí)空效應(yīng)，以限制支護(hù)前的變形發(fā)展，阻止圍巖進(jìn)入松動(dòng)的狀態(tài)，在必要的情況下可以進(jìn)行超前支護(hù)，加之噴射混凝土的早強(qiáng)和全面粘結(jié)性因而保證了支護(hù)的及時(shí)性和有效性。 在巷道爆破后立即施工以噴射混凝土支護(hù)能有效地制止巖層變形的發(fā)展，并控制應(yīng)力降低區(qū)的伸展而減輕支護(hù)的承載，增強(qiáng)了巖層的穩(wěn)定性。 1.2封閉性 由于噴錨支護(hù)能及時(shí)施工，而且是全面密粘的支護(hù)，因此能及時(shí)有效地防止因水和風(fēng)化作用造成圍巖的破壞和剝落，制止膨脹巖體的潮解和膨脹，保護(hù)原有巖體強(qiáng)度。 巷道開(kāi)挖后，圍巖由于爆破作用產(chǎn)生新的裂縫，加上原有地質(zhì)構(gòu)造上的裂縫，隨時(shí)都有可能產(chǎn)生變形或塌落。當(dāng)噴射混凝土支護(hù)以較高的速度射向巖面，

15、很好的充填圍巖的裂隙，節(jié)理和凹穴，大大提高了圍巖的強(qiáng)度。（提高圍巖的粘聚力C和內(nèi)摩擦角）。同時(shí)噴錨支護(hù)起到了封閉圍巖的作用，隔絕了水和空氣同巖層的接觸，使裂隙充填物不致軟化、解體而使裂隙張開(kāi)，導(dǎo)致圍巖失去穩(wěn)定。 1.3粘結(jié)性 噴錨支護(hù)同圍巖能全面粘結(jié)，這種粘結(jié)作用可以產(chǎn)生三種作用： 聯(lián)鎖作用，即將被裂隙分割的巖塊粘結(jié)在一起若圍巖的某塊危巖活石發(fā)生滑移墜落，則引起臨近巖塊的聯(lián)鎖反應(yīng)，相繼喪失穩(wěn)定，從而造成較大范圍的冒頂或片幫。開(kāi)巷后如能及時(shí)進(jìn)行噴錨支護(hù)，噴錨支護(hù)的粘結(jié)力和抗剪強(qiáng)度是可以抵抗圍巖的局部破壞，防止個(gè)別威巖活石滑移和墜落，從而保持圍巖的穩(wěn)定性。 復(fù)和作用，即圍巖與支護(hù)構(gòu)成一個(gè)復(fù)合體（受

16、力體系）共同支護(hù)圍巖。噴錨支護(hù)可以提高圍巖的穩(wěn)定性和自身的支撐能力，同時(shí)與圍巖形成了一個(gè)共同工作的力學(xué)系統(tǒng)，具有把巖石荷載轉(zhuǎn)化為巖石承載結(jié)構(gòu)的作用，從根本上改變了支架消極承擔(dān)的弱點(diǎn)。 增加作用。開(kāi)巷后及時(shí)繼進(jìn)行噴錨支護(hù)，一方面將圍巖表面的凹凸不平處填平，消除因巖面不評(píng)引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象，避免過(guò)大的應(yīng)力集中所造成的圍巖破壞；另一方面，使巷道周邊圍巖由雙方向受力狀態(tài)，提高了圍巖的粘結(jié)力C和內(nèi)摩擦角，也就是提高了圍巖的強(qiáng)度。 1.4柔性 噴錨支護(hù)屬于柔性薄性支護(hù)，能夠和圍巖緊粘在一起共同作用，由于噴錨支護(hù)具有一定柔性，可以和圍巖共同產(chǎn)生變形，在圍巖中形成一定范圍的非彈性變形區(qū)，并能有效控制允許圍巖塑

17、性區(qū)有適度的發(fā)展，使圍巖的自承能力得以充分發(fā)揮。另一方面，噴錨支護(hù)在與圍巖共同變形中受到壓縮，對(duì)圍巖產(chǎn)生越來(lái)越大的支護(hù)反力，能夠抑制圍巖產(chǎn)生過(guò)大變形，防止圍巖發(fā)生松動(dòng)破壞。2、新奧法的主要支護(hù)手段與施工順序 新奧法是以噴射混凝土、錨桿支護(hù)為主要支護(hù)手段，因錨桿噴射混凝土支護(hù)能夠形成柔性薄層，與圍巖緊密粘結(jié)的可縮性支護(hù)結(jié)構(gòu)，允許圍巖又一定的協(xié)調(diào)變形，而不使支護(hù)結(jié)構(gòu)承受過(guò)大的壓力。 施工順序可以概括為：開(kāi)挖一次支護(hù)二次支護(hù)。 2.1開(kāi)挖 開(kāi)挖作業(yè)的內(nèi)容依次包括：鉆孔、裝藥、爆破、通風(fēng)、出渣等。開(kāi)挖作業(yè)與一次支護(hù)作業(yè)同時(shí)交叉進(jìn)行，為保護(hù)圍巖的自身支撐能力，第一次支護(hù)工作應(yīng)盡快進(jìn)行。為了沖分利用圍巖的

18、自身支撐能力開(kāi)挖應(yīng)采用灌面爆破（控制爆破）或機(jī)械開(kāi)挖，并盡量采用全斷面開(kāi)挖，地質(zhì)條件較差時(shí)可以采用分塊多次開(kāi)挖。一次開(kāi)挖長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)巖質(zhì)條件和開(kāi)挖方式確定。巖質(zhì)條件好時(shí)，長(zhǎng)度可大一些，巖質(zhì)條件差時(shí)長(zhǎng)度可小一些，在同等巖質(zhì)條件下，分塊多次開(kāi)挖長(zhǎng)度可大一些，全斷面開(kāi)挖長(zhǎng)度就要小一些。一般在中硬巖中長(zhǎng)度約為2-2.5米，在膨脹性地層中大約為0.8-1.米。 2.2第一次支護(hù)作業(yè)包括：一次噴射混凝土、打錨桿、聯(lián)網(wǎng)、立鋼拱架、復(fù)噴混凝土 在巷道開(kāi)挖后，應(yīng)盡快地噴一層薄層混凝土（3-5cm），為爭(zhēng)取時(shí)間在較松散的圍巖掘進(jìn)中第一次支護(hù)作業(yè)是在開(kāi)挖的渣堆上進(jìn)行的，待把未被渣堆覆蓋的開(kāi)挖面的一次噴射混凝土完成后再

19、出渣。 按一定系統(tǒng)布置錨桿，加固深度圍巖，在圍巖內(nèi)形成承載拱，由噴層、錨桿及巖面承載拱構(gòu)成外拱，起臨時(shí)支護(hù)作用，同時(shí)又是永久支護(hù)的一部分。復(fù)噴后應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)厚度（一般為10-15cm）,并要求將錨桿、金屬網(wǎng)、鋼拱架等覆裹在噴射混凝土內(nèi)。 完成第一次支護(hù)的時(shí)間非常重要，一般情況應(yīng)在開(kāi)挖后圍巖自穩(wěn)時(shí)間的二分之一時(shí)間內(nèi)完成。目前的施工經(jīng)驗(yàn)是松散圍巖應(yīng)在爆破后三小時(shí)內(nèi)完成，主要由施工條件決定。 在地質(zhì)條件非常差的破碎帶或膨脹性地層（如風(fēng)華花崗巖）中開(kāi)挖巷道，為了延長(zhǎng)圍巖的自穩(wěn)時(shí)間，為了給一次支護(hù)爭(zhēng)取時(shí)間，安全的作業(yè)，需要在開(kāi)挖工作面的前方圍巖進(jìn)行超前支護(hù)（預(yù)支護(hù)），然后再開(kāi)挖。 在安裝錨桿的同時(shí)，在圍巖

20、和支護(hù)中埋設(shè)儀器或測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行圍巖位移和應(yīng)力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量：依據(jù)測(cè)量得到的信息來(lái)了解圍巖的動(dòng)態(tài)，以及支護(hù)抗力與圍巖的相適應(yīng)程度。 一次支護(hù)后，在圍巖變形趨于穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行第二次支護(hù)和封底，即永久性的支護(hù)（或是補(bǔ)噴射混凝土，或是澆注混凝土內(nèi)拱），起到提高安全度和整個(gè)支護(hù)承載能力增強(qiáng)的作用，而此支護(hù)時(shí)機(jī)可以由監(jiān)測(cè)結(jié)果得到。 對(duì)于底板不穩(wěn)，底鼓變形嚴(yán)重，必然牽動(dòng)側(cè)墻及頂部支護(hù)不穩(wěn)，所以應(yīng)盡快封底，形成封閉式的支護(hù)，以謀求圍巖的穩(wěn)定。3、新奧法適用范圍 具有較長(zhǎng)自穩(wěn)時(shí)間的中等巖體； 弱膠結(jié)的砂和石礫以及不穩(wěn)定的礫巖； 強(qiáng)風(fēng)化的巖石； 剛塑性的粘土泥質(zhì)灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r； 堅(jiān)硬粘土，也有帶堅(jiān)硬夾層的粘土； 微裂隙的

21、，但很少粘土的巖體； 在很高的初應(yīng)力場(chǎng)條件下，堅(jiān)硬的和可變堅(jiān)硬的巖石； 在下述條件下應(yīng)用新奧法必須與一些輔助方法相配合 有強(qiáng)烈地壓顯現(xiàn)的巖體； 膨脹性巖體（要與仰拱與底部錨桿相配合）； 在一些松散巖體中，要與鋼背板與之配合； 在蠕動(dòng)性巖體中，要與凍結(jié)法或預(yù)加固法等配合； 在下列場(chǎng)合中應(yīng)用應(yīng)慎重 大量涌水的巖體； 由于涌水會(huì)產(chǎn)生流砂現(xiàn)象的圍巖； 極為破碎，錨桿鉆孔、安裝都極為困難的巖體； 開(kāi)挖面完全不能自穩(wěn)的巖體等。4、新奧法的缺點(diǎn)主要有： 實(shí)施不僅要求有良好的施工組織和管理，也要求技術(shù)人員和量測(cè)人員都十分熟練，沒(méi)有這一點(diǎn)就易于發(fā)生錯(cuò)誤；作業(yè)質(zhì)量都與每一個(gè)人的仔細(xì)操作有關(guān)。 開(kāi)挖暴露出的地質(zhì)會(huì)立

22、即改變其狀態(tài)，因此要求施工地質(zhì)人員要親臨現(xiàn)場(chǎng)，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題； 用能控制的施工量測(cè)，往往給施工帶來(lái)不便； 干噴射帶來(lái)的灰塵以及由于易受化學(xué)藥品的損害必須加強(qiáng)防護(hù)，尤其是對(duì)眼睛的防護(hù)，濕噴雖然可以避免此缺點(diǎn)，但在同樣條件下，不如干噴那樣有效的支護(hù)巖體。 新奧法施工是從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來(lái)的，又在不斷實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中得以豐富其內(nèi)容和進(jìn)一步發(fā)展，新澳法施工在我國(guó)推廣以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，通過(guò)科研、設(shè)計(jì)、施工三結(jié)合，在修建下坑、西坪、大瑤山、軍都山等鐵路隧道以及中梁山、二郎山等多座公路隧道中，應(yīng)用新奧法遠(yuǎn)離及其相應(yīng)的技術(shù)，取得了較大的成就。 不可否認(rèn)，新奧法也存在不少缺點(diǎn)，不過(guò)經(jīng)過(guò)工程技術(shù)人員和科技工作者的共

23、同努力一定可以把新奧法不斷完善，在我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)進(jìn)程中發(fā)揮更加重要的作用第二講 隧道的支護(hù)體系與圍巖的穩(wěn)定性1 隧道圍巖的穩(wěn)定性1.1 利用圍巖是支護(hù)的要點(diǎn) 從支撐圍巖壓力的概念到利用圍巖的概念 新奧法的基本原理臘布茲維奇從彈塑性理論出發(fā)，以一個(gè)彈性薄板挖一個(gè)圓孔的力學(xué)解為基礎(chǔ)，作為原理作了一個(gè)概念性的闡述。即洞子開(kāi)挖后，周邊應(yīng)力集中，集中系數(shù)為3，超過(guò)巖體彈性極限，形成塑性區(qū)。在N=1的情況下，有一薄壁圓環(huán)作支護(hù)，則 支護(hù)抗力 R 塑性區(qū)半徑 原巖應(yīng)力 C 巖體粘滯系數(shù) 巖體內(nèi)摩擦角 r 隧道半徑 圖 1.1 圖 1.2臘布茲維奇又進(jìn)一步研究不加支護(hù)的破壞形式。對(duì)圓形洞室，若垂直方向初始應(yīng)

24、力為主，將在兩側(cè)墻出現(xiàn)剪切破壞楔體，噴錨支護(hù)加強(qiáng)、加固剪切楔體，防止破壞。 不同結(jié)構(gòu)巖體的破壞 實(shí)際上，巖體是一個(gè)結(jié)構(gòu)體，不同的巖體破壞形式不同完整巖體厚板體 板裂效應(yīng)薄板體 薄板彎張、脫層破壞塊狀巖體 不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的滑移破壞 土質(zhì)巖體 塑性變形，流變松散體 普氏理論軟硬相間巖體 軟質(zhì)巖的破壞、擠出、滑動(dòng)等膨脹性巖體 隧道圍巖中的自承體系及其變化 隧道開(kāi)挖是個(gè)4維問(wèn)題：3維空間+時(shí)間 在掌子面前方14倍洞徑遠(yuǎn)，巖體已經(jīng)變形，沿切向、徑向都受壓縮。隧道開(kāi)挖斷面是在已經(jīng)被壓縮的巖體狀況下進(jìn)一步變形。隧道一開(kāi)挖，周邊巖體向洞內(nèi)移動(dòng)，發(fā)生張性變形，這樣就在隧道周邊巖體中形成由外向內(nèi)的一個(gè)自承結(jié)構(gòu)，最外

25、層為松弛帶，中間經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡帶到壓密區(qū)，然后是未受擾動(dòng)的原巖（圖1.3）。圖1.3 隧道周邊圍巖自承體系（某隧道，由形變電阻率法、聲波法、位移計(jì)、地面預(yù)埋應(yīng)變計(jì)等測(cè)定） 最外層的松弛帶巖體無(wú)論是沿切向還是徑向都發(fā)生了張性變形，實(shí)際上可以分為兩層，即最外面靠近臨空面的部分，巖體受爆破、施工、自重影響，變形最嚴(yán)重；靠里的一部分，則主要是受應(yīng)力解除影響的變形。松弛帶巖體在隧道剛開(kāi)始時(shí)并未松動(dòng)，除局部或特殊情況外還是自穩(wěn)的。而壓密區(qū)的巖體，是在三維空間中受壓縮的。在有圍壓情況下，巖體強(qiáng)度遠(yuǎn)大于單軸抗壓強(qiáng)度。因此，壓密區(qū)巖體有很高的強(qiáng)度，形成一個(gè)厚壁圓桶，或很厚的巖拱，與原巖應(yīng)力相平衡或承載原巖壓力。壓

26、密區(qū)通過(guò)過(guò)渡帶受松弛帶的支護(hù)，如果松弛帶不破壞，不發(fā)展，壓密區(qū)就會(huì)漸趨完善，保護(hù)巖體整體穩(wěn)定。松弛帶、過(guò)渡帶、壓密區(qū)，廣義的加上支護(hù)，形成一個(gè)圍巖自承體系。自承體系隨時(shí)間如何變化？由支護(hù)，即對(duì)自承體系的保護(hù)來(lái)決定。如果不作支護(hù)，松弛帶巖體張性變形將繼續(xù)發(fā)展，直至由松弛帶發(fā)展到松動(dòng)，同時(shí)松弛帶向深部發(fā)展，不僅使過(guò)渡帶變成松弛帶，而且使壓密區(qū)逐漸消失，巖體因承載力大大減弱，而出現(xiàn)整體失穩(wěn)（圖1.4）。 圖1.4 圍巖自承體系隨時(shí)間的破壞 A 為壓密區(qū) B為松弛帶如果及時(shí)做支護(hù)，及時(shí)保護(hù)了松弛帶，隨著對(duì)巖體徑向和切向變形的約束，松弛帶就可能情況改善，張性變形減少，松弛帶縮小，過(guò)渡帶成為壓密區(qū)的一部分

27、，壓密區(qū)擴(kuò)大并均勻化，最后達(dá)到穩(wěn)定（圖1.5）。 圖1.5 在噴錨支護(hù)下自承體系的完善 A為壓密區(qū) B為松弛帶 C為過(guò)渡帶 這里可以看到幾個(gè)現(xiàn)象：每一個(gè)開(kāi)挖步驟都可引起圍巖中的一次調(diào)整，所以每一個(gè)步驟的影響是好是壞，要作評(píng)估；洞形可以影響一開(kāi)挖就形成的自承體系的形態(tài)，自承體系形態(tài)好，調(diào)整得就快，所以開(kāi)挖的洞形是能促進(jìn)圍巖自承體系的手段之一；開(kāi)挖速度體現(xiàn)在4維中的t這一坐標(biāo)，要考慮到圍巖自承體系產(chǎn)生和調(diào)整需要時(shí)間；開(kāi)挖斷面附近，在剛開(kāi)挖時(shí)松弛帶一般還有自穩(wěn)能力，此時(shí)還有掌子面的支撐，產(chǎn)生橋跨作用，此時(shí)如及時(shí)支護(hù)對(duì)鞏固松弛帶的作用很大；對(duì)于中小跨度的隧道和地下工程，加固松弛帶，尤其是加固松弛帶的最

28、外層，能起到保護(hù)自承體系的作用；淺埋情況，自承體系不完整。淺埋土質(zhì)隧道，由于自承體系不完整，拱部以上土體靠原生結(jié)構(gòu)，靠土、砂的粘滯性和摩擦維持。附錄二.1軟巖隧道圍巖中自承體系的形成和發(fā)展除淺埋隧道外，一般情況下，隧道的穩(wěn)定，需要圍巖的穩(wěn)定。關(guān)于隧道圍巖穩(wěn)定的機(jī)制和理論，以往大多是在二維或三維的條件下進(jìn)行的。而隧道的開(kāi)挖和支護(hù)，是在四維（三維空間加時(shí)間）的條件下發(fā)生的；隧道從開(kāi)挖到穩(wěn)定，也要經(jīng)歷一段相當(dāng)?shù)臅r(shí)間。作者通過(guò)大量在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)圍巖變形規(guī)律的實(shí)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，有許多現(xiàn)象需要從隧道的開(kāi)挖和支護(hù)是四維問(wèn)題這一條件去解釋，否則難以理解。實(shí)測(cè)資料還發(fā)現(xiàn)，隧道圍巖中可能存在有一定層次的自承體系結(jié)構(gòu)，它們是在

29、四維條件下形成的，并隨時(shí)間和支護(hù)而變化、發(fā)展。本文將對(duì)此作一系統(tǒng)的闡述。所涉及的是較軟弱的巖體，在非大地壓的情況，并且暫不考慮塊體的平衡和位移等問(wèn)題。基本上是以實(shí)測(cè)資料為依據(jù)。一 圍巖中的自承體系結(jié)構(gòu)除淺埋隧道外，隧道能穩(wěn)定，是由于其圍巖中存在有一定結(jié)構(gòu)層次的自承體系，使得圍巖能穩(wěn)定。嚴(yán)格地講，自承體系也應(yīng)包括支護(hù)系統(tǒng)。因?yàn)橹ёo(hù)、尤其是噴錨支護(hù)往往與圍巖結(jié)成一體。圖l所示是在某隧道（砂、泥巖互層）用形變一電阻率法和聲波測(cè)量測(cè)得的。自承體系由內(nèi)向外包括：內(nèi)層支護(hù)、松弛帶、壓密區(qū)，有時(shí)在松弛帶外還有一過(guò)渡帶。松弛帶中巖體沿隧道切向和徑向因發(fā)生張性變形，因而比原巖狀態(tài)松弛；它常分為兩部分，接近壓密區(qū)

30、的部分變形較 圖1 某隧道實(shí)測(cè)圍巖中自承體系示意圖松動(dòng)。壓密區(qū)中巖體沿隧道切向發(fā)生 （根據(jù)聲波量測(cè)和形變-電阻率法量測(cè)資料）壓性變形，沿隧道徑向有時(shí)也受壓、巖休整體呈被壓縮狀態(tài)。過(guò)渡帶中巖體或基本不變形，或在整個(gè)變形過(guò)程中或成為松弛帶的一部分，或成為壓密區(qū)的一部分。在土質(zhì)隧道中也能測(cè)到同樣的自承體系。 自承體系的范圍由許多因素決定，巖體的強(qiáng)度是一個(gè)重要因素。巖石隧道圍巖的自承體系常僅幾米寬，在土質(zhì)隧道中則可能寬達(dá)2030m。開(kāi)挖方法，隧道洞形，支護(hù)形式和及時(shí)與否等，都會(huì)影響自承體系的范圍。自承體系穩(wěn)定，隧道的變形才能停止。而松弛帶的巖體穩(wěn)定，變形不再發(fā)展，是整個(gè)自承體系穩(wěn)定的前題。可以將包括支

31、護(hù)在內(nèi)的整個(gè)自承體系看作一個(gè)承載結(jié)構(gòu)，它朝向巖體的外緣的原巖應(yīng)力對(duì)它的作用可看作是它的外荷。二 隧道圍巖中自承體系的形成 隧道圍巖中的自承體系是在三維空間十時(shí)間這個(gè)四維的條件下形成的。在隧道開(kāi)控后，它將隨支護(hù)狀態(tài)而變化，隨時(shí)間而發(fā)展。 隧道的開(kāi)挖是在三維空間中實(shí)現(xiàn)的，量測(cè)資料表明，開(kāi)挖面前方一定距離外，巖體即已開(kāi)始變形，在較好的巖體中，這距離可能在l2倍洞徑之外；在軟弱圍巖。例如土體中，則可能在35倍洞徑之外。這變形是自承體系形成的基礎(chǔ)。由于有這變形基礎(chǔ)，洞室開(kāi)挖后圍巖中才可能形成自承體系。量測(cè)表明開(kāi)挖面前方巖體在隧道的切向和徑向都發(fā)生壓性變形?？梢哉J(rèn)為，開(kāi)挖面前方巖體沿隧道切向的應(yīng)力增高，使

32、巖體在隧道切向和徑向發(fā)生壓性變形，而周圍巖體的約束使沿隧道徑向也發(fā)生壓性變形（見(jiàn)圖2、3）。這種應(yīng)力和變形使巖體向自由空間方向位移，自由空間有兩個(gè)，一個(gè)是開(kāi)挖面，另一個(gè)是地面，所以，若隧道上覆巖體強(qiáng)度較低而又不太厚，地面就可能上升，這已為許多淺埋隧道的量測(cè)資料所證明，例如軍都山隧道淺埋黃土段、北京地鐵復(fù)興門折返段、地鐵西單車站等（見(jiàn)圖4）工程均曾觀測(cè)到。 圖2 某隧道（砂、泥巖互層）開(kāi)挖前后洞頂上方不同深度圍巖沿隧道切向的變形圖 某隧道各部開(kāi)挖前后洞頂上方不同深度圍巖沿隧道徑向和切向的變形圖4 軍都山隧道淺埋土質(zhì)段開(kāi)挖通過(guò)20#測(cè)點(diǎn)前后地表及土體內(nèi)部沉降時(shí)態(tài)曲線開(kāi)挖面前方巖體沿隧道切向的壓性變

33、形，是圍巖自承的基礎(chǔ)。在隧道開(kāi)控后，雖然在極短的時(shí)間內(nèi)。周邊巖體沿隧道切向應(yīng)力集中，但是，由于出現(xiàn)了隧道這臨空面，其周圍巖體能量迅速釋放，因此。這部分巖體很快沿隧道切向和徑向發(fā)生張性變形，成為松弛帶。即使在黃土質(zhì)隧道拱腳下方這切向應(yīng)力最高的部位，在開(kāi)挖后一個(gè)短時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)壓劈，但在不長(zhǎng)時(shí)間之后，這部分土體即沿徑向和切向發(fā)生張性變形；成為松弛帶的一部分；而且出現(xiàn)壓劈的深度也僅0.30.5m。隧道開(kāi)挖后，最靠?jī)?nèi)的巖體成為松弛帶。在一定深度，開(kāi)挖面前方巖體已經(jīng)發(fā)生的沿隧道切向的壓性變形仍然存在，它們處于三維應(yīng)力狀態(tài)下，具有較高的承載能力，能在一定時(shí)間內(nèi)保持圍巖不發(fā)生整體破壞。從圖2、3、4還可見(jiàn)，

34、在多部開(kāi)挖時(shí)，每一開(kāi)挖步驟，都會(huì)引起開(kāi)挖面前方巖體的壓性變形，這些變形是疊加在已有的變形之上的。 為了讀者能更好地理解圖2、3及后述的一些資料，這里作一說(shuō)明：這些資料是形變一電阻率法所測(cè)。同一巖體，在發(fā)生壓性變形時(shí)，其電阻率會(huì)降低，即與原始電阻率值之差是負(fù)值，壓性變形越大，電阻率降低越劇；若發(fā)生張性變形，則電阻率會(huì)升高，與原始電阻率值之差為正值，張性變形越大，電阻率增高越多。改變測(cè)量電阻率的電極的排列方向，可以測(cè)量不同方向的電阻率值。為了解巖體不同方向的變形情況，圖2、3的資料是在鉆孔中測(cè)得的。鉆孔是在開(kāi)挖前在隧道中線位置鉆好，然后測(cè)量不同深度水平向（隧道切向）和鉛垂向（隧道徑向）的電阻率作為

35、初始值；在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，不斷測(cè)量開(kāi)挖面前方開(kāi)挖后、支護(hù)后不同深度的電阻率值。這樣就可了解拱頂上方巖體的變形規(guī)律。三 自承體系的變化和發(fā)展開(kāi)挖后自承體系的變化由支護(hù)決定。圖5和圖6是一組對(duì)比資料，它們來(lái)自某隧道中相鄰的兩個(gè)試驗(yàn)段，其中模注混凝土襯砌段的土質(zhì)要好于噴錨試驗(yàn)段。模注襯砌段在開(kāi)挖后第6天開(kāi)始襯砌，第15天襯砌完成（襯砌厚30cm）。從圖5可見(jiàn)，開(kāi)挖5天后，拱頂松弛帶寬約5m，距拱頂512m，還有一寬8m的壓密區(qū)；而開(kāi)挖20天（襯砌完成5天）后，土體自承體系仍在惡化，松弛帶擴(kuò)展到6m，壓密區(qū)縮小到僅1.5m寬（拱頂上68.5 m），以后土體自承性能仍在惡化，開(kāi)挖1個(gè)月后，壓密區(qū)完全消失

36、，松弛帶擴(kuò)大到8m寬；不久以后，埋設(shè)在襯砌背后的的壓力盒測(cè)得的壓力成倍地增加。這說(shuō)明，如果不作支護(hù)或?qū)r體保護(hù)不好，甚至由于拱頂襯砌與巖體間通常存在的小小的空隙，致使不能限制拱頂松弛帶巖體的張性變形的發(fā)展和松弛帶范圍擴(kuò)大，在軟弱圍巖中，松弛帶的巖體甚至發(fā)展到松動(dòng)以至坍落，最后壓密區(qū)縮小以至消失，巖體整體自承能力喪失。圖6所示的噴錨襯砌段則不同。由于開(kāi)挖后幾小時(shí) 圖5 某黃土隧道模筑混凝土襯砌段弧導(dǎo)開(kāi)挖后拱頂上方即及時(shí)噴射57cm 厚 不同深度土體沿切向s的相對(duì)變化混凝土支護(hù)，故盡管剛 s =s-so （單位：.m） s 0 張松尚不完整，但十余天后，已有寬約6m的壓密區(qū)；兩個(gè)半月后，雖然隧道斷

37、面大小擴(kuò)挖了一倍，壓密區(qū)仍擴(kuò)大到13m寬，松弛帶卻沒(méi)有擴(kuò)大；開(kāi)挖5個(gè)月并將噴射混凝土層加厚到l 5cm后，壓密區(qū)擴(kuò)大到17.5m寬并最后趨于穩(wěn)定。圖 6 某黃土隧道噴射混凝土襯砌段弧導(dǎo)開(kāi)挖后拱頂上方不同深度土體沿切向s的相對(duì)變化 s =s-so （單位：.m） s 0 張松圖7 某隧道開(kāi)挖并噴射混凝土支護(hù)后拱頂上方不同深度巖體切向s隨時(shí)間的變化 0 1977.6.7 11977.6.23 噴射混凝土后 28.6 3圖7所示是砂泥巖互層的某隧道拱頂上方圍巖變形的形變一電阻率法測(cè)量結(jié)果。由圖可見(jiàn)，由于開(kāi)挖后及時(shí)噴錨支護(hù)，隧道周邊的松弛帶范圍逐漸縮小，壓密區(qū)擴(kuò)大，最后達(dá)到穩(wěn)定。實(shí)際上，包括噴錨在內(nèi)的

38、支護(hù)系統(tǒng)僅作用于或主要作用于松弛帶，圖8展示了某黃土隧道周邊土體在噴射混凝土后張性變形是如何減小、土體狀態(tài)是如何改善的。由圖可見(jiàn)，0的松弛帶巖體，在噴射混凝土支護(hù)后，減小。從圖7還可見(jiàn)，松弛 圖8 某隧道噴射混凝土襯砌完成后圍巖中松弛帶帶可分為兩部分，最內(nèi)層是受開(kāi) 中切向s的變化（松弛帶土體性狀的改善）挖影響（如爆破、機(jī)械破巖等） so 1979.1 和巖塊本身自重而位移影響最大 1馬口挖過(guò)斷面12m，噴層厚5cm的部分，它們變形較大；其外的 21979.5.8 馬口挖過(guò)斷面20m，噴層加厚到15cm巖體是由于應(yīng)力釋放而產(chǎn)生張性變形，變形較小。第三講 支護(hù)施工的幾點(diǎn)說(shuō)明1 噴射混凝土和錨桿聯(lián)合

39、支護(hù)的作用1.1 巖質(zhì)隧道加固局部巖塊，防止巖體中不不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的冒落及大位移；約束松弛帶的切向和徑向的張性變形；加固松弛帶的巖體，使之整體性加強(qiáng)，形成整體結(jié)構(gòu)；有一定的結(jié)構(gòu)承載作用；強(qiáng)調(diào)的是噴錨的及時(shí)性，特別是噴射混凝土的及時(shí)性；面接觸的支護(hù)形式；噴錨聯(lián)合支護(hù)的作用。一組塊狀圍巖噴錨支護(hù)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果（冶金建筑科學(xué)研究院）：用砌塊組成斷面，凈跨2000mm的混凝土拱，矢高500mm，作為裂隙發(fā)育的不穩(wěn)定塊狀巖體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果試件名稱試件形式破壞荷載50噸荷載時(shí)拱中撓度絕對(duì)（噸）相對(duì)絕對(duì)（mm）相對(duì)塊狀圍巖性7.3191砂漿錨桿支護(hù)50.76.951.21/7.5噴混凝土支護(hù)70.19.60.41/

40、22.51.2 土質(zhì)隧道 砂漿錨桿在土質(zhì)隧道中的支護(hù)作用黃土有垂直節(jié)理、構(gòu)造斜節(jié)理和層，某些土體也有一些裂隙和層面，全長(zhǎng)粘結(jié)砂漿錨桿可以將它們加固，將土塊連接；系統(tǒng)的砂漿錨桿能將砂漿、土體改性，增加其整體強(qiáng)度。淺埋土質(zhì)隧道的支護(hù)淺埋土質(zhì)隧道自承體系不完整，主要靠砂、土的原始結(jié)構(gòu)，靠砂、土體的摩擦、粘滯保持穩(wěn)定。同時(shí)，土體圍巖往往有流變性，需要一定的支護(hù)剛度才能制止流變。土質(zhì)隧道淺埋暗挖法應(yīng)以限制圍巖變形為主，應(yīng)采用早期大剛度的初期支護(hù)，防止土體變形過(guò)大破壞原始結(jié)構(gòu)；初期支護(hù)應(yīng)給土體以一定的支護(hù)抗力及時(shí)制止流變。在保護(hù)了土體之后，土體仍能保持較好的自承能力，二次襯砌承受變形壓力不大。這一基本認(rèn)識(shí)

41、經(jīng)過(guò)軍都山隧道淺埋土質(zhì)段工程試驗(yàn)成功，并推廣到北京及廣州、深圳等地鐵中。1.2.3 臨時(shí)支護(hù)，初期支護(hù)和永久襯砌臨時(shí)支護(hù)是為施工安全服務(wù)的。用噴錨做臨時(shí)支護(hù)代替了過(guò)去的木支撐，支護(hù)是必須的，不能因巖質(zhì)較好而不為。不乏好圍巖不及時(shí)支護(hù)而坍方落石的實(shí)例。初期支護(hù)不僅是臨時(shí)支護(hù)，它也是永久襯砌的一部分。噴錨構(gòu)筑法中初期支護(hù)是主要的受力結(jié)構(gòu)，二次襯砌是為防水和作安全儲(chǔ)備，即使在土質(zhì)隧道中，初期支護(hù)按設(shè)計(jì)敷設(shè)后，二次襯砌都可在幾個(gè)月，甚至一年后施工。初期支護(hù)是維持圍巖自承體系的主要手段。減薄、簡(jiǎn)化初期支護(hù)，企圖以加厚二次襯砌的模筑混凝土來(lái)代替噴射混凝土，這從理論上講是錯(cuò)誤的。永久襯砌包括初期支護(hù)和二次襯

42、砌，實(shí)際上二次襯砌可以是模筑混凝土，也可以是噴射混凝土，也可以是砌塊或拼裝式結(jié)構(gòu)。模筑襯砌和砌塊、拼裝結(jié)構(gòu)等，在中間有防水板時(shí)，與噴射混凝土之間沒(méi)有粘結(jié)性，沒(méi)有切向摩阻力。4.2 開(kāi)挖分部噴錨支護(hù)的一個(gè)主要特點(diǎn)是初期支護(hù)作為永久襯砌的一部分，這是避免圍巖在分部開(kāi)挖時(shí)受二次擾動(dòng)的重要優(yōu)點(diǎn)。因此，應(yīng)當(dāng)盡量減少分部的數(shù)目。小導(dǎo)坑擴(kuò)大，實(shí)際上不是安全的辦法，全斷面和正臺(tái)階是比較好的形式。非在不得已時(shí)，不應(yīng)用側(cè)壁導(dǎo)坑。側(cè)壁導(dǎo)坑法較安全，但是分部多，工序繁雜，還要破壞掉側(cè)壁導(dǎo)坑的內(nèi)側(cè)初期支護(hù)。在軟弱圍巖中，要及時(shí)封閉仰拱，形成完整、封閉的支護(hù)結(jié)構(gòu)。許多隧道在軟弱圍巖中，施工時(shí)變形（位移）不止，及時(shí)做仰拱后

43、，都能抑制變形發(fā)展。量測(cè)資料表明，變形不止的隧道段，主要是由于邊墻和拱腳不斷內(nèi)擠。仰拱施作后，首先抑制拱腳的內(nèi)擠。正臺(tái)階法施工時(shí)，上導(dǎo)坑不應(yīng)拖的太長(zhǎng)。4.3 噴錨支護(hù) 噴射混凝土噴射混凝土應(yīng)在開(kāi)挖后盡快施作。噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度一般R1d=5MPa, 砂漿錨桿中的水泥砂漿R1d=5Mpa，因此，均在敷設(shè)后24小時(shí)才能起到較好的支護(hù)作用。根據(jù)量測(cè)資料，每一道工序在施工時(shí)，變形都會(huì)加大，即施工對(duì)（噴、錨、挖）它們是擾動(dòng)、是荷載，只有強(qiáng)度足夠時(shí)才能起支護(hù)作用。即使是較好的圍巖，也應(yīng)及時(shí)噴射混凝土，應(yīng)記住橋跨效應(yīng)在一倍洞徑內(nèi)起作用。目前噴射混凝土普遍回彈量大，平均達(dá)30%以上。其實(shí)，只要按規(guī)范要求，控

44、制噴射距離在0.61.2m、垂直被噴面、控制風(fēng)壓、控制好水灰比，略作改進(jìn)和培訓(xùn)，是可以將回彈控制在1520%以內(nèi)的。這里也有個(gè)報(bào)酬和管理問(wèn)題。當(dāng)然，在有鋼筋網(wǎng)和格柵拱架時(shí)的噴射混凝土有一些特別的噴射方法，可以通過(guò)培訓(xùn)和讓工人去探索。建議在可能條件下粗骨料用連續(xù)級(jí)配。在需要很快起支護(hù)作用時(shí)，可以采用早強(qiáng)水泥噴射混凝土。噴射混凝土還有兩個(gè)值得注意的問(wèn)題：一是噴射混凝土往往偏薄，這是因沒(méi)有配備隨時(shí)檢測(cè)噴層厚度的儀器。二是在有鋼拱架時(shí)往往鋼拱架處噴層厚，兩鋼拱架之間薄，形成波浪型。在鋪防水板后澆筑襯砌時(shí)，易將防水板擠破，或形成二層襯砌間的空區(qū)，襯砌完成后再打孔注漿充填，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)工，還可能鉆破防水板造

45、成漏水。4.3.2 錨桿錨桿包括局部錨桿和系統(tǒng)錨桿，局部錨桿是為了錨拴住巖體中的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體用，應(yīng)由有經(jīng)驗(yàn)的工人或地質(zhì)工程師確定位置和方向。系統(tǒng)錨桿則在較軟弱巖體中設(shè)定，經(jīng)常要求按隧道徑向和定間隔設(shè)置。全長(zhǎng)粘結(jié)式錨桿在敷設(shè)中的最大問(wèn)題，一是方向不對(duì)，主要是打錨桿孔的臺(tái)架等工具不合適，或未設(shè)臺(tái)架湊合施工，方向不合理的錨桿是不起作用的。二是注漿不飽滿，注漿不飽滿的錨桿不僅起不到支護(hù)作用，反而可能成為載荷?？拱瘟Σ⒉荒茏C明注漿飽滿的程度，應(yīng)當(dāng)推廣錨桿砂漿飽滿度的檢測(cè)技術(shù)。實(shí)際上，只要錨桿端部有1m左右長(zhǎng)度注了漿，抗拔力就合格，但這根錨桿不僅不起作用，反而可能起壞作用。錨桿應(yīng)當(dāng)及時(shí)敷設(shè)，隨著巖體變形錨

46、桿逐漸施加應(yīng)力。敷設(shè)晚的錨桿已在巖體急劇變形階段之后，作用明顯減少。4.4 鋼拱架在外力方向與鋼拱架斷面平面一致時(shí)，它是一個(gè)鋼性的支撐。但受力與平面不一致時(shí)它們則為柔性支撐。鋼拱架與巖體是點(diǎn)接觸，對(duì)巖體僅能起局部支撐作用，而且在受力時(shí)會(huì)因局部應(yīng)力集中而發(fā)生扭曲。因此，鋼拱架在與噴射混凝土結(jié)合時(shí)才能發(fā)揮好的作用。想單純依靠鋼拱架做支護(hù)并不是好的主意。不乏不噴混凝土單用鋼拱架支護(hù)而發(fā)生拱架扭曲、垮坍的實(shí)例。使用型鋼拱架時(shí)，噴射混凝土困難（鋼拱架與圍巖之間難以噴實(shí)，噴射混凝土打在鋼拱架上回彈大），相比之下格柵拱架就好的多。格柵拱架的優(yōu)點(diǎn)是，它的變形與混凝土匹配，它與噴射混凝土結(jié)合成的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具

47、有很大的剛度?？梢赃m應(yīng)先柔后剛的支護(hù)形式，也可以與一次噴射足夠厚度的混凝土結(jié)合形成剛度大的初期支護(hù)。通常，格柵拱架不需太大的剛度。4.5 超前錨桿及小導(dǎo)管注漿超前錨桿是在巖質(zhì)隧道破碎巖體中應(yīng)用的，它一端由鋼質(zhì)拱架支撐，成5o10o插向斜前上方。另一端插入掌子面前方的巖體中被未開(kāi)挖的巖體支撐。所以，其長(zhǎng)度必需保證大于一個(gè)循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺長(zhǎng)度。它們除了可加固近隧道臨空面的破碎巖體外，還可以支架其上方的巖體，在錨桿孔中注漿時(shí)，漿液可擠入巖體的裂隙中起固結(jié)作用。必要時(shí)可采用早強(qiáng)水泥砂漿。小導(dǎo)管注漿是對(duì)付松散層的，也可以在處理坍方時(shí)在坍體中開(kāi)挖前進(jìn)用，通過(guò)導(dǎo)管注漿將松散體固結(jié)。小導(dǎo)管一般間距3040cm，不

48、適用于巖質(zhì)巖體，原因是巖質(zhì)巖體通常不可能注入漿液，同時(shí)小導(dǎo)管間距過(guò)小，鉆孔將巖體切斷造成大量超挖。第四講 中國(guó)中鐵集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之客專隧道支護(hù)部分規(guī)范與說(shuō)明10 支 護(hù)10.1 一 般 規(guī) 定 鐵路客運(yùn)專線隧道支護(hù)必須配合開(kāi)挖及時(shí)施作，保證施工安全。及時(shí)支護(hù)是保證隧道開(kāi)挖安全的重要手段。支護(hù)及時(shí)與否決定隧道施工安全的成敗。因此應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。 隧道支護(hù)應(yīng)采用噴錨支護(hù)，根據(jù)圍巖特點(diǎn)、斷面大小和使用條件等選擇噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架等單一或組合的支護(hù)形式。噴錨支護(hù)包括的單獨(dú)或組合形式主要有：錨桿支護(hù)、噴射混凝土支護(hù)、噴混凝土錨桿聯(lián)合支護(hù)、噴混凝土鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)、噴混凝土與錨桿及鋼筋網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)、

49、噴射鋼纖維混凝土支護(hù)、噴射鋼纖維混凝土錨桿聯(lián)合支護(hù)、以及上述類型加設(shè)鋼架的聯(lián)合支護(hù)。 當(dāng)開(kāi)挖工作面不能自穩(wěn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體地質(zhì)條件進(jìn)行超前支護(hù)和預(yù)加固處理。在地層穩(wěn)定性較差地段，常采用超前錨桿、小導(dǎo)管以及管棚等超前支護(hù)措施。在地層穩(wěn)定性很差地段，應(yīng)在工作面或和圍巖一定范圍進(jìn)行超前預(yù)注漿加固處理。 錨噴支護(hù)施工中，應(yīng)做好下列工作：1 錨噴支護(hù)施工記錄（附錄B）；2 噴射混凝土的強(qiáng)度、厚度、外觀尺寸等項(xiàng)檢查和試驗(yàn)報(bào)告（附錄C）；3 監(jiān)控量測(cè)記錄；4 地質(zhì)素描資料（附錄D）。錨噴支護(hù)需要仔細(xì)施工才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并且施作后成為隱蔽工程，因此需要在施工過(guò)程中對(duì)控制施工質(zhì)量的參數(shù)和過(guò)程進(jìn)行記錄，同時(shí)必須進(jìn)

50、行地質(zhì)素描，并對(duì)支護(hù)的主要力學(xué)行為進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)并記錄。10.2 噴射混凝土 客運(yùn)專線鐵路隧道初期支護(hù)噴射混凝土應(yīng)及時(shí)進(jìn)行，初噴混凝土在開(kāi)挖后及時(shí)進(jìn)行，復(fù)噴就根據(jù)工作面的地質(zhì)情況和一次爆破用藥量分層、分時(shí)段進(jìn)行。濕噴工藝重要特征是在混凝土攪拌工序加入水泥水化所需的全部水分。濕噴工藝能夠按設(shè)計(jì)配合比嚴(yán)格控制水膠比，濕噴工藝將干噴混合料中的游離顆粒狀水泥形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闈駠娀旌狭系乃酀{體形態(tài)，大幅度降低了粉塵濃度，保護(hù)工人健康；濕噴工藝能夠?qū)σ后w速凝劑進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量。在隧道大面積淋水段經(jīng)過(guò)監(jiān)理批準(zhǔn)可以采用干噴工藝。 噴射混凝土原材料應(yīng)符合下列要求：1 水泥：選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。水泥強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)不

51、低于32.5MPa；2 細(xì)骨料：采用堅(jiān)硬耐久的中砂或粗砂，細(xì)度模數(shù)宜大于2.5，含水率宜控制在5%7%，含泥量按重量計(jì)不應(yīng)大于3%；3 粗骨料：采用堅(jiān)硬耐久的卵石或碎石，粒徑不宜大于15mm；當(dāng)噴射鋼纖維混凝土?xí)r，粒徑不宜大于10mm；骨料級(jí)配宜采用連續(xù)級(jí)配（表10.2）；當(dāng)使用堿性速凝劑時(shí)，不得使用含有活性二氧化硅的石材，含泥量按重量計(jì)不應(yīng)大于1%；4 骨料級(jí)配：宜控制在表10.2所給的范圍內(nèi)。表10.2 噴射混凝土骨料通過(guò)各篩徑的累計(jì)重量百分比（%） 骨料粒徑（mm）等級(jí)0.150.300.601.202.505.0010.0015.00優(yōu)5710151722233134435060788

52、2100良48522133118412654407062901005 速凝劑：在使用速凝劑前，應(yīng)進(jìn)行與水泥的相容性試驗(yàn)及水泥凈漿凝結(jié)效果試驗(yàn)，初凝不應(yīng)大于5 min,終凝不應(yīng)大于10min，堿性速凝劑摻量應(yīng)不大于5%，無(wú)堿速凝劑摻量應(yīng)不大于8%。液體速凝劑物理性狀為：呈均勻狀態(tài)，無(wú)團(tuán)聚現(xiàn)象，可有少量沉淀，攪拌后應(yīng)無(wú)沉淀，應(yīng)無(wú)刺激性氣味，環(huán)境溫度在5C以上能保持其工作性；速凝劑施工實(shí)際用量與實(shí)驗(yàn)室摻量有較大差異，其原因有三：首先實(shí)驗(yàn)室摻量試驗(yàn)條件為0.4水灰比的水泥凈漿，其二為速凝劑凝結(jié)時(shí)間隨水灰比增加而延長(zhǎng)，其三為實(shí)際工作過(guò)程中難免有損耗，同時(shí)速凝劑中的固體沉淀物造成浪費(fèi)。但這種差異應(yīng)控制在5

53、0%以內(nèi)。速凝劑摻量對(duì)噴射混凝土品質(zhì)和成本有重要影響，摻量低將導(dǎo)致回彈增加和早期強(qiáng)度不夠，摻量過(guò)高不但增加成本，還將導(dǎo)致后期強(qiáng)度降低并同時(shí)影響混凝土密實(shí)性，因此摻量應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果加以嚴(yán)格控制。液體速凝劑如沉淀物過(guò)多或黏度過(guò)大將嚴(yán)重影響其工藝性，應(yīng)加以限制。6 減水劑：使用減水劑前應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的性能試驗(yàn)和使用效果試驗(yàn)；7 外摻料：外摻料摻量應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定，加外摻料后的噴射混凝土性能必須滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)摻用粉煤灰替代水泥時(shí)，宜采用級(jí)粉煤灰，當(dāng)摻用粉煤灰改善混凝土和易性時(shí)，可以摻用級(jí)粉煤灰。宜采用表面積大于20000m2/kg的優(yōu)質(zhì)硅粉，硅粉所需用量按水泥重量計(jì)為315%。但在使用前必須確定它們對(duì)材料

54、屬性的影響，特別是早期強(qiáng)度；在噴射混凝土中使用粉煤灰和硅粉是一項(xiàng)環(huán)保型事業(yè)，減少水泥用量就是減少向大氣排放CO2，同時(shí)粉煤灰和硅粉本是工業(yè)廢棄物。硅粉不但提高噴射混凝土強(qiáng)度，同時(shí)使混凝土粘性增加，對(duì)降低回彈是十分有利的。8 水：噴射混凝土用水不應(yīng)含有影響水泥正常凝結(jié)與硬化的有害雜質(zhì)，不得使用污水、pH值小于4的酸性水、含有硫酸鹽量按SO42-計(jì)算超過(guò)用水重量1%的水, 不得使用海水。 噴射混凝土配合比與噴射混凝土工作度噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足混凝土性能和噴射混凝土工作度（可噴性）要求，噴射混凝土配合比應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定，并應(yīng)遵守下列原則：水膠比：根據(jù)噴射混凝土強(qiáng)度由試驗(yàn)確定，宜控制在0.4

55、0.5之間；用水量：根據(jù)混凝土坍落度要求確定（采用減水劑時(shí)可降低用水量）；膠凝用量：根據(jù)水膠比和用水量計(jì)算確定，但不宜小于400mg/m3；砂率：應(yīng)為4560%；和易性：噴射混凝土拌合物應(yīng)無(wú)離析和泌水、粘聚性好；稀薄流噴射混凝土最適宜坍落度為813cm，稠密流噴射最適宜坍落度為1016cm。噴射混凝土配合比與噴射混凝土工作度噴射混凝土工作度包含混凝土和易性和噴射工藝性（可噴性）兩方面，目的是提高生產(chǎn)效率、降低回彈、保證品質(zhì)，以控制適當(dāng)流動(dòng)性和增加粘稠性為主。良好的噴射工藝性應(yīng)為：由料斗向料腔喂料效率高，在輸料管道內(nèi)不結(jié)團(tuán)，輸送阻力小，噴嘴不跌漿，噴射回彈率低，噴嘴處粉塵濃度低。噴射混凝土水泥用

56、量變化范圍較大（440550kg/m3之間），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通混凝土結(jié)構(gòu)的變化值。 噴射機(jī)應(yīng)具有良好的密封性能，輸料連續(xù)、均勻，附屬機(jī)具的技術(shù)條件應(yīng)能滿足噴射作業(yè)需要。 噴射混凝土作業(yè)前，應(yīng)做好以下工準(zhǔn)備工作1 檢查機(jī)具設(shè)備和風(fēng)、水、電等管線路，并試運(yùn)轉(zhuǎn)，確保作業(yè)區(qū)內(nèi)有良好的通風(fēng)及照明；2 清除松動(dòng)巖塊和墻腳巖碴、堆積物，并向料斗加水沖洗受噴面（當(dāng)巖面受水容易潮解、泥化時(shí)，只能用高壓風(fēng)清掃）；應(yīng)從頂部工作面往下清潔；3 檢查開(kāi)挖斷面凈空尺寸；4 設(shè)置控制噴射混凝土厚度的標(biāo)志；5 巖面如有滲漏水應(yīng)予妥善處理。 噴射作業(yè)應(yīng)遵守下列規(guī)定：1 噴射作業(yè)應(yīng)分段分片依次進(jìn)行，噴射順序自下而上；2 一次噴射厚度

57、可根據(jù)噴射部位和設(shè)計(jì)厚度確定，且拱部不得超過(guò)10cm，邊墻不得超過(guò)15cm；3 分層噴射時(shí)，后一層噴射應(yīng)在前一層混凝土終凝后進(jìn)行。若終凝1h后再噴射，應(yīng)先用風(fēng)水清洗噴射表面；4 噴射作業(yè)緊跟開(kāi)挖作業(yè)面時(shí)，下一循環(huán)爆破應(yīng)在噴射混凝土終凝3h以后進(jìn)行；5 噴射混凝土應(yīng)強(qiáng)化工藝管理，降低噴射回彈率。 噴射混凝土養(yǎng)護(hù)應(yīng)遵守下列規(guī)定：1 混凝土噴射終凝2h后，應(yīng)進(jìn)行濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于14d；2 黃土或其它土質(zhì)隧道，應(yīng)控制養(yǎng)護(hù)用水，避免噴水過(guò)多軟化下部土層；3 隧道內(nèi)環(huán)境氣溫低于5時(shí)，不得進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)。 噴射混凝土冬期施工應(yīng)遵守下列規(guī)定：1 噴射作業(yè)區(qū)的氣溫不應(yīng)低于5，在結(jié)冰的巖面上，不得噴射混凝

58、土； 2 混合料進(jìn)入噴射機(jī)料斗前溫度不應(yīng)低于5；3 對(duì)液體速凝劑進(jìn)行加熱處理，溫度不應(yīng)低于10（最佳20）；4 噴射混凝土強(qiáng)度未達(dá)到6MPa前，不得受凍。 噴射混凝土的安全與防護(hù)應(yīng)符合下列要求：1 施工作業(yè)前應(yīng)認(rèn)真檢查和處理支護(hù)作業(yè)區(qū)的危石，施工機(jī)具應(yīng)布置在安全地帶；2 施工用作業(yè)臺(tái)架應(yīng)牢固可靠，并應(yīng)設(shè)置安全欄桿；3 應(yīng)定期檢查電源線路和設(shè)備的電器部件，確保用電安全；4 施工中應(yīng)經(jīng)常檢查輸料管、接頭的磨損情況，當(dāng)有磨損、擊穿或松脫等現(xiàn)象時(shí)應(yīng)及時(shí)處理；5 施工中檢修機(jī)械或設(shè)備故障時(shí)，必須在斷電、停風(fēng)條件下進(jìn)行，檢修完畢向機(jī)械設(shè)備送電送風(fēng)前必須事先通知有關(guān)人員；6 當(dāng)采用加大風(fēng)壓處理堵管事故時(shí)，應(yīng)

59、先關(guān)機(jī)將輸料管順直，緊按噴嘴，噴嘴前方不準(zhǔn)站人，疏通管路的工作風(fēng)壓不得超過(guò)0.5MPa；7 非施工人員不得進(jìn)入正進(jìn)行噴射的作業(yè)區(qū)，施工中噴嘴前嚴(yán)禁站人；8 噴射作業(yè)區(qū)應(yīng)有良好的通風(fēng)措施，作業(yè)區(qū)的粉塵濃度不得大于2mg/m3。作業(yè)人員應(yīng)帶防塵口罩、防護(hù)帽、防護(hù)眼鏡、防塵面具等防護(hù)用具，作業(yè)人員應(yīng)避免直接接觸堿性液體速凝劑，不慎接觸后應(yīng)立即用清水沖洗；9 噴射混凝土作業(yè)完成后應(yīng)及時(shí)對(duì)機(jī)具進(jìn)行清洗。 初期支護(hù)表面應(yīng)平整，無(wú)空鼓、裂縫、松酥，并用噴混凝土（或砂漿）對(duì)基面進(jìn)行找平處理，平整度用2m靠尺檢查，表面平整度允許偏差：側(cè)壁5cm、拱部7cm。 噴射混凝土厚度檢查宜采用斷面儀檢查。噴射混凝土的厚度

60、應(yīng)符合下列要求：1 噴射混凝土平均厚度不應(yīng)小于設(shè)計(jì)厚度；2 噴射混凝土厚度檢查點(diǎn)數(shù)的80及以上不小于設(shè)計(jì)厚度；3 噴射混凝土最小厚度不小于設(shè)計(jì)厚度的2/3。2 鋼纖維噴射混凝土應(yīng)滿足下列規(guī)定：1 鋼纖維宜用普通碳素鋼制成。2 鋼纖維斷面直徑（或等效直徑）應(yīng)為0.30.5mm。3 鋼纖維長(zhǎng)度應(yīng)為2025mm，并不得大于輸料軟管以及噴嘴內(nèi)徑的0.7倍；長(zhǎng)徑比為4060，長(zhǎng)度偏差不應(yīng)超過(guò)長(zhǎng)度公稱值的5%。4 鋼纖維抗拉強(qiáng)度不得小于380MPa。5 鋼纖維噴射混凝土的鋼纖維體積率宜為1.01.5（體積比）。6 鋼纖維噴射混凝土使用的水泥強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于42.5MPa。7 鋼纖維噴射混凝土粗骨料最大粒徑