隧道工程施工基础知识详解

隧道工程施工基础知识

详解

Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】

隧道工程施工基础知识讲解

赵源林

各位同仁下午好，感谢局给我们这次机会，让我们一起系统的学习隧道施工基础知识。下面由我给各位介绍，有不对之处欢迎指正，以帮助我在今后工作中提高。见天我主要介绍以下几个方面：概念、新奥法力学基础、围岩的工程性质、隧道施工方法、隧道辅助施工工法、不良地质隧道施工、隧道施工临时工程、体会。当然，隧道系统性内容较多（如未介绍的地质学、爆破学、监控量测等），需要各位在施工中不断积累、总结、提升

P1.隧道施工基础

P2.第一部分概念

P3.隧道基本概念

地下工程—修筑于地下的建筑结构物称为地下结构。为建设这些地下结构所进行的工程，通称为地下工程。

隧道—保持地下空间作为交通、水工通道的地下工程，称为隧道。隧道是埋置于地层内的工程建筑物，是人类利用地下空间的一种形式。隧道可分为交通隧道，水工隧道，市政隧道，矿山隧道。

优点：1、可直线穿越障碍物；2、与障碍物间无冲突并节约土地，输送速度快，输送能力大。

缺点：1、与其它工程相比，隧道工程属于最难人工建筑物之一。影响因素多，隧道受地质、水文状态等多方面的影响；2、难以保证计算准确性，与其它结构不同，没有精确计算隧道力学的方法，计算结果的准确性受力学模型的限制；3、施工难度大，可发生如塌方、地下涌水、突泥、瓦斯等多种意外情况；

4、造价高、波动大，在不同地质条件下，造价的波动大约为5倍，有时可达9～10倍。

导坑—隧道修建首先在地下开挖出一个洞穴并延伸成为一个长形的孔道，称之为导坑。如平行导坑、超前导坑、泄水洞等。

衬砌—在坑道周围修建的支护结构。包括初期支护和二次衬砌。初期支护一般有喷射混凝土、喷射混凝土加锚杆、喷射混凝土锚杆与钢架联合支护等形式；二次衬砌一般是混凝土或钢筋混凝土结构。

洞门—在隧道两端外露部分为保护洞口和排放流水所修建的挡土墙式结构。端墙式、斜截式。

隧道附属建筑物—避车洞、防排水设备、通风系统等。

隧道施工—施工方法、施工技术和施工管理的总称。

P4.隧道发展历史

1、中国隧道发展史

隧道及地下工程的发展是我国20世纪最伟大的科技成就之一，它有力地促进了我国交通运输的发展。同时也带动了土木工程、水利工程等学科的发展，在我国国民经济建设中起到了重要的作用。在20世纪，尤其是最后20年，我国的隧道及地下工程科技水平由落后状态而一跃进入世界先进行列。目前我国的隧道总长度及修建技术水平均为世界领先。

1888年至1911年，铁路隧道237座，总延长数。

1911年至1949年，铁路隧道427座，总延长。

1950年至1979年，铁路隧道2118座，总延长966km。

1979年至2005年，修建铁路隧道2802座，总延长2156km。

2006年在建的隧道1785座，总延长2164km。

即将开工的的高速铁路隧道146座，总延长184km。

目前规划及在建铁路隧道长度约2300km，其中特长隧道约760km。

2、中国隧道建设四阶段

（1）起步阶段（时间跨度为50年代至60年代初 ) ,代表性工程有:

宝成铁路于1952年7月开工，1956年建成通车，全长669km。其中隧道304座，总延长84428m，占线路总长的%。宝成铁路隧道是我国自行设计和建造的，,积累了山岳地区修建隧道设计和施工的经验。是我国隧道建设进步的重要标志。其中秦岭隧道北洞口创造了月成洞的记录。

川黔铁路上的凉风垭隧道，该隧道长度4270m，于1959年6月贯通。该隧道首次采用平行导坑和巷道式通风，为长隧道施工积累了很宝贵的经验。该阶段采用钻爆法施工，以人工和小型机械凿岩、装载为主，临时支护采用原木支架和扇形支撑。隧道施工基本无通风，由于技术水平落后，人工伤亡事故时有发生。

（2）稳定发展阶段(时间跨度为60年代至80年代初),代表性工程有:

京原铁路(北京至山西原平)上的驿马岭隧道，是70年代中国铁路最长隧道全长7032m，1967年2月开工，1969年10月竣工，机具设备的提高：普遍采用

了带风动支架的凿岩机、风动或电动装载机、混凝土搅拌机、空压机和通风机等。

支护工艺的提高：采用了锚杆喷射混凝土技术，这是隧道施工技术的重要里程碑，同时较好地解决了施工安全问题。

（3）技术突破与创新阶段(时间跨度为80年代中期至90年代中期),代表性工程有:

衡广铁路复线的大瑶山双线隧道（1981年11月开工到1989年12月建成）是这一时期的最典型的代表，隧道全长14295m，这是我国20世纪最长的双线铁路隧道。大瑶山实现了大断面施工。在这一阶段，施工设备、支护理论和技术均有较大的突破，主要表现在两个方面：

具有国际先进水平的大型配套机械设备的应用，包括二臂和四臂大型液压式钻孔台车、大型轮式装载机、模板台车和注浆钻机等。

以复合式衬砌为基础的新奥法综合技术，即利用锚喷技术作成隧道的初期支护，以控制围岩变形；中间敷设塑料板防水层；最后利用模板台车进行永久支护。

（4）高速发展阶段（90年代中期以后），代表性工程有:

这一时期的标志性工程是位于西康铁路的秦岭隧道，全长18420m。在该隧道施工中，采用了目前最先进的全断面隧道掘进机技术，即TBM技术。

3、国外隧道发展概况

第一座铁路隧道:1825～1830年在美国修建,全长1190m.

1857 ～1871年,法—意的仙尼斯山隧道,长12850m;

1898年意大利修建了辛普伦隧道,长19700m;

1971年日本新干线上修建了大清水隧道,长22230m.

除铁路隧道外,一些越江跨海隧道相继修建.美国修建了宾西发尼亚东河水底隧道,长为7190m;日本修建了新关门隧道,长18675m。1988年又修建了青函海底隧道，长达53850m,是当时世界上最长的水底隧道。1993年建成了英法海峡隧道，长。

由于欧洲汽车运输量的急剧增长，迫切需要扩大公路网，随之出现了不少的公路隧道。奥地利修建了阿尔贝格公路隧道，长13980m;瑞士修建了圣哥达公路隧道，长16285m。此外，日本还于己于1997年建成了东京湾公路隧道，长。

*随着隧道工程科学技术的进步，隧道开挖及支护技术也得到了迅速发展，尤其是新奥法的应用实现了信息化施工，TBM的应用使隧道掘进完全实现了机械化。

P5.矿山法与新奥法

1、矿山法

（1）概念：暗挖法的一种，主要用钻眼爆破方法开挖断面而修筑的施工方法。因借鉴矿山开拓巷道的方法而命名。用矿山法施工时，将整个断面分部开挖至设计轮廓，并随之修筑衬砌。当地层松软时，则可采用简便挖掘机具进行，并根据围岩稳定程度，在需要时应边开挖边支护。分部开挖时，断面上最先开挖，再由导坑向断面设计轮廓进行扩大开挖。分部开挖主要是为了减少对围岩的扰动，分部的大小和多少视地质条件、隧道断面尺寸、支护类型而定。在坚实、整体的岩层中，对中、小断面的隧道，可不分部而将全断面一次开挖。如遇松软、破碎地层，须分部开挖，并配合开挖及时设置临时支撑，以防止土石坍塌。的出现，使分部数目得以减少，并进而发展成。

（2）分类

按衬砌施工顺序，可分为先拱后墙法（类似地铁车站逆做法）及先墙后拱法两大类。后者又可按分部情况细分为漏斗棚架法、台阶法、全断面法和上下导坑先墙后拱法。在松软地层中，或在大跨度洞室的情况下，又有一种特殊的先墙后拱施工法──侧壁导坑先墙后拱法。此外，结合先拱后墙法和漏斗棚架法的特点，还有一种居于两者之间的蘑菇形法。

（3）常用方法

台阶法、CD工法(跨度大)、CRD工法、、联拱隧道中洞法等。

2、新奥法

（1）概念

新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时的进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。

新奥法是在利用本身所具有的承载效能的前提下，采用和技术，进行全断面开挖施工，并以形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身，即以、、钢筋网、等为外层支护形式，称为初次柔性支护，需在洞身开挖之后必须立即进行的支护工作。因为蕴藏在山体中的地应力由于开挖成洞而产生再分配，隧道空间靠空洞

效应而得以保持稳定，也就是说，承载地应力的主要是围岩体本身，而采用初次喷锚柔性支护的作用，是使围岩体自身的得到最大限度的发挥，第二次衬砌主要是起安全储备和装饰美化作用。

（2）分类

（3）常用方法后部将详细介绍。

3、新奥法核心

新奥法机理就是利用围岩自承能力，同时允许围岩发生一定的变形，这就需要一方面对围岩进行保护，另一方面约束围岩超度变形，并及时掌握围岩变形和承载状态，所以其三大核心为：光面爆破、锚喷支护、监控量测。

（1）光面爆破

隧道光面爆破是支撑新奥法原理的重要技术之一。是指通过正确选择爆破参数和合理的施工方法，分区分段微差爆破，达到爆破后轮廓线符合设计要求，掌子面平整、规则的一种控制爆破技术。

隧道应用光面爆破技术开挖与传统的方法相比，最显着的优点是能有效地控制周边眼炸药的爆破作用，从而减少对围岩的扰动，保持围岩的稳定，充分发挥围岩的自承作用，确保施工安全，同时，又能减少超、欠挖，提高工程质量和效率，节约成本。

要使光面爆破取得良好效果，一般需掌握以下技术要点：

A、根据围岩特点，合理选定周边眼的间距和，尽最大努力提高钻眼质量。

B、严格控制周边眼的装药量，尽可能将药量沿眼长均匀分布。及线均匀性

C、周边眼宜使用小直径药卷和低猛度、低爆速的炸药。为满足装药结构要求，可借助导爆索（传爆线）来实现空气间隔装药。

D、采用毫秒微差有序起爆。要安排好开挖程序，使光面爆破具有良好的临空面。

E、边孔直径小于等于50mm。

（2）锚喷支护

喷锚支护指的是借高压喷射水泥混凝土和打入岩层中的金属锚杆的联合作用（根据地质情况也可分别单独采用）加固岩层，分为临时性支护结构和永久性支护结构。喷混凝土可以作为洞室围岩的初期支护，也可以作为永久性支护。喷锚支护是使锚杆、混凝土喷层和围岩形成共同作用的体系，防止岩体松动、分离。把一定厚度的围岩转变成自承拱，有效地稳定围岩。当岩体比较破碎时，还可以利用丝网拉挡锚杆之间的小岩块，增强混凝土喷层，辅助喷锚支护。

作用原理

喷锚支护在洞室开挖后，支护及时，与围岩密贴，柔性好，有良好的物理力学性能，由于其为柔性支护，一定程度上能够承受与围岩共同变形。它能侵入围岩裂隙，封闭节理，加固结构面和层面，提高围岩的整体性和自承能力，抑制变形的发展。在支护与围岩的共同工作中，有效地控制和调整围岩应力的重分布，避免围岩松动和坍塌，加强围岩的稳定性。它不像传统的模筑混凝土衬砌那样，只是在洞室开挖后被动地承受围岩压力，而是主动地加固围岩。对喷锚支护作用原理的研究还不完善，有待进一步探索和改进。

（3）监控量测

简称围岩监测。为了解正施工中隧道围岩的岩石力学性质和支护结构的受力状态，保证施工安全，采用各种量测仪器对围岩和支护结构所进行的量测工作。包括对围岩和支护结构的应力、应变、变形和弹性波参数的监测

4、新奥法施工特点

（1）及时性：

新奥法施工采用为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施工，因此可以利用开挖施工面的时空效应，以限制前的变形发展，阻止围岩进入松动的状态，在必要的情况下可以进行，加之的早强和全面因而保证了支护的及时性和有效性。

在巷道爆破后立即施工以能有效地制止岩层变形的发展，并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载，增强了岩层的稳定性。

（2）封闭性：

由于喷锚支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀，保护原有。

巷道开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上原有地质构造上的裂缝，随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面，很好的充填围岩的裂隙，节理和凹穴，大大提高了围岩的强度。（提高围岩的粘聚力C和）。同时起到了封闭围岩的作用，隔绝了水和空气同岩层的接触，使不致软化、解体而使裂隙张开，导致围岩失去稳定。

(3)：

喷锚支护同围岩能全面粘结，这种粘结作用可以产生三种作用：

①联锁作用，即将被裂隙分割的岩块粘结在一起若围岩的某块危岩活石发生滑移坠落，则引起临近岩块的联锁反应，相继丧失稳定，从而造成较大范围的冒顶或。开巷后如能及时进行，喷锚支护的和是可以抵抗围岩的局部破坏，防止个别威岩活石滑移和坠落，从而保持围岩的稳定性。

②复和作用，即围岩与构成一个复合体（受力体系）共同支护围岩。喷锚支护可以提高围岩的稳定性和自身的支撑能力，同时与围岩形成了一个共同工作的力学系统，具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用，从根本上改变了支架消极承担的弱点。

③增加作用。开巷后及时继进行喷锚支护，一方面将围岩表面的凹凸不平处填平，消除因岩面不平引起的现象，避免过大的应力集中所造成的围岩破坏；另一方面，使巷道周边围岩由双方向受力状态，提高了围岩的C和，也就是提高了围岩的强度。

(4)柔性：

属于柔性薄性，能够和围岩紧粘在一起共同作用，由于喷锚支护具有一定柔性，可以和围岩共同产生变形，在围岩中形成一定范围的非区，并能有效控制允许围岩有适度的发展，使围岩的自承能力得以充分发挥。另一方面，喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生越来越大的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生松动破坏。

5、新奥法原则

因为隧洞的主要承载部分是围岩，支护结构起到发挥和保护围岩承载能力的作用。在静力学理论中，隧道的结构可视为岩体承载环和支护衬砌组成的圆筒结构，承载环的闭合起到了关键作用，因此围岩和衬砌的整体化应在初期衬砌中就及早完成，保证衬砌环的稳定与完整。从应力的重分布来考虑，全断面掘进是比较理想的开挖方式。因此，施工方式归根结底要把握一个出发点，那就是保护，调动和发挥围岩的自承能力，在此基础上根据工程实际条件把握好以下原则。

（1）充分保护围岩，减少对围岩的扰动。岩体是结构体系中的主要承载单元，在施工中必需充分保护岩体尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。

（2）充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。

（3）为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合而成为封闭的筒形结构。

（4）在施工中的各个阶段，应进行现场量测监视，及时提供可靠的数量足够的量测信息。

（5）为了铺设防水层，成为了承受锚杆锈蚀，围岩性质恶化，流变，膨胀所引起的后续荷载，可采用复合式衬砌。

（6）二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩和支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度。

6、新奥法施工基本要点

可归纳为以下7点:

①洞室开挖后，应使围岩自身承担主要的支护作用，而衬砌只是对围岩进行加固，使成为一个整体而共同发生作用。因此，须最大限度地保持围岩的固有强度，以发挥围岩的自承能力。如及时喷混凝土封闭岩壁，就能有效地防止围岩松弛，而不使其强度大幅度降低，同时也不存在因顶替支撑而使围岩变形松弛。总之应使围岩经常处于三轴应力约束状态，最为理想。

②预计围岩有较大变形和松弛时，应对开挖面施作保护层，而且应在恰当的时候敷设，过早或过迟均不利。其刚度不能太大或太小，又必须是能与围岩密贴，而要做成薄层柔性，允许有一定变形，以使围岩释放应力时起，尽量不使其有弯矩破坏的可能。这种支护和传统的支护不同，不是因受弯矩破坏，而是受压剪作用破坏的。由于混凝土的抗压和抗剪强度比抗拉和抗弯强度大得多，从而具有更高的承载能力。一次支护的位移收敛后，可在其光滑的表面上敷设高质量的防水层，并修筑为提高安全度的二次支护。前后两次支护与围岩之间都只有径向力作用。

③衬砌需要加强的区段,不是增大混凝土的厚度，而是加钢筋网、钢支撑和锚杆，使隧道全长范围采用大致相同的开挖断面。此外，因为新奥法不在坑道内架设杆件支撑，空间宽敞，从而提高了安全性和作业效率。

④为正确掌握和评价围岩与支护的时间特性，可在进行室内试验的同时，在现场进行量测。量测内容为衬砌内的应力、围岩与衬砌间的接触应力以及围岩的变位，据以确定围岩的稳定时间、变形速度和围岩分类等最重要的参数，以便适应地质情况的变化，及时变更设计和施工。量测监控是新奥法的基本特征，量测的重点是围岩和支护的力学特征随时间的变化动态。衬砌的做法和施作时间是依据围岩变位量测决定的。

⑤隧道支护在力学上可看作厚壁圆筒。它是由围岩支承环和衬砌环组成的结构，且两者存在共同作用。圆筒只有在闭合后才能在力学上起圆筒作用，所以除在坚硬岩层之外，敷设仰拱使衬砌闭合是特别重要的。

围岩的动态主要取决于衬砌环的闭合时间。当上半断面超前掘进过多时,就相应地推迟了它的闭合时间,在隧道纵方向形成悬臂梁的状态而产生大弯曲的不良影响。另外，为防止引起围岩破坏的应力集中，断面应做到无，最好采用圆形断面，及开挖断面的圆顺性，以减小应力集中。

⑥围岩的时间因素还受开挖和衬砌等施工方法的影响，它对结构的安全性起着决定的作用。考虑掘进循环周期、衬砌中仰拱的闭合时间、拱部导坑的长度以及衬砌强度等变化因素，把围岩和支护作为一个整体来谋求稳定。从应力重分布角度去考虑，全断面一次开挖是最有利的;分部开挖会使应力反复分布而造成围岩多次扰动受损。

⑦岩层内的渗透水压力，必须采取排水措施来降低。

新奥法的支护结构至今仍处于经验设计的阶段，它的前提是要科学地进行围岩分类，并根据已经修建的类似工程的经验，提出支护设计参数或标准设计模式。这种工程类比法还只考虑了岩体结构、岩块、弱面特性等工程地质性质、坑道的跨度以及围岩自稳时间等主要因素，需在各种设计与施工规程的实施过程中，依据量测数据加以修正。现场监控设计，一般分成预先设计阶段和最后设计阶段，后者是根据现场监控量测数据，经分析比较或计算后，最后提出设计。理论解析和有限元数值计算，至今还不能得出充分可靠和满意的结果，必须由上述两种方法即经验和量测加以验证。

7、新奥法适用范围

①具有较长自稳时间的中等岩体；

②弱胶结的砂和以及不稳定的；

③的岩石；

④刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩；

⑤坚硬粘土，也有带坚硬夹层的粘土；

⑥微裂隙的，但很少粘土的岩体；

⑦在很高的初应力场条件下，坚硬的和可变坚硬的岩石；

在下述条件下应用必须与一些辅助方法相配合

①有强烈地压显现的岩体；

②岩体（要与仰拱与底部相配合）；

③在一些松散岩体中，要与钢与之配合；

④在蠕动性岩体中，要与或预加固法等配合；

在下列场合中应用应慎重

①大量涌水的岩体；

②由于涌水会产生的围岩；

③极为破碎，锚杆钻孔、安装都极为困难的岩体；

④开挖面完全不能自稳的岩体等。

8、矿山法与新奥法区别

（1）理念不同：矿山法认为巷道围岩是一种荷载，应用厚壁混凝土加以松动围岩。而新奥法认为围岩是一种承载机构，构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构（以、为主要手段）并使围岩与支护结构共同形成支撑环，来承受压力，并最大限度地保持围岩稳定，而不致松动破坏。

新奥法将锚杆、喷射混凝土适当进行组合，形成比较薄的衬砌层，即用和来围岩，使喷射层与围岩紧密结合，形成围岩-支护系统，保持两者的共同变形，故而可以最大限度地利用围岩本身的承载力。

新奥法允许围岩由一定量的变形，以利于发挥围岩的固有强度。同时巷道的结构，也应具有预定的可缩量，以缓和巷道压力。

围岩的变形是控制在一定范围内的，必须避免过大，从而导致围岩强度的削弱以致引起垮落、。支护结构具有一定的，允许巷道围岩产生一定的变形，以缓和来自巷道的巨大压力，更进一步减轻支护荷载。

新奥法施工过程中量测工作的特殊性

由于岩体生成条件与地质作用的复杂性，施工条件的复杂性，以及对工程设计参数的精确要求，得要通过许多量测手段，在施工过程中对围岩动态和支护结构工作状态和支护结构工作状态进行监测。并用监测结果修改初步设计，指导施工。

（2）施工条件和环境不同：新奥法与传统矿山法相比，除了能节省大量木材外，还能及时施作，因而能有效的控制围岩变形，并充分发挥围岩的承载能力。强调闭合支护使得新奥法更符合岩体力学的原则，有利于稳定围岩；控制爆破比常规爆破要优越得多，它能按设计要求有效的形成开挖轮廓线，并能将爆破对围岩的扰动降低到最低的程度，新奥法的分块在同样的条件下都要少于传统的矿山法，这是因为采用了喷锚支护的缘故。同时，因为没有了矿山法中纵横交错

的密布的木支撑，使得新奥法施工的工作空间大为阔展，给施工创造了有利条件。

（3）新奥法明显进步在于隧道工程现场建立起信息收集和信息反馈系统，进而弄清了围岩、支护的变形及位移与应力分布和变化的关系，为隧道设计和施工提供了可靠的依据。这正是隧道及地下工程的基本特点所决定的，即对监控量测信息施工的重视。

（4）新奥法和矿山法是在不同的历史时期创立起来的专门系统工程技术，是隧道设计和施工的技术法则，而不是一般意义上的施工技术或施工方法，更不是“工法”。即新奥法和矿山法表述的是各自的工程原理和技术指导原则，尤其是新奥法的工程原理和技术指导原则与传统的工程技术方法有很大的区别，它要求信息化的设计一施工组织模式。如果没有在隧道施工现场建立起来有效的量测、监控系统，并用于指导设计和施工，就妄谈什么“新奥法”。

（5）有一种“矿山法包括新奥法，新奥法是矿山法的一个分支”的说法是不正确的。二者解释原理、技术法则有区别，但对其实施具有较多共同的方法和工艺。

P6.第二部分新奥法施工力学基础

P7. 1、隧道结构物与地面建筑物的差异

地面结构体系一般都是由结构和地基所组成,地基在结构底部起约束作用,除自重外,载荷来自外部。

地下结构体系由周边围岩和支护结构所组成，即地下结构=支护结构+周边围岩,而且以地层为主,各种围岩在很大程度上是地下结构承载主体，支护仅用来约束地层，使它不产生过大变形而破坏、坍塌。在稳固地层中可以不设支护结构.如陕北的黄土窑洞。

地下结构所承受的载荷主要来自地层,称为地层压力或围岩压力。在地下结构体系中,地层既是承载结构的主要组成部分,又是荷载的主要来源，这种二合一的机理与地面结构完全不同。

P8.隧道施工力学过程

隧道开挖后的力学过程，需了解清楚:

1、隧道开挖、支护、衬砌就是围岩应力变化后、再分布、再平衡的过程。

2、隧道的地质环境。

3、软围岩隧道施工十八字方针的意义（管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测）。

4、开挖和支护过程，围岩内应力、应变有一定规律。

5、围岩稳定性判别准则和判据。

6、确定围岩二次应力场和位移场的方法。

7、支护阻力对围岩的影响。

8、围岩压力的形成。

9、收敛和约束

P9.隧道施工力学过程

（1）隧道硐室形成与力学变化关系

由于地层中初始应力的存在，地下硐室在开挖的过程中破坏了地层中原有的平衡状态，使得开挖的毛洞周边以及附近地层的应力重新分布。如果定义地层中的原始初应力场为一次应力状态，则硐室开挖后，经应力重新分布，硐室周边的应力状态称为二次应力状态。衬砌修筑周围地层的变形必然受到衬砌结构的约束，这又使得二次应力状态有所改变，所以将衬砌后的硐室周围地层的应力状态称为三次应力状态。

隧道施工过程从工序上就是开挖、支护，形成稳定硐室，但在应力分布、变化上，就是应力的重新分布，不断的平衡、再分布、再平衡过程。

力学概念

1、深埋与浅埋

地下工程自身影响达不到地表，称为深埋，反之为浅埋。

深埋地下工程的特点：

（1）可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍未原岩应力；

（2）埋深等于或大于巷道半径R0或其宽、高之半的20倍时，巷道影响范围（3—5 R0）以内的岩体自重可以忽略不计；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（10%以下）；

（3）深埋隧道水平长度较大时，可作为平面应力处理，其它可作为空间问题处理，或作为平面应变问题处理。

2、围岩

硐室开挖后，由于围岩在开挖后解除了约束，破坏了原岩应力场的平衡，引起洞周各点的位移，应力进行重新分布。但这种分布仅限于洞周一定范围的岩体，通常称这部分岩体为围岩。

围岩的工程性质主要是强度与变形两个方面，与岩体结构。岩石物理力学特性、原始地应力、地下水有关。围岩主要是各种岩体，也包括土体。

3、应力场

应力场成因与自重应力场和构造应力场：这两类应力场的基本规律有明显的差异。围岩的自重应力场比较好理解，它是地心引力和离心惯性力共同作用的结果。围岩的构造应力比较复杂，按其形成的时间，分成两类——构造残余应力和新构造应力。随着隧道开挖支护，应力的反复分布、平衡，由初始应力场至二次应力场、三次应力场。

初始应力场又称原始地应力。由于岩体的自重和地质构造作用，地下工程开挖前岩体中就已存在一定的地应力场，称为围岩的初始应力场。

围岩的初始应力场经历漫长的应力历史而逐渐构成的，并处于相对稳定和平衡状态。硐室开挖后，使得围岩的开挖边界处解除了约束，失去平衡，此时硐室周边的应力都变为0，而在围岩的边界上因开挖而产生的位移为0，其结果引起硐室和围岩变形，产生应力重分布，形成新的应力场，称为围岩二次应力场，这个范围在横断面上约为6-10倍洞径。

因开挖隧道而引起的围岩变形、破坏、应力传播等一切岩石力学现象无一不与围岩的初始应力场密切相关，都是初始应力发展的延续。

由于二次应力状态的作用，若岩体强度很高，整体性好，断面形状合理，岩体的变形到一定程度就自行终止，也就是建立了新的平衡，围岩是稳定的。

反之，就需要设置支护体系，对围岩位移进行约束，相应的，支护结构承受围岩压力作用也将产生变形，变形后所能提供的阻力有所增加，而围岩却在变形中释放了能量，也就是应力释放，进一步变形的趋势有所减弱，一增一减，最终达到平衡，从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系，这就是三次应力状态。

P10.（2）隧道地质环境

隧道地质环境包括地层特征,地下水状况,原始地应力状态, 地温梯度等，如: a、隧道通过地段的地形、地貌、地层、岩性(反映围岩的层理状况、强度、阻水效果、风化特点等)、构造（断层、褶皱、节理等）。

b、洞身穿越地段是否通过煤层、膨胀性地层等。

c、不良地质、特殊地质对隧道的影响。

d、隧道地区的水文地质条件、判断地下水类型、水质及补给来源，涌水量。

e、分析岩性、产状、构造等。

综合分析隧道挖掘的稳定性。其中隧道挖掘的稳定性是反映地质环境的综合指标. 隧道围岩稳定性包括:

（1）隧道围岩破坏或稳定的规律;

（2）影响稳定性的主要因素;

（3）标志围岩稳定性的指标和判断准则.

长期以来,对隧道工程地质环境—围岩稳定性问题的认识和处理,主要以工程经验为依据,有些理论分析方法,由于没有很好地考虑隧道围岩“支护”和“载荷”的双重作用,因此较难符合实际.

P11. （3）隧道开挖卸荷后围岩弹、塑性区形成及特性

隧道开挖、支护，必须充分认识以下几个方面的问题；

（1）围岩的初始应力状态。

（2）隧道开挖后围岩的二次应力状态和位移场。

（3）设置支护后围岩的应力状态，即围岩的二次应力状态和位移场，以及支护结构的内力和位移。

隧道因开挖扰动，造成对应力的重分布，即二次应力场的形成。影响二次应力状态的因素很多，如围岩的初始状态，岩体的构造因素（结构面、岩块组合形态等）、断面形状、分布开挖断面尺寸、埋深、坑道施工技术等。

坑道开挖后围岩应力位移可分为两种情况：一种是开挖后围岩仍处于弹性，是稳定的；一种是开挖后围岩应力状态超过围岩的单轴抗压强度，使坑道围岩的一部分处于塑性、甚至松弛状态。

围岩受到扰动后，从周边开始逐渐向深部分为四个区域：松动区、塑性区（合成极限平衡区）、弹性区、原岩应力区。

这四个区的轮廓线都是以巷道中心为圆心的同心圆。

（1）松动区：松动区由于施工扰动(例如施工爆破)，区内岩体已经被裂隙切割，越靠近巷道周边越严重，其内聚力趋近于0，内摩擦角也有所降低，岩体强度明显减弱，基本无承载能力，在重力的作用下，产生作用在支护上的松动压力，明显低于原岩应力，故也称应力降低区，但岩体尚保持平衡，未发生冒落。

在采用爆破等方法开挖的坑道中，易出现爆破松动区，该区域的范围一般在左右。

（2）塑性强化区：区内岩体呈塑性状态，但具有较高的承载能力，岩体处于塑性强度阶段。区内岩体应力大于原岩应力，最大的应力集中由围岩周边转移到弹性区与塑性区的交界面上。

塑性强化区这一区域是围岩产生变形的根源。隧道开挖后破坏了地层的原状应力，在洞体四周产生了很高的应力，此时，该处只存在切向应力和指向隧道中

心的径向不平衡力，切向应力由承载拱承担，而对于径向应力，毛洞是无法承担的，所以要释放(在有支护的情况下一部分被初期支护承担)。这就造成了洞体开挖后四周的围岩向隧道中心发生位移，周边的径向应力逐渐趋向零，而切向应力随着径向位移而增大。这一应力状态的变化导致岩体从初始的二轴(这里只考察平面应力状态)受压状态转变为单轴受压状态，使得这一区域围岩处于非常不利的受力状态，当这一应力状态超过岩体的强度极限时，洞室周围出现了塑性区域或者破坏区域，产生塑性变形。如果洞室周围塑性区域扩展不大，随着径向位移的出现，地层塑性区域达到稳定的平衡状态，围岩没有达到承载能力的极限值；但是如果塑性区域继续扩展，则必须采取支护措施约束地层运动，才能保持洞室围岩处于稳定状态，这时为了阻止地层运动，就显出塑性变形压力。

（3）弹性变形区：区内岩体在次生应力作用下仍处于弹性变形状态，各点的应力均超过原岩应力，应力解除后能够恢复到原岩应力状态；其次，开挖面前方地层对已开挖区域的围岩有某种程度上的纵向支撑作用，即产生纵向的承载拱，承载拱的跨度约为一倍洞径。所以在开挖过程中不同横断面上的二次应力分布和变形是不同的，这种开挖面效应使得在开挖面前方和后方一定范围内的二次应力场呈三维分布状态。

（4）原岩状态区：岩体未受影响，仍处于原岩状态。

P12. （3）硐室围岩应力重分布对比

硐室开挖围岩应力重分布状态，取决于二次应力与围岩强度的关系。如果洞周边应力小于岩体强度，周边处在弹性区，围岩稳定，如Ⅰ、Ⅱ级围岩；否则周边围岩将产生破坏或较大的塑性变形，围岩一旦松动，如果不进行支护，则会向深处发展，形成一定的应力松弛区，如软弱围岩。

a、洞身周边处于弹性区应力重分布

隧道开挖后的弹性二次应力状态，可以认为对位于自重应力场的深埋隧道，它形成的初始应力场为常量，也就是可以假定围岩的初始应力到处都是一样。隧道开挖后，在硐室周边上主应力σθ、σr的差值最大（2σ），由此合成的剪应力最大，所以硐室周边是最容易破坏的，实践证明，硐室的破坏总是从周边开始，并逐渐向深处发展。并且逐步向深处发展，从图中可以看出，随着r增大，σθ、σr均迅速接近围岩的初始应力，当r/r0超过5时，相差都在5%以内。

b、洞身周边处于弹、塑性区应力重分布

在松动圈形成过程中，原来周边的高应力逐渐向深处转移，形成新的应力增高去，该区域岩体被挤压紧密，形成主要承载圈，此圈之外为初始应力区。对出现松动圈的状况，需给予适当的支护阻力，控制塑性区不断的向纵深处发展，但其开挖变形与支护时间，参数取决于塑性区状况，影响塑性区因素：（1）巷道所在处的半径越大，塑性区半径越大，且两者成正比关系；（2）反映岩体的强度指标值越小、岩体强度越低，塑性区越大；（3）支架对围岩的反力越大，塑性区范围越小；如果不加支架，及支架对围岩的压力为0，则巷道围岩中，塑性区为最大；（4）巷道中原岩应力越大，巷道埋深越深，则塑性区半径越大。P13. （3）支护阻力对围岩周边位移分布的影响

从前面可知，隧道角应力是靠围岩承载拱承担，隧道径向引力依靠支护阻力约束。

隧道开挖后立即支护并取作用，只要支护阻力达到一定值，围岩内就可以不出现塑性区，当支护阻力等于围岩的初始应力时，洞壁径向位移就会等于0；其次实践证明，任何类别的围岩都有一个极限变形量，超过这个极限值，岩体的强度急剧下降，造成岩体松弛和塌落。而在较软弱的围岩中，这个极限值一般都小于无支护阻力时的最大径向位移量，因此，在洞壁径向位移超过后，围岩就将失稳，如果此时进行支护以稳定围岩，其所需的支护阻力必将增大。

P14.支护与围岩平衡状态的建立

（1）当支护特征曲线与围岩特征曲线在D点之前的任意位置达到平衡，隧道结构体系是稳定，主要由围岩承载（变形压力）；

（2）当支护特征曲线与围岩围岩特征曲线在D点之前的没有达到平衡，就会导致围岩松动，失稳，此时由支护结构承载（松动压力）

P15.核心——充分利用围岩的自承能力

（1）二次应力一部分通过变形由围岩承担，另一部分由支护承担；

（2）围岩与支护结构在不同位置建立平衡，作用在支护结构上的荷载是完全不同，刚度大的支护不合理；

（3）围岩松坍塌后，作用在支护结构上的荷载会急剧增大；

（4）较佳的支护工作点应当在D点以前，邻近D点处。

P16.控制爆破——保护围岩自承能力

P17.锚喷支护——发挥围岩自承能力

P18.监控量测——控制围岩过大变形（坍塌）

P19.（6）小结

(1)围岩稳定性判据

隧道围岩失稳是围岩二次应力与岩体强度特性作用的结果。二次应力的存在能否造成围岩的失稳破坏要具有一定的转化条件，即所谓判据。

理论上判别隧道围岩稳定性的准确方法尚未建立，工程实践经验的判据包括以下三个方面；

①围岩的二次应力状态与岩体强度的关系。满足岩体的强度条件是围岩失稳和破坏的必要条件。

②围岩的位移状态和岩体变形能力的关系。满足围岩的变形条件是造成围岩失稳破坏的充分条件。

③围岩局部落石的稳定性。局部破坏与整体稳定的关系，“关键块”的塌落可造成整体失稳。

（2）收敛与约束的概念

隧道开挖后，由于临空面的形成，围岩开始向洞内产生位移，将这种位移称之为收敛。可有两种发展趋势——稳定和破坏。

在隧道周边设置支护结构，对岩体的移动产生阻力，从而形成约束。

隧道围岩与支护结构的相互作用会一直延续到平衡为止，从而形成一个力学上稳定的隧道结构体系。

为了经济合理地设计支护结构，必须进一步研究隧道围岩的收敛与支护结构的约束作用的机理。

（3）支护阻力对围岩位移的影响

①在极限位移范围内,围岩允许的位移大了,所需支护阻力就小,而应力重分布所引起的后果大部分由围岩承担;

②围岩允许的位移小了所需的支护阻力就大,围岩的承载能力则得不到充分发挥。

③支护结构可以给围岩提供约束.任何一种支护结构总能对围岩提供一定的约束力,即支护阻力.

（4）支护结构的施作原则

①必须与围岩大面积牢固接触，即保证支护结构与围岩作为一个整体进行工作；

②要允许隧道结构体系能产生有限制的变形，以充分发挥围岩的承载能力；

③要能分期施工，并使早期支护和后期支护主动配合，“主动”控制围岩的变形；