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隧道围岩情况描述篇一
随着我国铁路路网的完善，建设标准的提高，特别是高速铁路和客运专线的大量修建，隧道建设规模和技术水平也踏上了一个新的台阶;然而，软弱围岩隧道坍方、作业人员伤亡等事故却时有发生，隧道建设的安全现状无法与当前的形势相适应。从设计源头上解决当前软弱围岩隧道建设过程中存在的问题，是非常必要和及时的。
我国是世界铁路隧道大国。据统计，截止目前，我国铁路隧道通车运营长度已达到6000公里，在建隧道约6600公里，规划设计长度约7600公里，预计到2020年，我国铁路隧道总长将达2万公里左右，位居世界第一。
我院承担的任务主要集中在西南山区，地形、地质条件复杂，一方面，隧道多；另一方面，隧道通过软弱围岩地段长，如：全长462km的成兰线，隧道长度就达到322km，隧线比70%，ⅳ、ⅴ级围岩的比重75％，且多为千枚岩、板岩等软弱围岩地层。
这些都从客观上增大了隧道设计在安全方面的风险。半个多世纪来，我院在西南山区铁路隧道的建设中，既积累了一定的经验，也有不少教训和体会，根据会议安排，下面我就软弱围岩隧道工程设计方面做简要汇报，不妥之处，敬请领导批评指正。
一、软弱围岩主要工程地质特点
软弱围岩一般是指岩质软弱、承载力低、节理裂隙发育、结构破碎的围岩，工程地质特点有：(1)岩体破碎松散、粘结力差：一般为土层、岩体全风化层、挤压破碎带等构成的围岩，由于结构破碎松散，岩体间的粘结力差，开挖洞室后，仅靠颗粒间的摩擦效应和微弱胶结作用成拱，这类岩体极不稳定，尤其是在浅埋地段容易发生坍塌冒顶。
(2)围岩强度低、遇水易软化：一般以页岩、泥岩、片岩、炭质岩、千枚岩等为代表的软质岩地层，由于其强度低、稳定性差，开挖暴露后易风化、遇水易软化，尤其是深埋地段受高应力影响容易发生塑性变形，造成洞室内挤。
(3)岩体结构面软弱、易滑塌：主要是存在于受结构面切割影响严重的块状岩体中，由于结构面的粘结强度较低，开挖后周边岩体极易沿结构面产生松弛、滑移和坠落等变形破坏现象。
（二）、软弱围岩的变形与破坏特征
软弱围岩的工程地质性质决定了它在隧道工程中的变形特征，即开挖后自稳能力差，表现出“自稳时间短、易坍塌”的特征。
由于隧道的开挖，使先前支撑隧道洞身围岩被移走，洞壁临空；造成围岩应力进行重新调整，围岩与洞壁均向隧道净空方向变形。
这种变形由三部分组成：一是，隧道正前方掌子面的水平位移，表现为掌子面的水平鼓出;二是，掌子面前方围岩下沉，浅埋隧道表现为地表下沉，形成沉降槽;三是，刚开挖的隧道洞壁出现收敛变形，表现为拱顶下沉和边墙内移;
图
掌子面鼓出/地表沉降槽
图 拱顶下沉和边墙内移
若这种变形不进行控制，则可能发生隧道坍方。常见的隧道坍方类型可以归纳为两类：一是掌子面水平变形过大，发生掌子面挤出坍方；另一类是支护下沉过大，出现整体失稳坍方。
图 掌子面挤出坍方
图 整体失稳坍方
当隧道上部覆土较浅时，隧道内的变形可能发展到地表，引起地表变形开裂，甚至出现坍塌冒顶的情况。这种坍方对隧道工程的建设和环境的危害性极大。
整体失稳坍方工程实例
二、软弱围岩隧道潜在安全风险源
针对软弱围岩隧道的支护变形、塌方等风险，从地质角度进行分析总结，其潜在安全风险源主要有6种情况：（1）软弱围岩浅埋、偏压
软弱围岩浅埋地段，隧道施工时拱部一般难于成拱，在未采取足够措施前，软弱围岩浅埋隧道易发生局部塌方；软弱围岩偏压地段，隧道支护结构将承受显著的不对称荷载，施工期间易造成初期支护纵向开裂或错台，变形过大甚至塌方。
图 地形引起的偏压
图 地质引起的偏压（2）土质隧道
土质隧道强度低、自稳性差，与岩石隧道相比要承受更大的荷载，若初期支护强度不足，将导致变形大、严重时会出现局部坍塌等安全风险。
土质隧道塌方冒顶及洞内松散坍体
3）大埋深软岩隧道
在大埋深软岩地段，一般存在较高的地应力，由于软岩抗压强度低，开挖过程中洞壁岩体剥离，位移极为显著，变形持续时间长，隧底常出现隆起现象。
通过该段时，若支护不足，可能造成支护变形过度、侵限，甚至塌方等安全风险。
支护大变形严重侵入净空实例
（4）断层破碎带
由于断层上下两盘的相对运动，常使断层面附近岩石破碎成碎石和粉末状，形成断层破碎带，其岩体一般自稳性极差，且常伴有地下水，隧道通过断层破碎带时易发生塌方、掌子面突泥、突水等安全风险。
断层破碎带及塌方
（5）结构面发育的块状岩体地段
块状围岩的力学特性是岩石单体强度较高、承载力较高，但因结构面发育，受其切割制约，特别是在有地下水组合作用的条件下，岩体整体稳定性差，这类围岩隧道坍塌的特点是个别岩块失稳，造成较大范围岩块突然坍塌。
结构面发育
坍塌岩块（6）不同岩层接触带地段
由于不同岩层，岩性差异大，加之常伴有地下水，在接触面附近常发育有风化剥蚀面，岩体较为软弱、破碎，隧道通过时，在掌子面上方或前方，易发生塌方、涌泥等安全风险。
接触带塌方
三、软弱围岩隧道设计
（一）、软弱围岩隧道设计理论
在隧道工程的设计与施工中，除了了解软弱围岩隧道“自稳差、易坍塌”的工程特点，还必须清楚地认识到隧道不同于地面建筑物的3个主要特点：
（1）隧道是由围岩和多种支护结构两部分组成的，即：
隧道 = 围岩 + 支护
围岩与支护共同承担山体的压力。隧道工程的主要特点
（1）隧道承受的压力具有不确定性。
（2）支护体系是控制围岩变形的关键。
为有效控制隧道工程安全风险，避免或减少坍方事故发生，应以“充分调动围岩的承载能力，有效控制围岩变形和松弛”为设计理念，按新奥法原理进行软弱围岩隧道设计。
（二）、隧道支护设计
根据新奥法原理，软弱围岩隧道支护一般采用复合衬砌。复合衬砌由初期支护、二次衬砌两部分组成。隧道开挖后先实施喷射混凝土、锚杆、钢拱架等与围岩密贴的初期支护，约束围岩变形，并根据变形监控量测结果，适时施作二次衬砌。
图 复合衬砌图
1、初期支护设计
初期支护是由喷射混凝土、锚杆、钢架组成的联合支护体系，是复合衬砌隧道的主要承载结构。初期支护设计锚杆
锚杆作为初期支护的另一主要构件，设计施工中是必不可少的，特别是在软弱围岩中，其对围岩的加固作用十分明显。
1）软弱围岩中锚杆的作用
在软弱围岩中单凭喷射混凝土往往难以抵抗围岩的巨大形变压力，不能有效地保证支护的可靠性。在这种情况下，需要将喷射混凝土与锚杆联合使用，并把锚杆作为主要的支护措施。
软弱围岩中锚杆的主要作用是通过形成具有一定厚度的“加固圈”来“加固围岩”。“加固圈”承担外层围岩传来的荷载，使得最后传到喷射混凝土层的荷载大为减小。
锚杆对围岩的加固是通过锚杆周围的水泥砂浆与围岩的粘结力来实现的，因此需保证锚固可靠，且锚杆垫板必须与岩面紧贴。
2）软弱围岩锚杆设计与施工要点：
（1）锚杆的布置一般沿洞室周边径向均匀布置，必要时底部也要加锚杆；
（2）为保证加固带有一定厚度，锚杆的长度与间距之比一般为2:1；
（3）为防止锚杆间围岩坍落，还应配合网喷混凝土，喷层主要承担锚杆间的局部坍塌荷载；
（4）为达到设计目的，软弱围岩锚杆施工中要求做到：锚杆锚固可靠，全长粘结；要用垫板，且垫板要求与岩面紧贴。初期支护设计-钢架
钢架分型钢钢架与格栅钢架两种，一般应与锚杆、喷混凝土共同使用。
钢架断面图 格栅钢架 1）钢架的作用 钢架的作用有四点：
一是喷混凝土发挥作用前支撑围岩；
二是对喷射混凝土进行补强；
三是作为超前支护的支点；
四是与锚杆、喷射混凝土共同发挥初期支护的作用。2）钢架适用范围
钢架的最大特点是刚度大，架设后能够立即承载受力。因此，多用于软弱破碎或土质围岩中，需要控制围岩变形迅速发展的场合。如浅埋、偏压及土层隧道等。
钢架的设计与施工要点：
（1）一般采用工字钢，或“八字结”形联系钢筋的格栅钢架；
（2）钢架间距一般为0.6～1.0m。
（3）为增加钢架的整体性，每榀钢架间应设纵向连接构件；
（4）钢架拱脚及墙脚应有控制钢架位移和下沉的措施。为达到设计目的，钢架的施工要求做到：
（1）接头是整个钢架的薄弱环节，必须加强;
（2）钢架应直立安装，并用混凝土预制块与围岩顶紧；
（3）型钢钢架应预留注浆孔，及时对喷混凝土层后回填注浆，保证与围岩密贴；
（4）分部开挖钢架落底接长时，要注意防止失稳。
2、二次衬砌设计
软弱围岩中二次衬砌也是主要承载结构，二次衬砌与初期支护共同承担较大的后期围岩变形压力，应适时施作。
（1）二次衬砌的作用
软弱围岩隧道中，二次衬砌的主要作用：一是承载，二是安全储备，保障运营的安全。
（2）二次衬砌的设计与施工要点
二次衬砌原则上应适时施做。软弱围岩二次衬砌应带仰拱，与边墙应圆顺连接，减少应力集中。
为达到设计目的，软弱围岩二次衬砌施工要求做到：二次衬砌应先施工仰拱，分段整体浇注。二次衬砌背后空洞应回填密实。
四、软弱围岩变形控制技术
1、控制掌子面变形、坍塌的技术
掌子面过大的变形将导致坍塌事故的发生。这种事故占隧道坍方事故的比例最高，造成的人员、机械设备的损失最大，在设计施工中都应该引起高度重视。
控制掌子面变形、坍塌的技术掌子面锚杆
（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位移和掌子面位移，也是给大断面开挖创造条件，有利于控制先行和后期围岩、支护变形。
掌子面锚杆的长度一般都在10～20m 之间，宜优先采用易于切割的玻璃纤维锚杆。
图 掌子面锚杆
控制掌子面变形、坍塌的技术-掌子面喷混凝土封闭
（3）掌子面喷混凝土封闭
掌子面喷混凝土是现场使用较多的另一种维持掌子面稳定的支护措施。
图 掌子面混凝土封闭 控制掌子面变形、坍塌的技术
（4）掌子面预留核心土
掌子面预留核心土防止掌子面失稳、坍方是隧道中运用最广、最简单、最经济的技术措施之一。
核心土
2、控制落底开挖坍方技术
隧道上台阶开挖支护完成，下一道工序就是下台阶落底开挖。这道工序风险极大。落底时上半部支护基础悬空，失去支撑，很容易引起支护和围岩失稳、坍方。这种事故一旦发生，容易造成前方掌子面作业人员被困和伤亡。
落底开挖的关键技术是在开挖前给上半断面支护结构提供一个临时或永久的基础，控制支护拱脚的快速下沉。
常见的控制拱脚下沉技术有：（1）锁脚锚管技术
锁脚锚管当它作为承载结构时，主要是传递来自于上部初期支护的压力，因此，应尽量沿拱脚切线方向设置。若施作不到位，将降低锚管作用效果。
图
锁脚锚管
（2）临时仰拱技术
临时仰拱在台阶法开挖的软岩大断面隧道中经常使用，能让上台阶临时封闭成环，有效地控制上半段面支护的沉降，保证下台阶开挖的安全。
图 台阶法临时仰拱（3）扩大拱脚技术
扩大拱脚是通过展宽基础，减小地基压力的方法，实现控制支护沉降的又一种有效的技术手段。其关键是基础要有足够的宽度，设计宽度一般为0.8～1.0m。施作时，若拱脚宽度不够，将造成沉降过大，达不到设计要求。
图 扩大拱脚
3、工程实例
成功实施的超大断面软弱围岩隧道工程实例：六沾铁路乌蒙山二号隧道。隧道出口为四线车站隧道，全长610m，其最大开挖宽度达28.42m，最大开挖面积为354.30m2，为单跨交通隧道的世界之最。隧道洞身主要通过泥岩、页岩夹砂岩等地层。针对跨度超大、围岩软弱的特点，结构采用核心土、超前预支护、边墙设台的拱跨式结构，有效地控制了支护的变形。目前大跨开挖已基本完成，未出现坍塌问题。
图 六沾铁路乌蒙山二号隧道实例
五、体会与建议
1、遵循“选线四原则”，从设计源头降低软弱围岩隧道风险
隧道位置的选择在重视洞口地形、地质条件的同时，应充分考虑隧道洞身地质条件，隧道位置应尽量避免或减少通过软弱围岩地段。
在选线设计时，要遵循以下“选线四原则”：
（1）选择构造简单，地层单一，地下水不发育，岩体完整性较好的地段；
（2）尽量减少傍山、浅埋段，避免短隧道群。
（3）隧道洞身宜平行水平最大主应力方向，争取垂直岩层走向；（4）避开或远离断层破碎带，必须穿过时，宜大角度穿过；并应注意选择在断层、特别是活动断层的被动盘内通过。
2、充分贯彻“早进晚出”的原则，强化软弱围岩隧道进洞设计
洞口位置的选择充分考虑施工、运营安全和环保要求，遵循“早进晚出”的原则。有条件时应尽量接长明洞，不要为了缩短隧道的长度而偏压、拉槽进洞，使洞口处挖深过大，破坏山体坡面的稳定和植被，给施工和运营安全带来隐患。
进洞成功实例
进洞失败实例 软弱围岩隧道宜采用超前管棚进洞，并对洞口临时开挖坡面采取锚杆（索）、压浆、钢筋网、喷射混凝土等支护措施；同时，在开挖进洞之前，还应做好地表防排水系统，以确保隧道进洞安全。
3、高风险软弱围岩双线长隧道，宜采用双洞单线分修方案
高风险软弱围岩双线长隧道宜采用上下行分修，修建两座单线隧道，由于隧道开挖跨度、断面减小，有利于施工时控制围岩和支护变形，防止坍方事故的发生。
4、加强地质勘察工作，细化软弱岩层工程特性判释
重视软弱围岩地段的地质勘察工作，开展综合勘探，查明其工程地质、水文地质条件，围岩合理定级。
对于通过软弱围岩地段的隧道，地质勘察工作的主要目的是确定软弱围岩在隧道洞身上的分布段落、工程特性。
通过地质测绘辅以槽探、平硐等方法，了解软弱岩层的分布层位，综合地面物探成果初步确定软弱围岩在洞身的分布段落。在此基础上布置钻探工作，通过钻探、孔内综合测井、原位测试和室内试验，进一步细化软弱围岩在隧道洞身段的分布段落和工程特性。
为弥补勘察工作的局限性，应加强施工地质特别是超前地质预报工作，在开挖环境下、围岩的受力、地下水的径流条件均有所变化，应高度重视局部的小构造、不同岩性的接触带、层间不利的结构面组合对隧道稳定性的不利影响。
5、针对软弱围岩的工程特性，设计方案应做到“三个有利于”
软弱围岩的力学特性是强度低、承载力低，隧道开挖后变形大。因此，针对围岩与隧道变形的控制措施是设计的要点。设计应做到“三个有利于”：
（1）开挖方法的设计应有利于保护围岩，减小塑性区范围，最大限度地调动围岩的承载作用，控制围岩的变形量；例如采用弱爆破、围岩预加固等设计；
（2）支护结构的设计应有利于支护结构尽快封闭，形成整体稳定的封闭环状结构，以达到减小支护自身变形的目的；例如采用有利于快封闭的cd/crd等工法；
（3）支护结构未封闭之前，辅助工程措施的设计应有利于控制支护结构的整体下沉；例如采用大拱脚或拱脚支撑桩等措施。
6、加强现场配合，积极开展信息化设计
隧道施工图一般是通过施工前的地质勘察，按工程类比或标准设计进行设计的，正确与否或与实际的符合程度需要通过施工的检验;因此应重视施工过程中的调查和监测等信息的收集、分析，开展信息化设计，及时对施工图设计进行有针对性的设计修正。
信息化设计是从设计角度出发防止软弱围岩隧道坍方的最有效手段。信息化设计的基础是：监控量测、超前预报。
监控量测是确保软弱围岩隧道施工安全的“哨兵”, 是隧道施工不可缺少的一道工序。通过监测动态信息，及时评价围岩及支护结构体系的稳定性状态，用以指导设计、施工，确保施工安全。
监控量测工作各单位职责
设计：设计应将监控量测、超前预报方案纳入设计文件，根据工程地质条件、埋深、洞外环境、施工方案等明确监测项目、监测频率、监测及资料整理分析要求，提出变形控制基准及信息反馈要求。
施工：施工单位，在编制施工组织时必须将监控量测工作列入施工流程，并由专业队伍来实施。
监理：监理单位应做到每天检查监控量测记录和报告。建设：建设管理单位应严格审查监控量测实施计划，当监控量测数据出现异常时，应及时签发预警通知或暂停施工。
六、结束语
我国铁路的快速发展，为我们提供了一个高起点的技术发展平台，同时也为广大工程技术人员展示才华提供了大的舞台。我们将按照部党组的要求，牢固树立“不留遗憾，不当罪人，建不朽工程”的质量理念，进一步加大科技投入，开展隧道设计系统集成研究；不断提高技术水平、加强技术管理、确保勘察设计质量，为我国从隧道修建大国成为隧道修建强国做出我们应有的贡献。
隧道围岩情况描述篇二
软件说明书
隧道围岩变形分析系统
1.软件界面说明
软件总体界面如（图 一）所示：有菜单栏、工具栏、项目管理区、图形报表操作区、图形显示区等区域。
（图 一）
各部分简要说明如下：
菜单栏：该部分提供了该系统软件所有功能的菜单项，通过点击这些菜单就可以实现软件提供的功能。
工具栏：为了使用方便，避免频繁地打开菜单，软件将一些比较常用的功能放到了工具栏中，这样就能快速地使用这些功能了。
项目管理区：该区域是用来管理新建或打开的工程项目的，工程项目可以以隧道名称来命名，其中包含着该隧道上的各个里程（也即各个断面），而每个断面中又包含了该断面上布设的各条测线或测点。该区域是用树形结构来管理工程项目的，树根处是工程项目（系统最多可以管理10个工程项目），工程项目的下一级是断面名称，再下一级是测线或测点名称，总共三级结构。
图形报表操作区：该区域由三部分组成。首先是直观显示测线数据以及收敛值的列表框，见（图 一）中图形报表操作区最左部分；
其次是生成各种回归图形和报表的各个按钮和图形参数设置部分，各个按钮的具体功能，以及各参数的设置将在“5．图形报表操作区功能说明”终予以详细说明；最后见（图 一）中最右部分的文本编辑框，该文本框用来显示回归方程、标准差、相关指数、置信度区间等各项回归参数。
图形显示区：该区域是回归图形输出部分，数据经处理后，就按要求在该部分显示需要的回归图形。软件提供了各种常用的图形操作功能，可以对图形进行编辑，并可以采用屏幕截取的方式保存图形或将图形以auto cad dxf文件格式导出，还可以将图形存为系统图形文件格式(.sd)。
以上便是对软件界面各部分的介绍。
2.菜单功能说明
主菜单共有如（图 二）所示六个
（图 二）
分别是：文件、数据管理、绘图、图形操作、屏幕截取、查看和帮助。
※文件菜单※的功能主要是关于工程的建立、打开、关闭，工程和工程组的管理以及图形文件的打开、导出和打印。
其子菜单如（图 三）分别为：
（图 三）
新建工程：用来建立新的工程，点击之后弹出如（图 四）新建工程对话框。选定工程类型后填入该工程相关的隧道信息，可以选择工程保存路径，单击‘…’按钮将弹出对话框（图 五）,选择保存工程的路径，按确定退出。然后单击‘增加’，则生成了一个新工程。此时系统将弹出消息框提示工程建立完成，按确定后，单击‘退出’，则工程建立完毕，并返回到 主界面，左边项目管理区内的树状图应出现刚才建立的工程名称，并且根据选择的
（图 四）
（图 五）
之后可对该工程导入全站仪的数据，具体导法见‘数据管理’菜单中‘数据导入’子菜单项的详细介绍。
打开工程：用来打开已经存在的工程文件。选择此菜单项，会弹出如（图 六）所示的打开工程对话框。选择已有的工程，单击‘打开’，便可打开该工程，以后便可进行数据导入、回归分析等操作，这与新建一个工程后的操作是一样的。
（图 六）
工程（组）管理：这项功能用来同时管理一组工程。如果系统中原先不存在工程，选择此菜单项，会弹出如（图 六）所示的打开工程对话框，用户可以先打开一个存在的工程文件，这样若系统中已有工程，就会弹出如（图 七）所示的工程组管理对话框。可以选择‘导入’按钮将一已存在的工程加到现有工程中作为工程组管理（图 八）。注意不可导入同一工程，否则系统将给予提示（图 九），在工程（组）管理中可以更新已有工程的有关信息，修改有关信息后按‘更新’按钮即可更新。当几个工程被组成工程组后，下次打开任一工程，就会把同一工程组中的其它工程同时打开在工程（组）管理对话框中，按‘确定’后则几个工程就会同时出现在左边的项目管理区中。要解除同一工程组中各工程的联系，可以在工程组管理对话框中通过按‘删除’来删除某工程组中的工程。其中删除工程时需要注意1.（图 十）只将该工程从该工程组中移去，保留该工程的所有信息；2.（图 十一）除了1中的操作以外，还将该工程的所有信息从硬盘中删除，不可恢复，故应谨慎操作。
（图 七）
（图 八）
（图 九）
（图 十）
（图 十一）
关闭工程：关闭系统中现有的工程。若项目管理区中没有工程，则此菜单项为灰色，只有新建或打开工程后才能激活。
打开图形：打开保存好的该系统格式的图形文件(*.sd)。如何将图形保存为系统图形文件格式，见工具栏中
功能的详细说明。
图形导出：将图形以auto cad dxf文件格式导出。
打印预览：该项功能是将当前图形报表操作区中列表框中的数据和图形显示区中的图形一起以报表的形式打印出来。选择此菜单后进入打印预览窗口，可以进行预览，确认无误后即可打印。（只有打印机在该软件所在操作系统上驱动后才有此功能）
打印设置：设置打印的一些参数。这些参数包括：打印机的名称选择、属性设置，纸张的大小、来源，打印的方式等。
最近图形：显示最近打开过的系统图形文件。对于经常调用某一图形文件比较方便。
退出：关闭系统。
※数据管理菜单※的功能主要是：全站仪数据的导入、隧道断面信息的输入、隧道断面信息的查询、极限位移规范参考以及全站仪原始数据的管理等。
其子菜单如（图 十三）所示，分别为：
（图 十三）
数据导入：把全站仪上传的数据导入到相应工程的数据库中。点击后系统弹出如（图 十五）的数据导入对话框。
（图 十五）
(图 十六)
选择隧道名称，单击‘选择文件’按纽，如(图 十六)所示。选择全站仪数据文件。单击打开，如果文件格式正确，系统将从文件中读取信息，并根据所测数据自动画出测点的示意图，如（图 十七）所示，如果文件格式错误，将出现（图 十八），如果错误发生，则单击‘查看该文件’，便可修改该文件为系统的文件格式（注意：凡手工修改了文件，需重新选择该文件，文件的修改才是有效的）。如无错误发生，可按‘导入’便可将该文件导入到系统中。重复‘选择文件’----‘导入’，便可将测量数据全部导入。注意：
1.如果想把同一次观测的两个测站的数据作为一个时间段的数据使用，需设定‘双站间隔时间’，系统默认为20分钟，即前后设站间隔小于20分钟的，系统将弹出如（图 十九）消息框给以提示用户可根据实际情况作出相应选择。
2.相同里程的某时间段的数据不能导入两次,否则系统将给予提示。
（图 十七）
（图 十八）
（图 十九）
数据导入后可人工输入该里程的断面信息，以便将来管理时的查询。按‘输入断面信息’按钮后弹出如（图 二十）所示，点击隧道名称和相应的隧道里程，可查看、修改、删除
（图 二十）
（图 二十一）
该断面的信息，具体操作见菜单‘隧道数据’下‘隧道断面输入’菜单的说明，二者的功能是一样的。另外单击（图 十七）中的‘平差’按钮可直接查看各测线平差后的长度，如（图 二十一）。数据都导完后，可单击‘退出’回到主界面，这时点击项目管理区中工程名称前的‘+’号，就可看到导入的断面及测线情况。
隧道数据：主要负责隧道断面信息的输入和查询。该菜单有两个下级子菜单，如（图二十七）：
（图二十七）
选择‘隧道断面输入’菜单，弹出（图 二十）对话框。单击‘添加’按钮，弹出如（图 二十八）的对话框，选择隧道名称，填入参考里程，按‘确定’后，该工程和断面
（图 二十八）
（图 二十九）
就会导入到断面信息维护对话框中，如（图 二十九），然后输入各类信息，按‘保存’按钮，就能把这些信息存入数据库中，如果要删除，可按‘删除’按钮。
选择‘信息查询’菜单，弹出（图 三十）对话框。当需要查询任一工程中的有关信息时，可按以下方式操作，输入查询信息以产生查询条件，如需查询隧道名称为‘test1’的工程信息，则可按下列方法查询：在查询字段中选择‘隧道名称’，在运算符中选择‘=’，在查询值中填写‘test1’,单击‘语句生成’，再单击查询，便可将隧道名称为‘test1’的工程查出（图 三十一），单击‘生成报表’可将结果存为文
（图 三十）
（图 三十一）
极限位移规范：这里提供了一个单线隧道初期支护极限相对位移百分表，以供用户对照数据、图形作为参考。
原始数据管理：可对全站仪上传的原始数据进行管理。当需要查看一工程的原始数据时。可按如下操作进行。选择‘数据管理’菜单中的‘原始数据管理’将弹出（图 三十二）对话框。
（图 三十二）
选择一工程，则右边显示该工程的原始数据文件。选中需查看的文件，单击‘查看’便可观看该文件内容。也可单击‘删除’删除该文件。
※ 绘图菜单※的功能主要是：直线、圆弧、文本等图形的绘制及颜色的选择。该项菜单如（图 三十三），具体方法均类似于autocad中的有关操作。
（图 三十三）
※ 图形操作菜单※的功能主要是：对图形显示区中的图形进行放大、缩小、漫游、删除、全图显示等操作，具体方法均类似于autocad中的有关操作。菜单如（图 三十三）。
（图 三十三）
※屏幕截取菜单※的功能主要是：对图形进行截取并保存为bmp格式的位图文件。‘全屏截取’是获得整个屏幕的图形，‘用鼠标选取范围’则可以获得选定范围内的图形。具体菜单如（图 三十四）。
（图 三十四）
查看菜单和帮助菜单比较简单，这里没有详细说明。
3.工具栏功能说明
工具栏基本是常用的菜单的快捷方式，但也有菜单不具有的功能，具体情况如下：
新建图形。该项功能是将图形显示区刷新，即清除图形显示区的所有图形，恢复为空白的画布。
新建工程。具体功能与菜单栏中的‘文件’一〉‘新建工程’一样。
打开图形。具体功能与菜单栏中的‘文件’一〉‘打开图形’一样。
打开工程。具体功能与菜单栏中的‘文件’一〉‘打开工程’一样。
保存图形。该项功能是将图形显示区中的图形保存为本系统软件的图形文件格式（*.sd），以后可以用
或菜单栏中的‘文件’一〉‘打开图形’来打开图形。
导入。具体功能与菜单栏中的‘数据管理’一〉‘数据导入’一〉‘（测线法）无基准点’一样。
打印预览。具体功能与菜单栏中的‘文件’一〉‘打印预览’一样。注意：应该按拟合曲线按钮及时刷新回归图，以获得与数据一致的回归图形。
绘图。这三栏分别是绘制直线、圆以及圆弧的功能。
放大缩小。这两项功能是对图形的放大和缩小操作。
删除物体。该项功能是从图形显示区删除选中的图形或文字，删除完后，右击鼠标回弹出一菜单，选择‘取消’即可退出删除操作。
显示全图和移动图形。如果想在图形显示区中看到全图，点击‘显示全图’，系统会自动调节图形的大小，使图形能完整的显示在图形显示区中。如不想改变图形的大小，则点击‘移动图形’进行图形漫游。退出操作如上所述。
全屏显示和恢复。该功能使系统的框架和菜单隐去，突出显示系统的视类。
断面信息查询。具体功能与菜单栏中的‘数据管理’一〉‘隧道数据’一〉‘信息查询’一样。
断面信息输入。具体功能与菜单栏中的‘数据管理’一〉‘隧道数据’一〉‘隧道断面输入’一样。
关于。显示程序信息，版本号。
退出。
4.图形报表操作区说明
由于前面已对该区作了简要说明，并指明了列表框和文本框的作用，所以这部分主要详细说明如（图 三十五）所示的生成各种回归图形和报表的各个按钮和图形参数设置部分。呈现为（图 三十五）。
（图 三十五）
先说明各报表按钮的功能，具体如下：
在项目管理区种选择隧道名称，并单击‘测线报表’，则产生该隧道所有的测线报表，如选择里程，则产生该隧道该里程的所有测线报表，如选择某测线，则产生该隧道该里程的该测线的报表。其间，如果选择了‘存为文件’则将结果输出为文件，否则将打印输出。‘坐标报表’功能类似。
必须是在项目管理区中选择里程，此功能才会有效。但击‘断面报表’，会产生前面输入的隧道信息（包括开挖信息、岩体信息、支撑设计、地质描述等）的报表。如果没有信息，用户可以单击‘断面信息’按钮对此断面进行描述，然后保存即可。
单击‘原始数据报表’，结果如‘测线报表’，根据在项目管理区中选择的不同，分别产生三种原始数据的报表。
单击‘工作人员报表’，产生工作人员（负责人和观测者）的报表。
单击‘断面信息’，图形显示区中出现如（图 三十七）界面，在这儿可以输入所选里程的断面信息。
（图 三十七）
回归分析是本软件提供的一项重要功能之一。全站仪对各断面测线经过一段时间的量测，得到测线随时间变化的数据，其中测线敛值和时间之间具有非线性的相关关系。回归分析的功能就是对这些数据进行处理以回归图的形式显示在图形显示区，以供用户参考，并对围岩稳定性进行了预测。系统提供了5种曲线函数，以供用户选择最合适形状的区线来拟合。
各回归分析按钮功能的具体说明如下（假设x对应时间，y对应测线收敛以及它们的速率）：
在项目管理区中选中具体测线或测点后，单击‘对数函数’，系统会对测线收敛以 对数函数为回归方程进行非线性回归分析，并在图形显示区中显示回归图形（包括原始数据图、收敛值或位移值图和收敛或位移速率图）。
适用情况：当y的增量随x增大而逐渐减少。
功能类似‘对数函数’，适用情况：根据具体数据而定。
功能类似‘对数函数’，适用情况：当y随着x逐渐增加而越来越急剧地增大。
功能类似‘对数函数’，适用情况：当y的增量随x增大而逐渐减少。
功能类似‘对数函数’，适用情况：当y随x增大而增大的速度与x成比例。
单击‘自动选择’，系统会对数据进行分析，自动选择合适的回归曲线。
见（图 三十五）右上角是回归图形的一些参数设置，x轴、y轴和y负轴分别是所需坐标轴的长度，‘网格’和‘标注’表示图中是否需要它们，‘稳定条件’是进行稳定性预测所需要的数据。
6.其它注意事项
隧道围岩三维变形分析系统与自动全站仪配合使用，并对其量测时的测线布置规定如下各图：
测线布置图：
3测线
4测线
6测线
7测线
图 三十八
隧道围岩情况描述篇三
隧道围岩大变形机理及处治技术研究
【摘要】本文结合工程实例，对公路隧道围岩产生大变形的原因进行分析，并提出合理的处治措施。
【关键词】隧道围岩 大变形 原因 处治
一、隧道围岩大变形机理分析及工程实例
1、隧道围岩产生大变形的原因
各类围岩在正常施工条件下都会产生一定的变形，不同国家、不同行业对各级围岩岩及各种支护结构都规定有不同的预留变形量以容纳这些变形。大变形是相对正常变形而言，目前还没有统一的定义和判别标准。产生大变形主要有客观和主观两方面原因，地质条件是客观原因，技术措施不当是主观原因，前者是根本原因。
2、工程实例
某公路隧道进口斜井位于沟谷地带，地形呈左高右低现状，地形起伏较大。该斜井设计平长140m，开挖范围上部岩层为粉质粘土，下部为强-全风化页岩夹砂岩，围岩分级为v级。本工程地下水为上层滞水、基岩风化裂隙水及构造裂隙水。隧道净空断面尺寸为4.7（宽）×5.75（高）m，开挖断面尺寸为5.82（宽）m×7.62（高）m。
在斜井施工至掌子面里程xk0+113时，通过观察发现xk0+113～+122.5段初期支护喷射混凝土有开裂剥落现象。此时，仰拱施工至xk0+122.5；加强二衬施工至xk0+125.5。大变形段里程为xk0+113～+122.5，长9.5m，该段右侧钢拱架失稳内敛约60cm，初支砼严重剥落，变形过程+115～+118右侧拱脚处、+118～+122右侧墙角处分别流出黄色、黑色泥浆；地表沉陷深约1.7m，面积约70m2。通过对本段隧道所处地质环境综合分析，围岩大变形的主要原因有：
（1）地质因素。隧道围岩经过多年地质构造运动，围岩应力处于平衡状态，一经开挖，潜在应力释放，应力重新分布，在原生应力已遭破坏，新生应力场尚未稳定前提下，围岩承受压大、极易失稳导致坍塌；当通过各种堆积体是，由于结构松散，颗粒间无胶结或胶结差，开挖后引起坍塌；在挤压破碎带，岩脉穿插带、节理密集带等裂结构地层中，岩块间互相挤压钳制，一经开挖则失稳，常见岩块掉落、坍塌；在软弱围岩节理发育的情况下，或泥质充填物过多，均易产生较大的坍塌；在构造运动作用下，薄层岩体形成的笑摺曲、节理发育地段，施工中常常发生坍塌；岩层软硬相间，或有软弱风化夹层的岩，在裂隙水的作用下，软弱面强度大大降低，因而发生坍塌；裂隙水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用加剧岩体的失稳和坍塌。
（2）结构支护原因。由于围岩应力变化具有不确定性，结构支护承载应力很难进行精确计算，设计支护强度、刚度是否能够满足承载应力的要求是很难进行精确的判断的，因此，支护参数的偏小，往往也是导致隧道坍塌的主要原因之一，且造成的危害性极大。
（3）施工原因。施工方法与地质条件不相适应，地质条件发生变化，没有及时改变施工方法；施工支护不及时；地层暴露过久，引起围岩松动、风化；忽略了围岩的变形规律，围岩的变形同时具有连续变形和突然变形的特征。当开挖距离小于d（d为隧道开挖宽度）时，围岩两端由于受到二次衬砌砼和开挖掌子面支撑的约束作用，连续变形很小，主要是爆破后的受震动影响的突然变形，而且在这个距离范围内由于衬砌和开挖面支承的“空间效应”的影响，即使初期支护抗力不足围岩滑移力亦不至于失稳，当这个距离为1.5d～3d时，“空间效应”的影响完全消失，初期支护抗力小于滑移力的问题即刻暴露出来，围岩急剧变形，极易引起塌方。
二、隧道大变形段施工处治措施
1、垂直锚杆加挂网喷浆施工
本工程洞外处理措施采用全长粘结型早强垂直锚杆加挂网喷射混凝土。
（1）主要设计参数：锚杆孔深度、孔径由设计决定，锚杆长度根据隧道埋深深度来确定，设计锚杆φ22螺纹钢筋组成，间距1.5×1.5m梅花形布置，每根长4m；设置ф6钢筋网，网格间距20cm×20cm。插入钢筋束后压浆机进行灌注1：1.5的水泥砂浆。孔口表面用砂浆护面，砂浆厚度10～15cm。
（2）施工技术要点。
①清除地表植被地表大致整平：人工清除地表植被，大致整平地表，经监理工程师检查合格后方可进行下一步工序施工。
②测量定孔：工程技术人员根据设计图纸测定孔位，并用木桩标出，其孔位误差不得大于10cm；同时对施工人员进行图纸及现场技术交底。
③钻孔。露天钻机精确就位并固定，保证钻机钻杆线垂直以及钻机在钻进时不产生偏移和倾斜；钻孔顺序由里向外或由外向里，先钻高位孔。
④制作锚杆钢筋及钢筋束。锚杆宜采用锰硅螺纹钢，直径为22mm。用钢筋切割机将钢筋按设计长度进行切割。
⑤安装锚杆钢筋束。在安装钢筋前用高压风进行清孔，以清除孔内粉碴及杂物。安装钢筋束：可借助于简易钢管架，安装卷扬机对钢筋束进行垂直吊放。
⑥灌注砂浆：安装好钢筋束后，堵塞孔口，用注浆机结合导管进行孔内灌注水泥砂浆，使孔内砂浆堵塞密实，保证地表锚杆的锚固效果；注浆时，孔口压力〈0.4mpa。
2、管棚超前支护施工
本工程洞内xk0+113～+122.5大变形段采用dn65中管棚加固过渡。
（1）主要施工参数：①管规格：内径65mm，外径76mm；②管距：环向间距40cm；③倾角：外插角1°～3°为宜，可根据实际情况作调整；④注浆材料：m20水泥浆或水泥砂浆；⑤设置范围：拱部120°～135°范围；⑥长度：15m。
（2）施工技术要点：
①开挖管棚工作室。工作室分步开挖，分步施钻。即先在两边拱脚分别开挖两个工作室ⅰ，进行钻孔、安管、注浆之后，再开挖工作室ⅱ；当开挖工作室ⅱ时，可弃碴于两拱脚工作室ⅰ。这样既减少开挖工作量、减少搭拆平台，又便于移动钻机，有利于钻孔作业。
②搭设平台、安装钻机、测定孔位。搭设钻机平台，钻机平台尽量一次搭好。钻孔顺序，有高孔位向低孔位进行，可缩短移动钻机与搭设平台的时间，便于钻机定位、定向。
③钻孔。钻孔为便于插管，管棚钢管钻孔直径应比管棚钢管设计直径大20～30mm；若围岩注浆固结好或岩质较好，可以一次成孔；围岩局部注浆效果不好的，钻进时可能产生坍孔、卡钻，则需补注浆后再钻进。
④安装管棚钢管。根据设计，管径如采用80～180mm壁厚4mm以上碳素无缝钢管，每节管长4～6m；每节钢管用8mm厚的管箍连接；15m左右一次成孔的短孔，可用人工将钢管直接插入钻孔。管节与管箍的丝扣应提前在专用管床上按规定加工。
⑤安装管棚钢筋笼及管外注浆。管棚钢管安装好后，放置钢筋笼并注浆。管内设置的钢筋笼，由四根长4m的螺纹钢筋焊接在壁厚8mm、长8cm的管节上而成，钢筋直径、管节外径应根据管棚钢管直径大小而定。在钢管钢筋笼安好后，进行注浆。注浆用泥浆泵压注，根据所要求的凝固时间决定采用水泥浆或水泥水玻璃双液，分二次进行，第一次对二个工作室ⅰ各个钻孔注浆；第二次对工作室ⅱ各个钻孔注浆。
三、结束语
隧道围岩大变形施工处治关键在于弄清软弱围岩的变形规律特征，找出其变形原因，采用合理的施工方法和支护参数。该隧道施工中有效地控制了大变形，整个施工过程中未发生一起安全事故，而且质量均在控制要求范围内，表明软弱围岩采用的大变形施工处治技术是成功的可供同类工程施工参考。
参考文献：
1、孙剑峰，秦岭灞源隧道围岩大变形处理方法，《中国科技博览》2014年第19期
隧道围岩情况描述篇四
上海地铁盾构隧道纵向变形分析
【摘 要】隧道若发生纵向变形将严重影响到隧道结构的安全。分析探讨了纵向变形的发生、变化情况以及隧道结构和防水体系所允许的纵向变形控制值。结合工程实践,对隧道发生的典型沉降曲线规律进行了深入的分析,其结论对有效控制隧道纵向变形具有指导意义。【关键词】隧道;通缝拼装;纵向变形;环缝;错台;防水;失效
至2020年,上海将建成轨道交通运营线路达到20条、线路长度超过870 km以及540余座车站的网络规模。这其中,以盾构隧道结构为主的地下线路几乎占到一半。控制隧道纵向变形是确保隧道结构安全的重要因素之一。在研究隧道纵向变形时,我们首先要关注这种变形是以何种方式发生、又是如何发展变化以及隧道变形控制值是多少等问题,本文对这些问题进行了分析探讨。
1、盾构隧道结构和构造设计
盾构法隧道是由预制管片通过压紧装配连接而成的。与采用其它施工方法建成的隧道相比,盾构隧道明显的特点就是存在大量的接缝。1 km长的单圆地铁盾构隧道需要五~六千块管片拼装而成,接缝总长度约是隧道长度的20余倍。因此,盾构隧道的多缝特点已成为隧道发生渗漏水最直接或潜在的因素之一(见图1)。在盾构拼装结构中,接缝有通缝和错缝之分,现以单圆通缝盾构隧道为例进行隧道纵向变形分析。1.1 盾构隧道结构与构造设计 1.1.1 管片厚度、分块及宽度
单圆通缝隧道管片厚度350mm,管片为c55高强混凝土,抗渗等级为1 mpa。一环隧道由6块管片拼装而成(一块封顶块f、两块邻接块l、两块标准块b和一块拱底块d),圆心角分别对应16°、4×65°和84°(见图2a)。封顶块拼装方便,在拱底块上布置了两条对称的三角形纵肋。整个道床位于拱底块内,底部没有纵缝,对底部环缝渗漏水有一定程度的抑制作用,可大大降低处理底部渗漏水的难度。
1.1.2 纵缝和环缝构造
在管片环面中部设有较大的凸榫以承受施工过程中千斤顶的顶力,可有效防止环面压损,既利于装配施工,又易于整个环面凹凸榫槽的平整密贴,提高管片外周平整度;并可提高环间的抗剪能力,控制环与环之间的剪动,同时也可减少对盾尾密封装置的磨损。靠近外弧面处设弹性密封垫槽,内弧面处设嵌缝槽。环与环之间以17根m30的纵向螺栓相连,在管片端肋纵缝内设较小的凹凸榫槽,环向管片块与块之间以2根m30的环向螺栓压密相连,能有效减少纵缝张开及结构变形,环、纵向螺栓均采用热浸锌或其它防腐蚀处理。
这种构造设计使得隧道在拼装完成后形成具有一定刚度的柔性结构,环向面之间以及纵向面之间可以达到平整密贴装配,既能适应一定的纵向变形能力,又能将隧道纵向变形控制在满足列车运行及防水要求的范围内;同时,满足结构受力、防水及耐久性要求。
错缝拼装与通缝拼装略有不同,其拼装方式是隔环相同,拱底块不设三角肋,在道床底部有一条纵缝, 6块管片所对应圆心角分别为20°、2×68.75°、3×67.5°(见图2b)。不论是通缝还是错缝拼装,隧道总体上呈“环刚纵柔”的特点。
1.2 装配隧道对纵向变形的适应性分析
错台是指两环隧道之间发生的径向相对位移,隧道纵向变形的适应性是指在保障隧道结构安全前提下各组成构件所允许的最大环间错台量。从以下几方面分析各自对环间错台量的适应情况。1.2.1 环面构造对错台量的适应性
如图3a示,在管片环面中部设了较大的凹凸榫槽。因环面装配部位的凹槽比凸榫稍大,存在约8mm的极限装配余量,可允许凸榫在凹槽内沿着径向作微量移动或滑动。这种环面间的相对移动表现在隧道壁上就是错台现象(见图3)。无论环面凹凸榫槽的初始装配关系如何,当环间错台达到4~8mm时,凸榫的顶部边缘将与凹槽的底部边缘相接触,若继续发生错台,凹凸榫槽将发生剪切。应当说环面上设置的凹凸榫槽对提高环间的抗剪切能力是有益的。从环面构造可知,当环间错台量超过4~8mm时,环面缝隙将按线性张开。所以, 4~8 mm错台量应是环面装配和错台的控制值。1.2.2 密封垫对错台量的适应性
在环面上靠近外壁约30 mm处设有密封垫(现多为三元乙丙橡胶材料),按照设计构想,理想装配条件下密封垫径向宽度的重叠达23 mm,并可抵御环面间张开4~6 mm而不会发生渗漏水。通过对密封垫试验和数值计算分析发现,当环面之间发生错台时,密封垫表现出复杂的形状,不同部位呈拉压剪等十分复杂的受力状态。从理论上讲,当环间错台量为4~8 mm(甚至更大一些)时两块压紧状态的密封垫是不会产生渗漏水的。由于环面上的密封垫不是完整的(分别粘贴在12块不同管片上),装配后单侧整环密封垫长达19.415 m,且存在许多棱角组合,加之防水材料质量及施工技术条件等制约因素,多数渗漏水发生在错台量<8 mm(甚至更小)的情况下(见图4)。
1.2.3 螺栓孔和螺栓对错台量的适应性
为便于管片拼装紧固,一般螺栓孔设计的要比螺栓稍大,螺栓孔径为35mm,螺栓直径为30 mm,在管片拼装或产生错台时可允许螺栓适当调整。当环间错台量较小时,螺栓会随管片发生移动,螺栓拉伸量相当有限。不论螺栓与螺栓孔的初始装配关系如何,在错台量达到6~12 mm后,螺栓孔与螺栓的对应位置关系都趋于极限,螺栓将发生拉弯,同时对手孔部位的混凝土产生压剪作用。因手孔部位增强了配筋,螺栓会在手孔部位的混凝土压坏之前先于拉坏。
通过以上分析可知,隧道环面构造、防水体系及螺栓等在隧道发生变形过程中所起的作用不尽相同,对错台量的适应性也并不完全一样。但将它们装配成一条完整的隧道后就必须要求管片间的变形要协调,即只有当错台量同时满足结构抗剪、螺栓受拉及防水有效等要求时,隧道安全才有保障。受管片制作、拼装施工、密封垫质量等因素的影响,通常在隧道投入运营之初,环缝、十字缝或管片接缝处就已发生了渗漏水,隧道在施工过程中已经用掉了大部分结构变形和防水预留量,而留给运营期间允许发生的变形余量非常少。因此,综合多方面因素,将环面间的错台量控制在4~8mm即可保障隧道的安全。
2、隧道纵向变形分析
在隧道防水设计中,一般取纵缝和环缝张开量来确定密封垫的性能,弹性密封垫在隧道张开量达到4~6 mm时还具有防水能力。但隧道纵向变形究竟是以隧道顶底部刚性张开方式还是以环面错台方式进行的?或是两者兼之?下面分别对两种情形进行讨论分析。
2.1 假定隧道纵向变形是以刚体转动的方式进行的
将单环隧道假定为一个理想的刚体,允许环与环之间发生小角度θ的刚体转动,隧道顶(底)部张开量δ,形成隧道纵向沉降变形(见图5)。当隧道发生沉降时,隧道顶部压紧,底部张开(或闭合)量δ;反之,隧道顶部张开δ,底部压紧。根据刚体转动几何条件,隧道环宽w、直径d、环间张开(或闭合)量δ及隧道纵向沉降曲线半径r之间有如下几何关系:
当取环宽为1.0 m、隧道外径为6.2 m,隧道纵向沉降(或隆起)与环缝张开关系见表1。若依此计算,当环缝张开量为6 mm时,隧道防水已经失效。但在隧道实际变形中,如此小沉降半径(甚至更小)是存在的,但防水体系并没有发生失效现象。这说明将隧道纵向变形视作整环隧道刚体转动的假定与隧道实际发生的纵向变形有着较大出入。在已建隧道中,隧道长度与直径之比l/d>150,隧道纵向端点与车站锚固联结,车站刚度较大,而且隧道与周围土层之间存在一定的抗剪力,对隧道沿纵向移动有较大约束,加之管片之间螺栓紧固作用等,对隧道整环发生刚体转动或沿纵向产生较大的水平位移(缝隙)起到极大约束作用。一般情况下,沿隧道纵向难以产生较大的环间缝隙或刚体转动。
2.2 假定隧道纵向变形是以环间错台方式进行的
从上述分析得知,隧道环与环之间可以发生小量级的错台而不破坏隧道的安全性,假定隧道纵向变形曲线视作是由环与环之间发生不同错台而形成的,现分析沉降曲线为等圆的错台情况。将最下部的一环定为第1环,称之为基准点,第1环隧道底部与沉降曲线最低点之间沉降差定义为初始错台变形δ1,第2环与第1环之间的错台变形量δ2,第i环隧道与i-1环之间的错台变形量δi。根据图6a示,第一环的初始错台量为δ1,则有:
根据表2和图6分析可知:①沉降曲线半径越大,沉降影响范围越大,环间错台发展速度越缓慢;反之,沉降曲线半径越小,沉降影响范围越小,环间错台发展就越快(即错台很快就超出安全控制值)。②沉降曲线半径越大,沉降范围内的累积沉降量越大。由式(3)可以看出,即使环间的错台量是一个较小的数据,但在一个较大范围的隧道累计变形量来说仍然很可观。③即使在等半径沉降曲线上,不同距离的环间错台量是不同的。由式(2)可知,距离基准点越远,环与环之间的错台变形量就越大。
隧道安全取决于隧道结构和防水体系的安全,通过对隧道的长期现场监护监测发现,隧道结构沉降变形和防水之间又是相互影响和相互促进的,隧道渗漏水会引起隧道变形加大,隧道变形加大又会加剧隧道渗漏水,形成恶性循环。
在隧道发生渗漏水的许多部位,沉降曲线半径超过15 000m,满足隧道纵缝张开的设计要求;在发生较大沉降变形区段,沉降曲线半径远小于15 000m,隧道没有发生渗漏水,也未发现隧道顶底部的转动张开;在几处发生过险情的隧道区间,隧道沉降半径远小于500 m,发生漏水的整环隧道多位于沉降曲线的直线段,个别环间错台量达数厘米,在隧道内壁上表现为明显错台形式。理论分析和隧道发生渗漏水的实际情况都证明了隧道纵向变形方式是以环间错台方式进行的,将隧道纵向沉降曲线视作是由一系列环间错台构成的这一假定是合理的。
2.3 隧道纵向变形过程分析 在隧道发生沉降(隆起)后,隧道总长度增加,沉降变化越多,变化量越大,隧道总长度增加量就越大。当错台量较小时,隧道纵向增加量较小,可用下式来表达:
当错台量超过4~8 mm时,隧道纵向长度计算还应考虑纵向环面缝隙的增加量w0。下面根据不同程度的错台量对隧道结构安全和防水影响进行分析:(1)当环间错台量为1~4 mm时,这个量级的错台可以通过隧道环面构造设计本身加以调整,但会对密封垫产生一定的拉压作用。从几何意义上讲,变形前密封垫径向重叠厚度至少可达约23 mm,发生错台后密封垫仍可保持约19 mm的重叠厚度。根据式(4)计算,若错台为1 mm,单环隧道增加长度0.005 mm;若环间错台4 mm,单环隧道增加长度0.008 mm。这个量级的小错台量引起隧道纵向长度的增加非常小,环间缝隙宽度不增加。
随着环间错台量的增大,密封垫不同部位表现为十分复杂的拉压剪等受力状态,密封垫一般不会发生渗漏水现象,但环面间的防水能力在一定程度上被大大削弱,隧道发生渗漏水的概率大为增加。纵向连接螺栓或将进一步发挥抗拉作用,对手孔部位的混凝土施加低水平的压剪作用。
(2)当环间错台量达4~8 mm时,即在前一阶段变形基础上继续发生错台4 mm(见图3b)。不论环面凹凸榫槽最初装配位置如何,此刻凹凸榫槽处在极端配合状态,凸榫顶边缘与凹槽底边缘相接触,凹凸榫槽直接发生剪切,螺栓也处在进一步拉紧状态,密封垫的变形和受力状态也随错台量的加大而加剧,但密封垫径向重叠厚度仍可达15 mm。根据式(4)计算,若错台达到4~8 mm,单环隧道长度增加将达0.032 mm。这个级别的错台引起隧道总长度的增加量依然很小,环间缝隙宽度不增加,但密封垫之间、密封垫与管片之间都可能会直接发生渗漏水现象,环间防水能力被极大削弱,隧道发生渗漏水的几率成倍增加,必须引起警惕,采取措施控制错台的进一步发展。
(3)当环间错台量达8~13 mm时(见图3c),环面凹凸榫槽已发生直接剪切,凹凸榫槽局部会出现裂缝,而导致防水失效,这个错台量会引起环面凹凸榫槽出现“艰难爬坡”现象,环间缝隙呈线性扩大,螺栓被拉流。尽管密封垫径向重叠厚度仍有10~15 mm,但因管片局部发生破坏、环面间缝隙超过防水标准而失去防水作用。根据式(4)计算,若环间错台量达到13mm,隧道长度增加迅速,单环隧道增加量也达13.083mm,环缝张开量将迅速增加超过6 mm,环间防水体系基本失效,将会有大量水土流入隧道,环缝漏水严重。图7是整环隧道发生竖向错台示意图,当环间发生竖向错台时,依附于管片上的密封垫将随同管片一起发生错台。在隧道顶底部位错台最为显著,其它部位并不明显,但此时环面上凹凸榫槽还处在咬合状态,错台将呈直线方式发展。隧道处于此种状态十分危险,若变形继续发展,后果不堪设想。
(4)当环间错台量为13~23 mm时(见图3d),环面间持续剪切导致凹凸榫槽结构进一步破坏,防水体系完全失效,凹凸榫槽还处在咬合状态,错台将呈线性发展直至结构失稳,尤其当隧道下卧土层是砂性土层的状况时风险性更大。
分析表明:①若错台量在几毫米以内,隧道总长度增加量很少,环间缝隙宽度并不增加,隧道结构安全尚处在可控状态,但会大大削弱密封垫的防水效果;②若错台量超过环面凹凸榫槽配合极限之后,环间缝隙按线性发展,管片会发生破损、防水失效等现象,给隧道安全带来灾难性威胁。因此,径向错台的增加不仅会引起隧道环面发生剪切,还将导致隧道纵向水平位移(环面缝隙)的增加。
以上仅是对隧道竖向发生径向错台进行分析,实际上隧道发生纵向变形远比此复杂。隧道在装配完成受力后其环面并不是一个真圆,环面凹凸榫槽的装配关系随之发生变化,这些变形会沿着隧道纵向进行传递,隧道纵向和横向变形在一定范围内相互影响。
3、隧道纵向变形典型曲线及工程实例 3.1 隧道纵向沉降典型曲线
图8是典型纵向沉降曲线,沉降曲线呈对称漏斗型。一半曲线是一条反s沉降曲线,曲线的上部向下弯曲,下部向上弯曲,中间呈直线段变化。可将曲线划分成三段,现逐一分析如下: 第一段为向下弯曲段(沉降加速段)。该段隧道受扰动影响较小,环间错台较小,纵向变形量小,环与环之间的错台迅速变大,环间缝隙基本上没有张开,也不发生渗漏水,此阶段的纵向变形累计量较小。
第二段为直线变形段(沉降均速段)。该阶段隧道受扰动影响较大,该段环与环之间的错台量较大,凹凸榫槽相扣处在剪切状态,错台基本上呈直线型发展,没有明显弯曲,纵向沉降累积量迅速变大,环间缝隙防水失效,有大量水土涌入隧道。
第三段为向上弯曲段(沉降减速段),也是最后一个阶段。该段环与环之间的错台变形由大变小,曲线呈向上弯曲状,此阶段的纵向累计沉降量达到最大。
近年来发生的几起隧道险情大沉降与上述隧道纵向变形曲线非常吻合。3.2 工程实例
(1)图9是上海轨道交通2号线某停车场出入库线下行线隧道泵站发生事故后形成的沉降曲线。因泵站施工引起隧道大量漏水漏砂,隧道发生了较大错台变形,个别环间错台量达到数厘米,最大累计沉降量达26 cm,后经及时抢险才得以控制隧道危情。
(2)4号线大连路区间隧道因结构存在固有缺陷导致隧道漏水漏砂,环间发生了较大错台沉降,纵向累计和差异沉降变形都很大,环间发生错台量达到3~5 mm,累计沉降达9 cm,影响范围超过100m,后经及时发现抢险并最终得到根治。环间过大的错台变形势必会引起隧道结构开裂,导致隧道受损或破坏,防水体系失效,给隧道结构安全带来直接威胁,多处隧道发生的纵向大变形验证了这一变形过程。
4、结语
本文通过对地铁盾构隧道纵向变形进行分析,得到如下结论:(1)地铁盾构隧道纵向变形基本上是以径向错台方式进行的。
(2)径向错台的增加不仅会引起隧道环面发生剪切,同时会引起环缝间隙按线性发展,导致隧道结构损坏、防水失效。必须严格控制各类因素引起的环间错台量。
(3)研究了不同沉降曲线半径的环间错台变化规律,等半径沉降曲线上不同位置的错台量是不同的。结合工程险情研究了典型的隧道沉降曲线。
(4)隧道安全与隧道结构变形和防水密切相关,防水的成败关系到其长久安全,“见水就堵”是十分重要的。这些分析结论进一步加深了对隧道发生沉降方式和变形控制值的认识,对指导地铁盾构隧道安全监控具有重要的意义。
隧道围岩情况描述篇五
浅议软弱围岩隧道变形地段施工
席亚滨
软弱围岩是指饱和抗压极限强度在30mp以下、岩体完整性系数在0.4以下的围岩，其工程性质主要表现在围岩自稳性差、节理发育、岩石风化严重。通常情况下，我们把以ⅳ、ⅴ级围岩为主的隧道都称之为软弱围岩隧道。软弱围岩隧道施工面临的风险大于一般隧道，普遍存在初期支护变形、破坏、侵限换拱；结构下沉，喷射砼开裂掉块剥落；突水涌泥、塌方，甚至是二衬破坏等现象，其出现的频次和产生的破坏力大小与地质本身、施工能力和技术管理水平的高低等都有很大的关系。
在对软弱围岩隧道施工的时候，首先在要树立一个全新的思想观念，更要树立一个坚强的信心。另外，在在项目最艰难的时候体现技术管理的龙头作用，项目管理人员要做到思路清晰，以身作则，保持整个团队的团结协作。一个项目团队，如果长期牢固树立好这些思想观念的话，这个项目就至少成功了一半。当然，在实际的工作面前，我们更要讲究科学的方法。
应遵循的原则
软弱围岩隧道施工中，我们要解决的核心问题就是控制变形。面对频繁的变形开裂和由此导致的诸多问题，我们所有的努力都是为了实现一个目标，就是通过采取一定的初期支护补强措施和加强施工现场过程控制，将拱部的下沉和周边的收敛控制在一定范围内，确保每月最大有效施工天数，严防一切形式的变形开裂导致的换拱，杜绝塌方，确保施工安全；为此，我们在施工过程中必须要有一个很大的责任心。
责任心是战胜软弱围岩隧道施工各种困难的法宝。各层次领导，任何一个部门，每一个参建人员都应立足本职工作，建立坚强责任心，才能应对好各种困难，才能解决好现场的各种问题。当然，除一个责任心外，在软弱围岩隧道施工过程中我们应该在技术上把握三个基本原则。
原则一：方案不失误
我们在软弱围岩隧道施工中，应在不同阶段根据不同的材料编制施工方案，施工前，我们可按照设计或业主提供的“风险评估报告”和相关设计文件编制专项的施工方案，该方案应具备一定的指导性；施工过程中通过超前地质预报成果和日常技术工作积累的一线资料，及时对“风险评估报告”进行细化和调整完善，同时根据其制定更为细化的施工方案，方案中的措施应满足施工现场的需要，必须具备很强的可操作性并及时传达给现场，必要时做相关的专题讲座，让方案深入人心；
解决软弱围岩隧道变形开裂控制问题，不能仅仅依靠技术手段，施工现场的严密组织和强有力的管理至关重要，只有平行解决才能从根本上起到作用。施工方案一旦确定，必须严格执行到位；实施过程务必规范、步步到位。
原则二：工序不失衡
在项目管理上，均衡是一个重要理念，在软弱围岩隧道施工过程中，不可控的因素有很多，例如地质变化快、局部失稳滑塌、突水涌泥等情况；掘进与仰拱和二衬要均衡，上、中、下三个台阶的施工要始终保持均衡；能力和目标要均衡（这主要体现在掘进进尺和仰拱开挖长度的控制上，你没有配套的人员和设备，你就不能随意加大工序循环进尺，这一点是需要特别注意的）；时间和空间要均衡（要发挥人员和设备最大潜力，施工组织十分重要，什么工序能平衡、什么工序必须独立作业等等），一旦失衡就会带来危险的后果，隧道施工上台阶过快会导致台阶长度加大，安全问题自然突出；我们在老东山隧道施工时，统计的大量循环时间记录表就反映出单循环使用时间量的差异很大，下一步施工中，我们将继续做好单循环作业时间记录并进行认真细致的分析，及时提出问题所在，下力度解决这个时间差异。
原则三：围岩量测不造假 所有隧道的塌方，都是一个由量变到质变的发展过程，量测是指导施工的“眼睛”，通过掌握拱顶下沉及周边收敛的规律，发现异常立即采取加固措施，根据量测数据分析成果及时调整预留沉落量对于控制隧道初支变形开裂是非常有效的。我们要求各个隧道工区都要做好四个方面的工作；首先是严格按照规范要求，在开挖后及时预埋围岩量测点并获得初始读数，困难地段及时增加测点密度，加大观测频率并将获得的数据及时添加到“变形时态变化散点图”中，据以及时考察变形发展动态，修正回归系数；其次是不断对两图进行回归分析，并根据两图发展趋势，预测可能出现的最大值和变形速率；三是根据变形最大值和变形速率预报围岩稳定性和安全性并对其做出具体的规定，以便及时采取措施加强支护措施；四是建立“零”报告制度和实行严格的奖罚考核制度；最终实现量测工作全面、及时、准确和真实有效，确保施工安全。
应注意的几个问题
在软弱围岩隧道施工过程当中，以下几个问题是我们必须特别注意的：
由于软弱围岩地质较为复杂、变化频繁，要成功的渡过软弱围岩的前提就是地质工作，只有做好地质工作，掌握准确的地质情况，才能正确选择好施工方案；
“心之官则思”。要善于观察并思考问题，“针尖大的窟窿能透过斗大的风”。在软弱围岩隧道施工中，地质一旦变化或有水的影响就该敏锐的感觉到它的严重性并迅速采取措施，不能熟视无睹、若置罔闻，要坚定不移地把施工安全放在压倒一切的突出位置；
施工过程中，应严格按照“重地质、管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测、速反馈”的二十四字方针组织施工，它是软弱围岩隧道施工成败的关键；
对于支护系统，应严格控制好拱架的纵向间距，加强钢架的纵向连接；按要求做好超前支护和锁脚锚杆（管），结合实际揭示围岩的岩层产状确定锁脚锚杆（管）的角度，同时提高安装焊接的质量。喷射砼时要控制好喷射距离和角度，严防出现空洞；总之要确保支护系统的有效性；
无论采用哪种施工方法，软弱围岩施工应严格控制好施工步距，仰拱施工必须先行，要确保二衬紧跟掌子面施工，安全距离任何时候不能超标；
高度重视水对软弱围岩隧道施工的影响；在做好超前探孔排水的同时，对初期支护表面潮湿段落应及时埋设φ42小导管作为排水管，以便及时将地下渗水集中排出。
需要继续研究的问题
对于软弱围岩隧道施工面临的变形开裂问题，我们未来还会遇到很多，情况可能会更加复杂和多变。如，钢支撑对于抵御变形开裂有多大的作用，占的比例有多少？如何有效提高支护体系的整体性？如何提高支护体系中锁脚施工的质量？超前支护对控制拱部下沉有多大作用？每一种支护措施分别在控制变形开裂中起什么作用？喷射砼的工艺调整在抵御变形开裂问题上能起到什么样的作用？注浆在以泥岩和砂岩为主的隧道施工中，对于抵御变形开裂有多大的作用吗？通过研究各种变形量测的数据，可推测出变形开裂在某时刻可能达到的数值，于是引出了时间差，如何在施工中利用好这个时间差？对于扩大拱脚的实施在控制变形开裂中是否有效，其操作的可行性如何进一步的优化？预留沉落量在控制变形开裂中的作用及所占的比例？如何实现软弱围岩隧道施工的快速施工？
这些问题是要求我们需要在后续的施工过程中不断的加强研究。可以说，不同的时空条件、不同的外部环境、不同的生产要素、不同的管理能力，所采取的方法都有所不同；在软弱围岩隧道施工的过程中，我们无法完全遏制变形开裂，但要确保其受控、不换拱；我们无法完全的避免塌方，但能够防止出现人员伤亡。所以说，对于软弱围岩隧道施工，我们施工单位需要投入更多的心力，仔细研究，确保软弱围岩隧道施工的安全进行。
作者单位 中铁十二局集团第二工程有限公司
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