隧道變形及其控制技術(shù)1

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11概述研究控制技術(shù)，首先就

2、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)；12一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。22一般圍巖條件

3、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pxpy10kgf/cm2，E1000kgf/cm2，1/3例2：承受2方向不同荷載的半圓形隧道px（1/2）py5kgf/cm2，E1000kgf/cm2，1/3圖3及4分別表示隧道壁面（r=a）及周邊（r1.5a、2a、3a）的位移的計(jì)算結(jié)果（隧道寬度取D2a）。 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

4、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

5、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。 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?。s為1D左右），只有在圍巖比較差的場(chǎng)合掌子面正前方預(yù)加固，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

6、，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)是非常重要的取得參數(shù)的手段？。23一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

7、下沉持續(xù)增大5局部崩塌6下沉加速（3m<L3m）6下沉加速和相對(duì)下沉7崩塌8崩塌9下沉收斂(1m<L)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

8、，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24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

9、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)?.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

10、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。31客

11、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。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

12、。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“

13、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。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

14、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?？傊?，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

15、影響 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）

16、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)

17、統(tǒng)計(jì)的初始應(yīng)力與深度的關(guān)系。a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p2.6×H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

18、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（不連續(xù)面分布、各向異性、層狀、塊狀等）特性地質(zhì)體的力學(xué)特性包括強(qiáng)度特性、變形特性，同時(shí)也必須認(rèn)識(shí)和掌握地質(zhì)體的構(gòu)造特性。隧道工程實(shí)踐充分表明：圍巖的構(gòu)造特性遠(yuǎn)比力學(xué)特性的影響更為重要。因此，對(duì)圍巖不僅要從力學(xué)特性上進(jìn)行分級(jí)，也要在構(gòu)造特性上進(jìn)行分類，兩者缺一不可。目前從圍巖的地質(zhì)模式上，

19、通常把圍巖按其構(gòu)造分為整體狀圍巖、塊狀圍巖、層狀圍巖、碎裂狀圍巖及土質(zhì)圍巖五大類。由于這五類圍巖的構(gòu)造特點(diǎn)，其變形和破壞模式也有所不同。實(shí)際上，這種劃分方法與采用的理論分析方法也是相適應(yīng)的，如表2所示。表2 圍巖地質(zhì)模式劃分圍巖地質(zhì)模式土砂狀碎裂狀塊狀（層狀）大塊狀整體狀圍巖介質(zhì)模式連續(xù)介質(zhì)似連續(xù)介質(zhì)不連續(xù)介質(zhì)似連續(xù)介質(zhì)連續(xù)介質(zhì)變形形態(tài)松散（松弛）變形彈塑性變形塊體松弛塊體錯(cuò)動(dòng)變形彈性變形也有分為硬巖系圍巖，軟巖系圍巖、土砂系圍巖及特殊圍巖四大類的。從理論上說(shuō)，凡是可以用連續(xù)介質(zhì)表述的圍巖，如整體狀圍巖、土質(zhì)圍巖、碎裂狀圍巖，其開(kāi)挖后的變形規(guī)律都可以用上述的基本規(guī)律表達(dá)。而在層狀圍巖及塊狀圍巖

20、，其變形動(dòng)態(tài)和規(guī)律則略有不同。例如垂直層狀圍巖和水平層狀圍巖其破壞模式基本上如圖21所示。a、水平層狀圍巖 b、垂直層狀圍巖圖21 層狀圍巖破壞模式圖從強(qiáng)度角度出發(fā)，多按巖石的單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分級(jí)，分為硬巖、中硬巖、軟巖及極軟巖、土砂等幾類。但應(yīng)認(rèn)識(shí)到，巖石強(qiáng)度與圍巖強(qiáng)度有著本質(zhì)上的差異，我們需要了解的是圍巖強(qiáng)度。因?yàn)?，決定坑道穩(wěn)定性的不是巖塊的強(qiáng)度，而是由包括巖塊、不連續(xù)面、充填物構(gòu)成的圍巖的強(qiáng)度。這可以通過(guò)對(duì)巖石強(qiáng)度的折減予以確定。依上所述，可以看出：初始地應(yīng)力場(chǎng)和圍巖的力學(xué)特性是評(píng)價(jià)圍巖變形動(dòng)態(tài)的重要指標(biāo)，兩者缺一不可。但從目前的技術(shù)和研究水平看，這兩個(gè)指標(biāo)都具有極大的不確定性。在多數(shù)情

21、況下是通過(guò)類比、試驗(yàn)、量測(cè)及經(jīng)驗(yàn)確定的。（3）圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比評(píng)價(jià)地質(zhì)（圍巖）條件的重要指標(biāo)隧道設(shè)計(jì)中如何評(píng)價(jià)隧道所處圍巖條件，它對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)究竟具有什么影響是一個(gè)現(xiàn)實(shí)而不可回避的問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題目前采用的方法是用上述兩個(gè)因素的比值，即：“圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比”這個(gè)概念來(lái)評(píng)價(jià)的。圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比Gn的定義是：圍巖內(nèi)部的最大地應(yīng)力值（max）與圍巖強(qiáng)度（RB）的比值。即：GnRb /max (1)式中max ：圍巖內(nèi)最大的初始地應(yīng)力值Rb：圍巖的抗壓強(qiáng)度值也可以用其倒數(shù)表述。構(gòu)造應(yīng)力會(huì)改變自重應(yīng)力的初始狀態(tài)，圍巖中的最大初始地應(yīng)力max可能不是垂直方向的，而是水平方向的。應(yīng)根據(jù)實(shí)際量測(cè)的數(shù)據(jù)而定。在沒(méi)

22、有量測(cè)數(shù)據(jù)的條件下，可采用垂直應(yīng)力為最大地應(yīng)力值或采用經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算值。圍巖強(qiáng)度通常采用圍巖的抗壓強(qiáng)度的實(shí)測(cè)值，對(duì)巖質(zhì)圍巖來(lái)說(shuō)，例如、級(jí)可采用巖石的抗壓強(qiáng)度，而其它級(jí)別的巖質(zhì)圍巖，則應(yīng)考慮對(duì)巖石強(qiáng)度進(jìn)行折減確定，對(duì)土質(zhì)圍巖則應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)的c、值通過(guò)計(jì)算決定。目前，確定圍巖強(qiáng)度的最有效的方法是通過(guò)對(duì)圍巖和構(gòu)成圍巖的巖石試件的彈性波速度的測(cè)試，用其速度平方的比值來(lái)確定。即：Rb=Rc（Vp/vp）2式中 Rc：巖石試件的抗壓強(qiáng)度Vp：圍巖的彈性波速度vp：巖石試件的彈性波速度圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比應(yīng)該沿隧道縱向逐段確定。目前在隧道工程施工中，都把圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比作為判斷圍巖穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，有的還作為圍巖分級(jí)

23、的重要指標(biāo)。表3是一些標(biāo)準(zhǔn)中采用的圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比的分級(jí)指標(biāo)，可以參考。圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比與圍巖開(kāi)挖后的破壞現(xiàn)象、穩(wěn)定性有關(guān)，特別是與隧道開(kāi)挖后的變形動(dòng)態(tài)有關(guān)。表3 圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比Gn分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)法國(guó)隧協(xié)>424<2我國(guó)工程圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)>747<4日本新奧法指南>424<2日本仲野分級(jí)>424<2我國(guó)的“工程圍巖分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的分級(jí)列于表4。表4 不同地應(yīng)力場(chǎng)的圍巖在開(kāi)挖中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象地應(yīng)力場(chǎng)情況主要現(xiàn)象RB/max極高地應(yīng)力場(chǎng)硬質(zhì)巖：開(kāi)挖過(guò)程中時(shí)有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁圍巖發(fā)生剝離新主裂縫多成洞性差，基坑有剝離現(xiàn)象，成形性差軟質(zhì)巖：巖芯常有餅

24、化現(xiàn)象，開(kāi)挖過(guò)程中洞壁圍巖有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不易成洞；基坑發(fā)生顯著隆起或剝離不易成形<4高地應(yīng)力場(chǎng)硬質(zhì)巖：開(kāi)挖過(guò)程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁圍巖有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂縫較多成洞性較差，基坑時(shí)有剝離現(xiàn)象，成形性般尚好軟質(zhì)巖：巖芯時(shí)有餅化現(xiàn)象開(kāi)挖工程中洞壁巖位移顯著，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，成洞性差，基坑有隆起現(xiàn)象，成形性較差47日本仲野采用圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比作為是否產(chǎn)生塑性地壓的指標(biāo)（表5）。表5 不同圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比開(kāi)挖中出現(xiàn)的現(xiàn)象圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比>424<2土壓特性不產(chǎn)生塑性地壓有時(shí)產(chǎn)生塑性地壓多產(chǎn)生塑性地壓這說(shuō)明：當(dāng)圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比大于4，隧道開(kāi)挖后，其周邊圍巖不

25、會(huì)出現(xiàn)塑性區(qū)，坑道是自穩(wěn)的。圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比也可以作為圍巖分級(jí)的重要參考指標(biāo)例如在Barton的圍巖分級(jí)中就把圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比作為重要指標(biāo)考慮在內(nèi)，如表6所示。表6 Barton的圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比分級(jí)應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)RB/maxRt/maxSRF圍巖強(qiáng)度充分，但有地應(yīng)力問(wèn)題的情況低地應(yīng)力、地表附近>200>132.5中等地應(yīng)力20010130.661.0高地應(yīng)力1050660330.52微弱的巖爆52.50330.16510強(qiáng)烈?guī)r爆<2.5<0.161020地應(yīng)力值高、擠出和塑性流動(dòng)的情況緩慢擠出510急劇擠出1020注：RB：圍巖抗壓強(qiáng)度；max：最大地應(yīng)力值；Rt：圍巖抗拉強(qiáng)

26、度；SRF：應(yīng)力狀態(tài)系數(shù)在日本道路公團(tuán)的隧道圍巖分級(jí)中，也把圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比作為中硬巖、軟巖及土砂圍巖分級(jí)的一個(gè)重要參考指標(biāo)（表7）加以考慮。表7 日本隧道圍巖分級(jí)中的圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比基準(zhǔn)圍巖種類中硬巖軟巖土砂圍巖級(jí)別D巖類E巖類F巖類粘性土砂質(zhì)土INGN24>GN2GN2IS2>GN1.52>GN1.52>GN1.5IL特S1.5>GN1.5>GN1.5>GN表7說(shuō)明，并不需要在所有的圍巖中考慮圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比。只是在中硬巖，軟巖和土砂圍巖中考慮，也不是在所有的級(jí)別中考慮，只是在很低的級(jí)別中考慮。根據(jù)以上所述，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到“圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比”是判定圍巖條件的重

27、要指標(biāo)。它基本上決定了隧道開(kāi)挖后的變形動(dòng)態(tài)。因此，加強(qiáng)決定圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比的兩個(gè)條件，即：初始地應(yīng)力場(chǎng)的最大應(yīng)力和圍巖強(qiáng)度的研究是非常重要的。眾所周知，坑道圍巖的穩(wěn)定性是由圍巖自身的強(qiáng)度和坑道的尺寸所決定的。其中，由圍巖的物理力學(xué)和圍巖完整性決定的圍巖強(qiáng)度是最基本的因素。因此，在一些國(guó)家中，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了大量的試驗(yàn)的、理論的以及設(shè)計(jì)值的研究。例如，日本根據(jù)隧道施工事例的凈空位移和拱頂下沉量測(cè)結(jié)果、實(shí)施的支護(hù)模式及數(shù)值解析結(jié)果計(jì)算出圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比和隧道斷面變形率的關(guān)系示于圖22據(jù)此，可以知道，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比小，斷面變形率大。特別是，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比在2以下，斷面變形率急劇增加。圖22圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比和

28、斷面變形率這里以日本公路隧道的圍巖分級(jí)的圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為基準(zhǔn)，按圖22讀取斷面變形率，兩者的關(guān)系列于表8。表8 斷面變形率的范圍圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比斷面變形率（）4以上0.3以下420.10.5210.50.81以下0.8以上注：（斷面變形率隧道凈空位移值/隧道開(kāi)挖寬度×100）。由表可知，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比在1以下，斷面變形率在0.8以上，需要采用能夠控制變形的施工技術(shù)。這樣，就可以在事前調(diào)查及隧道施工時(shí)的量測(cè)結(jié)果掌握圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比，也就是掌握了斷面變形率。因此，在無(wú)支護(hù)坑道穩(wěn)定性的研究中，研究圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比的確定、應(yīng)用是非常重要的。32外部因素（人為的因素）外部因素對(duì)隧道變形的影響，也不容

29、忽視。其中包括隧道形狀、跨度、埋深及施工方法等。1）隧道形狀的影響目前的理論解析多數(shù)是以圓形坑道為基礎(chǔ)的，當(dāng)坑道形狀不是圓形時(shí)，相應(yīng)的公式都要改變，此時(shí)可用有限元法進(jìn)行求解。但在初步設(shè)計(jì)中，亦可采用將不同形狀坑道變換成當(dāng)量的圓形坑道的方法近似地加以分析，或直接以坑道跨度代替公式中的坑道直徑亦可，但并不是所有的坑道形狀都可以這樣做。根據(jù)理論計(jì)算分析，各種形狀坑道的頂點(diǎn)（A點(diǎn)）和側(cè)壁中點(diǎn)（B點(diǎn)）的切向應(yīng)力可用下式表述：頂點(diǎn)：側(cè)壁中點(diǎn)：式中：為側(cè)壓力系數(shù)；當(dāng)1時(shí)，A、B兩點(diǎn)的坑道周邊應(yīng)力集中系數(shù)，列表6。由表9可知：編號(hào)4、5、6的坑道，基本上都可以按圓形坑道來(lái)處理，不會(huì)造成很大誤差。對(duì)鐵路隧道來(lái)說(shuō)

30、，雙線隧道斷面直接采用圓形斷面的求解公式是可行的。表9 不同坑道形狀的周邊應(yīng)力集中系數(shù)2）隧道斷面尺寸的影響隧道斷面尺寸影響的概念示于圖23。在同樣的圍巖中，隧道斷面尺寸，一般說(shuō)不會(huì)改變開(kāi)挖后的變形規(guī)律，僅僅是量值上有所不同而已。但從另一角度看，隨著斷面尺寸的加大，圍巖的地質(zhì)模式可能改變，如從整體狀，變?yōu)閴K狀，或碎裂狀等。實(shí)質(zhì)上是圍巖級(jí)別改變了（圖23）。因此，坑道的穩(wěn)定性也會(huì)隨坑道尺寸的加大而改變，例如從穩(wěn)定的，變?yōu)闀簳r(shí)穩(wěn)定的或不穩(wěn)定的。 圖23 隧道斷面尺寸影響的概念圖如何處理跨度的影響，目前有兩者方法。一個(gè)是改變圍巖級(jí)別，一個(gè)是改變支護(hù)模式。從國(guó)內(nèi)外的設(shè)計(jì)施工實(shí)績(jī)看，多數(shù)國(guó)家都采用改變支

31、護(hù)模式的方法予以對(duì)應(yīng)。因此，在同一圍巖級(jí)別條件下，因坑道跨度不同，會(huì)有幾種支護(hù)模式出現(xiàn)。也就是說(shuō)，支護(hù)模式與圍巖級(jí)別不是一一對(duì)應(yīng)的。在圍巖級(jí)別確定的條件下，一種支護(hù)模式其適應(yīng)的跨度也有一定的范圍。目前，客運(yùn)專線的隧道斷面設(shè)計(jì)，根據(jù)列車(chē)速度而異，在同樣圍巖條件下，其開(kāi)挖跨度大體上，從7m變化到16m左右。顯而易見(jiàn)，對(duì)開(kāi)挖跨度合理分級(jí)，決定其對(duì)應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，是在控制技術(shù)研究中必須解決的問(wèn)題。日本新的公路隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（構(gòu)造篇），就按開(kāi)挖跨度分為3級(jí)：58m、812.5m和12.514.0m三級(jí)。從穩(wěn)定性角度出發(fā)，要進(jìn)行跨度分級(jí)就必須解決無(wú)支護(hù)跨度的問(wèn)題。例如根據(jù)Barton對(duì)約30個(gè)無(wú)支護(hù)空洞的

32、調(diào)查，給出圖24無(wú)支護(hù)坑道的坑道與Q值的關(guān)系并用下式表示。無(wú)支護(hù)空洞跨度2×Q0.66圖24 Q值與無(wú)支護(hù)坑道跨度的關(guān)系3）隧道埋深的影響； 隧道埋深，對(duì)開(kāi)挖后隧道變形的影響是很顯著的。埋深的影響有雙重意義，一個(gè)是深淺埋隧道的劃分，一個(gè)是深埋隧道不同埋深條件下的變形動(dòng)態(tài)。淺埋與深埋相比，主要是難以形成承載拱。視地質(zhì)條件會(huì)出現(xiàn)拱頂下沉急劇增大、地表下沉和開(kāi)裂以及掌子面不穩(wěn)定等現(xiàn)象。而后者則是在同樣圍巖條件下，隨埋深的增加，變形急劇增長(zhǎng)，甚至變得不穩(wěn)定。首先談地表下沉與埋深有密切關(guān)系。從圖25的模型試驗(yàn)結(jié)果可以說(shuō)明，埋深大時(shí)，在隧道橫斷面內(nèi)形成了承載拱，開(kāi)挖引起的下沉，局限在隧道周邊，而

33、埋深小時(shí)，沒(méi)有形成承載拱，開(kāi)挖下沉?xí)苯舆_(dá)到地表面。圖25模型試驗(yàn)的埋深與地表下沉因此，我們基本上把開(kāi)挖的影響達(dá)到地表面的隧道，定義為淺埋隧道。其變形動(dòng)態(tài)在前面已經(jīng)說(shuō)明。埋深的增加，實(shí)質(zhì)上就是初始地應(yīng)力場(chǎng)量值的增加，而且，如上所述，圍巖的側(cè)壓力系數(shù)也會(huì)隨之變化，因此隧道開(kāi)挖后的變形動(dòng)態(tài)，也會(huì)出現(xiàn)很大的差異。在同樣圍巖條件下，其變形動(dòng)態(tài)可能從彈性變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄宰冃?，甚至發(fā)生與時(shí)間有關(guān)的流變變形等。4）施工方法的影響；施工方法對(duì)隧道開(kāi)挖后的變形動(dòng)態(tài)的影響是非常顯著的。其影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）橫斷面開(kāi)挖的分部開(kāi)挖；一般說(shuō)開(kāi)挖分部越多，在同樣地質(zhì)條件下，其位移值也越大。因此，從控制位移的角度出發(fā)，采用不分部或少分部的開(kāi)挖方法是主流的開(kāi)挖方法。這也是選定開(kāi)挖方法的一個(gè)重要原則。從這個(gè)角度出發(fā)，當(dāng)然選擇全斷面法或者臺(tái)階法是最好的。從快速施工的角度出發(fā)也是這樣。（2）開(kāi)挖縱斷面形狀另外，如圖26所示的開(kāi)挖縱斷面形狀，這是一般采用的縱向分割施工的，但要考慮隧道全體的穩(wěn)定，決定上半斷面、下半斷面、