【中鐵】隧道施工方案決策技術（共265）

隧道工程施工工方案決策技術中鐵隧道集團團副總工程師師汪綱領●引言：基本概概念●隧道工程洞室室支護、結構構設計和工法法選擇的基礎礎理論?！袼淼朗┕さ幕竟しㄅc輔輔助工法?！袼淼莱暗刭|(zhì)質(zhì)預報技術。?！裥畔⒒┕づc與動態(tài)反饋設設計?！袼淼拦こ掏ㄟ^過巖溶地質(zhì)地地段安全風險險控制技術。引言：基本概概念●工程地質(zhì)條件件工程地質(zhì)條件件就是工程活活動的地質(zhì)環(huán)環(huán)境，可以理理解為工程建建筑物所在地地區(qū)地質(zhì)環(huán)境境中各項因素的綜綜合。一般認認為它包括如如下六個方面面：○巖土類型及工工程性質(zhì)(地層巖性)這是最基本的的工程地質(zhì)因因素，包括它它們的成因、、時代、巖性性、產(chǎn)狀、成成巖作用特點點、變質(zhì)程度度、風化特征征、軟弱夾層層和接觸帶以以及物理力學學性質(zhì)等。○地質(zhì)構造是工程地質(zhì)工工作研究的基基本對象，包包括褶皺、斷斷層、節(jié)理構構造的分布和和特征。地質(zhì)質(zhì)構造，特別別是形成時代代新、規(guī)模大大的優(yōu)勢斷裂裂，對工程建設具有控制作用用，對建筑物物的安全穩(wěn)定定、沉降變形形等具有重要要意義?！鹚牡刭|(zhì)條件件這是重要的工工程地質(zhì)因素素，地下水是是降低巖土體體穩(wěn)定性的重重要因素，在在某些情況下下對建筑物的的某些部位(如基礎)發(fā)生侵蝕作用用，影響建筑筑物的安全。。研究內(nèi)容包括地下水的的成因、埋藏藏、分布、動動態(tài)和水質(zhì)等等?！鸬乇淼刭|(zhì)作用用與工程建設選址址區(qū)域的地形、氣候、、巖性、構造造、地下水和和地表水作用用密切相關，，主要包括滑滑坡、崩塌、、巖溶、泥石石流、風沙移移動、河流沖沖刷與沉積等等，對建筑物物穩(wěn)定性評價意義重大?！鸬匦蔚孛驳匦问侵傅乇肀砀叩推鸱鼱顮顩r、山坡陡陡緩程度、溝谷寬窄及形形態(tài)特征等，，地貌則說明明地形形成的的原因、過程程和時代。不同的地形地貌代表不同的地地質(zhì)特征，這些因素都直直接影響到建建筑選址和線位的選擇?！鹛烊唤ㄖ牧狭瞎こ讨谐Ｓ玫牡奶烊唤ㄖ牟牧现饕校海赫承酝亮?、、砂性土、砂砂卵礫石料、、碎石、塊石石石料等等，在大型土木木及水利工程程中，天然建建筑材料的開開采運輸條件件與質(zhì)和量的條件等直接關系到到場址選擇、、工程造價、、工期長短等等，因此，也也是工程地質(zhì)質(zhì)條件評價的的重要內(nèi)容，，有時甚至可可以成為選擇擇工程建筑物物類型的決定定性因素?！窆こ痰刭|(zhì)問題題工程地質(zhì)問題題是指已有的的工程地質(zhì)條條件在工程建設和運行期間會會產(chǎn)生一些新新的變化和發(fā)發(fā)展（再平衡過程程），導致影響建建筑物安全的地質(zhì)問問題，是特指與人類工程活活動有關的地地質(zhì)問題。它它會影響建筑物修修建的技術可可能性、經(jīng)濟濟合理性和安安全可靠性。。（可行性、、經(jīng)濟性、可可靠性）工程地質(zhì)條件件復雜多變，，不同類型的的工程對工程程地質(zhì)條件的的要求也不盡相同，所所以工程地質(zhì)質(zhì)問題是多種種多樣的。就就土木工程而而言，主要的的工程地質(zhì)問問題包括以下下四類：○地基穩(wěn)定性問問題。是工業(yè)業(yè)與民用建筑筑工程常遇到到的主要工程程地質(zhì)問題，，它包括強度度和變形兩個個方面。此外外巖溶、土洞洞等不良地質(zhì)質(zhì)作用和現(xiàn)象象都會影響地地基穩(wěn)定。鐵鐵路、公路等等工程建設則會遇到路基基的穩(wěn)定性問題。?！鹦逼路€(wěn)定性問問題。天然斜斜坡是長期地地表地質(zhì)作用用達到相對平平衡的產(chǎn)物，，而工程活動尤其其是道路工程程需要開挖和填筑人人工邊坡，這時，斜坡穩(wěn)定對防防止地質(zhì)災害害發(fā)生及保證證地基穩(wěn)定十十分重要。地地層巖性、地地質(zhì)構造特征征是影響其穩(wěn)穩(wěn)定性的物質(zhì)質(zhì)基礎，風化化作用、地應應力、地震、、地表水、地地下水等對斜斜坡軟弱結構構面的作用往往會破環(huán)斜坡穩(wěn)定定，地形地貌貌和氣候條件件是影響其穩(wěn)穩(wěn)定的重要因因素。○洞室圍巖穩(wěn)定定性問題。在在隧道開挖和和建設過程中中破壞了地下下巖體原始平平衡條件，就會出現(xiàn)一系列列不穩(wěn)定現(xiàn)象象，如圍巖塌方、突泥突水、涌水等等。一般在工程程建設規(guī)劃和和選址時都要要進行線位地質(zhì)穩(wěn)定性評價，，這是防止決策失誤和工程事故，保保證洞室圍巖巖穩(wěn)定所必需需要做的工作?！饏^(qū)域穩(wěn)定性問問題。在特定定地質(zhì)條件中中產(chǎn)生的、并并影響到廣大大區(qū)域的工程程地質(zhì)問題。。包括活地層層、地震、水水庫誘發(fā)地震震、地震砂土土液化和地面面沉降等對工工程穩(wěn)定性的的影響。對于于大型水利水電工程、地地下工程以及及建筑群密布布的城市地區(qū)區(qū)，區(qū)域穩(wěn)定定性問題應該該是需要首先先論證的問題題?！袼牡刭|(zhì)條件件水文地質(zhì)指自自然界中地下下水的各種變變化和運動的的現(xiàn)象。水文地質(zhì)學是是研究地下水水的科學。它它主要是研究究地下水的分分布和形成規(guī)規(guī)律，地下水水的物理性質(zhì)質(zhì)和化學成分分，地下水資資源及其合理理利用，地下下水對工程建建設和礦山開開采的不利影影響及其防治治等。從工程施工的的角度看，水水的存在是一一個極為不利利的因素，在在不同的地質(zhì)質(zhì)條件下對工工程的作用與與影響，會形形成不同的施施工技術問題題和施工安全全問題?！竦刭|(zhì)條件評價價○復雜地質(zhì)條件：①地質(zhì)災害發(fā)育育強烈；②地形與地貌類類型復雜；③地質(zhì)構造復雜雜、巖性巖相變化化大、巖土體工程地地質(zhì)性質(zhì)不良良；④工程地質(zhì)、水水文地質(zhì)條件件不良；⑤破壞地質(zhì)環(huán)境境的人類工程活動強烈烈?！鹬械鹊刭|(zhì)條件：①地質(zhì)災害發(fā)育育中等；②地形較簡單、地貌類型單一一；③地質(zhì)構造較復復雜、巖性巖相不穩(wěn)穩(wěn)定、巖土體工程地地質(zhì)性質(zhì)較差差；④工程地質(zhì)、水水文地質(zhì)條件件較差；⑤破壞地質(zhì)環(huán)境境的人類工程程活動較強烈烈?！鸷唵蔚刭|(zhì)條件：①地質(zhì)災害一般般不發(fā)育；②地形簡單、地貌類型單一一；③地質(zhì)構造簡單單、巖性單一、巖土體工程地地質(zhì)性質(zhì)良好好；④工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件件良好；⑤破壞地質(zhì)環(huán)境境的人類工程程活動一般不大。評價原則：以上每類五項條件中，只要有一條符合復復雜條件者，即劃為復雜地質(zhì)條件類型?！袼淼拦こ蹋旱氐刭|(zhì)難題與方方法體系隨著交通運輸輸、水利水電電、城市地鐵鐵和地下空間間開發(fā)利用，，隧道施工技技術也取得了了長足的進步步，隧道工程程的規(guī)模和數(shù)數(shù)量都有了較較大增長。目目前，中國是是世界上隧道道最多的國家家，是地質(zhì)最最復雜的國家家，也是今后后隧道發(fā)展最最快的國家。。隨著隧道應用用領域的不斷斷拓展，也帶帶來了新的地地質(zhì)難題:①超淺埋隧道的的結構穩(wěn)定與與地面限沉問問題；②極深埋隧道道的巖爆和高高應力下隧道道結構大變形形問題；③隧道穿過特特殊地質(zhì)地段段（如巖溶洞穴、、巖爆、瓦斯斯、膨脹性圍圍巖、凍結層層、第四季沉沉積砂土等地地段）時也往往會遇遇到許多復雜雜的工程地質(zhì)質(zhì)問題，給工工程帶來很大大的困難?！鹁退淼拦こ潭?，若對地質(zhì)條條件有足夠深深度的了解，，對可能發(fā)生生的地質(zhì)災害害能夠適時預預報，通過動動態(tài)設計與合合理的施工技技術措施，對對隧道施工安安全風險是可可以進行有效效控制的?！鹁偷刭|(zhì)工程而而言，對于地質(zhì)條條件的預測及及地質(zhì)災害的的預報問題一一直困擾著工工程建設者，，往往成為大大型工程項目目的重難點問問題。地質(zhì)災害常常常導致隧道建建設嚴重受挫挫。即使工程程規(guī)模較小，，若地質(zhì)條件件差，施工技技術措施不當當，也會變成成相當困難的的工程。地質(zhì)條件具有有復雜性、特特殊性和不確確定性，由于于勘察手段的的局限性，使使得勘察成果果往往不能滿滿足施工方案案對地質(zhì)條件件的需求。為為了避免在工工程施工過程程中由于地質(zhì)質(zhì)條件突變而而形成地質(zhì)災災害，將超前前地質(zhì)預報工工作納入工序序進行管理十十分必要。○就施工技術措措施而言，技術方案、、工序管理與與工藝控制是是技術管理的的三大基本問問題。技術方方案不合理，，工藝控制不不到位，工序序管理不正確確往往直接導導致重大安全全風險甚至造造成項目失敗敗。大量失敗案例例分析證實，，現(xiàn)場管理者者觀念陳舊、、理念錯誤固固然是主要原原因，但在方方案實施中對對關鍵工序、、工藝某些重重要環(huán)節(jié)與細細節(jié)的控制失失誤往往是重重要因素。從理念到實踐踐，從超前地地質(zhì)預報到方方案設計，從從工藝控制到到工序管理，，從監(jiān)控量測測到動態(tài)反饋饋設計與信息息化施工等，，這些都是比比較成熟的隧隧道工程施工工安全風險控控制技術，這些理論與與方法，共同同構成了隧道施工技術術的一個方法法體系。接下我想就就以上問題與與各位同行進進行探討，不不當之處請批批評指正。第一部分隧隧道工程洞室室支護、結構構設計和工法法選擇的基礎礎理論第一章圍圍巖壓力力（巖壓）一、圍巖壓力力的定義與內(nèi)內(nèi)涵周圍巖體作用用于隧道或地地下洞室襯砌砌或支護上的的荷載，也稱稱地層壓力。。圍巖壓力是開開挖隧道后圍巖變形和應應力重新分布布的一種物理現(xiàn)現(xiàn)象。圍巖壓力是一一個可測量、、可感知的量量，人們可以以從開挖洞室室后圍巖變形形和坍塌，襯襯砌或支護產(chǎn)產(chǎn)生變形和開開裂等現(xiàn)象，，逐步認識到到圍巖壓力的的存在。影響圍巖壓力力的因素:洞室形狀或大大小、地質(zhì)構構造、支護型型式和剛度、、洞室埋深，，以及時間因因素和施工方方法等。一次應力(初始應力)狀態(tài):洞室開挖前，，巖體處在相相對靜止狀態(tài)態(tài)，其中任何何一點的巖土土都受到周圍圍地層的擠壓壓而處于應力力平衡狀態(tài)。。二次應力狀態(tài)態(tài):洞室開挖以后后，解除了部部分圍巖的約約束，原始的的應力平衡和和穩(wěn)定狀態(tài)被被破壞，圍巖巖中出現(xiàn)了應應力的重分布布，圍巖向洞洞室內(nèi)部空間間變形，并力力圖達到新的的平衡。二、隧道開挖挖后圍巖應力力狀態(tài)的三個個區(qū)域1、應力降低區(qū)區(qū)在軟弱圍巖中中，巖體的強強度很小，不不能承受開挖挖后急劇增大大的洞室周邊邊應力而產(chǎn)生生塑性變形，，沿坑道周邊邊圍巖應力松松弛而形成一一個應力降低低了的區(qū)域，，高應力向圍圍巖深部轉移移。擾動了的的巖體向坑道道內(nèi)變形，如如果變形超過過一定數(shù)值就就會出現(xiàn)圍巖巖失穩(wěn)和坍塌塌。在堅硬的完整整圍巖中，由由于巖體強度度大，坑道周周邊不會現(xiàn)開開裂和坍塌，，故無應力降降低區(qū)，這種種洞室往往是是自穩(wěn)的。2、應力升高區(qū)區(qū)圍巖深部應力力升高的區(qū)域域，但其強度度尚未被破壞壞，相當于一一個承載環(huán)。?？拥郎戏叫涡纬沙休d拱，，承受上覆地地層的自重，，并將荷載向向兩側地層傳傳遞。此即圍巖的成拱作作用。3、初始應力區(qū)區(qū)遠離坑道周邊邊的區(qū)域，由由于巖體受洞洞室開挖的影影響較小，應應力狀態(tài)沒有有發(fā)生變化，，仍處于初始始應力狀態(tài)，，也稱為一次次應力狀態(tài)。。三、圍巖壓力力的分類1、松動壓力松動或塌落的的巖體以重力力形式直接作作用在支護上上的壓力。巖巖體可以由于于節(jié)理裂隙或或巖石強度破破壞而引起松松動，直至坑坑道的頂部和和側部產(chǎn)生坍坍落。2、形變壓力是指圍巖變形形受到支護約約束而產(chǎn)生的的壓力。形變壓力除與與圍巖應力有有關外，還與支護時間及及其剛度有關關。柔性支護可可產(chǎn)生一定位位移而使形變變壓力減小，，這是一個值得得推崇的設計計方向。但初期支護護必須足夠強強，否則須及及時施做襯砌砌，以避免圍圍巖位移過大大而形成松動壓力，不利于結構構受力和穩(wěn)定定。松動壓力和形形變壓力經(jīng)常常同時存在。。但以地質(zhì)條條件、支護類類型和施工方方法等不同而而以某一種形形式為主。在松散地層中中，若采用現(xiàn)現(xiàn)澆混凝土襯襯砌而回填不不密實時，通通常以松動壓壓力為主；若若及時施作柔柔性的噴錨支支護，則就會會以形變壓力力為主。形變變壓力常隨時時間推移而逐逐漸加大，最最終才趨于平平衡而穩(wěn)定。?！衽蛎泬毫Γ海盒巫儔毫Φ牡囊环N。在膨膨脹地層中，，由水和化學學作用引起巖巖土體積膨脹脹產(chǎn)生的壓力力?！駧r爆沖擊力力：屬松動壓壓力范疇。在在脆性巖層中中，因洞室開開挖使圍巖壓壓力突然釋放放，從而引起起巖爆。四、圍巖壓力力的現(xiàn)行理論論1、巖土柱理論論坑道開挖以后后，由于支護護或拱圈向坑坑道內(nèi)部位移移，引起其頂頂部上覆巖土土柱的下沉，，兩側地層對對柱體產(chǎn)生與與下沉反向的的摩擦力，故故上覆巖層重量量減去巖土柱柱兩側的摩擦擦力即為圍巖壓力?！耔F路行業(yè)的的方法：拱頂土柱的下下沉，將帶動動兩側三棱體體下滑，由三三角楔體的平平衡條件求出出與土柱間的的摩阻力，土柱重量減去去此摩阻力即為土體豎直直壓力。該理理論多用于淺淺埋隧道，但但也可推廣用用于深埋隧道道。當隧道埋埋置極淺或遇遇軟土層時，，土柱兩邊的的摩阻力接近近于零，故圍圍巖壓力直接接為土柱全重重。2、壓力拱理論論對埋置較深的的隧道，頂部部巖體失去穩(wěn)穩(wěn)定，產(chǎn)生坍坍塌而形成不延向地表的局部破裂區(qū)區(qū)。該區(qū)內(nèi)的的巖體自重即即洞室支護上上的荷載。破破裂區(qū)上部邊邊界線有拋物物線、橢圓、、半圓和三角角形等不同假假定，如科默雷爾巖體體破碎理論等。50年代初期，曾曾廣泛采用普普氏地壓理論論，假定巖體體為松散體，，其壓力拱承承受上覆土柱柱的全部均布布重量，根據(jù)據(jù)散粒材料不不能承受拉應應力，即彎矩矩為零的條件件，得到拱形形為拋物線，，其矢高：h＝b/f(b為壓力拱跨度度之半，f為巖層堅固系系數(shù))。塌落拱巖體體重量即為豎豎直地層壓力力。3、彈塑性理論論利用彈塑性理理論可求出沿沿洞室周邊地地層內(nèi)產(chǎn)生塑塑性區(qū)的范圍圍。設置襯砌砌后，利用地地下結構與地地層的位移協(xié)協(xié)調(diào)條件，可可求得塑性區(qū)區(qū)半徑和圍巖巖壓力值。4、極限平衡理理論巖體內(nèi)有各種種各樣的結構構面。開挖坑坑道后，洞周周的圍巖出現(xiàn)現(xiàn)與整個巖體體相脫離的巖巖塊。它的自自重對襯砌產(chǎn)產(chǎn)生壓力。故故用地質(zhì)分析析法時，需先先查明斷層、、節(jié)理和軟弱弱夾層的分布布情況及其組組合。當分離離體由數(shù)組平平行節(jié)理面組組成時，可用用裂隙巖石的的極限平衡理理論計算；當當節(jié)理呈隨機機分布時，可可用塊體力學學理論計算。。5、數(shù)值解法除簡單邊界條條件的圓形洞洞室有較嚴格格的解析解以以外，對其他他斷面形狀的的洞室可采用用有限元法或或其他數(shù)值方方法計算彈性性、彈塑性或或粘彈與粘（（彈）塑性的的圍巖壓力值值。如已給出垂直直壓力，則側側向壓力可視視具體情況采采用主動、靜靜止和被動抗抗力等理論進進行計算。如如底部地層較較差而承載力力不好，處于于極限狀態(tài)，，產(chǎn)生塑流，，巖土將向洞洞室底部隆起起；或遇膨脹脹地層時，均均需要考慮底底部圍巖的隆隆起壓力。五、理論局限限與解決方法法●由于地層初初始壓力和巖巖土參數(shù)不易易準確測定，，上述各種地地壓理論，實實際應用時會會受到一定限限制，因此，，目前還較多多地采用工程類比法。?！耖L期以來，，人們都想通通過量測作用用在隧道上的的圍巖壓力及及圍巖和襯砌砌的變形，得得出可靠的圍圍巖壓力分布布規(guī)律和數(shù)據(jù)據(jù)。如以洞徑徑位移量測為為主的收斂——約束法，強調(diào)調(diào)在施工期間間進行量測，，并反饋信息息指導設計，，稱為現(xiàn)場監(jiān)控法。?！褚揽繉崪y來求求得圍巖壓力力值是當前的的發(fā)展方向。。圍巖性質(zhì)千變變?nèi)f化，支護護形式多種多多樣，施工方方法各不相同同，故應綜合合經(jīng)經(jīng)驗驗、、理理論論和和實實測測的的成成果果，針針對對不不同同情情況況，，采采用用不不同同的的理理論論和和方方法法。。第二二章章巖巖體體力力學學理理論論1、關關于于巖巖體體力力學學巖體體力力學學是是力力學學的的一一個個分分支支學學科科，，它它是是研研究究巖巖體體在在各各種種力力場場作作用用下下變變形形與與破破壞壞規(guī)規(guī)律律的的理理論論及及其其實實際際應應用用的的科科學學，，屬屬于于應用用型型基基礎礎學學科科。。是力力學學、、地地質(zhì)質(zhì)學學與與工工程程學學之之間間的的一一門門邊邊緣緣學學科科。。巖體體力力學學主主要要研研究究經(jīng)經(jīng)過過變變形形和和破破壞壞的的巖體體在在地地應應力力條條件件改改變變時時產(chǎn)生生再變變形形和和再再破破壞壞的力力學學規(guī)規(guī)律律的的學學科科。。其其研研究究目目的的是是運運用用巖巖體體的的力力學學規(guī)規(guī)律律合合理理地地利利用用巖巖體體，，預預測測、、預預報報巖巖體體工工程程中中出出現(xiàn)現(xiàn)或或可可能能出出現(xiàn)現(xiàn)的的災災害害，，并并擬擬定定防防治治措措施施。。2、巖巖體體力力學學研研究究的的基基本本問問題題巖體體結結構構，，特特別別是是結結構構面面的的地地質(zhì)質(zhì)規(guī)規(guī)律律；；巖巖體體中中應應力力，，包包括括地地應應力力及及工工程程建建設設引引起起的的二次次應應力力；巖巖體體變變形形規(guī)規(guī)律律；；巖巖體體破破壞壞機機制制及及強強度度理理論論；；巖巖體體水水力力學學理理論論。。3、巖巖體體力力學學研研究究的的主主要要工工程程問問題題巖體體上上各各種種工工程程地地基基的的變變形形、、破破壞壞；；巖巖體體邊邊坡坡的的變變形形、、破破壞壞；；地地下下工工程程的的圍圍巖巖變變形形、、破破壞壞、、開開挖挖和和支支護護；；巖巖體體改改造造方方案案及及技技術術。。第三三章章新新奧奧法法原原理理新奧奧法法屬屬于于應用用巖巖體體力力學學的的理理論論，通通過過對對隧隧道道圍圍巖巖變變形形的的量量測測、、監(jiān)監(jiān)控控，，采采用用新新型型的的支支護護結結構構，，盡盡量量利利用用圍圍巖巖自自承承能能力力指指導導隧隧道道設設計計和和施施工工的的方方法法。?！裥滦聤W奧法法的的三三大大要要素素：：噴混混凝凝土土、、錨錨桿桿與與量量測測。。在開開挖挖面面附附近近適時時施作作密密貼貼于于圍圍巖巖的的薄薄層層柔柔性性噴噴錨錨支支護護，，以以便便控控制制圍圍巖巖的的變變形形和和應應力力釋釋放放，，從從而而在在支護護和和圍圍巖巖的的共共同同變變形形過程程中中，，調(diào)調(diào)整整圍圍巖巖應應力力重重分分布布而而達達到到新新的的平平衡衡，，以以求求最最大大限限度度地地保保持持圍圍巖巖的的固固有有強強度度和和利利用用其其自自承承能能力力。。新奧奧法法是是一一個個具具體體應應用用巖巖體體動動態(tài)態(tài)性性質(zhì)質(zhì)的的完完整整力力學學方方法法，，其目目的的在在于于促促使使圍圍巖巖能能夠夠形形成成環(huán)環(huán)狀狀承承載載結結構構，，故故一一般般應應及時時修修筑筑仰仰拱拱，，使使斷斷面面閉閉合合成成環(huán)環(huán)。它適適用用于于各各種種不不同同的的地地質(zhì)質(zhì)條條件件，，在在軟軟弱弱圍圍巖巖中中更更為為有有效效。。一、、支支護護機機理理著眼眼于于洞洞室室開開挖挖后后形形成成塑塑性性區(qū)區(qū)的的二二次次應應力力重重分分布布，，而而不不拘拘泥泥于于傳傳統(tǒng)統(tǒng)的的荷荷載載觀觀念念；；它它主主要要不不是是建建立立在在對對于于坍坍落落拱拱的的“支撐撐概概念念”上，，而而是是建建立立在在對對圍圍巖巖的的“加固固概概念念”上。。在合合理理的的臨臨界界限限度度內(nèi)內(nèi)，，它它所所需需要要的的表表面面支支護護抗抗力力Pi是與與圍圍巖巖塑塑性性區(qū)區(qū)半半徑徑R、洞洞室室周周邊邊位位移移ur、以以及及圍圍巖巖的的內(nèi)內(nèi)聚聚力力с、內(nèi)內(nèi)摩摩擦擦角角φ等參參數(shù)數(shù)成成反反比比，，而而支支護護能能提提供供的的抗力力則則與與其其剛剛度度成成正正比比。。圖1：隧隧道道圍圍巖巖應應力力再再分分布布和和支支護護抗抗力力之之間間的的關關系系示意意圖圍巖巖特特征征曲曲線線1————若不不允允許許圍圍巖巖壁壁面面位位移移發(fā)發(fā)展展，，洞洞壁壁徑徑向向壓壓應應力力非非常常大大；；而而若若允允許許位位移移發(fā)發(fā)展展，，則則徑徑向向壓壓應應力力減減小小，，當當位位移移達達到到某某一一數(shù)數(shù)值值時時，，圍圍巖巖徑徑向向壓壓應應力力，，也也就就是是支支護護抗抗力力，，為為最最小小(Pi)。如如果果接接近近開開挖挖面面修修筑筑支支護護，，則則位位移移ur較小小。。支護護特特性性曲曲線線2————隨著著ur的增增加加，，Pi也增增加加，，并并在在與與曲曲線線1的交交點點處處取取得得應應力力穩(wěn)穩(wěn)定定，，此此時時的的徑徑向向壓壓應應力力為為P（Ⅰ，1）。。如如果果修修筑筑剛剛性性更更大大的的支支護護，，如如曲曲線線3所示示，，徑徑向向壓壓應應力力增增大大如如圖圖中中的的P(ⅡⅡ，2)。新奧奧法法就就是是根根據(jù)據(jù)上上述述理理由由，，接接近近開開挖挖面面適時時施作作密密貼貼圍圍巖巖的的薄薄層層柔柔性性支支護護的的。。如如果果施施作作支支護護時時間間過過遲遲，，則則使使圍圍巖巖位位移移過過大大而而產(chǎn)產(chǎn)生生塌塌落落荷荷載載。。如如圖圖中中陰陰影影部部分分，，也也使使徑徑向向壓壓應應力力P(ⅢⅢ，3)增大大，，如如曲曲線線4所示示。。曲線線5表示示，，由由于于圍圍巖巖應應力力重重分分布布和和襯襯砌砌之之間間相相互互作作用用而而存存在在的的四四個個顯顯著著的的特特征征階階段段。。第Ⅰ階段段：：圍巖巖不不受受支支護護的的約約束束而而能能夠夠向向洞洞室室內(nèi)內(nèi)自自由由位位移移的的時時期期。。第Ⅱ階段段：：施作作一一次次支支護護，，由由于于支支護護抗抗力力而而使使變變形形速速度度減減小小，，并并且且這這個個抗抗力力還還和和支支護護的的剛剛度度有有關關。。第Ⅲ階段段：：由于于施施作作了了仰仰拱拱，，支支護護剛剛度度變變大大而而使使變變形形速速度度越越來來越越小小。。第Ⅳ階段段：：當仰仰拱拱完完全全受受力力時時，，變變形形基基本本停停止止。。二、、新新奧奧法法的的基基本本要要點點1、最最大大限限度度地地發(fā)發(fā)揮揮圍圍巖巖的的自自承承能能力力。。洞室室開開挖挖后后，，應應使使圍圍巖巖自自身身承承擔擔主主要要的的支支護護作作用用，，而而襯襯砌砌只只是是對對圍圍巖巖進進行行加加固固，，使使成成為為一一個個整整體體而而共共同同發(fā)發(fā)生生作作用用。。因因此此，，須須最最大大限限度度地地保保持持圍圍巖巖的的固固有有強強度度，，以以發(fā)發(fā)揮揮圍圍巖巖的的自自承承能能力力。。方法法：：及時時噴噴混混凝凝土土封封閉閉巖巖壁壁，，就能能有有效效地地防防止止圍圍巖巖松松弛弛，，而而不不使使其其強強度度大大幅幅度度降降低低，，同同時時也也不不存存在在因因頂頂替替支支撐撐而而使使圍圍巖巖變變形形松松弛弛。。總總之之，，使使圍圍巖巖經(jīng)經(jīng)常常處處于于三軸軸應應力力約約束束狀狀態(tài)態(tài)最為理想。。2、適時施做初期支支護。預計圍巖有有較大變形形和松弛時時，應在恰當?shù)臅r候候對開挖面施施做柔性支支護，過早或過遲遲均不利。。方法：支護護剛度不能能太大或太太小，又必必須是能與與圍巖密貼貼，而要做做成薄層柔柔性，允許許有一定變變形，以使使圍巖釋放放應力時起起卸載作用用，盡量不不使其有彎彎矩破壞的的可能。與傳統(tǒng)支護護結構不同同，它不是是因受彎矩而是受壓剪作用破壞的的。由于混混凝土的抗抗壓和抗剪剪強度比抗抗拉和抗彎彎強度大得得多，從而而具有更高高的承載能能力。一次支護的的位移收斂斂后，可在在其光滑的的表面上敷敷設高質(zhì)量量的防水層層，并修筑筑為提高安安全度的二二次支護。。前后兩次次支護與圍圍巖之間都都只有徑向力力作用。3、當支護抗抗力不足時時，應優(yōu)先先考慮初期期支護補強強。對于支護需需要加強的的區(qū)段，不是增大混混凝土的厚厚度，而是是增加鋼筋筋網(wǎng)、鋼支支撐和錨桿桿，使隧道全全長范圍內(nèi)內(nèi)采用大致致相同的開開挖斷面。。此外，因為為新奧法不不在坑道內(nèi)內(nèi)架設桿件件支撐，空空間寬敞，，從而提高高了安全性性和作業(yè)效效率。4、監(jiān)控量測測是新奧法法的基礎。。為正確掌握握和評價圍圍巖與支護護的時間特特性，可在在現(xiàn)場進行行量測。量量測內(nèi)容為為襯砌內(nèi)應力力、圍巖與與襯砌間的的接觸應力力以及圍巖巖的變位，，據(jù)以確定圍圍巖的穩(wěn)定定時間、變變形速度和和圍巖分類類等重要參參數(shù)，以適適應地質(zhì)變變化及時調(diào)調(diào)整設計參參數(shù)和變更更施工方法法。監(jiān)控量測是是信息化施施工的基本本手段，量量測的重點點是圍巖和和支護的力力學特征隨隨時間的變變化動態(tài)。。襯砌的做法法和施作時時間都是依依據(jù)圍巖變變位量測結結果決定的的。5、無角隅閉閉合結構受受力條件最最好。隧道支護在在力學上可可看作厚壁壁圓筒。它它是由圍巖支承環(huán)環(huán)和支護環(huán)環(huán)組成的結構構，且兩者者存在共同同作用。結結構只有在在閉合后才才能在力學學上起結構構作用，所所以除堅硬硬巖層外，，敷設仰拱使使支護結構構閉合是特特別重要的的措施。圍巖的動態(tài)態(tài)主要取決決于支護環(huán)環(huán)的閉合時時間。當上半斷斷面超前掘掘進過多時時，就相應應地推遲了了它的閉合合時間，在在隧道縱向向形成懸臂臂梁的狀態(tài)態(tài)而產(chǎn)生大大彎曲的不不良影響。。同樣道理，，為防止應力集中引引起圍巖破破壞，斷面應盡盡量做成無無角隅，最最好采用圓圓形斷面。。6、難以把握握的時間效效應，難以以接受的嚴嚴重后果。。時間效應是是工法選擇擇的主要依依據(jù)，對圍巖自自穩(wěn)時間的的判斷十分分關鍵，因因為支護作作業(yè)的工序序時間必須須足夠?？伎紤]掘進循循環(huán)周期、、仰拱閉合合時間、拱拱部導坑的的長度以及及支護強度度等變化因因素，把圍圍巖和支護護作為一個個整體來謀謀求穩(wěn)定。。從應力重分分布角度去去考慮，全全斷面一次次開挖肯定定是最有利利的；分部部開挖會使使應力反復復分布而造造成圍巖受受損。這些些因素都需需要去綜合合平衡。7、巖層內(nèi)的的滲透水壓壓力，必須須采取排水水措施來降降低。思想方法與與技術理念念●新奧法的的支護結構構至今仍處處于經(jīng)驗設設計階段，，一般都采采取工程類類比法進行行預設計，，然后再根根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)監(jiān)控量測進進行動態(tài)修修正，這本本質(zhì)上就是是“變化與選選擇”的思想方法法?！瘛凹皶r支支護”與““適時支護護”是兩個個完全不同同的概念，，而“適時支護”更能符合合新奧法提倡的支護護方式。很很顯然，““及時”無需技術術思維，而而“適時”則需要經(jīng)經(jīng)驗判斷。?！駨膰鷰r與與支護特性性曲線可知知，圍巖應應力與支護護抗力都是是一個對時間高度度敏感的函數(shù)，安安全的本質(zhì)質(zhì)是二者始始終處理一一種穩(wěn)定平平衡狀態(tài)，，平衡點的的選擇具有有“過程本質(zhì)質(zhì)”。三、新奧法法的施工和和量測新奧法的施施工作業(yè)必必須根據(jù)事事前的調(diào)查查決定下列列四個問題題：●開挖方法法；●支護布置置及進行支支護的最適適宜時機；；●是否設置置仰拱及設設置的時間間和方法；；●是否采用用輔助施工工方法及其其種類等。。采用新奧法法施工的絕絕大多數(shù)工工程均采用用各種斷面分割法法（臺階法））進行開挖挖，其次是是采用全斷斷面法。新新奧法要求求保證光面面爆破的質(zhì)質(zhì)量，避免免凹凸不平平而引起應應力集中和和減少超挖挖，從而節(jié)節(jié)約為填平平表面所需需的大量混混凝土?！裥聤W法的量量測十分重重要在制定現(xiàn)場場量測計劃劃時，要根根據(jù)隧道及及地下工程程的規(guī)模、、地質(zhì)資料料、各量測測項目的作作用，考慮慮工點所需需解決的問問題針對性性地制定量量測計劃，，選擇合理理的量測項項目和方法法。同時，，還必須考考慮采用切切實可靠的的手段和儀儀器，保證證量測工作作準確安全全，并且盡盡可能不妨妨礙施工。。在應力應變變、接觸應應力、位移移等三大類類量測項目目中，新奧奧法應以位移的的量測為主主。四、新奧法法的適用性性實踐證明，，新奧法的的適用性很很廣，我國國已在亞粘粘土和黃土土隧道施工工中取得成成功。但在在下列情況況下，一般般都應采取取適當?shù)妮o助措施才能施工：：1、涌水量大大的地層；；2、因涌水產(chǎn)產(chǎn)生流沙現(xiàn)現(xiàn)象的地層層；3、圍巖破碎碎使錨桿鉆鉆孔和插入入都極為困困難的場合合；4、開挖面不不能自穩(wěn)的的圍巖。第四章隧隧道道圍巖變形形與支護的的機理分析析隧道開挖前前是處于三三維應力狀狀態(tài)的，隧隧道開挖后后形成了新新的空間，，出現(xiàn)了臨臨空面，圍圍巖向洞內(nèi)內(nèi)移動，應應力進行重重新調(diào)整，，從而形成成了二次應力。●如果圍巖的強度度高于二次次應力，則圍巖是是穩(wěn)定的；；●如果圍巖的強度度低于二次次應力，則必須進進行支護，，以保證圍圍巖的穩(wěn)定定。對于第二種種情況，如如果不對圍圍巖進行適適時支護，，圍巖就會會發(fā)生破壞壞。圍巖的破壞壞是從圍巖巖表面開始始的，逐漸漸向深部開開展，依次次形成塑性軟化區(qū)區(qū)、塑性強強化區(qū)和彈彈性區(qū)。塑性強化化區(qū)和彈性性區(qū)是圍巖巖承載的主主體，塑性軟化區(qū)區(qū)是我們要要支護的對對象。通過對軟化化區(qū)進行支支護，一方方面可以提提高其強度度，有利于于其自身的的穩(wěn)定，另另一方面軟軟化區(qū)圍巖巖再對塑性性強化區(qū)的的圍巖實施施作用，增增大了強化化區(qū)巖壓，，使強化區(qū)區(qū)圍巖的承承載力得到到提高。所所以通過支護護或加固固軟化區(qū)區(qū)圍巖，，可以提提高強化化區(qū)圍巖巖的強度度，圍巖的的自承能能力得以以充分發(fā)發(fā)揮，實實現(xiàn)深部部圍巖的的穩(wěn)定，，并使其其成為主主要承載載區(qū)。除了對軟軟化區(qū)圍圍巖的加加固措施施外，在在礦山法法施工隧隧道時一一般采用用光面爆爆破進行行開挖，，目的是是減輕爆爆破對圍圍巖的震震動，盡盡可能保保持其原原始狀態(tài)態(tài)。在穩(wěn)定性性差的圍圍巖中施施工隧道道時，常常采用預預支護方方法，使使破碎圍圍巖在隧隧道開挖挖前即得得到強化化。●淺部支護護、光面面爆破和和預支護護等措施都都是工程程施工中中常用的的技術手手段，其其目的都都是在施施工時盡盡可能“基本維持持圍巖原原始狀態(tài)態(tài)”，保持原原有強度度，從而而保證圍圍巖的穩(wěn)穩(wěn)定。第五章隧隧道圍圍巖的平平衡穩(wěn)定定性問題題●按照控制制論理解解：一般地說說，任何何一個力力學系統(tǒng)統(tǒng)、物理理系統(tǒng)以以及工程程技術中中的某些些系統(tǒng)都都有平衡衡穩(wěn)定性性問題。。●工程施工工安全的的本質(zhì)內(nèi)內(nèi)涵：從一種穩(wěn)穩(wěn)定平衡衡狀態(tài)（（施工前前）到另另一種穩(wěn)穩(wěn)定平衡衡狀態(tài)（（工程竣竣工），，過程有有n個工序，，如果每每一個工工序及工工序轉換換都能實實現(xiàn)穩(wěn)定定平衡，，則整個個工程施施工過程程就會是是安全的的。●簡例說明明穩(wěn)定平平衡問題題：當球體處處于圖2狀態(tài)時，，外力使使球體偏偏離原始始位置，，但球體體無法自自行恢復復到原始始狀態(tài)，，則球體體處于不不穩(wěn)定平平衡狀態(tài)態(tài)；當球球體處于于圖3狀態(tài)時，，外力使使球體偏偏離原始始位置，，而球體體能自行行恢復到到原始狀狀態(tài)，則則球體處處于穩(wěn)定定平衡狀狀態(tài)。圖2.不穩(wěn)定平平衡圖3.穩(wěn)定平衡衡根據(jù)經(jīng)典典力學分分析，如如果任一一時刻作作用于結結構系統(tǒng)統(tǒng)的力（（合力））都是相相互平衡衡的，穩(wěn)穩(wěn)定的平平衡結構構系統(tǒng)就就能夠實實現(xiàn)持久久的平衡衡。如使使用中的的橋梁、、隧道結結構等；；如果結結構平衡衡系統(tǒng)一一旦喪失失其穩(wěn)定定性，其其平衡狀狀態(tài)就經(jīng)經(jīng)不起外外力干擾擾，可能能隨即發(fā)發(fā)生破壞壞。如橋橋梁、隧隧道結構構破壞；；所以不不穩(wěn)定平平衡系統(tǒng)統(tǒng)是不能能長期存存在的。。●安全風風險多發(fā)發(fā)生在施施工過程程中，尤尤其在工工序轉換換過程中中。在地地下工程程施工中中，不但要注注意結構構的受力力平衡，，還要注注意環(huán)境境的水土土平衡。?！駥τ谒硭淼拦こ坛蹋蓱獞闷胶夂飧拍钐幪幚碓O計計問題，，如果周周圍相關關環(huán)境處處于穩(wěn)定定平衡狀狀態(tài)，則則隧道工工程建設設就較容容易；如如果周圍圍相關環(huán)環(huán)境處于于不穩(wěn)定定平衡狀狀態(tài)，則則隧道工工程建設設就較難難甚至非非常難。。對于后者者，可采采用繞避不穩(wěn)穩(wěn)定平衡衡體或壓低延延長隧道道使之處處于穩(wěn)定定平衡狀狀態(tài)，否否則只能能采用工工程措施施使隧道道與周圍圍相關環(huán)環(huán)境共同同作用符符合力學學規(guī)律——即施工過過程中每步序或或使用過過程中每每時段，，隧道圍巖巖和支護護系統(tǒng)都都必須滿滿足三維維力學平平衡、變變形協(xié)調(diào)調(diào)與穩(wěn)定定。第六章隧隧道預預支護原原理一、理論論與理念念的統(tǒng)一一性各種隧道道設計理理論和工工法存在在內(nèi)在聯(lián)聯(lián)系和統(tǒng)統(tǒng)一性，，如圍巖巖與支護護系統(tǒng)共共同作用用理論是是許多工工法的共共同理論論基礎，，根據(jù)圍圍巖實際際情況進進行設計計與施工工的理念念對任何何施工設設計理論論、工法法都具有有指導意意義?！褚圆煌O計理理論為基基礎的各各種隧道道工法，，其核心心都是一一致的，，即隧道圍巖巖與支護護共同作作用要達達到足夠夠強大，，形成穩(wěn)穩(wěn)定平衡衡體系，實現(xiàn)“基本維持持圍巖原原始狀態(tài)態(tài)”，從而達達到“充分發(fā)揮揮圍巖的的自承能能力”的目的。。圖4各種隧道道設計理理論和工工法比較較二、“圍圍巖—支護”體體系預支護原原理是以以現(xiàn)有設設計理論論為基礎礎并結合合各種工工法的優(yōu)優(yōu)點，闡闡述了隧隧道圍巖極限限自承力力Pmax、支護抗抗力T和圍巖原原始內(nèi)力力P0三者之間間的力學學關系，，真實反反映隧道道“圍巖－支支護”結構體系系在開挖挖與支護護（含預預支護））施作過過程中的的互動過過程和相相互作用用。預支護原原理解釋釋了各種種設計理理論及其其工法的的統(tǒng)一性性和適用用性問題題。建立立預支護護原理的的完整理理論體系系將有助助于解決決隧道設設計計算算方法的的合理選選用和施施工方案案的合理理制定。。1、力學模模型隧道開挖挖形成新新的臨空空面，導導致洞周周圍巖在在徑向產(chǎn)產(chǎn)生應力力釋放，，而遠離離隧道地地層的應應力狀態(tài)態(tài)并不發(fā)發(fā)生變化化。不失失一般性性，考慮慮均勻初初始地應應力場，，用P0表示初始始地應力力，如圖圖5所示。從從靜力學學的原理理可知，，P0由“圍巖－支支護”結構體系系的承載載力來平平衡。定義圍巖預支支護力F等于“圍巖－支支護”結構體系系的承載載力，即：F=T+Pmax(1)式中：F為預支護護力；T為支護抗抗力；Pmax為圍巖極極限自承承能力。。●認知力力學模型型：F=T+Pmax隧道預支護力力（F）不只是支支護結構構對圍巖巖的作用用力，它它是由圍巖結構構的極限限自承能能力（Pmax）和支護結結構直接接對圍巖巖提供的的支護抗力力（T）共同組組成的。。圍巖結構構的自承承能力可可以通過過預支護護措施和和通過采采取合理理開挖措措施得到到維持。。（關鍵詞：：共同與與相互）●當預支支護力大大于使圍圍巖發(fā)生生過大變變形或破破壞的力力時，隧隧道圍巖巖就處于于穩(wěn)定平平衡狀態(tài)態(tài)，稱之之為隧道的預預支護原原理。根據(jù)圍巖巖穩(wěn)定的的一般原原理，地地應力是是使圍巖巖發(fā)生變變形和破破壞的根根本動力力，使圍圍巖失穩(wěn)穩(wěn)的“力源”，因此，，隧道預預支護原原理可進進一步表表述為：：預支護力力F要始終保保持大于于隧道施施工前保保持原始始巖體穩(wěn)穩(wěn)定平衡衡的原始始內(nèi)力P0，使圍巖處處于穩(wěn)定定平衡狀狀態(tài)的條條件可以以表示為為：F>P0(2)●對于圍圍巖好的的隧道，，開挖后后圍巖發(fā)發(fā)生了變變形，極極限承載載能力下下降，經(jīng)經(jīng)過一段段時間后后圍巖內(nèi)內(nèi)部結構構調(diào)整完完畢，變變形收斂斂，圍巖巖極限承承載能力力雖然發(fā)發(fā)生了下下降但還還是大于于P0，預支護護力也大大于P0，即F>P0，圍巖處處于穩(wěn)定定平衡狀狀態(tài)。●對于圍圍巖差的的隧道，，開挖后后圍巖處處于加速速變形階階段，在在較短時時間內(nèi)圍圍巖極限限自承能能力就急急劇下降降并小于于P0，如果來來不及施施加支護護，預支支護力等等于極限限自承能能力，預預支護力力也小于于P0，即F<P0，短時間間內(nèi)圍巖巖垮塌。。這種情況況下，隧道開挖挖前就要要進行超超前支護護以提高高圍巖的的極限自自承能力力，開挖后圍圍巖雖然然沒有垮垮塌但仍仍處于不不平衡穩(wěn)穩(wěn)定狀態(tài)態(tài)，因此此初支要要及時跟跟上，提提高圍巖巖的預支支護力，，使F>P0，圍巖處處于穩(wěn)定定平衡狀狀態(tài)。●更具有有廣泛意意義的是是處于這這兩種極極端情況況之間的的圍巖，，隧道開開挖后圍圍巖變形形過程可可以分為為兩個階階段，一個是形形變壓力力階段，，另一個個是松弛弛壓力階階段。在形變壓壓力階段段，圍巖巖極限自自承能力力下降但但還是大大于P0，圍巖發(fā)揮的的自承力隨變變形增大而增增大，圍巖的的自承能力得得到了發(fā)揮，，所以隧道開開挖完成初期期，要允許圍圍巖發(fā)生一定定的變形，應應及時采用柔柔性支護，若若采用高剛度度的支護結構構限制圍巖變變形，支護結結構將承受較較大的載荷。。如果支護剛剛度過小或支支護時機過晚晚，圍巖變形發(fā)展展到松弛壓力力階段時，圍巖進入松弛弛狀態(tài)，其極極限自承能力力迅速下降并并小于P0，預支護力也也小于P0，即F<P0，圍巖垮塌。。2、初期支護合理理時機的選擇擇隧道開挖后允允許圍巖有一一定的變形，，再進行支護護，促使圍巖巖從非穩(wěn)定平平衡狀態(tài)向穩(wěn)穩(wěn)定平衡狀態(tài)態(tài)轉變。這樣樣既可以發(fā)揮揮圍巖的自承承能力，減小小支護剛度，，進而降低造造價?！翊_定“適時支護”是難點，通通常參考圍巖巖允許圍巖變變形量結合現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控量測測結果簡化處處理：可根據(jù)圍巖級級別、斷面大大小、埋置深深度、施工方方法和支護情情況等，采用用工程類比法法預測，當無無法預測時可可依據(jù)公路隧隧道設計規(guī)范范（JTGD70－2004）規(guī)定選用（（見表1），并根據(jù)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控量測測結果進行調(diào)調(diào)整。圍巖類別兩車道隧道三車道隧道圍巖類別兩車道隧道三車道隧道I－－IV50～8080～120II－10～50V80～120100～150III20～5050～80VI現(xiàn)場量測確定預留變形量（（mm）表1.注：圍巖破碎碎取大值，圍圍巖完整取小小值。3、隧道施工核核心理念正確理念是，，在施工過程程中要最大限限度地保護圍圍巖的自承能能力——要盡可能地防防止巖體松動動，防止產(chǎn)生生不利的應力力條件，盡最最大可能地保保持原始巖體體強度?！癫徽搰鷰r處處于何種情況況，預支護力力（F）都要足夠大大，才能使隧隧道“基本維持圍巖巖原始狀態(tài)”，從而達到隧隧道“充分發(fā)揮圍巖巖的自承能力力”的目的，這就就是隧道預支支護原理的核核心。也是確確保隧道施工工安全的核心心理念！4、理論應用●自承能力好好的完整圍巖巖建議：隧道開挖應允允許圍巖有一一定的變形，，這樣有利于于圍巖自承力力的發(fā)揮，從從而可以提供供較小的支護護力，達到節(jié)節(jié)約建設成本本的目的。方法：開挖采取全斷斷面光面爆破破，形成洞室室后視情況或或毛洞或只作作少量初噴砼砼，充分利用用圍巖的自承承能力來維持持洞室的穩(wěn)定定。●有一定自承承能力的圍巖巖初期圍巖的自自承能力大于于原始內(nèi)力P0，隧道開挖后后圍巖不會立立即松弛垮塌塌，巖壓還處于形形變壓力階段段，屬于非穩(wěn)定定平衡狀態(tài)。。隨著變形不不斷增大，圍圍巖內(nèi)部結構構和應力狀態(tài)態(tài)在不斷的調(diào)調(diào)整，圍巖的的自承能力呈呈下降趨勢而而承載力不斷斷增加，圍巖巖的自承能力力得到發(fā)揮。。建議：關鍵是“適時支護”，過早支護護不能充分發(fā)發(fā)揮圍巖的自自承能力，同同時需要的支支護抗力也比比較大；支護護過遲，巖壓壓由形變壓力力轉換為松弛弛壓力，圍巖巖發(fā)生松弛，，很容易引起起隧道坍塌。。方法：根據(jù)量測數(shù)據(jù)據(jù)確定支護參參數(shù)，選擇支支護時機。●自承能力差差的破碎圍巖巖或軟弱圍巖巖這種圍巖的自自承能力相對對較小，在洞洞室開挖后會會迅速下降。。圍巖形變壓力力迅速轉化為為松弛壓力，，很快進入松松弛狀態(tài)，即很快從非非穩(wěn)定平衡狀狀態(tài)向失穩(wěn)狀狀態(tài)轉化。建議：采取預支護或或超前支護，，從而提高圍圍巖的自承能能力。這樣雖雖然隧道開挖挖后圍巖仍處處于非穩(wěn)定平平衡狀態(tài)，但但其自承能力力有了較大提提高，不會瞬瞬時垮塌，為為進行初期支支護贏得了時時間。方法：即使采取了預預支護措施，，隧道開挖后后圍巖仍然處處于非穩(wěn)定平平衡狀態(tài)，對對初支順序非非常敏感，因因此，應采用剛性支支護，合理選選擇支護順序序，加強工序序管理?！衿扑閲鷰r或或軟弱圍巖，，應關注如下下理念：①設計遵循“初次支護要強強，承受部分分水壓和全部部土荷載，淺淺埋和海底隧隧道則承受全全部水荷載和和土荷載，二二次襯砌作為為安全儲備”。②當隧道開挖挖未采取預支支護措施而發(fā)發(fā)生較大松弛弛或冒落時，，說明圍巖較較差，必須采用預支支護技術，才才能確保支護護結構承受的的圍巖壓力是是形變壓力而而不是松弛壓壓力。③任何工序都都需要時間，，應同時考慮慮時空效應，，選擇既滿足足支護剛度要要求、又滿足足安全需要的的輔助工法，，這些因素都都會影響圍巖巖的變形，影影響圍巖壓力力的發(fā)展與分分布。三、特殊環(huán)境境隧道開挖問問題特別說明：預支護原理是是針對一般性性隧道工程問問題為基礎提提出的，用于解釋新奧法設計理論以及工法選擇的統(tǒng)一性和適適用性問題。。對于特殊地質(zhì)環(huán)境的隧道工程問題題，預支護原原理的應用需要適當當擴展。1、超深埋隧道道——錦屏二級水電電站引水洞由4條長約16.6km的引水隧洞，，開挖洞徑12m，襯砌后洞徑徑11m，一般段埋深深為1500～2000m，最大埋深達達2525m。問題：即使不考慮構構造應力影響響，對于埋深深達2525m的洞身，僅上上覆巖體自重重應力就達68MPa。如果按彈性性力學理論計計算，考慮隧洞開挖引起起2倍應力集中，洞壁圍巖的的最大應力就就達到136MPa。圍巖以大理理巖為主，抗抗壓強度僅為為80～120MPa。這樣，圍巖巖應力將超過過巖塊的抗壓壓強度，而巖巖體強度還遠遠低于巖塊的的強度。同時時，引水隧洞洞圍巖中還存存在超過1000m的外水壓力。。（計算方法需要要討論）結論：深埋長長大隧洞開挖挖引起圍巖較較大范圍的塑塑性破壞是在在所難免的，，針對超高的地地應力場環(huán)境境，允許圍巖巖產(chǎn)生一定范范圍的塑性破破壞是必然的的選擇。設計與施工控控制的基本要要求是：因勢利導，控控制塑性變形形區(qū)域的擴展展不出現(xiàn)有害害的后果，利利用圍巖塑性性變形降低圍圍巖應力的集集中程度，并并使應力集中中區(qū)向圍巖深深部轉移，有利于減小小支護結構的的受力水平。。（關鍵詞：有限塑性破壞壞）2、Ⅵ級圍巖——軟塑狀粘性土土及飽和粉細細砂層、軟土土處理方法：當隧道工程遇遇到這種巖層層時，由于巖巖體變形比較較大，支護應應采用先柔后剛的雙雙層初期支護護型式。如圖6所示，一層柔柔性支護使圍圍巖有一定的的變形，發(fā)揮揮圍巖的自承承力，使塑性性區(qū)得到一定定的發(fā)展，以以完成適度的的巖體應力釋釋放和卸壓作作用，但必須須保持巖體不不至失穩(wěn)。另另一層剛性支支護，來控制制變形，以免免變形過大。。這兩層支護護共同提供支支護抗力，來來保持圍巖的的穩(wěn)定。工序要求：一次柔性支護護（3～10m）做好后，隔隔適當距離（（5～20m）根據(jù)量測反反饋及時做好好剛性支護，，控制圍巖變變形，達到基基本維持圍巖巖原始狀態(tài)的的目的，如圖圖7。（關鍵詞：先柔后剛）圖6Ⅵ級圍巖襯砌情情況圖7Ⅵ級圍巖施工示示意圖四、預支護原原理的具體應應用1、Ⅰ～Ⅲ級硬質(zhì)完整圍圍巖問題：隧道開挖后圍圍巖的自承能能力大于原始始地應力，圍圍巖本身能夠夠自穩(wěn)。這時時圍巖的穩(wěn)定定性只需要考考慮局部掉塊塊或巖爆，即即由于洞周臨臨空，暴露在臨空面面上的某些結結構面強度較較低的塊體，，失去了原始始的靜力平衡衡狀態(tài)而成為為關鍵塊體。。措施：初期支護重點點考慮關鍵塊塊體的處理，，這時采用的的支護技術是是通過錨噴使使關鍵塊體成成為穩(wěn)定塊體體。2、Ⅰ～Ⅲ級硬巖及穩(wěn)定定性較好的Ⅳ級圍巖問題：在此種地質(zhì)條條件下開挖隧隧道，由于巖巖體被各種結結構面切割成成各種類型的的空間鑲體，，結構面強度成成為圍巖穩(wěn)定定性的關鍵因因素。隧道開挖后后，由于洞周周臨空，圍巖巖中的某些塊塊體在自重作作用下向洞內(nèi)內(nèi)滑移。措施：初期支護以錨噴支護為為主，起到穩(wěn)穩(wěn)定圍巖、控控制變形、防防止圍巖松弛弛和坍塌及產(chǎn)產(chǎn)生“松弛壓力”的作用。錨噴支護把把圍巖和支護護結構組成一一個統(tǒng)一的結結構體系，通通過加強圍巖巖而實現(xiàn)充分分利用圍巖自自身承載能力力的目標。3、Ⅱ、Ⅲ級硬巖及較好好的Ⅳ級圍巖問題：要使圍巖不發(fā)發(fā)生破壞，必必須限制其變變形的發(fā)展。。這就需要在在洞壁上施加加一定的支護護抗力，使圍圍巖從非穩(wěn)定定平衡狀態(tài)向向穩(wěn)定平衡狀狀態(tài)轉變。措施：采用柔性支護護，使F>P0，既允許圍巖巖有一定的變變形又給圍巖巖提供了一定定的支護抗力力。柔性支護護主要通過錨錨噴支護來實實現(xiàn)，根據(jù)實實際情況可采采用錨噴網(wǎng)、錨噴噴架、錨噴架架網(wǎng)等多種組合形形式。圖8圍巖位移支護護特性曲線新奧法：通過合理的支支護方法與適適當?shù)闹ёo時時機，使支護護特性曲線在在接近Pmin處與圍巖特性性曲線相交，，取得平衡，，以充分發(fā)揮揮圍巖的自承承能力。礦山法：施工采用傳統(tǒng)統(tǒng)支架法支護護，由于不能能提供連續(xù)的的支護抗力或或無法選擇適適當?shù)闹ёo時時機，導致不不能在接近Pmin處提供適宜的的支護抗力。。由（圖8）可以看出，，理想的錨噴噴支護設計就就是對應于D點的支護抗力力Pmin，這時維持圍圍巖的穩(wěn)定抗抗力最小。通通常支護設計計應有一定的的安全儲備，，支護特性曲曲線在C點處與圍巖特特征曲線相交交。圖9塊狀圍巖錨噴噴支護原理示示意圖（1）砂漿；（2）錨桿；（3）塊體潛在坍坍塌方向；1、2、3為潛在塊體坍坍落次序五、工法選擇擇的合理性問問題在隧道施工中中，每一種工工法都不是萬萬能的，都有有其各自的適適用條件，必必須根據(jù)圍巖巖類別及環(huán)境境條件選用不不同的工法。。即使是同一一級圍巖，由由于所處地質(zhì)質(zhì)環(huán)境不同，，巖體完整程程度也不會完完全相同，選選用工法也有有差別。無論論選用何種工工法，目標只只有一個，就就是要用最經(jīng)經(jīng)濟的手段維維持隧道圍巖巖的穩(wěn)定，確確保施工安全全。●工法法選擇擇的基基本原原則：：預支護護原理理的正正確運運用，，充分分發(fā)揮揮圍巖巖的自自承能能力和和基本本維持持圍巖巖的原原始狀狀態(tài)，，預防防和控控制特特殊地地質(zhì)隧隧道因因局部失失穩(wěn)引引發(fā)整整體失失穩(wěn)，，使隧隧道開開挖擾擾動最最小。。1、核心心理念念與系系統(tǒng)概概念核心理理念：：不論哪哪種情情況，，預支支護力力都要要足夠夠大，，才能能“基本維維持圍圍巖原原始狀狀態(tài)”。使使圍巖巖與支支護系系統(tǒng)共共同作作用形形成三三維應應力平平衡狀狀態(tài)，，從而而達到到“充分發(fā)發(fā)揮圍圍巖自自承能能力”的目目的。?！裢暾麌鷰r巖：圍圍巖的的承載載能力力可以以保持持洞室室的穩(wěn)穩(wěn)定。。對于這這類圍圍巖，，要允允許圍圍巖發(fā)發(fā)生一一定的的變形形，可可不進進行支支護或或僅提提供弱弱支護護即可可?！褚话惆銍鷰r巖：采采取適時支護措措施。。因為開開挖后后圍巖巖不會會立即即松弛弛垮塌塌，巖巖壓還還處于于形變變壓力力階段段，允允許圍圍巖發(fā)發(fā)生一一定的的變形形是必必要的的。但但應控控制變變形過過大，，防止止巖壓壓轉化化為松松弛壓壓力，