隧道軟弱圍巖變形機制與控制技術研究

于麗副教授西南交通大學2014年7月隧道軟弱圍巖變形機制與控制技術一、緒論二、軟弱圍巖地質(zhì)特征與工程影響評價三、隧道軟弱圍巖變形機制與變形規(guī)律研究四、軟弱圍巖隧道支護結(jié)構與圍巖作用體系五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究六、隧道軟弱圍巖變形控制的工程實踐內(nèi)容提要一、緒論據(jù)統(tǒng)計，截止到2010年底，我國已經(jīng)建成的鐵路隧道總長度已經(jīng)超過7000km，在建鐵路隧道總長度已超過7500km，正在設計和規(guī)劃建設的隧道總長度超過10000km。由此可見我國鐵路隧道建設的總量已經(jīng)遠遠領先世界其它國家，我國已經(jīng)成為名副其實的隧道大國。

但是，我國隧道的建設情況如何呢？一、緒論

剛開通運營的張集鐵路舊堡隧道，全長9585m，洞身主要通過太古界變質(zhì)巖，因受多期地質(zhì)構造運動作用，斷裂構造極為發(fā)育，施工揭示的地層普遍發(fā)育隱性節(jié)理、斷層、糜棱巖化破碎帶、節(jié)理密集帶等，將巖體切割成碎石狀結(jié)構，圍巖自穩(wěn)性極差，遇水軟化，變形量大，多次發(fā)生坍塌和變形侵限，嚴重制約工程進度，影響全線工期18個月。一、緒論

襄渝二線新蜀河隧道，全長8989m。洞身穿越的主要巖性為石英云母片巖、石英云母片巖夾炭質(zhì)片巖互層、炭質(zhì)片巖等，在區(qū)域地質(zhì)構造作用下，地層強烈扭曲揉皺，產(chǎn)生大量密集的節(jié)理和順層摩擦鏡面，巖體的整體性遭到嚴重破壞，施工過程中頻繁出現(xiàn)嚴重變形、侵限、拆換、塌方、二襯開裂以及其他危及施工安全的現(xiàn)象，對該隧道的施工組織造成嚴重影響。一、緒論

太中銀鐵路興旺峁隧道，全長11070m，隧道上部覆蓋為黃土，下面為砂巖，隧道洞身處于粉質(zhì)黏土與砂泥巖界面附近，受土石界面處地下水的影響，圍巖軟化嚴重，局部地段還出現(xiàn)了大量涌水和流沙現(xiàn)象，發(fā)生了大量的變更設計，增加投資約2.8億元。一、緒論

正在建設的北同蒲四線雁門關隧道，全長14085m，洞身主要穿越為古老變質(zhì)巖地層，受多期構造影響嚴重，巖體極破碎，黑云母變粒巖等巖體，遇水軟化嚴重，圍巖強度低，大部分為Ⅴ級圍巖，變形量大，施工進度緩慢，現(xiàn)在已嚴重影響工程的工期。一、緒論

在建的蘭渝鐵路桃樹枰隧道，全長3220m，為第三系含水未成巖砂巖，自穩(wěn)能力差，無膠結(jié)，稍有擾動即成松散粉狀結(jié)構，呈流塑狀，大部分為Ⅵ級圍巖，平均每個工作面月進度不足15m，設置5座斜井，嚴重影響蘭州鐵路樞紐的運輸過渡，投資也大大增加。一、緒論

蘭渝鐵路的蘭州至廣元段共有66座隧道，總長343km，占該段線路總長的70%，本線主要分布有三套軟巖地層，其中通過二疊系板巖、炭質(zhì)板巖地層隧道長度16.7km，主要代表隧道有木寨嶺、紙坊隧道；通過三疊系板巖地層隧道長度54.1km，主要影響哈達鋪、馬家山、同寨、青崗、新城子、毛羽山、天池坪等7座隧道；通過志留系千枚巖、炭質(zhì)千枚巖地層隧道長度11.5km，主要影響兩水、清水、魯壩等隧道；這些軟弱圍巖隧道在施工過程中，變形量大，平均變形量在30～50cm，局部地段甚至超過100cm，多次進行拆換處理，施工進度緩慢，部分隧道發(fā)生塌方，安全風險大。一、緒論成（都）蘭（州）鐵路成都至哈達鋪段，全長459km，其中設計隧道36座，長度323km，占正線總長的70%以上。該線主要地質(zhì)問題是活動斷裂多，軟巖分布多，地應力高，巖溶發(fā)育。全線隧道以千枚巖、板巖為主，軟巖地層占隧道總長的53%，高地應力軟弱大變形問題將是成蘭鐵路的最突出難題。一、緒論

在當前鐵路隧道建設中問題最多、困難最大、風險最高的問題是軟弱圍巖隧道的施工問題。在建的7500km鐵路隧道中，有大約30～40%屬于軟弱圍巖，長度超過2500km，并且正在設計和規(guī)劃修建的鐵路隧道中，軟弱圍巖所占的比重更大，因此，解決軟弱圍巖隧道的設計和施工問題，是迫在眉睫的問題。

一、緒論第一，滿足工程需要，盡快解決當前大規(guī)模鐵路建設中軟弱圍巖隧道變形控制的難題，為鐵路建設服務。第二，從理論上進行深化研究，探索軟弱圍巖隧道變形的規(guī)律，揭示軟弱圍巖隧道變形的實質(zhì)。第三，研究一套實用的、可有效控制軟弱圍巖隧道變形的技術措施，以指導以后類似工程的設計與施工。第四，總結(jié)形成“軟弱圍巖隧道變形控制機制和控制對策”的技術成果，提升我國隧道工程特別是軟弱圍巖隧道工程的整體技術水平。軟弱圍巖的含義及力學特性

1981年在東京召開的“國際軟巖學術討論會”規(guī)定“軟弱、破碎和風化巖石”為軟巖。國際巖石力學學會(ISRM)定義：單軸抗壓強度0.5~25MPa的巖石。何滿潮：地質(zhì)軟巖和工程軟巖分別予以定義；孫鈞：引入“不穩(wěn)定圍巖”作為軟巖的條件，“在高地應力、地下水和強風化作用下，具有顯著滲流、膨脹、或崩解特性的軟弱、破碎、風化和節(jié)理化圍巖，簡稱為不穩(wěn)定圍巖巖體”。日本學者R.Yoshinaka分別對凝灰?guī)r、粉砂巖、泥巖和砂巖等四種軟巖進行了三軸固結(jié)不排水剪切試驗，試驗表明，盡管在高圍壓作用下變形模量呈非線性增加，但一旦屈服變形模量隨軸向塑性應變呈指數(shù)衰減。一、緒論隧道圍巖變形機理

一、緒論——國內(nèi)外研究現(xiàn)狀圍巖結(jié)構變形機理破壞機制研究分析方法整體狀結(jié)構彈塑性變形剪切破壞、拉伸破壞連續(xù)介質(zhì)力學塊狀結(jié)構結(jié)構面張開或閉合結(jié)構體沿結(jié)構面滑動塊體滑移理論、統(tǒng)計巖體力學、離散元方法層狀結(jié)構結(jié)構面張開或閉合；板、梁的彎曲彎折、潰曲、傾倒層狀介質(zhì)力學、結(jié)構力學碎裂狀結(jié)構結(jié)構面張開或閉合結(jié)構體壓密、松弛視連續(xù)介質(zhì)力學散體結(jié)構塑性變形和剪切破壞塌方、底鼓、洞體收縮軟弱圍巖隧道支護作用理論20世紀初形成了古典壓力理論-塌落拱理論，提出圍巖具有自承能力。20世紀50年代以來，人們開始用彈塑性力學來解決隧道支護問題。20世紀60年代提出新奧法理念，一直到現(xiàn)在大部分工程仍采用。20世紀70年代提出了能量支護理論。20世紀80年代初意大利PietroLunardi通過三維空間分析，提出了巖土控制變形分析施工（ADECO-RS）工法。國內(nèi)：于學馥提出“軸變論”理論、陸家梁等提出聯(lián)合支護理論、孫鈞等提出錨噴弧板支護理論、董方庭提出松動圈理論、方祖烈提出主次承載區(qū)支護理論、何滿潮提出軟弱圍巖工程力學支護理論……一、緒論——國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隧道軟弱圍巖變形控制技術我國公路隧道設計規(guī)范（GTJD70-2004）提出：可縮式鋼架+高強度錨桿+及時仰拱，以抵抗膨脹壓力，控制軟巖變形。鐵路隧道設計規(guī)范（TB10003-2005）提出：曲墻有仰拱+鋼筋（或鋼架）混凝土結(jié)構，采用圓形或近圓形的馬蹄形斷面控制膨脹軟巖。早期工程實踐中，應對軟巖大變形普遍是反復擴挖……日本近期在東海道新干線的飯山隧道：多重支護，效果較好。瑞士等國家廣泛采用U型鋼可縮性支架進行隧道開挖初期支護……一、緒論——國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

典型軟弱圍巖隧道的工程案例陶恩隧道（1975年，長6.4km，埋深0.6～1km）穿越阿爾卑斯山的雙向公路隧道：采用長錨桿（6～9m）+可縮鋼架以及噴層預留縱向變形接縫等加強措施進行擴挖作業(yè)，取得成功。阿爾貝格隧道：厚20～25cm噴砼+可縮式鋼架+6m長錨桿。日本惠那山雙洞隧道：Ⅰ號隧道先修，大變形嚴重；Ⅱ號隧道：長錨桿（9～13.5m）+預留變形量（上50cm，下30cm）+鋼纖維噴砼（厚25cm）+可縮式鋼架+45cm厚二襯素砼，取得成功。我國南昆鐵路家竹箐隧道、臺灣北部第二高速公路木柵隧道、都靈鐵路隧道、圣哥達隧道、襄渝二線新蜀河隧道、烏鞘嶺特長隧道、木寨嶺公路隧道……一、緒論——國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隧道軟弱圍巖還沒有一個清晰的概念。隧道軟弱圍巖變形機理有待進一步研究。對軟弱圍巖隧道變形控制的理念認識不統(tǒng)一。沒有形成系統(tǒng)的變形控制設計理論。缺乏隧道變形值的控制標準。軟巖隧道施工工法和工藝與采取的控制措施不配套。一、緒論——研究中存在的主要問題

二、軟弱圍巖地質(zhì)特征與工程影響評價軟弱圍巖的含義隧道軟弱圍巖就是用通常的初期支護及簡易的小導管支護不能控制開挖后的圍巖變形，而需要采用“有針對性的控制變形對策”（即所謂的輔助工法）的圍巖。軟弱圍巖的地質(zhì)特征（1）軟弱圍巖由于強度低，對工程擾動極其敏感，在受拉或受壓條件下將產(chǎn)生塑性區(qū)，使圍巖和支護發(fā)生變形。一旦施工方法和工程措施不當，將極易發(fā)生初期支護變形侵限和隧道坍方等工程災害。（2）從隧道開挖后的圍巖變形看，在軟弱圍巖中開挖，經(jīng)常出現(xiàn)拱頂崩塌、掌子面失穩(wěn)、底鼓現(xiàn)象嚴重、長時間的持續(xù)變形或變形不收斂、初期支護嚴重變異、在富水條件下出現(xiàn)異常涌水與圍巖流失等。軟弱圍巖的變形特征（1）變形量大（2）初期變形速度快（3）變形持續(xù)時間長（4）圍巖破壞范圍大（5）壓力增長快（6）變形破壞形式多樣二、軟弱圍巖地質(zhì)特征與工程影響評價軟弱圍巖的強度特征（1）軟弱圍巖的強度隨巖石強度的降低而降低。當圍巖的完整性及結(jié)構面特征恒定時，則圍巖的強度和巖石強度呈線性變化。（2）當構成圍巖的巖石強度恒定時，圍巖強度隨圍巖的完整性系數(shù)減小而降低，即圍巖越完整，圍巖強度越接近巖石強度，圍巖越破碎，圍巖強度越小。（3）當圍巖中存在控制性軟弱結(jié)構面時，如存在斷層、擠壓破碎帶，則圍巖的強度受結(jié)構面產(chǎn)狀與洞軸關系以及結(jié)構面強度兩個因素的影響。（4）軟弱圍巖的強度受地下水影響較敏感，地下水對軟弱圍巖有顯著的軟化和泥化作用。二、軟弱圍巖地質(zhì)特征與工程影響評價軟弱圍巖分類與分級——地質(zhì)分級（工程地質(zhì)手冊）二、軟弱圍巖地質(zhì)特征與工程影響評價軟弱圍巖分類與分級——軟巖工程分類何滿潮）二、軟弱圍巖地質(zhì)特征與工程影響評價軟弱圍巖分類與分級——軟巖工程分類名稱概念巖性舉例水敏型軟巖遇水軟化或解體的巖類黃土、粘土類巖，泥鈣質(zhì)膠結(jié)巖，片巖類巖結(jié)構型軟巖易發(fā)生結(jié)構裂解的巖類層片狀巖、半成巖弱膠結(jié)巖、泥鈣質(zhì)膠結(jié)巖應力型軟巖強度低于應力的巖類各類中低強度巖（與賦存的應力場有關）伍法權研究員結(jié)合隧道施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的一些新的地質(zhì)特征和破壞現(xiàn)象，提出了三類特殊類型軟巖的概念。二、軟弱圍巖地質(zhì)特征與工程影響評價軟弱圍巖分類與分級——鐵路隧道軟弱圍巖等級劃分建議表三、隧道軟弱圍巖變形機制與變形規(guī)律研究隧道圍巖變形機制三、隧道軟弱圍巖變形機制與變形規(guī)律研究隧道圍巖變形規(guī)律——監(jiān)控量測龜浦隧道變形監(jiān)測大斷面黃土隧道雙側(cè)壁導坑法施工拱頂沉降曲線

三、隧道軟弱圍巖變形機制與變形規(guī)律研究隧道圍巖變形規(guī)律——數(shù)值模擬隧道縱剖面拱頂變形曲線掌子面擠出變形曲線不同等級圍巖無支護狀態(tài)下隧道縱向變形示意圖三、隧道軟弱圍巖變形機制與變形規(guī)律研究隧道圍巖變形規(guī)律——變形分布規(guī)律隧道開挖過程變形實態(tài)示意圖三、隧道軟弱圍巖變形機制與變形規(guī)律研究隧道圍巖變形規(guī)律——隧道斷面尺寸對圍巖變形的影響隧道斷面尺寸對圍巖結(jié)構的影響概念圖不同斷面尺寸對應的圍巖結(jié)構、及其變形機制隧道斷面尺寸圍巖結(jié)構變形機制小斷面隧道整體塊狀結(jié)構彈性、塑性、黏性變形較大斷面隧道層狀結(jié)構板、梁的彎曲；結(jié)構面張開或閉合大斷面隧道塊狀結(jié)構巖塊的滑動、滾動；結(jié)構面張開或閉合特大斷面隧道碎裂結(jié)構碎塊的塌落；碎塊之間相互錯動、擠密和舒張1.整體塊狀結(jié)構；2.層狀結(jié)構；3.塊狀結(jié)構；4.碎裂結(jié)構三、隧道軟弱圍巖變形機制與變形規(guī)律研究隧道圍巖變形規(guī)律——隧道斷面分級鐵路隧道斷面分級建議標準斷面類別小斷面中斷面大斷面特大斷面開挖斷面積(m2)<7070～100100～140>140適用隧道時速小于等于160km的單線隧道時速小于140kmⅡ～Ⅲ級圍巖雙線隧道,時速200km和250km單線隧道時速300～350km單線隧道、時速小于160km的Ⅳ～Ⅴ級圍巖雙線隧道，時速160km、200km的雙線隧道，時速250km的Ⅱ、Ⅲ級圍巖雙線隧道，時速300～350km的Ⅱ級圍巖雙線隧道時速250km的Ⅳ、Ⅴ級圍巖雙線隧道，時速300～350km的Ⅲ～Ⅴ級圍巖雙線隧道三、隧道軟弱圍巖變形機制與變形規(guī)律研究隧道圍巖變形規(guī)律——隧道跨度分級鐵路隧道跨度分級建議標準斷面類別小跨度中跨度大跨度特大跨度開挖跨度(m)5.0～8.58.5～12.012.0～14.014.0～16.0適用隧道時速小于等于160km單線隧道時速200km、250km單線隧道，時速140km的雙線隧道時速300～350km單線隧道，時速160km、200km雙線隧道，時速250km的Ⅱ、Ⅲ級圍巖雙線隧道，時速300～350km的單線隧道時速250km的Ⅳ、Ⅴ級圍巖雙線隧道，時速300～350km的雙線隧道三、隧道軟弱圍巖變形機制與變形規(guī)律研究隧道軟弱圍巖變形規(guī)律特點（1）軟弱圍巖隧道掌子面前方變形的范圍大。（2）軟弱圍巖隧道掌子面前方變形在總變形中所占比例大。（3）軟弱圍巖隧道掌子面后方變形的范圍大。（4）軟弱圍巖隧道開挖初期變形速度快。（5）軟弱圍巖隧道變形持續(xù)時間長。（6）軟弱圍巖隧道變形量大。如蘭武二線烏鞘嶺隧道、青藏線新關角隧道Ⅰ線、Ⅱ線隧道、蘭渝線兩水隧道、天平山隧道等。三、隧道軟弱圍巖變形機制與變形規(guī)律研究隧道軟弱圍巖變形規(guī)律的數(shù)值模擬Ⅴ級圍巖雙線隧道拱項下沉vs開挖步Ⅴ級圍巖雙線隧道上臺階收斂vs開挖步Ⅴ級圍巖雙線隧道下臺階收斂vs開挖步不同斷面尺寸不同圍巖級別的拱頂沉降四、軟弱圍巖隧道支護結(jié)構與圍巖作用體系研究軟弱圍巖隧道支護與圍巖作用關系隧道施工中圍巖力學狀態(tài)變化過程隧道結(jié)構體系示意圖軟弱圍巖隧道支護結(jié)構設計理念

(1)隧道支護結(jié)構分為超前支護、初期支護和二次襯砌，其中超前支護和初期支護與圍巖體共同形成承載結(jié)構，二次襯砌僅作為安全儲備，主要承擔附加荷載和殘余變形引起的荷載。

(2)初期支護承受全部荷載，指的是圍巖在初期支護的作用下完全可以實現(xiàn)自穩(wěn)；二次襯砌作為安全儲備，并不是說二次襯砌不受力，由于巖土介質(zhì)的流變特性以及二次襯砌施作后圍巖、初期支護、二次襯砌間應力的轉(zhuǎn)移和重新分布，二次襯砌必然受力。四、軟弱圍巖隧道支護結(jié)構與圍巖作用體系研究軟弱圍巖隧道中超前支護的作用

對于軟弱圍巖隧道而言，當原始地應力極高時，過早地施作剛度較大的支護結(jié)構，反而有可能使支護結(jié)構因受力過大而破壞。

在軟弱圍巖隧道不良地質(zhì)段施工中，往往可以通過超前支護改良地質(zhì)條件，使初期支護更好的發(fā)揮其承載能力。此時，超前支護起到了重要的橋梁和紐帶作用，通過地層改良降低了初期支護與圍巖的強度比和剛度比，使初期支護能夠或者更好的聯(lián)合圍巖承受全部荷載。四、軟弱圍巖隧道支護結(jié)構與圍巖作用體系研究軟弱圍巖隧道支護結(jié)構的力學評價

超前支護的力學特性初期支護的力學特性二次襯砌的力學特性軟弱圍巖隧道支護結(jié)構的基本要求四、軟弱圍巖隧道支護結(jié)構與圍巖作用體系研究隧道支護結(jié)構與圍巖作用模型平面應變計算模型模型彈塑性區(qū)應力與變形求解四、軟弱圍巖隧道支護結(jié)構與圍巖作用體系研究鐵路隧道軟弱圍巖彈塑性計算與分析計算工況與計算參數(shù)計算工況軟弱圍巖分級對應圍巖級別彈性模量E(GPa)泊松比μ內(nèi)摩擦角φ(°)粘聚力c(KPa)工況1軟巖Ⅰ級Ⅴ12.00.3527200工況2軟巖Ⅱ級Ⅴ21.00.452050工況3軟巖Ⅲ級Ⅵ0.10.451540數(shù)值模擬對比模型網(wǎng)格與邊界條件

四、軟弱圍巖隧道支護結(jié)構與圍巖作用體系研究鐵路隧道軟弱圍巖彈塑性計算與分析——塑性區(qū)范圍計算圍巖塑性區(qū)半徑與應力釋放率系數(shù)的關系曲線（1）塑性區(qū)范圍隨應力釋放系數(shù)的增大不斷增大，且增大趨勢越來越明顯。同樣的應力釋放系數(shù)條件下，圍巖條件越差，塑性區(qū)的范圍越大。（2）當應力釋放系數(shù)達到一定程度后，隧道開挖階段將出現(xiàn)大量塑性區(qū)，且無論支護結(jié)構參數(shù)如何都不能改變圍巖塑性區(qū)范圍。（3）為避免或盡量減小圍巖出現(xiàn)塑性變形，一方面要及時支護，減小支護結(jié)構施做前的圍巖應力釋放；另一方面要使支護結(jié)構具有一定的剛度，尤其是早期剛度，以提供足夠的支護抗力來抵制圍巖塑性變形的發(fā)展。四、軟弱圍巖隧道支護結(jié)構與圍巖作用體系研究鐵路隧道軟弱圍巖彈塑性計算與分析——模型應力場計算模型應力場計算結(jié)果（1）徑向應力由洞周向外逐漸增大，在模型遠場邊界達到原巖應力水平；圍巖條件的變化對圍巖彈性區(qū)徑向應力的分布影響較小，而對塑性區(qū)徑向應力的分布存在一定的影響，主要表現(xiàn)在圍巖條件越差，圍巖塑性區(qū)的徑向應力越大。（2）圍巖環(huán)向應力由洞內(nèi)向外存在一個先增大后減小的過程，在彈塑性交界面處達到最大值；同樣圍巖條件的變化對圍巖彈性區(qū)環(huán)向應力的分布影響較小，而對塑性區(qū)環(huán)向應力的分布影響較大，主要表現(xiàn)在圍巖條件越差，圍巖塑性區(qū)的環(huán)向應力越小。（3）支護結(jié)構、圍巖環(huán)向應力均由洞內(nèi)向外逐漸減小，在二者接觸界面發(fā)生跳躍，只是支護結(jié)構環(huán)向應力要遠大于圍巖，且圍巖條件越差，支護結(jié)構的環(huán)向應力越大。(a)

徑向應力

(b)

環(huán)向應力

四、軟弱圍巖隧道支護結(jié)構與圍巖作用體系研究鐵路隧道軟弱圍巖彈塑性計算與分析——模型位移場計算模型位移場計算結(jié)果（1）由于支護結(jié)構施做前的圍巖應力釋放，造成隧道支護結(jié)構圍巖最終位移并不連續(xù)，在二者接觸界面發(fā)生跳躍；隧道開挖引起的圍巖變形由洞周向外逐漸減小，且隨應力釋放系數(shù)的增大逐漸增大；另外數(shù)值解與解析解完全吻合，再次印證了本文考慮應力釋放解析模型的正確性。

（2）開挖面圍巖位移隨著應力釋放系數(shù)的增大而增大，且開挖面附近圍巖變形隨應力釋放系數(shù)增大而增大的更為明顯，可見及時施做支護結(jié)構可以有效的抑制圍巖變形。(a)

不同圍巖條件(b)不同應力釋放率四、軟弱圍巖隧道支護結(jié)構與圍巖作用體系研究鐵路隧道軟弱圍巖彈塑性計算與分析——模型位移場計算模型位移場計算結(jié)果（3）開挖面圍巖位移釋放量（支護結(jié)構施作前后的圍巖變形量的比值）隨著應力釋放系數(shù)的增大而增大，且初始階段增大較為明顯，后來增大幅度逐漸降低。當洞室開挖規(guī)模及應力釋放系數(shù)一定，移釋放量與支護圍巖的剛度比關系緊密，支護結(jié)構剛度越大，支護結(jié)構施做后對圍巖變形的約束力越強。

（4）位移釋放量反映了支護結(jié)構施做前后開挖面圍巖變形的比值，該值越大表明支護結(jié)構施做前的圍巖變形量也就越大。然而隧道開挖后的洞內(nèi)變形監(jiān)測多是在支護結(jié)構施做后進行，當位移釋放量較大時，開挖面圍巖變形量遠大于此時的支護結(jié)構變形量，因此將支護結(jié)構變形等價于圍巖變形來判斷其是否超出圍巖“預留變形量”是不科學的。(a)

不同圍巖條件(b)不同應力釋放率五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究隧道軟弱圍巖變形控制原則式中：為全變形；為超前變形；為初始變形；為量測變形；為控制標準。變形控制原則圍巖類型備注原則一初期支護承擔開挖后釋放的全部荷載穩(wěn)定性較好隧道開挖后，圍巖具有一定的自穩(wěn)時間，以保證初期支護擁有足夠的施做時間原則二超前支護和初期支護承擔開挖后釋放的全部荷載穩(wěn)定性較差隧道開挖后，圍巖的自穩(wěn)時間很短，初期支護來不及施做，圍巖變形就可能超過其容許范圍原則三變形長期不收斂時，用二次襯砌負擔未收斂部分的荷載變形長期不收斂的特殊圍巖圍巖具有明顯的黏性變形，需很長時間變形才能收斂。此時，二次襯砌應按具有力學功能的結(jié)構物進行設計不同類型圍巖的變形控制原則

五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究隧道軟弱圍巖變形控制原理——控制理念（1）剛性結(jié)構：加強支護和襯砌結(jié)構的剛度；提高圍巖的自支護能力。前者適用于地表有結(jié)構物，對沉降控制有一定的要求，不具備在地面采取工程措施等條件，這種情況下只有在洞內(nèi)采取加強的工程措施；后者適用于洞口段或淺埋隧道段，附近有結(jié)構物，對隧道沉降或變形有較高的要求，地表作業(yè)場地開闊，工期比較緊張等條件，這種情況下可大面積同時進行地層的加固改良。（2）柔性結(jié)構：多重支護、可縮式支護、分階段綜合控制。（3）剛?cè)峤Y(jié)合：允許圍巖發(fā)生變形，但其變形不能超過圍巖變形允許值，即把圍巖變形控制在允許值之內(nèi)。首先是采用初期支護控制圍巖變形，對于自穩(wěn)時間很短，初期支護來不及施做就可能坍塌的圍巖，則采取超前支護措施預先控制圍巖荷載的釋放，使圍巖荷載控制在初期支護能夠承受的范圍之內(nèi)?？梢?，剛?cè)峤Y(jié)合的控制理念是要讓初期支護承擔圍巖釋放的全部荷載，讓超前支護控制圍巖荷載的釋放程度。五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究隧道軟弱圍巖變形控制原理——變形控制基準圍巖級別凈空位移值小跨度～較大跨度大跨度～特大跨度Ⅵ150mm200mmⅤ100～150mm150～200mmⅣ50～100mm100～150mmⅠ～Ⅲ50mm以下100mm以下鐵路隧道的凈空位移的管理基準

圍巖級別拱頂下沉小跨度～較大跨度大跨度～特大跨度Ⅵ200mm350mmⅤ100～200mm200～300mmⅣ50～100mm100～200mmⅠ～Ⅲ50mm以下100mm以下鐵路隧道的拱頂下沉的管理基準

五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究隧道軟弱圍巖變形控制原理——變形控制基準鐵路隧道掌子面超前變形的管理基準

鐵路隧道掌子面后方初期變形速度的管理基準

圍巖級別掌子面超前變形Ⅴ～Ⅵ

總變形的20～30％圍巖級別掌子面擠出變形小跨度～較大跨度大跨度～特大跨度Ⅴ～Ⅵ

50mm～70mm70mm～100mmⅣ小于50mm小于70mm鐵路隧道掌子面變形的管理基準

圍巖級別腳部下沉量Ⅴ～Ⅵ

小于拱頂下沉值鐵路隧道腳部下沉的管理基準

圍巖級別掌子面后方初期凈空變形速度小跨度～較大跨度大跨度～特大跨度Ⅴ～Ⅵ10mm/d20mm/d五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究隧道軟弱圍巖變形控制方法——控制掌子面超前變形超前支護的種類和特征工法名稱短超前支護長鋼管水平旋噴注漿預襯砌管幕充填式注漿式工法概況用鉆孔臺車沿掌子面外周每隔60cm打入超前錨桿（鋼筋）等用鉆孔臺車沿掌子面外周打入中空錨桿，并注漿，打入間隔約60cm。用鉆孔臺車或?qū)Ｓ脵C械打設直徑約100mm的鋼管并注漿。間隔45～60cm用專用機械鉆孔后，從前端噴射攪拌地層。間隔、改良直徑約60cm用專用機械在開挖前于掌子面前方構筑拱狀襯砌用機械沿隧道斷面外周配置比較大的直徑的鋼管特征錨桿（鋼筋）等表觀提高掌子面前方圍巖的約束力形成的注漿帶能夠改良圍巖鋼管和注漿材能夠改良圍巖，同時，因超前長度長，能夠控制掌子面超前變形高壓噴射能夠確實地改良掌子面周邊圍巖，同時，因超前長度長，能夠控制掌子面超前變形預襯砌能夠穩(wěn)定拱部，同時也能夠抑制圍巖的位移能夠根據(jù)環(huán)境條件選擇各種管徑的鋼管。鋼管的剛性高，抑制變形的效果也高適用地質(zhì)黏性土、砂質(zhì)土、砂礫、裂隙巖體、卵石黏性土、砂質(zhì)土、砂礫、裂隙巖體、卵石黏性土、砂質(zhì)土、砂礫、裂隙巖體、卵石黏性土、砂質(zhì)土黏性土、砂質(zhì)土黏性土、砂質(zhì)土、砂礫、卵石施工性通常設備需要注漿設備需要注漿設備需要高壓噴射設備需要專用設備需要專用設備一次打設長度小于5m小于5m12m左右12m左右3～5m20～100m五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究隧道軟弱圍巖變形控制方法——控制掌子面變形（1）改變掌子面形狀（2）留核心土（3）掌子面噴混凝土（4）掌子面錨桿（5）掌子面前方圍巖注漿加固。

日本松本隧道采用的傾斜掌子面核心土及臺階的長度掌子面噴射混凝土五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究隧道軟弱圍巖變形控制方法——控制掌子面后方變形（1）

提高初期支護承載能力：噴射高性能混凝土、高規(guī)格鋼支撐、多重支護等鋼支撐的功能鋼支撐尺寸比較過去采用的鋼支撐(mm)高規(guī)格鋼（mm）NH-250×250×9×14HH-200×201×9×12NH-200×200×8×12HH-154×151×8×12NH-150×150×7×10HH-123×125×6.5×x8飯山隧道多重支護結(jié)構

五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究隧道軟弱圍巖變形控制方法——控制掌子面后方變形（2）調(diào)整開挖荷載釋放節(jié)奏：

臺階開挖高度、長度優(yōu)化大斷面軟弱圍巖隧道變形監(jiān)測的實踐經(jīng)驗，上臺階的高度宜選擇在開挖最大跨度處，對于雙線高速鐵路隧道斷面，建議上臺階高度選擇在3/5H處；相比之下上臺階長度5m、中臺階長度8m這種開挖方式的中臺階長度較長，對洞壁變形尤其是水平收斂具有較好的控制作用。1m循環(huán)進尺2m循環(huán)進尺V級圍巖周邊位移沿軸向展布曲線(100m埋深)五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究隧道軟弱圍巖變形控制方法——輔助工法（1）控制拱腳下沉的工法

臨時仰拱、擴大拱腳、拱腳補強、拱腳支撐樁（2）控制地表下沉的工法

地表旋噴樁加固地層、地表垂直錨桿補強（3）地下水對策

排水對策：排水坑道、排水鉆孔、井點、管井堵水對策：注漿、隔斷壁五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究軟弱圍巖隧道支護結(jié)構設計——設計原則與設計流程（1）設置超前支護，控制掌子面的超前變形和掌子面的擠出變形（2）加強初期支護，控制開挖掌子面后方變形（3）采用輔助支護措施，控制掌子面的穩(wěn)定和初期支護的拱腳位移（4）采用二次襯砌，合理預留支護結(jié)構的安全儲備設計流程設計原則五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究軟弱圍巖隧道支護結(jié)構設計——設計參數(shù)小跨（跨度5～8.5米）軟弱圍巖隧道支護參數(shù)參考表五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究軟弱圍巖隧道支護結(jié)構設計——設計參數(shù)中跨（跨度8.5～12米）軟弱圍巖隧道支護參數(shù)參考表五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究軟弱圍巖隧道支護結(jié)構設計——設計參數(shù)大跨（跨度12～14米）軟弱圍巖隧道支護參數(shù)參考表五、隧道軟弱圍巖變形控制技術研究軟弱圍巖隧道支護結(jié)構設計——設計參數(shù)特大跨（跨度14～16米）軟弱圍巖隧道支護參數(shù)參考表六、隧道軟弱圍巖變形控制的工程實踐掌子面前方圍巖變形控制實踐——蘭渝鐵路桃樹坪隧道圍巖為易發(fā)生塌方的富水粉細沙層（1）無支護：圍巖變形不收斂，隧道坍塌。（2）初期支護：拱頂超前變形為138mm，全變形為322mm，掌子面超前變形約占42.9%。（3）初期支護+超前支護：拱頂超前變形為12mm，全變形量為69mm，掌子面超前變形約占總變形量的17.4%。圍巖變形預測數(shù)值模型六、隧道軟弱圍巖變形控制的工程實踐掌子面前方圍巖變形控制實踐——蘭渝鐵路桃樹坪隧道施工參數(shù)表項目支護參數(shù)水平旋噴沿隧道開挖輪廓線布設水平旋噴樁，樁徑為60cm，樁間距為40CM，樁長18m，搭接長度3m。拱頂、拱墻范圍內(nèi)所有孔埋設Φ89鋼管，δ=4.5mm。玻纖錨桿旋噴樁普通水泥單液漿，L=18m，孔間距1.5m梅花形布置,掌子面打設。噴射混凝土全環(huán)C30早高強混凝土33cm鋼拱架全環(huán)I25a工字鋼，鋼架間距