地下工程淺埋暗挖技術通論心得

國際隧道協會制定的斷面劃分標準：按凈空斷面面積劃分。地下工程按地質條件可分為第四紀軟弱地層和巖石地層。城市各種地下工程多處于第四紀土沙軟弱積水地層。根據施工特點，地下工程可分為深埋、淺埋、超淺埋地下工程。判別方式有三中。其一，隧道拱頂埋深（與圍巖等級有關），此方法不太可取。其二，實測壓力P與垂直土柱重量rh之比來確定，P/rh﹥0.4-0.6為淺埋隧道。其三，拱頂覆土厚度（H）與結構跨度（D）之比，即H/D覆跨比。當0.6﹤H/D≦1.5時，均稱為淺埋；當0.6﹤H/D≦1.5時，均稱為淺埋；當H/D≦0.6時，均稱為超淺埋。如何有效控制淺埋地下工程由于施工擾動誘發(fā)的地面移動變形（由于地層損失），成為淺埋地下工程設計與施工研究的重點。為了達到及時支護，防止地層沉降的目的，采用復合式襯砌結構形式，即初期支護結構由噴、錨、網、鋼拱架組成；當初期支護完全穩(wěn)定后（形成承載環(huán)），再敷設防水隔離板，施加二次模筑混凝土或鋼筋混凝土襯砌。這是最符合地下工程受力特點的一種結構。淺埋地下工程施工方法主有明挖法（蓋挖法）與暗挖法兩大類。明挖法又稱基坑法，主要包括敞口明挖法和基坑支護開挖法兩類。其施工方法是先從地面向下開挖出基坑，在基坑內進行結構施工，然后回填恢復地面。蓋挖法是一種先做鉆孔灌注樁（挖孔樁）或連續(xù)墻作為圍護結構和支撐結構（如鋼橫撐、長錨索等組成支撐結構），在該結構保護下再做樁頂縱梁，蓋頂板，恢復路面，然后，在樁及鋼筋混凝土頂板的支護下再從上往下進行主體結構施工的方法。蓋挖法根據開挖和結構施工順序的不同，分為蓋挖順筑和蓋挖逆筑兩類。地下工程暗挖施工法主要有盾構法和淺埋暗挖法。最先進的盾構有泥水加壓復合式盾構和土壓平衡復合式盾構。隨著地層的變化而產生不適宜。淺埋暗挖法多應用于第四紀軟弱地層，開挖方法有正臺階法、單側壁導洞法、中隔墻法（CD和CRD）、雙側壁導洞法（眼鏡工法）。淺埋暗挖技術提出了軟弱地層必須快速施工的理念。淺埋暗挖技術適用于各種軟弱地層的地下工程。淺埋暗挖法提出了“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、早成環(huán)、勤量測”。淺埋暗挖法沿用了新奧法的基本原理，創(chuàng)建了信息化量測反饋設計和施工的新理念；采用先柔后剛復合式襯砌新型支護結構體系，初期支護按承擔全部的基本荷載設計，二次模筑襯砌作為安全儲備；初期支護和二次襯砌共同承擔特殊荷載。應用淺埋暗挖法進行設計和施工時，同時采用多種輔助工法，超前支護，改善加固圍巖，調動部分圍巖的自承能力;采用不同的開挖方法及時支護、封閉成環(huán)，使其與圍巖共同作用形成聯合支護體系。淺埋暗挖法大多用于第四紀軟弱地層中的地下工程，由于圍巖自承能力差，為避免對地面建筑物和地中構造物造成破壞，需要嚴格控制地表沉降量。因此，要求初期支護剛度要大，支護要及時。支護所承載的荷載越大越好，以減小圍巖的承載力，并作為支護和圍巖共同作用的安全儲備。其設計思想的施工要點可概括為二十一字方針。初期支護的施工順序為先上后下，二次襯砌必須變?yōu)榱繙y后，當結構基本穩(wěn)定了才展開施工，其順序從下向上，不許先拱后墻。淺埋暗挖法的缺點是施工速度慢，噴射混凝土粉塵多，勞動強度大，機械化程度不高，高水位結構防水比較困難。對地面沉降要求不高時，可采用剛度較小的支護結構，以發(fā)揮圍巖的自承能力；對地面沉降要求高時，則采用剛度較大，先柔后剛的網構鋼拱架支護結構，以防止圍巖的過度變形而造成大幅度地面沉降。地鐵圍巖可以自穩(wěn)的區(qū)間隧道以及其他中小型斷面地下工程，在設計驗算的前提下，在施工過程的監(jiān)控量測的指導下，用噴射混凝土，鋼筋網，網構鋼拱架和部分錨桿組成的初期支護代替復合式襯砌支護結構也是可行的。特別在無水或無水壓區(qū)段實施的，將噴射混凝土改為高防水性能的噴射混凝土，然后立即在初期支護表面用水泥砂漿抹面，以解決結構防水和美化問題（挪威法）。用噴射混凝土、鋼網片、網構鋼拱架和部分錨桿作為受力結構，并用砂漿抹面，這是一種新型的結構。在地下工程設計中，應優(yōu)先選用復合式襯砌結構形式，在地質和水文條件較好時，也可選用噴錨支護結構形式。注漿加固地層和超前小導管支護是最常用的輔助施工措施。開挖到噴射混凝土的時差作為注漿設計原則，取消為了增加圍巖承載力而進行注漿的設計原則。圍巖的固結強度和時間要滿足施工工序的順序要求，以提高施工速度，降低工程造價。長管棚超前支護，在穿越公路、鐵路等相對較短的隧道施工中具有明顯的防塌限沉作用，但在相對較長的隧道和含水地層施工中，由于施作管棚形成的過水通道以及多次擾動地層等原因，對限制沉降所起的作用不大，反而增加沉降，應多考慮小導管超前支護及其他輔助措施的綜合應用。目前，公路隧道設計中洞口段長管棚應用太多，穿越結構的管棚直徑過大（300-600mm是不合理的），值得商討。早支護不僅能減小支護結構的荷載（圍巖開挖后，地層松動，其承載力下降，若支護不及時，則會增加作用在支護結構上的荷載，直至塌方。），還能避免地層過分變形。淺埋軟弱地層，錨桿支護作用明顯降低，尤其是頂部兩側各30度范圍內的錨桿是承壓的，且工藝難以保證，可取消該區(qū)域的錨桿支護。超前小導管在其地層中是一種有效的超前支護形式，其設計原則是在穩(wěn)定的工作面、滿足施工要求的前提下，采取短而密的方式布設。作為初期支護主體的噴射混凝土，其噴射厚度要合理，混凝土噴得太厚，不利于發(fā)揮噴射混凝土材料的力學性能。當其厚度d≦D/40（D為洞徑，即洞室開挖寬度）時，噴射混凝土支護接近于無彎矩狀態(tài)，支護結構性能較好。（我國淺埋暗挖法中的噴射混凝土厚度一般控制在20-30cm）。用增加噴射混凝土厚度的方法來加強支護，效果較差，應采用合理的噴射方法，選擇噴射混凝土的材料、配合比和外加劑。如用潮噴或濕噴代替?zhèn)鹘y(tǒng)干噴，在噴料中加聚丙稀纖維等，以提高噴射混凝土材料的抗裂性，并減小回彈量。當開挖斷面寬度大于10m時，采用CD法或CRD法。開挖斷面寬度小于10m時，正臺階法。在無水地層條件下，開挖斷面跨度達12m時，采用正臺階法。臺階長度規(guī)定在一倍洞徑左右。淺埋暗挖法通常采用的復合式襯砌支護結構，在初期支護與二次襯砌之間鋪設防水隔離層，輔之以二次襯砌防水混凝土，組成兩道防水線，采用以防為主，防水全包不給排出的防水原則。這種結構在無水或少水地層是可行的，但在富水地層則表現出很大的不合理性。不合理的原因有三點。其一，防水層易被損壞，使封閉防水層結構的設計思想得不到落實，這是造成漏水的主要原因。其二，初期支護防水性差，易形成滲水現象，其滲水在防水隔離層與初期支護之間容易形成“水袋”。一但防水層被破壞，“水袋”將在薄弱環(huán)節(jié)尋找出路，使初期支護和二次襯砌之間的空隙也形成水環(huán)，造成二次襯砌施工縫漏水。其三，以防為主的全包防水板，由于水存在于二次襯砌之外，水壓直接作用在二次模筑襯砌上，增加了二次襯砌結構的承載。由于壓力過大，可造成二襯混凝土仰拱上鼓、開裂造成漏水。在富水地層必須以堵為主，限排為輔、防排結合的防水原則。地下工程淺埋暗挖法施工的結構防水問題，可以采取加強初期支護的防水能力（提倡噴射防水混凝土，通過改善噴射混凝土配比、添加外加劑和改進噴射工藝等措施，提高初期噴射混凝土的防水能力），也可在初期支護與二次襯砌之間進行填充注漿，把地下水拒之于初期支護之外。對于進入初期支護結構和二次襯砌之間的漏水，應遵照以排為主的原則處理。施工方法的適用條件及特點（見P14）28..地質勘察的階段：于可行性研究階段、可行性研究階段、初步勘察階段、詳細勘察階段。29土按堆積年代可分為三類:老堆積土、一般堆積土、新近堆土。土按成因可分為殘積土、坡積土、洪積土、沖積土、淤積土、冰積土和風積土。土按有機質含量可分為無機土、有機質土、泥炭質土、泥炭。土按顆粒級配或塑性指數可分為碎石土、沙土、粉土和黏性土。30．碎石土包括：漂石圓形及亞圓形為主（粒徑大于200mm的顆粒質量超過總質量的50％）、塊石棱角形為主（粒徑大于200mm的顆粒質量超過總質量的50％）、卵石圓形及亞圓形為主（粒徑大于20mm的顆粒質量超過總質量的50％）、碎石棱角形為主（粒徑大于20mm的顆粒質量超過總質量的50％）、圓礫圓形及亞圓形為主（粒徑大于2mm的顆粒質量超過總質量的50％）、角礫棱角形為主（粒徑大于2mm的顆粒質量超過總質量的50％）。31．沙土包括：礫沙（粒徑大于2mm的顆粒質量占總質量的25％-50％）、粗沙（粒徑大于0.5mm的顆粒質量超過總質量的50％）、中沙（粒徑大于0.25mm的顆粒質量超過總質量的50％）、細沙（粒徑大于0.075mm的顆粒質量超過總質量的85％）、粉沙（粒徑大于0.075mm的顆粒質量超過總質量的50％）。粒徑大于0.075mm的顆粒不超過全部質量50％，且塑性指數等于或小于10的土，定為粉土。塑性指數大于10的土為黏性土，根據塑性指數可分為粉質黏土和黏土。當塑性指數大于10且小于或等于17時，定為粉質黏土；當塑性指數大于17時，定為黏土。32．填土是指人類活動在地面形成的任意堆積，其組成成分復雜，填筑的方法、時間和厚度都是隨意的。填土分素填土、雜填土、沖填土三類（其組成見P21）。33．濕陷性土：凡是土層受水浸濕，加固凝聚力消失，產生濕陷的土，稱為濕陷土。濕陷土可分為濕陷性黃土及其他濕陷性土（其特征見P22）。34．軟土：軟土主要指由細粒土組成的孔隙比大（e〉1.0）、天然含水量高（W≧WL）、壓縮性高(壓縮系數a1-2〉0.5MPa-1)、強度低（不排水抗剪強度小于20KPa）和具有靈敏結構性的土層，包括淤泥、淤泥質黏性土、淤質粉土等。軟土工程性質見P22。天然含水量大，只要不被破壞和擾動，可處于軟塑狀態(tài)。但一經擾動，其結構受破壞，變成流塑狀態(tài)。孔隙比大。透水性能低，垂直方向透水性比平行土層方向的滲透系數小，對地基排水固結不利，使建筑物沉降延續(xù)時間加長。在加壓初期，地基土中常出現較高的孔隙水壓力，影響地基強度。壓縮性高，其壓縮變形大部分發(fā)生在垂直壓力為0.1MPa左右，對工程直接影響是建筑地基沉降量大。具有觸變性、流變性、不均勻性、抗剪強度低。35.黏性土的界限含水量。黏性土由一種狀態(tài)轉到另一種狀態(tài)的分界含水量稱為界限含水量，包括液限WL（土從可塑狀態(tài)過渡到流動狀態(tài)的界限含水量）、塑限WP（土從可塑狀態(tài)過渡到半固結狀態(tài)的界限含水量）、縮限WS（土從半固結狀態(tài)過渡到固結狀態(tài)）。36.x許多黏性土及泥質巖中含有大量的蒙脫石和伊利石類礦物顆粒，有很強的親水性。當含水量變化時，這些顆粒能發(fā)生顯著的體積變化，從而引起巖土的體積變化（發(fā)生膨脹或收縮），最終使與其相連接的建筑物受破壞。這種巖土稱為膨脹巖土（其主要是蒙脫石，伊利石居其次）。37.風化巖指原巖受風化程度較輕，保存的原巖性質較多;殘積土則是指原巖受到風化的程度極重，基本上失去了原巖的性質。風化巖可以作為巖石看待，而殘積土則完全成為土狀物。其共同點為位置沒發(fā)生變化。38．凡溫度≦0℃，且含有固態(tài)冰的土稱為凍土。按凍結時間可分為瞬時凍土、季節(jié)凍土和多年凍土。具體定義見P3439．松散地層主要指第四紀沉積物和部分第三紀沉積物，其空隙間常常埋藏著豐富的地下水非可溶性巖石：地下水主要存儲在由構造作用、成巖作用和風化作用產生的各種裂隙中。可溶性巖石：由于各地段影響巖溶發(fā)育的因素及其作用程度不同，導致形成的巖溶差異很大。40．地下水露頭包括泉、井、鉆孔、既有坑道（隧道）等。其解釋見P37-3941.環(huán)境是指大氣、水、海洋、土地、森林、草原、野生動植物、自然保護區(qū)、生活居住區(qū)等。42.圍巖的分級基本上由巖石的堅硬程度和巖體的完整程度兩個因素決定。另外，還要兼顧地下水狀態(tài)、初始應力等因素。43.圍巖穩(wěn)定性主要受到巖性、巖體結構、地下水特征、初始應力等影響。這四方面的具體組合情況：巖性的軟硬，巖石強度的高低，巖體結構特征（特別是軟弱結構面的特征），結構面的抗剪強度，地下水的水量、水壓和運動特征，以及巖體中初始應力的大小、方向和主應力的比值等。44.圍巖變形和破壞的類型:巖爆、（在巖體完整、巖性堅硬的脆性巖體中，當水平應力與垂直應力的差值以及絕對應力值都很大的情況下，由于施工開挖或爆破震動等作用引起巖體中大量積聚的彈性應變能突然釋放，從而產生巖爆現象。在巖體中最大主應力方向與洞室軸向垂直的情況下，洞室圍巖更容易產生這類破壞）巖體的破裂、（主要發(fā)生在裂隙較少的堅硬、脆性的圍巖巖體中，由于勻質，圍巖的穩(wěn)定性主要取決于巖石本身的強度和巖體中應力重分布的情況。當重分布應力小于圍巖巖石的強度時，巖體只產生彈性變形。在巖石彈性變形不大的情況下，圍巖是穩(wěn)定的。若巖體中重分布應力超過圍巖巖石的強度，在洞頂或邊墻上可能產生拉裂、剪斷、壓潰和剝離等破壞現象，特別對于薄層狀巖層會產生彎折內鼓的變形破壞）、巖塊滑移和墜落（主要發(fā)生在由各種結構面切割的、比較堅硬的巖體中，當圍巖中的初始應力超過結構面的抗剪強度時，或在重力的作用下，洞室周邊的結構體可能會沿結構面產生松弛、滑移、墜落等變形破壞。特別是當軟弱結構面受到地下水作用時，更易發(fā)生此類變形和破壞。）、破碎松散巖體的坍塌（由于破碎巖體或松散堆積層的自承能力很低，在開挖過程中，洞頂或側壁會產生坍塌破壞，如不及時支護，破壞現象會更為嚴重。）、松散巖體的塑性變形（軟巖、膨脹性巖層、松軟土層以及含黏土的破碎巖層，由于強度低、塑性強、與水作用強烈，在外力作用下易變形。在洞室開挖后或在開挖過程中，圍巖由于應力作用或由于向洞室臨空面膨脹、流動，從而產生向洞內擠壓等塑性變形。）。形變壓力和松散壓力統(tǒng)稱為圍巖壓力。形變壓力是由圍巖的塑性變形所引起的作用在支護襯砌上的擠壓力。對于比較軟弱的圍巖來說，一般具有塑性變形和流變特性。因而，當洞室開挖后，圍巖變形隨時間而發(fā)展，往往會持續(xù)一個較長的時間。在支護襯砌與圍巖密貼的情況下，這種繼續(xù)發(fā)展的塑性變形會對支撐和襯砌產生較大的形變壓力。隨著形變壓力的逐漸加大，支撐或襯砌對圍巖所提供的支護抗力也在逐漸加大。當支撐或襯砌的強度滿足形變形成的應力時，圍巖與支護的共同變形則逐漸穩(wěn)定下來，從而保持洞室穩(wěn)定。然而，破碎松散的圍巖巖體，在洞室開挖后由于不能自穩(wěn)，從而發(fā)生坍塌。由結構面切割的堅硬的巖體，開挖后在圍巖表面一定范圍內也會形成松動、滑移。當洞室支撐襯砌后，由于支護結構與圍巖間不易密貼，因而使得這些坍塌體作用在支護襯砌背后，形成松散壓力。洞室剛開挖后有較大變形，這種變形是由于巖塊失去邊界支持后裂隙張弛、巖塊錯位并滑動所造成的，而后由于巖塊間的摩擦效應維持暫時平衡（松弛壓力）。荷載壓力計算見P48Ⅰ-Ⅱ級圍巖，因坑道圍巖穩(wěn)定，水平壓力很難出現，即使出現也是由于巖塊松動引起的，對襯砌設計不會產生影響。Ⅲ-Ⅳ級圍巖主要產生垂直壓力，因坑道側壁較穩(wěn)定，故水平壓力也不會很大。由于圍巖的不均質性、不連續(xù)性比較突出，故可能局部出現較大的水平壓力。Ⅴ-Ⅵ級圍巖水平壓力較大，對襯砌設計有很大影響。在采用先拱后墻法施工的條件下，中等堅硬巖層中，拱腰45°處圍巖壓力約為拱頂壓力的1.6倍左右。拱腳壓力約為拱頂壓力的1.3倍左右，分布似馬鞍形。按垂直均布荷載的三心圓尖拱形襯砌，拱腰開裂數量多于拱頂，磅山隧道也是如此。隧道兩側圍巖軟硬不一時，容易產生偏壓。圍巖壓力考慮采用兩側大中間小的馬鞍形，或者有一定程度偏載的梯形及均布壓力圖形等。對不均勻分布的圍巖壓力在襯砌全部寬度上的總值，宜大致與本文規(guī)定的圍巖垂直均布壓力總值相等。圍巖穩(wěn)定性分析見P51-52若洞室圍巖有一組結構面存在，根據結構面上作用力與結構面交角的大小及結構面間摩擦角的關系，可以判定具有層理滑動或可沿結構面滑動的洞室與結構面間摩擦角的關系，進而判定其穩(wěn)定性。設圍巖周邊的切向應力與結構面的法線的夾角小于結構面之間的摩擦角，結構面不發(fā)生滑動，反之則發(fā)生滑動。當兩夾角相等時，則結構面處于極限平衡狀態(tài)。洞室拱頂由結構面切割形成的鍥形體危巖是否墜落，可根據巖塊的受力狀態(tài)進行分析。（具體計算見P55）洞室圍巖被幾組結構面切割時，圍巖是否會發(fā)生沿結構面剪切破壞的問題，可用巖體沿結構面發(fā)生剪切破壞的判別式進行分析。（具體見P56）目前，一般是用量測坑道斷面的收斂值（即位移量測）來獲得位移信息，從而判定圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)。洞室跨度的大小影響圍巖的穩(wěn)定性（跨度越大，其巖體的破碎程也增大），洞室的形狀影響圍巖的穩(wěn)定性（圍巖周邊的應力狀態(tài)不同）,施工方法。圍巖分級主要考慮的因素是地質因素。作為分級指標有單一的巖性指標、單一的綜合巖性指標、復合指標。圍巖分級的主要考慮指標：巖塊強度或巖體強度（一般用抗壓強度表示，反映了其力學性質，表示了圍巖物質的基本性質。在自然界中，巖石普遍存在著裂隙，采用巖體強度更為合適。）巖體的完整程度（這取決于巖體在地質構造作用下的影響程度以及結構面的特征）。地下水的影響（地下水對圍巖的穩(wěn)定性有明顯影響，但很難用具體的指標來表示）。天然應力狀態(tài)（了解天然應力的大小和方向）有的圍巖分級方法中籠統(tǒng)地把初始應力分為低應力、中應力、高應力三種情況來考慮對圍巖穩(wěn)定性的影響，但多數分級方法中還沒有考慮巖體初始應力的影響。洞室的跨度和高度對洞室圍巖穩(wěn)定性有一定的影響，應對高跨比作出一定限制，超出此值后就要考慮尺寸的影響。洞室的跨度與裂隙間距的比值反映了洞室圍巖的相對完整性,這也是決定洞室圍巖穩(wěn)定性的重要因素。洞室形狀不同時，可考慮洞室形狀系數的影響。圍巖分級的基本標準見P60圍巖級別修正的因素：地下水狀態(tài)、初始應力。地下洞室埋深較淺時，應根據圍巖受地面的影響進行圍巖級別的修正。若圍巖僅受地面影響，應將相應圍巖降低1-2級。圍巖的幾種分級方法：巖石質量指標RQD（以圍巖的穩(wěn)定性取決于巖石完整或破碎的程度的)觀點為依據）其分級適用表見P62。RSR（以施工前有關巖體結構的一般地質狀態(tài)A、節(jié)理產狀與掘進方向的關系B、以及地下水的影響C）巖體質量Q（由節(jié)理組數目、節(jié)理粗糙度、沿最弱節(jié)理面的蝕變或填充程度、節(jié)理含水折減系數及應力折減系數）其計算式見P64。巖體的地質力學（考慮了巖石強度、RQD、結構面特征、地下水情況等因素的影響，特別考慮了結構面的走向和傾角對隧道工程的影響。）淺埋暗挖法設計理論是建立在巖石的三向剛性壓縮試驗特性和巖石的二向壓縮應力應變特性以及莫爾理論基礎之上，并考慮了隧道掘進時的空間效應和時間效應。這一理論集中在支護結構種類、支護結構構筑時機、巖壓、圍巖變位這四者的關系上，貫穿在不斷變更的設計施工過程中。（它指導著噴錨支護的設計和施工，指導著構筑隧道的全過程）圍巖與支護共同作用，最大限度地發(fā)揮圍巖本身原有的支承能力，這是新奧法設計思想的核心。淺埋暗挖法沿用新奧法原理分析體系，運用量測信息反饋于設計和施工，同時采取超前支護、改良地層、和注漿加固。應用淺埋暗挖法應遵循的原則有強調采用預加固措施、隧道支護考慮時間和空間效應、隧道開挖后應盡早提供有足夠剛度和早強的初期支護，從而控制圍巖變形，而不是最大限度的選擇圍巖的自身承載能力、盡早施作仰拱并封閉成環(huán)（仰拱距工作面的距離最大不超過1倍洞徑）、二次襯砌在圍巖和初期支護變形基本穩(wěn)定后再施作，但在采取輔助措施后，未滿足穩(wěn)定性要求時，也可施作二次襯砌、（由于淺埋隧道荷載明確，提前施作二次襯砌是可能的，多在超淺埋大跨度車站之處應用）襯砌形式采用復合式，兩層之間設防水隔離層，起防水、防裂作用，兩層之間剪力為零，二次襯砌才不會開裂?？刂茋鷰r變形是淺埋暗挖法設計施工的核心問題隧道深埋、淺埋、超淺埋，并非單純指洞頂地層厚度而言，還應結合上覆地層的水文地質與工程地質特征，松散狀況，圍巖構造特征，風化、破碎、斷層影響的程度與結構強度以及地下水等因素。洞頂的穩(wěn)定與否對施工方法有直接的影響。深埋、淺埋、超淺埋隧道的計算方法：深埋隧道按塌落拱荷載計算，淺埋隧道按松散荷載計算，超淺埋隧道按全土柱加地面動、靜換算荷載計算。隧道襯砌裂縫約有2/3發(fā)生在淺埋段，裂縫發(fā)生的規(guī)律是：拱腰部位多，拱頂部位少；淺埋、超淺埋的多，深埋的少；地層與襯砌不密貼的多，密貼的少；無防水隔離層的多，有防水隔離層的少；前拱后墻法的多；先墻后拱法的少；全斷面一次模筑襯砌的多，全斷面間歇灌注的少；養(yǎng)護不好的多，養(yǎng)護好的少；剛性大、襯砌厚的多，剛性小、襯砌薄的少；按礦山法施工的多，按新奧法施工的少；小斷面開挖施工的多，大斷面、全斷面開挖施工的少。裂縫的多少與埋深的關系很大。以埋深等于塌方統(tǒng)計平均高度2倍的方法作為判別深埋與淺埋隧道分界的主要標準，圍巖垂直壓力、地面沉降和電算分析可作為參考標準。圍巖變形過大時隧道上方會形成塌落拱（壓力拱），塌方是圍巖因失穩(wěn)而破壞的最直觀的形式。當埋深大于2倍塌方高度時，才能用塌落拱公式計算。塌落拱高度與圍巖級別有很大關系。H/D與P/(rh)的關系結合圍巖等級判別隧道埋深。（見P78）P/(rh)的值結合圍巖等級判別隧道埋深。（見P79）深埋與淺埋隧道分界深度建議采用下列值：VI級圍巖為4D-6D，V級圍巖為2.5D-3.5D，IV級圍巖為1.5D-2.5D，III級圍巖為0.5D-1.0D，II級圍巖為0.3D-0.5D，I級圍巖為0.15D-0.30D。同時，分界深度與施工方法及施工技術水平密切相關，若采用新奧法施工，光面爆破，且施工技術水平高，則可取小值；否則，取大值。在初期支護作用下，圍巖塑性區(qū)達到地面，地中圍巖變形值與地面沉降值相等時，即覆蓋整體位移下沉時為超淺埋，荷載除了按rh全部土柱計算外，還應計算地面交通沖擊產生的附加荷載。見P81深埋隧道與淺埋隧道分界深度的確定方法，即以隧道開挖時對地面不產生影響為限進行區(qū)分。見P81表3-3。以荷載等效高度進行界定見P83淺埋與超淺埋的判別方法：1.覆跨比即覆蓋土厚度H與隧道跨度D（隧道斷面直徑）之比，H/D≦0.4為超淺埋隧道，H/D﹥0.4為淺埋隧道。2。蓋層整體下沉時，即洞內拱頂變位值≦地面沉降值時可視為超淺埋。3。隧道結構頂部進入地面以下5m范圍的管道層中時，統(tǒng)稱超淺埋。4。實測壓力P與垂直土柱重量（rh）之比確定深埋、淺埋、超淺埋。當P/(rh)≦0.4為深埋隧道，0.6≧P/(rh)﹥0.4為淺埋隧道，P/(rh)﹥0.6為超淺埋隧道。超淺埋隧道在初期支護的作用下，圍巖塑性區(qū)一般可達到地面，覆蓋層易發(fā)生整體位移下沉。淺埋設計會因為施工不當而引起很大的附加荷載，進而產生超淺埋設計中所出現的不利因素。斷面結構形式按跨度分類為：單跨結構、雙跨連拱結構（雙連拱結構的兩拱中部可以是中隔墻，兩拱中部也可由立柱和頂、底梁組合。其結構形式在軟弱、富水地層，經常開裂、漏水，施工中力的轉換也很復雜，不提倡使用）、三跨連拱結構（有雙層、單層結構形式，其單層結構形式比較合理）、多跨連拱結構（由于其結構受力復雜，容易出現較多的裂縫和滲漏水現象）。雙連拱、多連拱隧道設計應遵循“宜近不宜聯”的原則，只有硬巖和受特殊地形限制之處可以例外。斷面結構形式按層數分類為：單層（采用淺埋暗挖法施工的隧道多為單層、其設計施工難度?。㈦p層（其設計施工難度大，為其降低施工難度，目前車站兩端大多是明挖多層、中間暗挖，這對單層是比較合理的）、多層（在淺埋工程中，其設計施工極難，地面沉降難以控制，其結構很少采用）。斷面結構形式按邊墻形式分類為：直墻式（在鐵路隧道中I-III類圍巖采用曲墻，IV-VI類圍巖采用直墻形式，以便使結構受力處于良好狀態(tài)，支護厚度合理。但在淺埋暗挖工程中，由于埋深較淺，垂直荷載較明確，垂直壓力較大，側壓力較小，斷面可以根據結構受力情況設計成直邊墻，以提高斷面利用率。曲墻式（由于淺埋隧道一般位于軟弱地層，地質條件較差，圍巖自穩(wěn)能力差，結構一般設計為曲墻，并盡可能圓順，以減少應力集中點。）斷面結構形式按拱的形式分類為：失跨比不宜小于1/3.，但在超淺埋工程中，由于垂直荷載較小，為了提高斷面利用率，降低埋深，有時設計為坦拱結構，甚至平頂結構。單跨斷面結構形式按端面形狀分類為：馬蹄形斷面（一般用于山嶺隧道）、蛋形斷面（一般用于第四紀地層和極軟弱地層）、圓形斷面（多用于水工隧道）。考慮施工的方便和可操作性，初期支護采用馬蹄形斷面，二次襯砌采用圓形斷面。采用淺埋暗挖法施工的地鐵站結構形式在第四紀地層中：1.三拱兩柱式（三拱車站有塔柱式和立柱式地鐵站。第四紀地層中大多采用三拱立柱式地鐵站，三拱塔柱式已很少采用）三拱兩柱式地鐵站存在的問題：1.連拱結構在柱頂存在V形節(jié)點,結構防水處理困難。連拱結構開挖施工時易產生不平衡推力，導致初期支護結構產生較大變形，節(jié)點難以連接，施工較難控制；導致初期支護扣拱時鋼管柱承受水平推力，使初期支護和二次襯砌的拱部容易開裂。3.容易開裂漏水。單跨單層在軟土地層中修建單拱大跨結構采用眼鏡法（側壁導洞法）開挖仰拱部分時，變形迅速加大，仰拱封閉后，達到完全穩(wěn)定。采用混凝土砌塊組成的結構適用于有一定自穩(wěn)能力的地層，采用裝配式砌塊可以保證拱圈迅速承載。管拱法在第四系松散地層中修建單拱地鐵站的施工程序：先在墻腳處開挖兩個小隧道并澆注混凝土；在地鐵站隧道的一端施作一個10米*20米的工作井，在其中拱輪廓線處沿隧道縱向頂入10個外徑2.1米、內徑1.8米的鋼筋混凝土圓管，其內澆注混凝土使它們連接成管拱，覆蓋整個地鐵站隧道；進行拱部開挖，立模澆注鋼筋混凝土肋形拱；開挖底部，施作仰拱。管拱結構的特點：1.拱部主要承載結構是管拱，肋形拱可以提高拱圈承壓后的穩(wěn)定性。2.結構頂部設有管拱，不僅可以避免采用地層加固法，而且地鐵站的埋深可以做得很淺，如2-3米。3.單拱結構受力簡明。單拱地鐵站除了管拱結構的特點外，還具有1。結構輪廓圓順，防水層可做得很好，避免了多拱地鐵站往往出現的積水溝槽，結構防水效果顯著；2。單拱地鐵站既可以做成島式站臺，也可做成側式站臺，而單拱地鐵站采用側式站臺可以使開挖總跨度的尺寸更緊湊。采用淺埋暗挖法施工的地鐵站結構形式在巖石地層中，由于圍巖為IV-V類，整體性較好，地下水不發(fā)育，地面建筑物較多。地鐵站埋深一般為0.5D-1.0D(D為隧道洞徑)。拱和墻采用圓滑過渡的五心圓斷面，平底板，復合式襯砌。初期支護為錨桿噴射混凝土結構，在淺埋或埋深較淺且穿過高層建筑時，加鋼筋格柵拱。為避免先期澆注的二次襯砌對后澆樓板混凝土產生收縮約束作用，樓板簡支在邊墻的“牛腿“上。開挖和襯砌方法根據不同的埋深、地層條件和環(huán)境條件，采用品字形開挖、二次襯砌先墻后拱法。石質良好時，單拱地鐵站可采用大拱腳、薄邊墻襯砌。見P105圖3-51（b）。鄰近工程的種類主要是根據新建隧道與鄰近既有工程的間隔劃分鄰近度，其鄰近度的劃分見P111表3-8-表3-13。這里所謂“間隔”，是指鄰近既有工程襯砌外面到新建隧道的最小距離。判別鄰近度時采用的D”（隧道外徑）值，是指鄰近既有工程或新建隧道襯砌外輪廓的垂直高度和水平寬度中的最大值。在隧道并列、交叉的場合，采用新建隧道的外徑D′。鄰近度分為：不考慮范圍、要注意范圍、限制范圍。鄰近地下工程施工分為新建工程接近既有隧道施工和新建隧道接近既有工程施工見P113-P115表。單一洞室彈性條件下的力學模型見P116圖3-54。其徑向應力、切向應力、剪應力計算式見式3-5隧道開挖后引起的圍巖應力重分布局限在一定范圍內，在離隧道開挖周邊比較近的地方，應力集中度高，在離隧道開挖周邊比較遠的地方，應力集中度低，越遠影響越小。因此，新建隧道開挖對周邊產生的影響僅局限在一定范圍內。兩條平行或重疊的鄰近隧道開挖時，隧道中心間距越小，隧道周邊的應力越大，從而使隧道周邊應力重分布惡化。為了避免相互影響，兩鐵路隧道線間距一般不小于2D為宜。由于工況狀態(tài)轉化受力模式的條件見P118兩洞室鄰近開挖的相互影響也存在一個范圍，越近影響越大，越遠影響越小，遠到一定距離，影響就消失了。鄰近施工的影響存在著范圍有限性的規(guī)律-僅局限于一定的區(qū)域。這種性質是由開挖后引起圍巖應力重分布的局限性決定的。兩洞室鄰近時的受力狀態(tài)不同于單一洞室的情況（應力多次重新分布，導致受力的復雜性）。穿越既有線所面臨的主要技術措施包括對開挖隧道周圍及既有結構周圍土體進行預加固、減少地層擾動對既有線的影響、保持周邊圍巖的穩(wěn)定性等（還應注意既有結構上臺量的計算及控制途徑）。淺埋暗挖法設計的地下工程一般采用復合式襯砌，復合式襯砌由初期支護、隔離層和二次襯砌組成。初期支護在二次襯砌施作前應具有足夠的強度和剛度，確保施工期間的安全和地面沉降不超過設計標準。初期支護是施工期間的承載結構，承受施工期間的主要荷載（土壓力、部分水壓力）。二次襯砌和初期支護共同承擔永久荷載（二次襯砌還要承受水壓力）。應將初期支護和地層視為統(tǒng)一的承載體，計算中應考慮施工輔助措施的作用，初期支護應做到及時、密貼、柔性、早強，并能與圍巖共同變形。初期支護變形大，允許出現不影響整體穩(wěn)定的裂縫。從強度和防水要求出發(fā),二次襯砌不容許產生有害裂縫，裂縫寬度一般不得超過0.2-0.3mm。初期支護和二次襯砌共同承載，相互依賴、影響。初期支護的強度應適應不同的圍巖壓力。調整支護參數，確保地層穩(wěn)定后，才能施作二次襯砌。二次襯砌的目的，一是承受流變荷載，二是安全儲備。所以，初期支護和二次襯砌的強度及剛度應綜合考慮。初期支護背后要及時回填注漿，以保證初期支護和圍巖的密貼性，初期支護和二次襯砌應密貼，不留空隙。初期支護和二次襯砌間設置防水隔離層，使初期支護和二次襯砌之間只傳遞徑向力，不傳遞切向力，從而減少二次襯砌的裂縫。初期支護由噴射混凝土、鋼拱架、鋼筋網、鎖腳錨桿、連接筋等組成。初期支護的參數由經驗類比和結構計算確定。初期支護最小應預留3-5cn變形量。噴錨構筑法強調噴射混凝土的柔性規(guī)定噴射混凝土的厚度不宜小于5mm，不宜大于250mm。淺埋暗挖法設計的隧道則不同，由于初期支護要有一定的剛度和強度，需設鋼拱架，鋼拱架要有一定厚度的保護層，因此初期支護的厚度一般不低于250mm，常用的厚度為250mm，300mm，350mm。鋼拱架環(huán)向接頭是鋼架的弱點，從受力角度考慮應盡量減少接頭，單過長太重，不宜施工，綜合考慮拱部格柵長度為2-3m。為確保接頭部分的噴射混凝土密實度，接頭連接件應優(yōu)先采用角鋼螺栓連接。鋼筋網可提高噴射混凝土的抗剪和黏結強度，能提高噴層的整體性，使其應力分布均勻，從而減少混凝土的收縮和噴層裂縫。需要拆除的臨時支護中可設塑料網（日本設計常用）鋼筋網中鋼筋間距宜為100-300mm。當小于100mm時，噴射混凝土回彈增加，且鋼筋網與壁面之間易形成空洞，不能保證混凝土的密實度；當大于300mm時，會大大消弱鋼筋網在噴射混凝土中的作用。在山嶺隧道中錨桿和噴射混凝土圍巖共同組成支護體系，錨桿是不可或缺的。錨桿有懸吊作用、組合梁作用、加固作用，有全長黏結型、端頭錨固型、摩擦型等形式。在土質淺埋隧道中錨桿的作用卻不明顯，特別是在城市土質淺埋地下工程一般不設錨桿，在需要加固地層的地方設注漿錨管，在分步施工的墻腳設鎖腳錨管。一般在圍巖較好的山嶺隧道采用錨噴支護做永久支護。淺埋暗挖法在較小斷面中用250mm厚初期支護作為永久支護，表面采用氯化鐵防水砂漿做防水層。二次襯砌應在圍巖和初期支護變形基本穩(wěn)定后才能施作，在特殊情況時，也可提前施作二次襯砌。二次襯砌的最小厚度為250mm，常規(guī)的厚度為300-500mm。仰拱結構及其與邊墻的連接形式是影響隧道結構整體強度的重要因素。要保證仰拱有足夠的強度和剛度，邊墻與仰拱要有圓順的連接形式。仰拱失跨比應不小于1/12。為控制變形，避免墻基應力集中，應盡早形成封閉結構。一般情況下，施作仰拱距開挖工作面的距離不宜超過1-1.5B（開挖寬度）。采用淺埋暗挖技術施工的區(qū)間，隧道仰拱失跨比為1/5-1/6。地鐵車站的底板或仰拱的厚度達到1-1.2m。在深埋的山嶺隧道中應采取排堵結合，限堵為輔，防排結合，因地制宜，綜合治理的原則，結構計算可考慮少量水壓力。在城市地下工程中，結構埋深比較淺，隧道頂部是沙層，滲透系數較大，大量排水將會對城市地下水系統(tǒng)、周圍建筑物、地下管線等造成影響，甚至破壞，所以應遵循以堵為主，限排為輔的設計原則；防水方法應遵循多道防線，剛柔結合，因地制宜，綜合治理的原則。計算中應考慮二次襯砌承受的含水頭水壓力，如隧道所處的地層為黏土或沙黏土等，滲透系數較小，實踐證明，排放適量的地下水，對城市地下水位無影響，可取得較好的整體防水效果。結構計算也應按全水壓力進行計算。區(qū)間隧道防水板應采用鐵路隧道方式，防水板敷設到邊墻底，不全包，仰拱不計水壓，受力均勻。目前，地鐵區(qū)間隧道防水板全包，將地下水引入道床下面，這樣做對運營不利，應采用鐵路的半包式方法。超前預注漿和初期支護背后注漿，不能形成主要防水防線，但注漿填充了圍巖裂縫和土層孔隙，可起到一定的阻水作用。特別是對圍巖集中出水點的注漿堵水，能起到較好的止水效果（成本高，不能全堵死，必須結合其他方法綜合使用）。初期支護在理想條件下，可達到較高的抗?jié)B等級，但由于噴射混凝土和施工工藝的離散性，使得現場噴射混凝土的整體抗?jié)B性能較差，不能形成永久的防線，可以當做施工期間的防水線。在初期支護和二次襯砌之間設置防水層進行防水，稱為防水材料防水。防水層一般為柔性的，從國內外地下工程復合式襯砌防水材料的選擇來看，防水板（膜）應用較多（因為初期支護的受力和二次模筑的受力不能協調，通過防水板傳力且剪力為零，所以防水板不但可以防水，還可以防止二次襯砌開裂）。防水涂料的施作方法為現場機械噴涂或人工涂刷，其厚度難以控制，不便施工，對環(huán)境有污染。防水板應具有其延伸率應大于600﹪，耐久性，接縫嚴密可靠等，確保防水工程具有連續(xù)性、整體水密性、變形適應性和耐久性。鋪設工藝必須采用無釘鋪設法，先鋪設無紡布，再將防水板熱粘在無紡布上，不能將無紡布和防水板制作在一起進行鋪設，否則無紡布與圍巖不能密貼，形成很大空洞，防水板也易撕裂。應重視混凝土自防水（如限制混凝土裂縫寬度、盡量減少變形縫、誘導縫）。混凝土自防水主要是防止結構產生貫通性裂縫。設計人員往往認為混凝土的強度越高，其抗拉強度越高，因而抗裂性能越好；混凝土的抗?jié)B標號越高，其抗?jié)B能力越強。施工中出現了片面提高混凝土標號和抗?jié)B標號的現象，殊不知其結果往往適得其反，事與愿違（一般來說，混凝土標號越高、抗?jié)B標號越高，單位水泥用量越多，其結果是水化熱增高，收縮量加大，更易導致裂縫的產生）。設計人員合理選定混凝土的強度和抗?jié)B標號，合理地確定結構受力和支承條件，合理設置各類“縫”并正確設計其構造。施工人員合理選擇混凝土的配合比、水泥用量、水灰比、如模溫度、澆搗順序、養(yǎng)護時間和條件等。質量員嚴把質量關。混凝土工程中要求混凝土是高性能混凝土，而不是高強度混凝土。在地鐵淺埋暗挖工程中，對各類“縫”的設置及其構造頗有爭議。如果設置或構造不當，往往是防水的薄弱環(huán)節(jié)（地鐵工程因行車的特殊要求，一般不能設置沉降縫，即通稱的變形縫。如果設置要求有特殊構造，則兩側結構的沉降差不超過0.3mm，否則就可能導致鋼軌的斷裂。因此，實際上地鐵工程中只能設置施工縫）施工縫是施工過程中工藝分段要求所需要設置的，它可消除部分收縮應力，必須設置，但宜少不宜多。目前，二次襯砌多采用鋼筋混凝土結構形式，鋼筋和混凝土相結合可以共同受力，但承受水壓的效果不好。鋼筋外的混凝土保護層非常重要，它是確保鋼筋混凝土不漏水的重要防線。在鋼筋混凝土工程設計和施工時，一定要重視鋼筋保護層的施工措施。國內地鐵的一些區(qū)間出現底鼓和漏水的原因，一是對水壓力考慮不足；二是仰拱施工質量較差，厚度未達到設計要求。淺埋暗挖技術是適合富水地區(qū)修建城市地鐵的主要施工技術之一，該工法的隧道設計應遵循防水設計優(yōu)先結構設計的原則（防排結合）。地鐵設計一般的錯誤理念：1.防水板全包,將水堵在二次模筑之外,形成水環(huán)；2.認為初期支護不會漏水(結構在長期運營下,在施工后通過應力調整,開裂是必然的。)；3.不設置水流入隧道的出路,從而在全線形成壓力水頭。隧道襯砌拱橋設計法：只考慮了襯砌承受圍巖的主動荷載，而未考慮圍巖對襯砌變形的約束和由此產生的抗力，所以，襯砌厚度偏大。隧道錨噴用于初期支護，其能保證圍巖穩(wěn)定的同時，也允許圍巖有一定程度的變形，使其圍巖內部應力重新調整，從而發(fā)揮其自承作用，因此，可以將內層襯砌的厚度減小很多。常用計算模式：1.荷載-結構模式（作用-反作用模型），結構上方的巖層最終要塌落，因此作用在支護結構上的荷載就是上方塌落巖體的重量。然而，一般情況下巖層由于支護的限制而不會塌落，實際上圍巖向支護方向產生變形受到支護的阻止，從而對支護產生壓力。這種情況下作用在支護結構上的荷載是未知的，引用荷載-結構模式就有困難。所以，荷載-結構模式只適用于淺埋情況及圍巖塌落而出現松動壓力的情況。荷載-結構模式還可以按荷載的不同細分成主動荷載模式、主動荷載+被動荷載模式、量測壓力模式。前兩種模式考慮的是巖層重量作用在結構上，這種荷載通常是根據松散壓力理論或經驗確定的。在沒有抗力的土體中采用第一種計算模式，一般情況下采用第二種計算模式。第二種模式考慮了結構和巖體的相互作用，部分體現了地下結構的受力特點。為了保證地層抗力的存在，應當使地層與結構之間保持緊密接觸。第三種模式是反饋計算的一種方法，即根據現場實地量測獲得的圍巖壓力，作為荷載對支護結構的作用進行計算。這種荷載反映了結構與圍巖的共同作用。支護結構體系與圍巖共同作用的計算模式（連續(xù)介質模型），其主要用于圍巖變形產生的壓力，壓力值必須通過支護結構與圍巖共同作用而求得。支護結構體系不僅是指襯砌與噴層等結構物，而且包含錨桿、拱架等支護結構在內。其計算模式的計算方法通常有數值解法和解析解法兩種（一般只適用于軸對稱情況，可以說明現代支護結構設計的機理和概念）。剪切滑移破壞法只是近似的工程計算法。圍巖壓力是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護變形、破壞的作用力，包括由地應力（即原巖應力）引起的圍巖應力，以及圍巖變形受阻作用在支護結構上的總作用力。圍巖壓力也稱地壓。由圍巖壓力引起的圍巖和支護的變形流動與破壞等現象稱為圍巖壓力顯現或地壓顯現。圍巖壓力分為松動壓力、變形壓力、膨脹壓力、沖擊壓力（具體定義見P142-P143）圍巖壓力計算的適用條件1.H≤ha;2.ha＜H＜hp（洞頂上覆土柱下沉，從而帶動兩側土體變形下沉，出現兩道破裂面。當土柱下沉時，兩側土體對它施加摩擦阻力，而當破裂面間的土體下沉時，又受到未擾動土體的阻礙）具體分析見P144應力傳遞本質上屬于挖洞后原巖應力的轉移；在松散地層中挖洞后，由于洞頂下沉及下沉巖柱兩側存在摩擦力，使頂部巖體卸載，兩側巖層加載。巖柱理論和太沙基公式分析見P147實踐表明，淺埋時利用式3-32所算得的圍巖壓力與實際相差較小，而埋深較大時，則誤差較大。原因是深埋時上覆巖體的破裂面已不再是沿著整個巖柱的側面，而是形成一個封閉的拱形曲面，即所謂形成平衡拱，因而將太沙基公式應用于深埋的隧道則有較大的誤差。隧道施工時，由于承載拱效應，原始地層應力并非全部轉化為作用在結構上的荷載，即使在隧道建成幾千年后，作用在隧道襯砌上的壓力任然小于初始應力。其原因為隧道開挖后洞室洞室開挖周圍地層應力的釋放，隧道的拱形形狀及地層內部摩擦力等導致承載拱發(fā)揮作用，周圍地層應力進行重分布產生兩種變化，即一部分被釋放，另一部分向深部和其他方向轉移。當施作襯砌支護后，地層應力的釋放過程受到抑制，一部分釋放荷載作用于襯砌結構上，這部分荷載的大小正是我們所需要了解的作用于襯砌結構上的壓力。原始地層應力的釋放率與地面沉降和拱頂下沉之比有很好的一致性。實踐證明，初期支護厚度與作用在其上的荷載關系不大，這是因為絕大部分變位是在初期支護施設前完成的，在這一過程中伴隨著變位的發(fā)展，地層應力釋放或向深部地層轉移，初期支護施設后，只能抑制后期數值不大的變位。初期支護的較大剛度對于荷載的作用程度是有限的。因此，當只考慮承擔基本荷載時，初期支護厚度不宜過大。新奧法原理展示了這樣一條原則：在一定范圍內（通常指隧道開挖后能維持自穩(wěn)的時間）襯砌越緊跟，作用在襯砌結構上的荷載就越大。大量資料證明，臺階長度（或閉合長度）與作用在結構上的荷載有著密切的關系，即閉合長度越長，作用在結構上的荷載越大。計算式見P151地震對地下結構的影響大致有兩個方面：剪切錯位和震動。剪切錯位通常是由基巖的剪切位移引起的，一般發(fā)生在地質構造帶附近，和土體失穩(wěn)引起的較大土體位移。地震的破壞作用，自地面深入地下而迅速衰減。預支護指預先設于隧道輪廓線以外一定范圍內的支護，或與開挖面后方的支架等共同組成的支護系統(tǒng)，是有效的輔助施工措施，可以在隧道開挖后至洞內支護結構產生支護作用前的時段內支承臨空的巖體，從而維持開挖面的圍巖穩(wěn)定。有些預支護結構也可設計為永久支護結構的組成部分。隧道施工中的預支護類型主要有超前錨桿、小導管注漿、管棚。洞室開挖問題的基本研究思路：在應力釋放及應力重分布過程中，當洞室開挖后初始應力得到釋放，將釋放的應力作為等效荷載加在開挖后的洞室結構上，以研究開挖后的洞室的力學行為。計算考慮初期支護對圍巖的加固作用和不同部分開挖過程中各部分之間的相互影響，分部開挖步數及開挖的順序將影響應力-應變過程的狀態(tài)，也將影響最終應力和位移。隧道底腳和側壁應力集中，彎矩和軸力較大，產生了較大松弛底壓。這和開挖跨度大有關系。圍巖條件越差，這種情況越嚴重。底腳和側壁松弛范圍均較大，要求底腳有較大的承載力，這是應該重點加強的部分。對初期支護設置不均衡支護（錨桿設置情況：拱頂3.5米，拱腳30度-60度范圍內5.5米，邊墻4.5米；噴射混凝土25厘米），在拱腳處加長的錨桿起到了重要的作用，有效地控制了塑性區(qū)的發(fā)展，塑性區(qū)的范圍變小了，拱頂減短的錨桿完全能滿足要求。減應力產生的大小和方向與開挖順序有關。在方向上，中壁法的剪應力與上臺階法、側壁導洞法的剪應力相比旋轉了90度，在量值上，側壁導洞法的剪應力要大近三分之一，這說明其值與開挖順序有關。設置仰拱后，底腳處的塑性區(qū)得到較好的控制，說明先修仰拱，及時封閉結構，對提高底部承載力和穩(wěn)定整個隧道結構起著重要的作用。扁平率隨跨度增加而減小，說明既要考慮凈高，又要經濟。同跨度的二到三類軟巖與四到五類硬巖相比，扁平率比較大。軟巖相對硬巖拱頂穩(wěn)定性較差，兩側壁松弛壓力和底鼓較大，在設計中考慮取較小的曲率半徑，以利于結構的受力和穩(wěn)定性。隧道扁平率越小，襯砌軸力也隨之減小，而襯砌兩側負彎矩變大，拱頂正彎矩幾乎沒有變化，這說明襯砌兩側的應力也變大了。因此，加大襯砌兩側的厚度，對于控制隧道襯砌的應力是有利的。加強初期支護，如使用長錨桿、基腳和拱腳注漿錨桿等，是加固圍巖、防止圍巖松弛變形、保證施工安全的重要措施。先修仰拱，這對于及時封閉和穩(wěn)定整個結構起到重要作用。超前錨桿又稱斜錨桿，是沿隧道縱向，在拱上部開挖輪廓線外一定范圍內向前上方傾斜一定外插角，或者沿隧道橫向、在拱腳附近向下方傾斜一定外插角密排的砂漿錨桿。前者稱拱部超前錨桿（其用以支托拱上部臨空的圍巖，起插板作用），后者稱邊墻超前錨桿（用以在拱線附近巖體所承受的拱部荷載傳至深部圍巖時，起提高施工中的圍巖穩(wěn)定性作用）。拱部超前錨桿布置范圍公式:L=(1/2)a-(2/3)a。L為設計錨桿布置范圍內之半弧長，a為隧道拱部外弧半長。拱部超前錨桿縱向兩排之間應重疊1米以上的水平搭接段。拱部超前錨桿鉆孔口位于開挖輪廓線以外10-20厘米，邊墻超前錨桿鉆孔口位于起拱線以上10-20厘米，可設一排或數排。填充砂漿標號≥200號，宜用早強砂漿。小導管是沿隧道縱向，在拱上部開挖輪廓線外一定范圍內向前上方傾斜一定外插角，或者沿隧道橫向、在拱腳附近向下方傾斜一定外插角密排的注漿花管。注漿花管的外露端通常支于開挖面后方的格柵鋼架上，共同組成預支護系統(tǒng)。注漿小導管既能加固洞壁一定范圍內的圍巖，又能支托圍巖，其支護剛度和預支護效果均超過超前錨桿，適用于較干燥的沙土層、砂卵（礫）石層、斷層破碎帶、軟弱圍巖淺埋段等地段的隧道施工。小導管長度一般為臺階高度加1米，其前部應鉆注漿孔，孔徑為6-8毫米，孔間距為10-20厘米，梅花布置，前端加工成錐形，尾部長度不小于30厘米，作為預留止?jié){段。小導管通常壓注水泥砂漿，水灰比W/C為0.5-1.0。當圍巖破碎，巖體止?jié){效果不好時，可采用水泥-水玻璃雙液漿，將漿液凝結時間控制在數分鐘之內。注漿壓力為0.5-1.0MPa,必要時在孔口設止?jié){塞。漿液擴散半徑R，考慮注漿擴散范圍相互重疊的情況，安其R=（0.6-0.7）L0，L0為導管中心間距。單根導管注漿量Q按計算式Q=3.14*R2ln.n為圍巖孔隙率。小導管外插角小于10度，外插角過大會造成超挖。兩組小導管縱向水平搭接長度不小于1米。格柵鋼架又稱格構梁（施工現場多稱為花拱），由主筋（直徑為22-30毫米）與構造筋（直徑為12-16毫米），它與注漿小導管組合成的預支護系統(tǒng)具有類似管棚的作用，也可稱為短管棚（1.比超前錨桿或小導管的支護能力大，2.比管棚簡單易行，但支護能力較弱，3.格柵鋼梁內空間被噴射混凝土填充、覆蓋，具有較好的防水性能，4.填充的噴射混凝土與圍巖和鋼筋均緊密黏結，形成剛度較接近的共同變形體，受力條件合理）。管棚宜布置在洞口和洞口附近，導管中還可增設鋼筋籠（由4根主筋和固定環(huán)組成，主筋直徑為16-20毫米，固定環(huán)用短管或鋼筋環(huán)焊接而成，以提高導管的抗彎能力），并與強有力的型鋼鋼架（采用鋼軌、H型鋼及鋼管等加工制成）組合成預支護系統(tǒng)，以支承和加固自穩(wěn)能力極低的圍巖。它對防止軟弱圍巖的下沉、松弛和坍塌等有顯著的效果。其特點是支護能力大，但施工技術復雜，造價較高。管棚外徑一般為80-180毫米，根據模擬受力分析和實際應用情況，直徑一般以105-150毫米為宜，導管直徑再增大作用不是很明顯。導管長度一般為10-45米，分段安裝，分段長為4-6米，兩段之間呈V形對焊或絲扣連接。導管上必須鉆注漿孔，孔徑為10-16毫米，孔間距為15-20厘米，梅花布置。尾部留有止?jié){段。其注漿形式有兩種形式。其一，是通過導管上的注漿孔向地層內注漿，既加固地層又填充導管，其二，向導管內灌注水泥砂漿或混凝土，砂漿或混凝土的標號為200-300。導管間距應根據地層性質、地層壓力、設置部位等條件確定，一般為30-50厘米，或按2-2.5d估算（d為導管外徑）。縱向兩組管棚應有不小于1.5米的水平搭接長度。導管安裝偏差小于等于0.006L-0.015L，L為導管長度。長管棚一般均安設在隧道頂部輪廓線外的0.5米處，屬于傳力結構為主、局部受彎為輔的傳彎結構，是放在彈塑性地層一個半柔半剛性的梁。地層荷載通過它傳給管棚下面的地層，傳力結構一般沒有變形，也就不會受力。但由于長管棚放在不均質的地層中，受地層的阻力不同，在局部可能會產生很小的變形和相應的彎矩。尤其開挖進尺較短，會產生局部變形和彎矩，但其值不大。長管棚不是主要承載結構。管棚在地層中的作用為：1.提高地層的剛度和承載能力。管棚的剛度與周圍地層的剛度比值不宜過大，應相匹配。否則，兩者受力分配不均勻，會破壞管棚底部土體的承載能力，所以管棚直徑不宜過大。2.可以隔斷地層重點位移向地面?zhèn)鬟f。3.可以將地面沉降曲線呈現的不均勻的正態(tài)分布均值變?yōu)槠骄植?，有利于控制地面的沉降。根據隧道力學的分析，施工過程中隧道前方與隧道開挖面距離大約在1.5D(D為隧道直徑)范圍內時，土體應力已開始釋放，土體變形已開始發(fā)生。在距開挖面大約為0.5D范圍內時，土體原始應力已釋放約30﹪左右，這種現象被稱為“掌子面效應”，此時基床系數會降低。按照普洛托季雅可成洛夫的理論，在暗挖工程上部的覆土超過一定高度時，暗挖洞室上方會形成一個拋物線壓力拱，拱內土體的重量就是作用在襯砌上的土層總壓力。改變管棚的I值，變動管棚所用鋼管的直徑和間距（為確保管間土體穩(wěn)定，設管體水平間距為2倍管徑）。在允許的范圍內，管棚剛度約增加到原來的15倍時，鋼材用量增加到1.8倍，水泥用量增加到3.1倍,管棚最大沉降值僅減少1厘米。（僅靠增加管棚的剛度來減少管棚的最大沉降，效果不太明顯，除非對沉降要求很嚴格）管棚直徑不宜過大，建議控制在直徑為150毫米以內為宜。在開挖進尺為1米左右時，開挖與初期支護建成并達到一定強度之間存在著時間差，因而形成局部懸空面。管棚在上部荷載作用下繞曲，形成管棚的局部下繞。注滿水泥漿液的鋼管的彈性模量要高出土體許多倍，所以通常情況下，管棚的總體下沉比管棚的局部下繞大許多倍。在此情況下，增大管棚剛度雖可減少管棚在荷載作用下的局部繞度值，但對控制總體沉降的作用卻很小。在開挖階段，長管棚實際上只起到將開挖臨空面上方的土體荷載向開挖面前后轉移和防止管間土體塌落的作用，其材料使用應力很低。管棚支撐在土層上的特點也決定它的使用應力不可能太高。因此，管徑截面越大，材料強度利用得就越不充分。網構鋼拱架間距越大，地面沉降瞬時值越大，且作用在結構上的荷載和內力的瞬時值也越大。臺階過長，各階段有充分的變形積累時間，管幕是管棚的一種特殊情況，在日本應用較多。一般在穿越既有鐵路、公路或既有重要建筑物時，為了盡量減少沉降，采用頂進法施作直徑為600-1000毫米的鋼管作為管幕預支護。管幕的兩端必須有穩(wěn)固的支點，管幕造價較高。噴射混凝土、錨桿是新奧法的主要支護手段。其設計原則：適當控制圍巖變位量，及時構筑支護結構，恰當選擇支護結構剛度，以保證隧道的安全穩(wěn)定和經濟合理性。對于巖質條件較差的淺埋大跨度隧道，要求支護結構對圍巖施加較大的約束力，這時常采用鋼拱架來加強支護結構的剛度。鋼拱架的支護機理是在噴射混凝土還不能提供足夠的強度時，由鋼拱架承受圍巖荷載，減緩圍巖變位速度。隨著噴射混凝土層的凝結硬化和強度的逐漸增加，圍巖荷載轉由噴射混凝土、鋼拱架、錨桿聯合支護體系共同承擔。鋼拱架必須有一定的剛度、強度、和穩(wěn)定性，使噴射混凝土在早期無承載能力時承擔圍巖的部分荷載。限制圍巖產生較大變位，但要保持支護結構具有一定的柔性。圍巖產生較大的變位量時，支護結構被彎曲壓縮而對圍巖壁面施加徑向約束壓力，通常需要鋼拱架來提供支護抗力，以達到提高噴射混凝土的楔效應和防止局部應力集中。同時，還可以結合其他支護手段形成復合式支護體系。鋼拱架應滿足的要求：在噴射混凝土早期強度不高的情況下，能夠承擔圍巖部分荷載，要求橫、縱軸的截面系數比不大于3。與噴射混凝土結合良好，回彈少，拱架背后無空洞，以提高噴射混凝土的楔效應和防止局部應力集中。其結構強度、剛度、穩(wěn)定性相匹配，受力合理。網構鋼拱架是較好的新型支護拱架，它不僅具有傳統(tǒng)鋼拱架的功能，還有其不可比擬的優(yōu)點特別適用于軟弱地層的地下洞室。網構鋼拱架支護過程是：在噴混凝土初期為單獨承載，噴混凝土后期是鋼筋混凝土結構體，其剛度隨噴射混凝土強度的增加而增大，它的剛度可通過調整噴層厚度和縱向拱架間距等方式進行，以適宜不同的地層要求，表現為先柔后剛，能與圍巖剛度匹配，符合NATM原則。網構鋼拱架是由鋼筋焊接而成的，截面形狀可以改變，適宜于不同跨度的需要，更適宜于大跨度隧道。采用16Mn螺紋鋼筋加工的網構鋼拱架，其容許抗拉強度可達240MPa，遠大于160MPa的工字鋼強度。在斷面相同時其承載力相應地提高了百分之50。網構鋼拱架和噴射混凝土結合良好，形成鋼筋混凝土結構體系，并能與圍巖形成一體，有利于提高圍巖的自承能力。網構鋼拱架和噴射混凝土形成拱殼，而工字鋼拱架和混凝土易全部剝離。形成弱點和斷點，使之波及范圍到此終止。結構整體越強，破壞所波及的范圍越廣。網構鋼拱架和噴混凝土所組成的結構體系的彈性模量隨混凝土齡期的增加而提高，支護剛度隨噴射混凝土厚度增加而增大，表現為先柔后剛，能與圍巖剛度相匹配。其背后與地層之間有效地被噴射混凝土填充密實，在軟弱地層中對控制地面沉降極為有利。其具有明顯的各向同性、等強度、等剛度、等穩(wěn)定性。能與錨桿、超前小導管形成整體支護體系，尤其是超前小導管可以從網構中間穿過，且不影響拱架本身的強度。在不能自穩(wěn)或自穩(wěn)時間短的圍巖中，必須按能立刻承受可能產生的部分松動荷載進行設計。因此，拱架的截面高度應由可能產生的松動土柱高的荷載來決定，同時，拱架附近噴射混凝土厚度必須大于拱架截面高度，以便形成鋼筋混凝土結構，共同受力。網構鋼拱架有四肢形和三肢形，等高四肢形比等高三肢形的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩大，用鋼量較大，一般用于受力大的情況。四肢主筋各肢截面積相等,三肢主筋兩水平主筋截面積之和等于單筋截面積。四肢形加強筋形式分為內對角線托架形式、縱向斜桿托架形式、K形加強筋形式。見P189。三肢形加強筋形式分為剪力式加強筋系統(tǒng)、水平筋加強系統(tǒng)。見P190。接頭形式分為螺栓連接、卡銷式連接、套管螺栓接頭。在大跨度、地質條件差、淺埋情況下，常采用截面為四肢形，加強筋為K形，連接板連接。網構鋼拱架截面高度應考慮松動高度土柱荷載來進行計算，截面寬度應考慮運輸、加工、掌子面情況，選擇高寬相等的截面形式。節(jié)間長由加強筋鋼架長度兩鋼架之間加強筋的空隙預留主筋長度組成。網構鋼拱架由抗架剪能力控制其承載力，而抗剪力主要由加強筋的拉壓桿系統(tǒng)作用來實現，加強筋系統(tǒng)最佳尺寸的選擇，可產生最優(yōu)抗剪能力。加強筋預留主筋長度部分由鋼架加強，預留長度也有一個最佳尺寸（保證預留長度部分主筋不是整體結構最弱點），節(jié)間長度由最佳長度來控制。節(jié)間長度起著控制網構鋼拱架剛度、強度、穩(wěn)定性的作用，加強筋鋼架結構剛度越大，布置越密（主筋預留長度越?。凹軇偠?、強度、穩(wěn)定性越好。網構鋼拱架主筋、加強筋結構尺寸、預留主筋長度（加強筋鋼架密度）之間應合理匹配。網構鋼拱架設計驗算見P192-P202網構鋼拱架橫斷面不僅受到平面力的作用，還受到空間力的作用，因此橫斷面上四肢主筋受扭，超出應力值往往發(fā)生在同一截面四根主筋的其中一根上（拱架加工有誤差）。拱架平面的平整度、加工精度、接頭形式在很大程度上影響著拱架的承載能力。節(jié)間腹桿加強筋起著固定縱向筋的作用，并承受剪力、部分拱架法向力和彎矩。加強筋起著傳遞剪力的作用，腹桿加強筋可以有效傳遞集中荷載。分散到各桿件上的腹桿加強筋的應力變化與主筋應力變化相。加強筋應力值平均為主筋應力值的60﹪，加強筋的最大值稍小于主筋平均應力值。節(jié)間結構體內部有應力調整，荷載越大越明顯，斜桿的應力比豎桿或橫桿的應力增加幅度更大。接頭附近主筋的應力最先達到極限，接頭剛度不必太大。接頭傳遞力主要靠角鋼間的承壓來傳遞。螺栓傳遞軸力100﹪，傳遞彎矩小于20﹪。網構鋼拱架局部出現應力集中，彎矩值增加很快，出現局部失穩(wěn)，導致主筋脫離原位，變形明顯，而加強筋變形稍小，這是因為主筋的細長比大，加強筋的細長比小，而且主筋是主要受力構件，所以主筋易失穩(wěn)。拱架剛度隨荷載量變化，表現為先柔后剛，但不太明顯。拱架穩(wěn)定性好，無整體失穩(wěn)，破壞原因主要是主筋的局部失穩(wěn)造成。剪力傳遞靠加強筋鋼架桿系的拉壓作用傳遞，斜桿筋作用比豎桿筋大。焊接角鋼接頭處應力傳遞靠螺栓傳遞全部軸力和部分（≦20﹪）彎矩。噴射混凝土與網構鋼拱架組成的支護體系的承載力是單獨網構鋼拱架承載力的11倍。網構鋼拱架與噴射混凝土結合性較好（抗扭性能高），形成了拱殼。工字鋼拱架與噴射混凝土結合性較差，噴射混凝土與工字鋼結合易全部剝離，并扭曲折斷。工字鋼拱架不僅與噴射混凝土噴層結合差，易繞Y軸方向發(fā)生壓屈，對噴射混凝土早期的支護穩(wěn)定性不利。網構鋼拱架受壓，對支護襯砌結構有利，能更好地利用圍巖和混凝土的抗壓強度高的特點，從而可提高復合襯砌承載能力。地面裂縫常與地下洞室掘進工作面平行，并隨開挖工作面的推進而推進，裂縫一般上寬下窄。盾構法引起的地層變形特征與淺埋暗挖法施工引起的地層變形特征類似。盾構法施工的隧道最大沉降值比暗挖法施工的隧道最大沉降值小。盾構法與暗挖法相比，有兩個不同點（盾構掘進面的前方可能產生地面隆起，施工沉降除了地層損失引起的沉降外，還存在盾尾空隙沉降）。地面變形的五個階段（1.先行沉降-由于地基有效上覆土層厚度增加而產生的壓縮和固結沉降。2.開挖面之前的沉降和隆起-由于開挖面的崩塌所引起的開挖面土壓力失衡所致,這是一種土體應力釋放或地層向開挖面傾斜而產生的地基塑性變形。3.開挖面之后的沉降-由于土從三維擾動變成二維擾動。4.噴錨支護后的空隙沉降-由于噴射混凝土的自重引起鋼筋網下垂并出現空隙所產生的沉降，它是該空隙土體應力釋放所引起的彈塑性變形。5.后續(xù)沉降-由于地層被擾動后進行的應力調整所致，沉降緩慢，其與注漿、支護等因素有關。地下水的長期作用會使圍巖強度降低，引起地層不穩(wěn)，加大圍巖壓力，從而增加支護結構的壓力。掌子面開挖時，若工作面土體松動、坍塌，將會導致地層原始應力和土體極限平衡狀態(tài)改變。洞室斷面設計不當，會產生應力集中現象。覆跨比對地面沉降影響很大，其值在1-2時，沉降較好控制，其值小于1時，沉降控制需采用輔助工法，所需費用幅度增加。在降落漏斗范圍內的巖土由原來的浮重度變?yōu)轱栂嘀囟然驖裰囟?，巖土顆粒的自重壓力相應增加了。在抽水孔周圍的地面可能出現一個凹形變形區(qū)。第四紀砂卵石地層，降水只是吸出顆粒之間的水，對地面、地中沉降的影響不大。工程降水會引起土層固結而壓密，導致地層收縮而沉降。會改變地下水的抗浮力，地下水的浮力減小會引起地層顆粒的位置改變而沉降。會改變地層滲透壓力，滲透壓力是一種體積力，具有方向性和分層壓密地層的作用。由粗、中、細沙層組成的含水層，由間隔在其中的黏性土層組成不透水層或弱透水層，構成多層承壓含水層。在這類含水層中長期抽吸地下水，必將引起含水層承壓水頭下降，使含水層的孔隙水壓力以不同速度降低，顆粒骨架的粒間壓力增加，從而導致地面沉降。此沉降為非彈性的永久性變形。降水期間，降水面以上的土層通常不可能產生較明顯的固結沉降，但降水面以下的土層由于排水而會很快產生沉降，通常降水所引起的地面沉降就是用這一部分沉降量來衡量，計算公式見P228深井降水中，深井泵的吸口宜高于井底1米以上，低于井內動水位3米。井點降水必然會形成降水漏斗，從而造成周圍地面的沉降，但只要合理使用井點，就可以把這類影響控制在周圍環(huán)境可以承受的范圍內。其措施有：1.防止抽水帶走土層中的細顆粒（會增加周圍地面的沉降，還會使井管堵塞、井點失效。為此，應根據周圍土層的情況選用合適的濾網，同時重視埋設井管時成孔和回填沙濾料的質量）2.適當降低降水漏斗線的坡度(在同樣降水深度的前提下,降水漏斗線的坡度越緩,影響范圍越大,產生不均勻沉降越小。)3.井點應連續(xù)運轉，盡量避免間歇和反復抽水（輕型井點和噴射井點應埋設在沙性土層內，降水引起的沉降量很小，除松沙外。但降水間歇和反復進行，每次降水都會產生沉降，沉降量隨次數的增多而減小，趨于零，但總的積累量是可觀的。）4.防止開挖基坑時由于承壓水頭而造成流沙和附近地面的大量沉降（將井點管伸到黏土層下面含水沙層中，以降低沙層中承壓水頭h，從而使坑底得以穩(wěn)定。）5.防止井點和附近儲水體穿通而導致地下水位下降，進而出現流沙現象（在井點和儲水體之間設置隔水墻。）6.采用內井點降水的方法減少降水對周圍環(huán)境的影響(使板樁下端比井點濾水管下端深2m左右)7.采用以水射泵降水井點組成的封閉式井點系統(tǒng)8.對K值很小的地層,采用深井泵和真空泵配合使用的方法。由于回灌水時會有Fe(OH)2的沉淀物、活動性的銹鉵和不溶解的物質等積聚在注水管內，在注水期間內需不斷增加注水壓力，才能保持穩(wěn)定的注入水量。對于注水期較長的工程，采用涂料加陰極防護的方法。隧道上方地面沉陷槽寬度主要取決于最接近隧道拱頂的那一層土壤的狀況。隧道完全處于地下水位之下，鄰近隧道上方的承壓水土層對沉陷槽也有重大影響。隧道上方的豎直壓力對地層沉陷的影響極大。計算公式見P233隨著開挖面掘進，地面沉降的變化規(guī)律：1.地面開始沉陷至急劇沉陷階段（占總沉降量10﹪-20﹪）。2.地面急劇沉降階段。3.沉陷轉緩趨于基本穩(wěn)定（占總沉降量20﹪-30﹪）。4.長期緩慢變形階段（占總沉降量5﹪-10﹪）。具體見P234-P235。在無水、少水情況下，地面橫向沉降范圍一般認為等于結構埋深Z，也就是從結構物邊橫向向外Z寬度。影響地面最終沉降量的主要因素是地層情況及覆跨比。影響沉陷槽的主要因素有地層情況、洞跨B、覆蓋土厚度H等。城市軟土地層的隧道地面沉陷槽寬度大約為B+4H。淺埋地下工程，其穩(wěn)定性主要應該由拱頂的垂直位移和地面的沉降值來判斷。沉陷槽寬度的經驗公式見P241?？v向的不均勻下沉是由于在不均勻的地基土層中，地層固結變形、土層蠕變以及列車荷載及震動等因素的作用所造成。嚴重還會造成縱向結構破壞（見P242驗算）。城市淺埋地下工程上覆地層的垂直位移通常表現出整體下沉的特點。城市地鐵隧道與山嶺隧道相比，嚴格控制地面沉降和地面和地面水平位移。由于隧道周圍的應力路徑發(fā)生了變化，從而造成土體的基本計算參數發(fā)生了施工變異。隧道在開挖中，在無支護情況下，隧道頂部都出現了松動區(qū)，且隧道上部土體應力路徑變化較為復雜，隧道底部向下延伸近似三角的區(qū)域為卸載區(qū)域（隧道底部回彈的區(qū)域）。隧道側面向上和向下延伸的“蝴蝶”區(qū)域為剪切壓縮區(qū)（事故經常在此區(qū)域發(fā)生）地下洞室開挖后，其周圍將形成三個不同的區(qū)域，松動圈、應力增高區(qū)（承載環(huán)）和原始應力區(qū)。洞室開挖后增加了臨空面，洞壁由原來的三向應力狀態(tài)變?yōu)槎驊顟B(tài)。由于洞周應力集中，松動圈內的巖石松動，與原巖呈脫開之勢，形成作用在支護結構上的荷載。若支護剛度較大、支護較及時，即支護結構提供的支撐力大于支護結構上的荷載，則支護結構便會限制巖體的變形，減小塑性區(qū)的擴展半徑。隧道開挖時，擾動四周巖層，此時，地層中的應力場發(fā)生了變化，在洞體四周表現較為明顯。隧道的形成破壞了地層原狀力線，通常，力線在洞體四周相對集中。此時，毛洞或初期支護所能提供的抗力很小，固此處只存在切向應力和指向隧道的徑向應力，這就造成了洞體開挖后，洞體四周的圍巖向隧道位移，且周邊的切向應力隨位移增大而增大。當內層圍巖向隧道內位移后，由于應力的調整，相鄰的圍巖也隨之向隧道內位移，直到切向應力在圍巖中達到新的平衡時，洞體才進入初步穩(wěn)定狀態(tài)。這種應力-位移的交替變化會逐漸向遠離洞周的地層深部發(fā)展，其發(fā)展的深度和變化數值大小取決于圍巖狀況、隧道跨度或洞室直徑、施工方法以及隧道埋深。對于深埋隧道來說，應力-位移的變化在發(fā)展到一定深度后就會恢復到原始狀態(tài)。但是，對于淺埋隧道來說，交替變化會波及到地面，造成地面的下沉（頂部位移直到地面為止，橫向也波及一定的范圍，構成沉陷槽）。盾構法施工引起的地層損失和隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結，是導致地面沉降的基本原因。這種情形和淺埋暗挖法施工相同。見P249-250地下工程新奧法施工的實質是減小對地層的擾動，充分利用圍巖自身的承載力，有效控制地層的變形?？刂频孛娉两档年P鍵是保持開挖面穩(wěn)定，及時、密貼、大剛度的支護以及初期支護后的減小沉降措施。分部開挖可以保證開挖面穩(wěn)定，又可及時、有效的支護，對地層擾動也減小了。地層預加固方法很多，常用的有：預注漿、超前管棚、插板法、超前錨桿。預注漿法包括從開挖面、地面或導洞內注漿。注漿方式有滲透注漿、劈裂注漿、射流注漿等。注漿材料有化學漿液（水玻璃類、高分子類、水泥、黏土和藥劑配合液）和非化學漿液（水泥漿、黏土漿、水泥+黏土、水泥+鵬潤土、砂漿等）。對于孔隙率較大的沙層、砂卵石層滲透注漿使用非化學漿液，對于滲透性較小的沙層滲透注漿可使用化學漿液。劈裂注漿適用于黏土層和密實粉細沙層。射流注漿適用于各種沙地層，特別是級配較好的砂卵石地層。滲透注漿通常在洞內進行，隧道開挖前在開挖輪廓以外注漿，形成一定厚度的加固帶，然后再其保護下開挖隧道。若采用分布開挖隧道，開挖面任不易穩(wěn)定，可在開挖面前方注入少量漿液，以穩(wěn)定開挖面。通常，滲透注漿法有良好的防滲性。劈裂注漿適用于黏土和密實粉細沙層，常用于范圍較大的地層注漿加固，漿液一般用較稠的水泥漿液，對于有些地層，通過控制注漿壓力可達到劈裂注漿和滲透注漿的目的。射流注漿在實施時，空氣、水、稀漿液被噴進地層，并在適當位置與土顆粒、水泥和化學漿液混合，通過水和空氣射流將不合要求的土粒沖走，然后固結成較高強度的固結體，然后，在其保護下進行隧道開挖。射流注漿可豎直、水平或傾斜進行。壓密注漿作為補救措施，解決沉降損失或修正沉降的一種注漿方式。它是在支護完成后通過高壓向支護體的上部注入很稠（塌落度小于5厘米）的漿液，以置換和壓實松散基土。注漿體是一種勻質體，隨著注漿的繼續(xù)，其體積增大，從而逐漸減小地面沉降。壓密注漿不適合高壓縮性的淤泥質黏土。劈裂注漿比滲透注漿可減小地面沉降1/3-1/2。地面錨桿一般采用全長砂漿錨桿，錨桿與砂漿共同組成錨固體。它的錨固作用是通過錨桿與砂漿之間、砂漿與巖土體之間的摩擦阻力來實現的。前者的主要功能是提高巖土體整體的強度和剛度，后者則是增強巖土體的摩擦阻力和抑制巖土體的沉陷滑移，進而達到減小山體壓力的效果。提高巖土體整體強度和剛度的作用機理：向錨桿孔中注砂漿時，由于壓力的作用，漿液會擴散，且順著巖土體的孔隙和裂隙滲透擴散，當錨桿孔間距布置合理，漿液擴散半徑相互搭接，形成網狀膠質結構體，從而大大提高了巖土體強度和剛度，使巖土體的抗壓強度、剛度、強度有明顯提高。為保證加固效果、錨桿間距保持在漿液擴散半徑范圍之內。錨桿錨固的有效長度為錨桿全長的3/5-4/5。計算式見P266抑制巖土體沉降和減少壓力的作用機理：由于砂漿對錨桿的握裹力，以及砂漿與周圍孔壁的黏結力（孔內砂漿灌注飽滿），使錨桿產生串掛固結作用，形成一個以錨桿為中心的加固區(qū)，使錨桿周圍巖土內的抗剪強度大為提高。另外，錨桿的彈性模量比巖土體的彈性模量大，因而錨固體還可以約束巖土體