隧道變形及其控制技術(shù)

1談?wù)勊淼篱_(kāi)挖后的變形控制中的幾個(gè)問(wèn)題隧道開(kāi)挖后，由于初始地應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力釋放，其結(jié)果必然引起圍巖發(fā)生各種形態(tài)的變形，如拱頂下沉、兩側(cè)圍巖擠入、底部鼓起以及掌子面擠出等，而變形的必然后果，就是造成圍巖的松弛，而當(dāng)圍巖的變形或松弛超過(guò)一定范圍時(shí)，就會(huì)造成崩塌或不穩(wěn)定。因此，隧道的設(shè)計(jì)和施工的目的：一句話來(lái)概括：就是千方百計(jì)地把把隧道開(kāi)挖后的圍巖變形或松弛，控制在容許的范圍之內(nèi)。這就是我們?cè)O(shè)計(jì)施工的基本理念和目的。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)理念和目的，就必須解決 2 個(gè)問(wèn)題。一個(gè)容許變形值問(wèn)題，一個(gè)是控制技術(shù)問(wèn)題。要解決容許變形值問(wèn)題，就必須了解和認(rèn)識(shí)隧道開(kāi)挖后的變形實(shí)態(tài)。一、隧道變形的種類1 1 概述研究控制技術(shù)，首先就要了解和認(rèn)識(shí)隧道開(kāi)挖后產(chǎn)生的變形形態(tài)及影響變形的各種因素。一般說(shuō)隧道開(kāi)挖后的變形，是各種各樣的，也是極為復(fù)雜的。把圍巖視為連續(xù)介質(zhì)的場(chǎng)合，可分 3 種情況進(jìn)行研究。1）一般圍巖條件下深埋隧道的變形實(shí)態(tài)；2）一般圍巖條件下淺埋隧道的變形實(shí)態(tài)；3）特殊圍巖條件下隧道的變形實(shí)態(tài)；1 2 一般圍巖條件下深埋隧道的變形實(shí)態(tài)一般圍巖條件下隧道的變形，大體上可以分為以下幾種。1）掌子面前方的先行變形（位移） ；2）掌子面變形（位移） ，包括掌子面擠出位移及掌子面位移；3）掌子面后方變形（位移） 。二、隧道變形的力學(xué)特征及其控制要點(diǎn)21 概述認(rèn)識(shí)和掌握圍巖在開(kāi)挖后是如何變形及其變形過(guò)程、變形動(dòng)態(tài)是非常重要的。2 2 一般圍巖條件下深埋隧道開(kāi)挖后變形的基本規(guī)律為了說(shuō)明方便起見(jiàn)，首先用 2 個(gè)計(jì)算例加以說(shuō)明。設(shè)初始地應(yīng)力場(chǎng)的水平方向和垂直方向的分力分別為 px 和 py。例 1：靜水壓荷載下的圓形隧道pxp y10kgf/cm 2，E 1000kgf/cm 2，1/3例 2：承受 2 方向不同荷載的半圓形隧道px（1/2）p y5kgf/cm 2，E1000kgf/cm 2，1/3圖 3 及 4 分別表示隧道壁面（r=a）及周邊（r 1.5a 、2a、3a）的位移的計(jì)算結(jié)果（隧道寬度取 D2a） 。 2圖 1 圓形隧道的周邊位移狀態(tài)（拱頂下沉）圖 2 半圓形隧道的周邊位移狀態(tài)（拱頂下沉）從圖 1、2 可知，在計(jì)算條件下，從掌子面前方到掌子面后方一定范圍內(nèi)的拱頂下沉分布規(guī)律，大致如下。1） 隧道開(kāi)挖后在掌子面前方一定范圍內(nèi)（2a5a ）產(chǎn)生了下沉，我們稱之為“先行位移” ；2） 在掌子面處，產(chǎn)生一定量的“初始位移” ，此值與地質(zhì)條件關(guān)系密切，約為最終位移值的 2030左右，這個(gè)位移是開(kāi)挖后瞬間發(fā)生的；3） 在掌子面后方，隨掌子面的推進(jìn)，產(chǎn)生不斷增大的位移，其特點(diǎn)是初期的位移速度很大，而后增長(zhǎng)的速度逐漸減緩，并趨于穩(wěn)定。4）圍巖性質(zhì)（初始地應(yīng)力場(chǎng)、圍巖物性等）和施工方法是決定變形動(dòng)態(tài)的主要因素，對(duì)隧道變形有一定影響。由上述各圖可知，隧道開(kāi)挖后隧道的變形可分為掌子面前方的先行位移、掌子面擠出位移及掌子面后方的位移三種。這三種位移是同時(shí)發(fā)生的。在復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下，支護(hù)的主要目的就是要抑制這些位移的發(fā)展，也就是抑制由這些位移引起的圍巖松弛。因此，對(duì)設(shè)計(jì)、施工來(lái)說(shuō)就是要搞清楚這三種位移（變形）的產(chǎn)生條件和發(fā)展規(guī)律，并通過(guò)什么手段來(lái)控制其發(fā)展。在一般圍巖條件下隧道開(kāi)挖后的變形實(shí)態(tài)可用圖 5 表示。Comment l1: 掌子面正前方預(yù)加固Comment l2: 取得參數(shù)的手段？3圖 5 隧道開(kāi)挖后的變形實(shí)態(tài)在一般圍巖條件下掌子面前方圍巖的先行位移，是在開(kāi)挖后瞬間發(fā)生的，先行位移的最大值是在掌子面處，其值約占總發(fā)生位移的 2030左右，掌子面前方的先行位移，涉及的范圍也比較小（約為 1D左右） ，只有在圍巖比較差的場(chǎng)合 ，如級(jí)圍巖才需要加以控制。因此，在一般圍巖條件下，主要是用初期支護(hù)控制掌子面后方位移的發(fā)展。掌子面后方位移的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)是初始位移發(fā)生的比較快，而且量值也比較大，即初期位移速度比較大。因此，控制初期位移速度的發(fā)展是非常重要的。這也是判定圍巖好壞的一個(gè)重要指標(biāo)?？刂屏顺跗谖灰扑俣鹊陌l(fā)展，也就控制了最終位移值。因此，在實(shí)地量測(cè)中，取得初始位移值和初期位移速度兩個(gè)重要參數(shù)是非常重要的。2 3一般圍巖條件下淺埋隧道開(kāi)挖后變形的基本規(guī)律下面首先根據(jù)日本在 9座土砂圍巖中的淺埋隧道中，對(duì)隧道開(kāi)挖后引起的地表面下沉現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)加以說(shuō)明。一般說(shuō)，根據(jù)掌子面的進(jìn)展，可把地表面下沉現(xiàn)象分為表 1幾類。 表 1 地表和地中的下沉現(xiàn)象地表 地中典型現(xiàn)象 崩塌 典型現(xiàn)象 崩塌1前方隆起或前方相對(duì)隆起（L-1m）2橫向開(kāi)裂3前方下沉 3前方下沉和相對(duì)隆起4下沉持續(xù)增大 5局部崩塌6下沉加速（3mL3m） 6下沉加速和相對(duì)下沉7崩塌 8崩塌9下沉收斂(1mL) 9下沉收斂10相對(duì)下沉減小11縱向開(kāi)裂一般說(shuō)，隧道開(kāi)挖后，地表面下沉與洞內(nèi)的變形之間是相關(guān)的，表 1列出了之間的相關(guān)關(guān)系，是很重要的。圖 6是一個(gè)地表面下沉量測(cè)的事例4圖 6 地表面下沉量測(cè)事例圖 7 是一個(gè)地表面下沉和洞內(nèi)下沉的相關(guān)關(guān)系例。圖 7 地表面下沉與洞內(nèi)下沉的相關(guān)關(guān)系例從基本規(guī)律上看，兩者（洞內(nèi)及地表面）是一致的，也大體上分為掌子面前方的地表面下沉、掌子面位置正上方的地表面下沉及掌子面后方的地表面下沉。不同的是量值和涉及的發(fā)生范圍。在地表面下沉的研究中，地表面下沉的橫斷面分布是重要的，但更為重要的是地表面下沉縱向的分布。掌子面前方的地表面下沉涉及的范圍要比洞內(nèi)的掌子面前方位移的范圍要大，而且，在掌子面到達(dá)前，在地表面可能發(fā)生與隧道軸線正交的橫向開(kāi)裂。此開(kāi)裂部位大致在離掌子面 0.5 D1.0D 范圍內(nèi)。圖 8 表示地表面下沉的等值線。圖 8 地表面下沉的等值線分布5因此，控制地表面下沉，除從地表面采取對(duì)策外，基本上是從洞內(nèi)采取控制掌子面前方先行位移及掌子面后方位移的對(duì)策。在淺埋的土質(zhì)隧道中，當(dāng)?shù)乇砻嫦鲁僚c對(duì)應(yīng)的拱腳下沉相等或小于時(shí)，會(huì)造成拱頂上部圍巖整體下沉的現(xiàn)象（圖 9） 。圖 9 整體下沉現(xiàn)象2 4 特殊的圍巖條件的隧道變形實(shí)態(tài)這里指的特殊圍巖包括，例如膨脹性圍巖、擠入性圍巖等會(huì)出現(xiàn)大大超過(guò)容許值的變形的圍巖。也包括特殊的地形、地質(zhì)構(gòu)造的條件下，會(huì)出現(xiàn)地形偏壓和構(gòu)造偏壓等產(chǎn)生不對(duì)稱的變形形態(tài)的圍巖。1） 特殊圍巖條件下的大變形這里所謂的圍巖大變形，都與圍巖的物性有直接的關(guān)系，具有膨脹性、擠入性、流變特性的圍巖，均有產(chǎn)生大變形的物性條件。因此，研究大變形，首先要從圍巖的物性分析著手。這是不言而喻的。例如，日本把土壓超過(guò)圍巖強(qiáng)度，而產(chǎn)生大變形的圍巖，定義為擠入性圍巖（Squeezing Ground） 。此外把超過(guò) 100mm（擠入性圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度為5MPa，極限應(yīng)變?yōu)?2.0，開(kāi)挖半徑為 5.0m，可能量測(cè)的位移是總位移值的 50條件下的凈空位移值）的位移定義為大變形。隧道開(kāi)挖后產(chǎn)生大變形的動(dòng)態(tài)與一般圍巖條件下的動(dòng)態(tài)，大同小異。其基本特點(diǎn)就是：掌子面前方的先行位移值大，一般說(shuō)都超過(guò) 2030的數(shù)值，有的可達(dá) 4060 ；初始位移速度也大，一般會(huì)超過(guò) 20mm/d，或者更大；變形收斂的時(shí)間長(zhǎng)，甚至不收斂。因此，在可能發(fā)生這種大變形的隧道，開(kāi)挖前就要采取對(duì)應(yīng)的控制對(duì)策和開(kāi)挖后采取對(duì)應(yīng)的控制掌子面后方位移的對(duì)策。同時(shí)，為確保穩(wěn)定后的凈空斷面不侵入設(shè)計(jì)斷面，要適當(dāng)加大預(yù)留變形量。2）偏壓隧道的變形產(chǎn)生偏壓的原因有二：一是地質(zhì)構(gòu)造產(chǎn)生的；一是地形產(chǎn)生的。但不管何種原因產(chǎn)生的偏壓變形的特點(diǎn)是變形的不對(duì)稱性。三、影響隧道變形的基本因素影響隧道變形的基本因素有兩大類。即：客觀因素和外部因素。3 1 客觀因素（內(nèi)在因素）如前所述，影響隧道開(kāi)挖后變形的兩個(gè)客觀因素就是初始地應(yīng)力場(chǎng)和圍巖的力學(xué)特性及構(gòu)造特性。1） 初始地應(yīng)力場(chǎng)初始地應(yīng)力場(chǎng)指未被開(kāi)挖擾動(dòng)的原始地應(yīng)力場(chǎng)。對(duì)初始地應(yīng)力場(chǎng)的認(rèn)識(shí)可以歸納如下。隧道初始地應(yīng)力場(chǎng)是由重力應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)成。6以目前的認(rèn)識(shí)和技術(shù)水平看，初始地應(yīng)力場(chǎng)，多數(shù)認(rèn)為按彈性的、重力的、靜態(tài)的應(yīng)力場(chǎng)考慮。在埋深較淺，或者埋深很大的條件下，可以不考慮構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響。決定初始地應(yīng)力場(chǎng)的關(guān)鍵是設(shè)定合理的側(cè)壓力系數(shù)。因?yàn)榈貞?yīng)力場(chǎng)的垂直應(yīng)力分量，基本上都按上覆埋深的重量考慮。而水平側(cè)壓力的大小則主要決定于側(cè)壓力系數(shù)。從側(cè)壓力系數(shù)看，初始地應(yīng)力場(chǎng)存在三種情況。即：側(cè)壓力系數(shù)小于 1，等于 1 及小于 1 三種情況。這三種情況的變形模式是完全不同的，其模式的概念示于圖 10。圖 10 不同側(cè)壓力系數(shù)條件下坑道變形模式概念圖因此，在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，必須掌握初始地應(yīng)力場(chǎng)的側(cè)壓力系數(shù)的變化，以便針對(duì)不同的變形模式采取不同的控制措施。一般說(shuō)，側(cè)壓力系數(shù) 值，理論上是由下式?jīng)Q定的。即：/1-式中 ：圍巖的波松比，其值在 00.5 之間變化。 （側(cè)壓力系數(shù)的確定方法）按此式?jīng)Q定的側(cè)壓力系數(shù)，最大是 1。即，初始地應(yīng)力場(chǎng)相當(dāng)與靜水應(yīng)力狀態(tài)。但在實(shí)際隧道工程中， 大于 1 的情況是很多的。因此，側(cè)壓力系數(shù)，基本上不能根據(jù)理論式（1）確定，而需要根據(jù)實(shí)地量測(cè)的反分析或者統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等確定。例如日本“山嶺隧道設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)” （2008 年版）建議按以下條件推定側(cè)壓力系數(shù)。H50m 的場(chǎng)合 0.015H0.25H50m 的場(chǎng)合 1.0式中 H：埋深（m）其關(guān)系示于圖 11、圖 12 和 13 是根據(jù)量測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的側(cè)壓力系數(shù)與埋深的關(guān)系。由圖可知，側(cè)壓力系數(shù)可能在 0.42,0 之間變化。較大的場(chǎng)合，多在 1.0 左右。7圖 11 初始側(cè)壓系數(shù) Ko 與埋深 H 的關(guān)系圖 12 始側(cè)壓系數(shù) Ko 與埋深 H 的關(guān)系8圖 13 初始側(cè)壓系數(shù) Ko 與埋深 H 的關(guān)系因此，初始地應(yīng)力場(chǎng)的研究中，對(duì)側(cè)壓力系數(shù)的研究也是非常重要的。實(shí)際上由于地殼運(yùn)動(dòng)的結(jié)果形成了各種形態(tài)的地質(zhì)構(gòu)造,如層狀、塊狀、斷層、褶皺等，在這種情況下,圍巖的初始地應(yīng)力場(chǎng)也有所變化。例如在背斜構(gòu)造中，由于巖層成拱狀分布,使上覆巖層重量向兩翼傳遞,而直接處在背斜軸下面的巖層則受到較小的應(yīng)力，其垂直應(yīng)力的變化，可能如圖 14 所示；而在被斷裂分割的地質(zhì)構(gòu)造條件下，下窄上寬的楔形圍巖移動(dòng)時(shí),受到兩側(cè)巖塊的夾制，因而使應(yīng)力減小，反之,下寬上窄的巖塊,則受到附加荷載的作用，其垂直應(yīng)力分布可能如圖 15 所示、處于正斷層和逆斷層的條件下，水平應(yīng)力會(huì)有很大差異，如圖 16 所示。在不均質(zhì)的層狀圍巖中，對(duì)垂直應(yīng)力的分布也有很大影響（圖17）等等。總之，大量的實(shí)測(cè)資料表明,地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)改變了重力應(yīng)力場(chǎng)的初始狀態(tài),這在實(shí)際工作中有時(shí)是不容忽視的。圖 14 背斜對(duì)初始應(yīng)力的影響 圖 17 不均質(zhì)層狀圍巖對(duì)初始應(yīng)力的影響9圖 16 斷層對(duì)初始應(yīng)力的影響 圖 15 斷裂分割的塊狀構(gòu)造對(duì)初始應(yīng)力的影響構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果也會(huì)使地形發(fā)生變化，如圖 18 所示,這種地形的變化,當(dāng)然對(duì)初始地應(yīng)力場(chǎng)有很大影響,該圖表示考慮地形影響后,初始地應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力大小及其方向的變化。在埋深較小的情況下,這種影響是不容忽視的。圖 18 地形對(duì)自重應(yīng)力場(chǎng)的影響由于構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的不確定性,很難用函數(shù)形式表達(dá)。它在整個(gè)初始地應(yīng)力場(chǎng)中的作用只能通過(guò)某些量測(cè)數(shù)據(jù)加以分析。已發(fā)表的一些成果表明：（a）地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)不僅改變了重力應(yīng)力場(chǎng),而且除以各種構(gòu)造形態(tài)獲得釋放外，還以各種形式積蓄在圍巖內(nèi),這種殘余構(gòu)造應(yīng)力將對(duì)地下工程產(chǎn)生重大影響。（b）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)在不深的地方已普遍存在,而且最大構(gòu)造應(yīng)力的方向,多近似為水平,其值常常大于重力應(yīng)力場(chǎng)中的水平應(yīng)力分量,甚至也大于垂直應(yīng)力分量，這與重力應(yīng)力場(chǎng)有很大不同。位于片巖中的陶恩隧道實(shí)地量測(cè)的初始地應(yīng)力場(chǎng)（圖 19）就是一個(gè)例證。圖 19 隧道的初始地應(yīng)力場(chǎng)圖 20 表明,埋深較小時(shí),水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力的比值很大。隨著埋深的增加,趨于減小。從我國(guó)現(xiàn)階段積累起來(lái)的淺層(埋深小于 500m)實(shí)測(cè)資料看,側(cè)壓力系數(shù) 小于 0.8 者約占27.5%。在 0.81.25 之間者約占 42.3%,大于 1.25 者約占 30.2%。這說(shuō)明，在一定埋深的條件下，初始地應(yīng)力場(chǎng)的水平應(yīng)力大于 1 的情況，占主導(dǎo)地位。圖 20 是根據(jù)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的初始應(yīng)力與深度的關(guān)系。10a 垂直應(yīng)力與深度的關(guān)系 b 水平應(yīng)力與深度的關(guān)系圖 20 初始應(yīng)力的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)根據(jù)圖 20 的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，Hoek 認(rèn)為：深度超過(guò) 1000m 以后，垂直應(yīng)力基本上可以用 p2.6H 表示；小于 1000m 深度時(shí)，水平應(yīng)力一般比垂直應(yīng)力大，在 500m 左右，平均大 1.5 倍。更淺的情況，其比值更大；1000m 以上的情況水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的趨于大致相等。(c)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)很不均勻,它的參數(shù)無(wú)論在空間上、時(shí)間上都有很大變化,特別是它的主應(yīng)力軸的方向和絕對(duì)值變化很大。（d）用分析方法求解初始地應(yīng)力場(chǎng),由于明顯的原因(構(gòu)造的、力學(xué)形態(tài)的、量測(cè)技術(shù)上的等）,常常會(huì)導(dǎo)致極大的偏差。因此,在理論分析中, 常把初始地應(yīng)力場(chǎng)按靜水應(yīng)力場(chǎng)來(lái)處理。在某些重要的工程中,多采取實(shí)地量測(cè)的方法來(lái)判斷主應(yīng)力的大小及其方向的變化規(guī)律。初始地應(yīng)力場(chǎng)是決定隧道穩(wěn)定性和破壞形態(tài)的基本因素，因此，在隧道的設(shè)計(jì)施工中，掌握初始地應(yīng)力場(chǎng)是極為重要的。（2 ） 地質(zhì)體（圍巖）力學(xué)的（強(qiáng)度、變形） 、構(gòu)造的（不連