隧道围岩大变形问题及施工控制新技术研究
节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究
第 55 卷第 1 期2024 年 1 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.55 No.1Jan. 2024节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究阳军生1，夏裕栋1，方星桦1，刘伟龙1，王法岭2(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075；2. 中铁十二局集团有限公司，山西 太原，030024)摘要：某高速铁路XHS 隧道穿越节理化炭质页岩地层，在施工过程中围岩大变形、失稳坍塌现象显著，现场采用强支护和仰拱加深等措施后围岩变形控制效果不佳。
针对XHS 隧道节理化炭质页岩地层地质条件，结合现场监测手段、离散−连续耦合数值模拟分析围岩大变形及破坏特征，基于数值模拟提出以采取地层预加固为主的围岩变形控制措施，并通过现场试验探讨该控制措施的应用效果。
研究结果表明：隧道开挖后，围岩变形具有变形量大、变形速率快的特点，围岩拱部沉降量大于水平收敛量且变形具有非对称的分布特征；受三台阶法多次开挖扰动影响，围岩卸荷范围动态发育并不断向全环扩展，松动区逐渐由浅部围岩向深部转移，并呈现出非对称的破坏特征，最终引发围岩大变形；采取地层预加固后，模型中围岩变形和松动区范围明显减小，围岩非对称变形破坏也得到了有效控制；在采用地层预加固、管棚超前支护、三台阶临时仰拱法开挖的控制措施后，围岩变形得到控制，施工效果良好，隧道恢复正常施工，保证了隧道的顺利贯通；以地层预加固为主的控制措施是此类节理化炭质页岩地层围岩变形控制的有效手段。
关键词：节理化岩体；炭质页岩；大变形；离散−连续耦合分析；预加固中图分类号：U459.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2024）01-0188-13Research on large deformation and control technology of tunnelsurrounding rock in jointed carbonaceous shale strataYANG Junsheng 1, XIA Yudong 1, FANG Xinghua 1, LIU Weilong 1, WANG Faling 2(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. China Railway 12th Bureau Group Co. Ltd., Taiyuan 030024, China)Abstract: A high-speed railroad XHS tunnel which crosses through the jointed carbonaceous shale stratum shows significant large deformation and collapse of the surrounding rock. The control effect is not good after adopting measures such as strong support and deepening of the tunnel invert. For the geological conditions of jointed carbonaceous shale stratum in XHS tunnel, the large deformation and damage characteristics of the surrounding收稿日期： 2023 −03 −05； 修回日期： 2023 −04 −20基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(U1934211) (Project(U1934211) supported by the National Natural ScienceFoundation of China)DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2024.01.016引用格式： 阳军生, 夏裕栋, 方星桦, 等. 节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究[J].中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(1): 188−200.Citation: YANG Junsheng, XIA Yudong, FANG Xinghua, et al. Research on large deformation and control technology of tunnel surrounding rock in jointed carbonaceous shale strata[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2024, 55(1): 188−200.第 1 期阳军生，等：节理化炭质页岩地层隧道围岩大变形及控制技术研究rock were analyzed by combining on-site monitoring means and discrete-continuum coupled numerical method.Based on the numerical simulation, the control measures of surrounding rock deformation which mainly focused on pre-reinforcement of stratum were proposed, and the application effect was explored through on-site test. The results show that the rock mass deformation after tunnel excavation is characterized by large volume and fast rate, the crown settlement value is larger than the horizontal convergence value, and the deformation has asymmetric distribution characteristics. Under the influence of multiple excavation disturbances, the unloading area dynamically develops and continuously expands to the whole ring, and the loosening area gradually transfers from the shallow rock mass to the deep and presents asymmetric damage characteristics, which eventually causes the large rock mass deformation. After taking pre-reinforcement measures, the sizes of deformation and loosening areas in the numerical model are obviously reduced, and the asymmetric deformation damage is effectively controlled. With the control measures of pre-reinforcement of the stratum, combined with over-supporting of the pipe shed and three-bench excavation method with temporary invert, the deformation is controlled and the construction effect is good. The tunnel resumes normal construction, and these measures also ensure the tunnel completion. The control measures which are mainly based on pre-reinforcement of the stratum are effective means to control the surrounding rock deformation in this type of jointed carbonaceous shale stratum.Key words: jointed rock mass; carbonaceous shale; large deformation; discrete-continuum coupled analysis; pre-reinforcement我国中西部地区地势起伏较大、地质构造强烈、地质环境复杂，区域内广泛分布炭质板岩、页岩、千枚岩等层状变质软岩，其具有构造层理及节理密集发育、岩体软弱破碎、强度低、自稳能力差、遇水易软化崩解、各向异性力学性质显著等特征。
千枚岩隧道变形分析与关键技术探讨
千枚岩隧道变形分析与关键技术探讨摘要：千枚岩具有千枚状构造的低级变质岩石，典型的矿物成分主要为绢云母、绿泥石和石英、方解石等物质，由于其特性，造成千枚岩地层修建隧道的大变形破坏。
通过千枚岩隧道实际施工的分析，阐述了隧道变形，变形控制施工方式以及关键施工工序，探讨了相关技术在隧道管理中的重要性。
关键词：千枚岩隧道；变形；控制1、千枚岩隧道情况某隧道以千枚岩为主，局部夹有石英脉，板岩薄层状，层理不明显，节理、裂隙发育，呈薄层状角砾结构，产状不稳定，围岩破碎，局部结构面充填泥质物，面光滑、稳定性较差；千枚岩挤压揉皱，松软破碎，其中石英脉多呈酥碎砂状，以散体结构为主。
开挖后呈碎石、角砾状，掌子面无明显渗水，开挖后时有少量渗漏水、滴状及面状洇湿，量小，拱部有掉块、坍塌现象，易风化。
围岩整体稳定性较差。
Ⅳ、V级围岩较多。
工程区地表水系强烈深切，造成地形陡峻，使之地表径流条件良好，从而决定了本工程区岩体内的地下水具有不甚丰富、坡降大、埋藏深的基本特征。
根据地下水的赋存条件及运移特征，可将区内的地下水划分为基岩裂隙水和松散堆积层中的孔隙潜水两种类型。
地下水均受大气降水补给，向沟、谷排泄。
2、隧道结构变形情况一般情况下，隧道开挖后初期支护变形分三个阶段:第一阶段是上台阶开挖支护后一周内，初期支护变形速率多在20mm/d以上，局部断面超过30mm/d;第二阶段是7～20天内，变形速率多在10～20mm/d;第三阶段是20～40天，变形也逐步趋缓，变形量在10mm/d以内，40天后，变形多在3～4mm/d。
但是，广平高速公路谢家坪隧道，局部段落变形速率最大达到100mm/d，个别断面在半月后变形仍超过20mm/d，此种情况下，初期支护均遭到破坏，最终不得不采取换拱处治。
3、影响隧道变形的基本因素影响隧道围岩稳定性的因素主要有两个方面，一是内在因素即地质因素；二是人为因素即施工工艺带来的影响。
（1）客观因素（地质因素），影响开挖后变形的两个客观因素就是初始的应力场和围岩的力学特性、构造特性。
软弱围岩隧道大变形施工控制技术
１ ０ 全长 ８９ ９ｍ。全 隧 道采用 带 仰 拱 的 曲墙 复合 ９， ８
式衬 砌 、 喷锚 支 护 ， 进 出 口共 ３ 为 碎 石 道 床 除 ９ｍ
外， 其余 均铺 设 弹性 整体 道床 。 隧道 地 层 主要 以石 英 云 母 片 岩 夹 炭 质 片 岩 为 主 ， 层状夹 中厚层 ， 理裂 隙较发育 ， 薄 节 片理面 光滑 ，
通过 ３年 多 的施 工 跟踪 观测 ， 现其 大 变形 的 发
主要特征 为 ： ）围岩变形 量大 。Ⅳ级 炭质 片岩施 工 １
ｇ 曼
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过 程 中 ３ 平 收敛 总量 为 ３ ０ ４ ０ｍｍ， 顶下 ０ｄ水 ０ ￣ ０ 拱 沉 总值为 １ ０ ０ ５ ￣２ ０ｍｍ； Ｖ级 炭 质 片岩 个 别 地段 炭 质 含量高 、 下水 丰 富 ， 地 变形 远 远 超 出正 常水 平 ， 局
总 第 １ ６期 ３
Ｈ ｉｈ ｙ ｇ ｗａ ｓ＆ Ａｕ ｏ ｔ ｅＡｐ ｉａ ｉ ｎ ｔ ｍｏｉ ｐｌｃ ｔｏ ｓ ｖ
公 路 与 汽 运
１３ ４
软 弱 围岩 隧道 大 变 形 施 工控 制技 术
漆 国 富
（ 中铁 二 局 项 目建 设 管 理 公 司 ，四川 成 都 ６ ０ ３ ） １０ １
中图 分 类 号 ： ４ ． ９ Ｕ４ ５ ４
文 献 标 志 码 ： Ｂ
文 章 编 号 ：６ １ ２６ （０ ０ ０ －０ ４ －０ １ ７ — ６ ８２ １ ） １ １ ３ ２
随着 中国基础 建设 事业 的高速发 展 和西 部大开
发 的进一步 推进 ， 国的公路 工程 、 中 铁路 工程 和地下
隧道 穿越高 地应力 区及 遇 到软 弱 围 岩 体 时 ， 产 生 常 软弱 围岩大 变形 等相 关 地 质灾 害 ， 隧道 软 弱 围岩 对 大变 形的有效 合理 防治 与控制 愈显 紧迫 与重要 。
我国软岩大变形灾害控制技术与方法研究进展
为了控制软岩隧道大变形，可以采用多种技术和方法。首先，合理选择施工 方法和工艺，如采用台阶法、CRD法等较为稳定的施工方法，避免采用反台阶法 等易引起不均匀沉降的施工方法。其次，对支护结构进行优化设计，提高其承载 能力和稳定性，以减小隧道的变形量。此外，还可以采用二次衬砌、加固岩体等 方法来增强隧道的稳定性。在施工过程中，对隧道变形进行实时监测，及时采取 措施进行加固和补救，以防止变形进一步扩大。
在软岩大变形灾害的控制策略方面，主要有以下几种措施： 1）加固处理： 对已经出现大变形的岩体进行加固处理，如注浆加固、钢板加固等； 2）排水疏 干：对地下水进行处理，降低地下水压力，疏干积水； 3）釆取支护措施：采用 各种支护措施，如锚杆支护、喷射混凝土支护等，以增强岩体的稳定性； 4）釆 取预防措施：加强地质勘察、监测等工作，及时发现并处理潜在的安全隐患。
在实际工程中，需要综合考虑软岩隧道的地质条件、施工环境、技术经济等 因素，选择合适的控制技术。加强施工管理和现场监管，确保各项技术措施得到 有效落实。例如，在某市地铁建设中，针对所经区域软土地层较多的问题，采用 了高强度钢构拱架支护、水平旋喷加固等技术措施，有效控制了隧道施工过程中 的大变形问题。
近年来，国内外学者对软岩隧道大变形力学行为与控制技术进行了广泛而深 入的研究。通过理论分析、数值模拟和现场试验等多种手段，不断深化对软岩隧 道大变形力学行为的认识，探索更加有效的控制方法和技术。例如，基于弹塑性 理论和非线性有限元方法，对软岩隧道大变形进行数值模拟和分析，为实际工程 提供有益的参考；结合现代监测技术，实现软岩隧道施工过程中的实时监测和预 警，及时采取措施控制变形。
支护技术介绍
针对软岩大变形巷道的底臌问题，常用的支护技术包括：
1、支架支护：根据巷道的实际情况，选择合适的支架形式（如U型钢支架、 钢筋混凝土支架等）进行支撑。同时，可在支架与围岩之间铺设缓冲材料，以减 小支架对围岩的应力。
例析隧道围岩大变形机理及处治技术
例析隧道围岩大变形机理及处治技术一、隧道围岩大变形机理分析及工程实例1、隧道围岩产生大变形的原因各类围岩在正常施工条件下都会产生一定的变形，不同国家、不同行业对各级围岩岩及各种支护结构都规定有不同的预留变形量以容纳这些变形。
大变形是相对正常变形而言，目前还没有统一的定义和判别标准。
产生大变形主要有客观和主观两方面原因，地质条件是客观原因，技术措施不当是主观原因，前者是根本原因。
2、工程实例某公路隧道进口斜井位于沟谷地带，地形呈左高右低现状，地形起伏较大。
该斜井设计平长140m，开挖范围上部岩层为粉质粘土，下部为强-全风化页岩夹砂岩，围岩分级为V级。
本工程地下水为上层滞水、基岩风化裂隙水及构造裂隙水。
隧道净空断面尺寸为4.7（宽）×5.75（高）m，开挖断面尺寸为5.82（宽）m×7.62（高）m。
在斜井施工至掌子面里程XK0+113时，通过观察发现XK0+113～+122.5段初期支护喷射混凝土有开裂剥落现象。
此时，仰拱施工至XK0+122.5；加强二衬施工至XK0+125.5。
大变形段里程为XK0+113～+122.5，长9.5m，该段右侧钢拱架失稳内敛约60cm，初支砼严重剥落，变形过程+115～+118右侧拱脚处、+118～+122右侧墙角处分别流出黄色、黑色泥浆；地表沉陷深约1.7m，面积约70m2。
通过对本段隧道所处地质环境综合分析，围岩大变形的主要原因有：（1）地质因素。
隧道围岩经过多年地质构造运动，围岩应力处于平衡状态，一经开挖，潜在应力释放，应力重新分布，在原生应力已遭破坏，新生应力场尚未稳定前提下，围岩承受压大、极易失稳导致坍塌；当通过各种堆积体是，由于结构松散，颗粒间无胶结或胶结差，开挖后引起坍塌；在挤压破碎带，岩脉穿插带、节理密集带等裂结构地层中，岩块间互相挤压钳制，一经开挖则失稳，常见岩块掉落、坍塌；在软弱围岩节理发育的情况下，或泥质充填物过多，均易产生较大的坍塌；在构造运动作用下，薄层岩体形成的笑摺曲、节理发育地段，施工中常常发生坍塌；岩层软硬相间，或有软弱风化夹层的岩，在裂隙水的作用下，软弱面强度大大降低，因而发生坍塌；裂隙水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用加剧岩体的失稳和坍塌。
隧道围岩动态变形规律及控制技术研究
隧道围岩动态变形规律及控制技术研究赵勇【摘要】基于前人既有研究成果和日本龟浦隧道围岩变形试验,结合郑西客运专线大断面黄土隧道围岩大变形的工程实践,阐述隧道施工影响下围岩变形动态规律,提出围岩变形控制的技术要点和技术措施,并提出相应的围岩变形控制建议.研究结果表明:隧道开挖后的围岩变形可分为掌子面前方的先行变形、掌子面变形及掌子面后方变形3种形式,且这3种变形是同时发生的.控制开挖工作面失稳、拱顶失稳、拱脚下沉和围岩大变形等是隧道围岩变形控制的要点.开挖过程控制和辅助工法控制是隧道围岩变形控制的重点,其中初期支护及时闭合和合理辅助工法的选取是关键.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2010(034)004【总页数】5页(P1-5)【关键词】隧道工程;围岩变形;控制要点;控制技术【作者】赵勇【作者单位】北京交通大学,隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京,100044;铁道部工程设计鉴定中心,北京,100844【正文语种】中文【中图分类】U451.2隧道的结构体系是由周围地质体和人工修筑的支护构件组成的,并且周围地质体起着主导作用,这是与地面结构体系完全不同的.从工程结构的角度看,这种结构体系的形成是通过一定的施工过程或者说一定的力学过程来实现的,这个过程状态的变化如图1所示[1].可以看出,隧道施工就是一个开挖与支护的过程,施工过程就是应力释放与应力控制、利用和控制围岩动态变形的过程.图1 施工过程与围岩力学状态变化过程示意图Fig.1 Construction and surrounding rock mechanical state change process chart对于隧道围岩变形规律及控制技术的研究,国内外学者做了大量工作,并取得了丰富的研究成果[2-5].本文作者基于前人的研究,结合日本龟浦隧道围岩变形试验和郑西客运专线大断面黄土隧道围岩大变形的工程实践,根据实测数据总结隧道围岩变形动态规律,并提出具体的控制措施.1 隧道围岩变形动态规律大量的数值计算和现场监测资料均表明,隧道围岩变形是在开挖工作面的前方开始,而在开挖工作面后方距离d=1.5～2.0D(洞径)处的变形才与最大径向变形基本相等,这是隧道开挖引起围岩变形的一般规律.日本龟浦隧道施工时,在隧道拱顶上方2 m 的位置设一个长50 m的水平铝管,实测的弯曲应变计算变形如图2所示.图2 龟浦隧道掌子面变形监测实例Fig.2 The heading face displacement monitoring example of GuiPu Tunnel我国郑西客运专线大断面黄土隧道开挖监测数据分析的规律也大致相同.图3为2006-11—2007-09的实测数据,其中1#～8#分别对应隧道左右导洞及主洞断面上的8个测点.各分步施工引起隧道拱顶沉降占总沉降的比例分别为:超前沉降,5%～14%;导洞开挖,35%～50%;导洞开挖至全断面封闭前,40%～50%;全断面封闭后,3%～9%.可以看出,反映在掌子面前方到后方一定范围内的拱顶下沉分布规律为:隧道开挖后在掌子面前方一定范围(2～5倍洞径)产生下沉,称之为“先行变形”;在掌子面处,产生一定量的“初始变形”,此值与地质条件关系密切,约为最终变形值的20%～30%,这个变形是开挖后瞬间发生的;在掌子面后方,随掌子面的推进,产生不断增大的变形,其特点是初期的变形速度很大,而后增长的速度逐渐减缓,并趋于稳定.其变形过程如图4所示[2].图3 大断面黄土隧道双侧壁导坑法施工拱顶沉降曲线Fig.3 Vault crown settlement curve of both-side head excavating method construction in large section loess tunnel因此,隧道开挖后隧道的变形可分为掌子面前方的先行变形、掌子面变形及掌子面后方变形3种,且这3种变形是同时发生的.图4 隧道开挖围岩变形三维示意图Fig.4 Surrounding rock deformation during tunnel excavation three-dimensional chart2 隧道围岩变形控制要点隧道围岩变形控制的要点在于控制开挖工作面的失稳、坍塌,拱顶的失稳、坍塌,台阶法中拱脚下沉、失稳和围岩大变形等.2.1 控制掌子面失稳、坍塌1)倾斜掌子面.采用倾斜形状的掌子面开挖,配合掌子面喷混凝土封闭措施,可以抑制掌子面的变形,减少作业人员的风险,控制地表的下沉,大幅度改善进度和封闭时间,提高喷混凝土的品质和耐久性.2)掌子面锚杆.设置掌子面锚杆的目的是控制围岩开挖后的先行变形和掌子面变形,也是为全断面和半断面开挖创造条件.掌子面锚杆的长度一般在12～24 m之间,为开挖方便,通常采用玻璃纤维锚杆.采用掌子面锚杆技术的关键是长锚杆的快速施工工艺和配套施工机具.3)留核心土.在台阶法施工中,为了掌子面的稳定,经常采用弧形开挖法,即留核心土法.日本进行的一项研究表明:不留核心土时,掌子面挤出量超过70 mm的部分可达到掌子面前方1.3 m;而留核心土时,掌子面挤出量超过70 mm的部分只达到掌子面前方0.6 m 处.可见核心土对掌子面起到控制挤出的效果.2.2 控制拱顶失稳、坍塌控制拱顶失稳坍塌的技术要点是采用超前支护和加强初期支护.1)超前支护.根据构筑方法,超前支护通常分为短超前支护、中超前支护和长超前支护3种情况.①短超前支护:一般支护长度为2～5 m,通常采用超前小导管、插板法和预衬砌技术;②中超前支护:一般支护长度为5～10 m,通常采用中管棚(直径89 mm,长度10 m)或水平喷射注浆方式;③长钢管超前支护:一般采用长度在15～20 m、直径大于108 mm的长钢管,即大管棚超前支护,以有效控制拱顶失稳、坍塌.2)加强初期支护.加强初期支护通常有两种做法,其一是加大喷混凝土的厚度,加密钢架间距或缩小锚杆间距;其二是改变喷混凝土的性能,提高钢架的规格和采用抗拔力大的锚杆.实践证明,第二种方法更有利于控制拱顶下沉.采用初期高强度喷混凝土技术能减薄喷层厚度,有效加快施工进度,符合技术发展的趋势.2.3 控制拱脚下沉、失稳在台阶法施工中,控制拱脚下沉的方法通常有扩大拱脚、设置锁脚锚杆、临时仰拱封闭和设置横撑等方法.日本近期开发出了利用弯曲钻机,设置弯曲形脚部钢管桩或采用高承载力的脚部支撑钢管来控制钢架的下沉,效果较好,如图5所示.另外,也可用喷射混凝土来加固拱脚,如图6所示.图5 控制隧道拱脚下沉失稳的曲线形钢管桩工法Fig.5 Shaped form pipe pile method for controlling tunnel arch springing subsidence instability图6 控制隧道拱脚下沉失稳的拱脚喷射混凝土工法Fig.6 Shotcrete method for controlling tunnel arch springing subsidence instability2.4 控制软岩大变形通常认为初期变形速率快、变形值大、长时间无收敛趋势,且超过预计变形值的变形,可以称为“大变形”.这种围岩一般为软弱围岩,这种变形也通常被称作“软岩大变形”.控制软岩大变形的方法有:①在喷混凝土中设置伸缩缝来吸收一部分变形;②采用长锚杆(8～15 m)来控制围岩的后期变形;③采用掌子面锚杆控制围岩的先行变形等.这些方法对解决大变形问题起到一定的作用,特别是长锚杆和掌子面锚杆.日本在东海道新干线的饭山隧道(长22.2 km)的大变形地段试验,采用多重支护方法取得了成功.多重支护方法的特点是:不需要进行反复扩挖和反复支护,即没有拆除顶替已经承载的支护构件和对围岩的多次扰动的问题,留出充分的变形富裕值,先释放一部分变形进行第一次支护,然后继续释放变形.第一次支护达到极限状态后,再继续第二次支护,必要时可继续第三次支护,将变形控制在容许范围之内.多重支护的基本观点是:容许一次支护变形,以减轻作用在二次支护的土压,并在最内侧形成健全的壳体,使整个支护稳定.因此,二次支护的设置最好在围岩内应力释放到某一程度后实施.3 隧道围岩变形控制技术3.1 开挖过程控制隧道开挖后,随着时间的推移,变形也在发展.一般说,开挖过后,变形发展很快,即初期变形速度很快,而且变形值也比较大,如果能够控制住初期的变形速度,就可以控制隧道围岩的松弛.因此通常强调开挖后要迅速喷射混凝土,迅速架设钢支撑,其目的就是要求初期支护及时闭合.另外需要关注的是从开挖到初期支护全断面闭合的时间.在复杂地形、地质条件下,从开挖到全断面初期支护的闭合时间,要求越短越好.闭合距离也是越短越好.因为,初期支护全断面闭合的过程,就意味着隧道围岩变形逐渐趋于稳定的过程.而闭合距离,基本上要求在距掌子面2～3倍隧道开挖跨度之内,甚至更短一些.因此,有效控制隧道围岩变形的开挖方法,应该是首选全断面法,其次是短台阶法.总之,开挖分部越少,封闭时间越短,变形就越小.3.2 辅助工法控制以改善围岩条件为目的而采用的辅助或特殊工法称为辅助工法,如图7所示.隧道开挖中最危险的应力释放面是掌子面和一次开挖长度的无支护区间.为了控制其危险度,了解地下水分布状况和掌子面前方围岩的动态是非常重要的.图7 辅助工法概念示意图Fig.7 Assistant construction method concept chart 在隧道围岩变形及控制技术措施中,辅助工法占据重要地位.常用稳定掌子面的辅助工法有:超前锚杆、超前长钢管、掌子面喷混凝土、掌子面锚杆、脚部补强锚杆、临时仰拱等.在地下水处理中常用排水钻孔等工法.在控制地表下沉对策中有:长超前钢管、管棚等.在地下水对策中有:排水钻孔、降低地下水位、排水坑道等工法.4 隧道围岩变形控制建议隧道施工主要分为开挖和支护两大工序,变形控制是开挖和支护中的技术关键点.开挖是应力释放的过程,不同的开挖方法,应力释放的过程及程度也是不同的.支护则是应力控制的过程,不同的支护方法应力控制的过程和程度也是不同的.除开挖、支护作业外,其他作业都是辅助性的,如运输、排水、通风、量测、地质超前预报等.但这些作业也是左右开挖、支护成败的关键,不能忽视.因此,控制隧道围岩变形的关键措施主要指开挖、支护过程中控制围岩变形的措施及必要的辅助作业工法.在隧道施工过程中,开挖和支护是密切相关的,根据围岩地质情况,其关系可大致分为只挖不支、先挖后支和先支后挖3种情况.1)只挖不支,适用于坚硬、自支护能力比较高,应力释放后能够自行控制稳定的围岩,围岩级别为Ⅰ级、Ⅱ级.关键技术:减少爆破振动和少扰动的开挖技术.基本措施建议:控制开挖进尺,控制一次起爆炸药量,采用电子雷管,采用机械开挖或机械与爆破并用的开挖方法.2)先挖后支,适用于一般地质条件,围岩级别为Ⅲ级、Ⅳ级.关键技术:加强初期支护控制围岩的松弛、坍塌,确保开挖工作面的稳定.基本措施建议:采用全断面法或超短台阶法,提高初期支护的支护效果,控制隧道围岩变形的发展和收敛;严格控制各开挖工作面的步距,尽快闭合;提高机械化程度,缩短各单项作业的时间.3)先支后挖,适用于特殊地质、地形条件,一般用于软岩大变形、掌子面或拱脚易失稳、底部鼓起等情况,围岩级别为Ⅴ级、Ⅵ级.关键技术:加强超前预支护,确保开挖工作面稳定,控制围岩松弛、坍塌,提高围岩的自支护能力.基本措施建议:采用掌子面超前锚杆、喷混凝土封闭掌子面、倾斜掌子面或留核心土的施工方法;超前管棚、管幕、插板等超前支护;加强初期支护,采用高强度、高刚度喷混凝土技术;采用锁脚锚杆等控制拱脚下沉.只挖不支的场合主要是控制爆破振动,采取减少围岩扰动的施工方法;先挖后支的场合主要是控制掌子面后方的变形,采取加强初期支护和快速封闭的施工方法;先支后挖的场合重点是控制掌子面前方的变形和掌子面变形,采取超前预支护、掌子面支护和掌子面后方支护,及时封闭的措施和工法.5 结语1)隧道围岩变形包括掌子面前方的先行变形、掌子面变形及掌子面后方的变形,其中掌子面变形是隧道开挖过程围岩变形发展的重要阶段,是隧道围岩变形控制的重点.2)隧道围岩变形控制是隧道围岩稳定性控制的核心,要采取系统的控制措施.既要控制掌子面前方的先行变形,又要控制掌子面和掌子面后方的变形.3)隧道围岩变形控制的要点在于控制开挖工作面失稳、拱顶失稳、拱脚下沉和失稳及围岩大变形等几种形式.4)隧道围岩变形控制重在开挖过程控制和辅助工法控制,其中初期支护及时闭合和合理辅助工法的选取是控制隧道围岩变形的关键.5)隧道开挖和支护相互作用关系可分为只挖不支、先挖后支和先支后挖3种情况,且每种情况有其关键技术和建议的基本措施,在隧道施工过程中,应根据围岩条件和工程特点选定合理的工序.参考文献:[1]关宝树.隧道力学概论[M].成都:西南交通大学出版社,1993.GUAN Baoshu.Generality of Tunnel Mechanics[M].Chengdu:Southwest Jiaotong University Press,1993.(in Chinese)[2]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽教育出版社,2004.WANG Mengshu.Technology of Shallow Tunnel Excavation[M].Hefei:Anhui Education Press,2004.(inChinese)[3]张顶立,王梦恕,高军,等.复杂围岩条件下大跨隧道修建技术研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(2):290-296.ZHANG Dingli,WANG Mengshu,GAO Jun,et al.Research on Construction Technology of Large Span Tunnel in Complex Rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics andEngineering,2003,22(2):290-296.(in Chinese)[4]吕勤,张顶立,黄俊.城市地铁暗挖施工地层变形机理及控制实践[J].中国安全科学学报,2003,13(7):29-34.LU Qin,ZHANG Dingli,HUANG Jun.Mechanism of Stratum Deformation and Its Control Practice in Tunneling Urban SubwayAt Shallow Depth[J].China Safety Science Journal,2003,13(7):29-34.(in Chinese)[5]岳广学,何平,蔡炜.隧道开挖过程中地层变形的统计分析[J].岩石力学与工程学报,2007,26(增2):3793-3803.YUE Guangxue,HE Ping,CAI Wei.Statistic Analysis of Stratum Deformation During Tunnel Excavation[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2007,26(S2):3793-3803.(in Chinese)。
深埋软岩隧道围岩大变形灾变机理及控制研究
深埋软岩隧道围岩大变形灾变机理及控制研究隧道工程中，软岩隧道的围岩大变形与灾变是比较常见的问题。
这种变形与灾变不仅会造成工程进展缓慢，也会对人们的生命财产造成威胁。
因此，对于软岩隧道围岩大变形和灾变机理的研究和控制显得尤为重要。
软岩隧道围岩大变形的形成机理是多方面的，常见的因素有以下几个方面。
1、围岩地应力的作用。
软岩隧道周围的地质结构较松散，地应力的大小受到了岩层变形和移位的影响，因此会对软岩隧道围岩产生较大的压力，并引起岩层的变形。
2、地下水的作用。
地下水的压力和流动方向也会使岩石发生变形。
因此，在软岩中开挖隧道时，如果不及时处理水的问题，就会因为水流的作用而引发滑坡、塌方等灾变。
3、开挖施工的影响。
软岩隧道开挖能力过强，会导致隧道周围的围岩受到破坏，并发生位移和塌方等变形现象。
4、围岩自身的性质。
软岩围岩本身具有一定的变形性能，加之地震、风化等环境因素的影响，也会导致围岩大变形。
为了控制软岩隧道围岩的大变形，需要对研究结果进行整合，实现多方面、多角度的控制措施。
1、优化支护结构。
在进行软岩隧道施工的过程中，可以采取更加严密的支护结构体系，如采用高强度材料、优化加固方案，从而控制围岩变形。
2、加强隧道预处理工作。
地下水可能是软岩隧道工程中最主要的问题之一，必须在隧道施工中加强对地下水的处理工作，确保水的流向和分配不影响围岩的稳定性。
3、动态监测围岩的变形。
采用遥感技术、GPS定位技术、遥感图像处理等技术手段，实现对软岩隧道变形过程的精确监测，从而及时控制围岩的变形程度。
4、应对地下水体系的不同。
软岩隧道围岩大变形不完全有一个模式，不同隧道周围的地下水体系因地质情况的不同而存在差异。
所以，针对不同的水体系，需要量身制定不同的应对措施。
5、提高施工过程的效率。
软岩隧道工程的施工周期通常比较长，如果不能在较短时间内完成相应的工程，就会让软岩隧道工程变得繁琐和冗长，从而增加了围岩险象，预测灾变等的可能性。
隧道软岩大变形处治与控制方法探讨
变形量
（ Ｉ ｎ Ⅲ ）
６ ０ ０ ４ ０ ０
速率
（ ｉ ｌ ｌ ｎ Ｉ ／ ｄ ）
设计 预留变形 量Ｖ 级Ｓ Ｖ ｃ围岩为２ ０ ｃ ｍ， 通过 监控 量测数 据该段 隧 道拱 顶沉降 达到４ ７ ｃ ｍ， 单 侧收敛 达到 ６ ０ ｃ ｍ， 对该 段变 形量 大的 区段设 计预 留变形 量偏小。 ４ ． ４ 施工方法对隧 道变 形的影响 隧道 施工方法也是影 响变形的 重要 因素 ， 由于 工期 紧、 现场管 理复 杂、 预防 软岩变 形的措 施力度不强 ， 仰 拱施作 有时滞后。 二次 衬砌未及 时 跟进 ， 上、 下台阶法 施工时上下台阶 距离偏 大等都 是直接 影 响软弱 围 岩变 形的因素。
达到２ ． Ｏ Ｍｐ ａ ， 浆液 压入 岩层裂隙 范围大 ， 加 固围岩的 效果 优于普 通锚 柢
５ ， 软弱囝岩隧道大变形防治技术措施探讨
隧道施 工采 用新奥法 ， 将“ 先 柔后刚 ”“ 以 柔克 刚”的理念应 用于 隧 道施 工中，“ 以柔克 刚 是开 挖后先设置柔性支护 ， 允 许地 层有一定 程 度的变形 ， 以此释放地应 力后再设 置刚性 支护。 ５ ． １ 措施得 当、 控制变形 通过长锚 杆、 水泥药卷 中４ ２ 注 浆小 导管加固围岩、 增加 预 留变形 量 和调 整初 期支护参数等 措施控制大变 形。 长锚 杆是 主动控 制软岩 大变形 的重要手 段， 隧道碳 质页岩地 段系 统锚 杆拱 部采 用４ ｍ长 中２ ２ 早 强水泥 药卷 锚杆 ｌ 拱 腰 及边 墙采 用６ ｍ长 Ｄ ２ ５ 中空注浆锚杆 ； 将原设 计的钢拱 架纵 向间距由７ ５ ｃ ｍ调整为５ ０ ｃ ｍ。 ５ ． ２“ 先柔后 刚” 、“ 以柔克刚” 先柔后 刚是指先施 作柔性 初期支护体系 ， 再施 作刚性二次衬 砌。 允 许二衬承受 适当的围岩荷载 。 以 柔克 刚是指主要 以锚 喷网钢筋砼 。 长锚 杆 承受 围绝 大部 分威 严压 力和变形。 ５ ． ３ 预留变形量、 谨防侵入 净空 软 弱围岩 段确 定开挖轮廓 线外， 必须要 预留合理的变形量 ， 以预防 初期 限支护 变形后侵 入二衬净 空 ， 同时适 量的预 留变形 量可释放 地 应 力。 ｖ ｊ 毅围岩软 弱段 宜预留３ ０ ｃ ｍ－ －４ ０ ｃ ｍ变形 量。
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软岩隧道大变形的控制技术，主要有， 1、为减轻作用在支护结构形变压力而容许变形的方法 2、为了控制松弛而尽可能早地控制变形的方法， 即所谓的柔（韧）性支护设计和刚性支护设计，两者
的理念是完全相反的。
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容许变形--柔性支护设计（针对挤压性大变形） （1）先行导坑法。即先掘进比较长的导坑，通过导
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工程背景介绍 隧道大变形实例及发生原因 隧道大变形基本特征及发生机理 隧道大变形控制技术 工程实例
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成兰铁路，正线长度457.6km，全线桥隧工程占85.96 ％，隧道33座共332.392km，其中10km以上隧道14座， 最长隧道28.4km。
成兰铁路穿越龙门山岷山西秦岭高山峡谷等地貌，山 高谷深，全线隧道埋深在1000m以上段落达85.976km， 500m～1000m段落更是多达151.334km。
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隧道全长4.99 km，是控制南昆铁路铺轨工期的重点工程，共有390 m洞段发 生了大变形，初期变形量达到1000毫米，导致施工受阻，原设计的普通砂浆 锚杆被压弯，格栅构件被挤压成麻花形状，衬砌结构挤压破裂，支护系统受 到严重破坏。
为控制变形，采用了自钻式锚杆系统，锚杆长度为6-13米不等，直径32毫米， 间距0.5-1.25米。注浆方式为中空管，锚固排气环，加止浆塞方法。压力 1.5-2.0Mpa。支护效果明显
处理措施：①开挖总体采用双侧壁法；②初期支护钢架及临时支撑采 用I22型工字钢、自进式锚杆，超前支护小导管，拱脚两侧增设小导 管锁脚。导坑开挖时预留变形；③修改原设计仰拱；④二次衬砌采用 双层钢筋网，与仰拱预留钢筋焊接；⑤对需换拱段及开挖后变形较大 的地段，除施作长的自进式锚杆外，再采用小导管进行双液注浆。
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从地质条件分析，发生大变形的原因有三种： （1）膨胀岩作用的膨胀性变形。具有膨胀性的围岩在一定条件下体
积膨胀，使隧道周边产生大变形。 （2）大埋深，高地应力隧道的挤压性变形。在高地应力的挤压作用
下，埋深大、地壳经历激烈运动，地质构造复杂的泥岩、页岩、 千枚岩、泥灰岩、片岩、煤层等都容易出现较大的挤压变形。 （3）小埋深、偏压、松散围岩等特殊条件下的松动性变形。极为软 弱或者松散破碎围岩，加上埋深浅，由于支护刚度不足、支护不 及时，或者局部水压及气压力的作用，也会产生大变形。
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（2）变形速率高 陶恩隧道最大变形速率高达200 mm/d，一般也达50-100 mm/d。
（3）变形持续时间长 由于软弱围岩具有较高的流变性质和低强度，开挖后应力重分布的持续时间长。变
形的收敛持续时间也较长。日本惠那山隧道时间大于300 d。 （4）支护破坏形式多样
喷层开裂、剥落先在受力较大的部位发生；锚杆锚固作用失效。型钢拱架或格栅发 生扭曲，坍塌随即发生。衬砌做好后，大变形常使衬砌严重开裂，挤入净空。底部上 鼓使道床严重破坏。 （5）围岩破坏范围大
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隧道围岩大变形基本特征及发生机理
（1）变形量大 日本惠那山隧道施工时在地质最差的地段，拱顶下沉达到
930mm，边墙收敛达到1120mm；奥地利陶恩隧道采用台阶法施 工，由于对在挤压性围岩隧道施工缺乏经验，采用的初期支护 参数较小，导致拱顶发生1.2m的位移；家竹箐隧道在一般地段， 拱顶下沉为50-80cm，侧壁内移50-60cm，底部隆起50-80cm； 在变形最严重地段，拱顶下沉达到240cm，底部隆起达到80100cm，侧壁内移达到160cm；木寨岭隧道隧道在高地应力大变 形地段，严重处拱顶累计下沉达155cm。
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拱顶下沉最大为1053mm 收敛值最大为1034mm 变形速率为20-30mm/d
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塌方 支护拆换
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木寨岭公路隧道全长1710m，主要地质为炭质板岩夹泥岩，局部泥化 软弱，呈灰黑色，围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重，大部分地段围岩 较破碎，洞身渗涌水频繁，部分地段呈股流。隧道在高地应力大变形 地段，严重处拱顶累计下沉达155cm。
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其中，平安隧道洞身以千枚岩等软质岩为 主，含千枚岩地层占隧道穿越地层的90% 以上。发生严重大变形段落4.63km，有发 生大变形风险的段落达23.01km。
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修建于1896～1906年、连接瑞士和意大利的辛普伦1#隧道是世界上最 早出现严重挤压变形的隧道。此后，世界范围内先后出现了奥地利Tauern 隧道和Arlberg隧道、瑞士Furka隧道、日本Enasan隧道、中国家竹菁隧道、 中国乌鞘岭隧道、印度隧道Maneri隧道、伊朗Taloun隧道、土耳其Bolu隧 道、委内瑞拉Yacambu隧道等一系列典型挤压性大变形隧道。
坑发生先行位移，推迟支护结构的设置时间，从而 减轻作用在支护结构上的形变压力。 （2）多重支护方法。一次支护发生屈服，通过设置 二次或者多次支护，使得地压和支护反力得到平衡， 不进行支护替换的方法。
工程名称 柿子圆隧道 跃龙门隧道 杨家坪隧道 茂县隧道 榴桐寨隧道 平安隧道 弓杠岭隧道 岷山隧道 洛大隧道
埋深 620m 1445m 720m 16ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ6m 1410m 1720m 850m 1420m 1780m
主要岩性 灰岩
砂岩、板岩、千枚岩 千枚岩 千枚岩 千枚岩 千枚岩 板岩
砂岩、板岩 灰岩
高地应力使隧道周边围岩的塑性区增加，破坏范围增大。特别是支护不及时或结构 刚度、强度不当时围岩破坏范围可达5 倍洞径。一般锚杆长度伸不到弹性区，这常是 导致喷锚支护失效的根本原因。
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围岩变形破坏的进程
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蒙脱石型膨胀机理（分子吸水膨胀机理） 微裂隙膨胀机理 重力机制作用下的扩容膨胀 工程偏应力引起的变形力学机理 构造应力机理 断层型力学机理（断层与隧道夹角60-90度） 随机节理型变形力学机理
而以上段落穿越的软质岩多，断层破碎带多，软质岩 主要由炭质板岩、炭质千枚岩等组成，遇到高地应力 条件下的软弱围岩大变形，经地质专业判断本线隧道 通过地段共有 30.840km为易发生大变形的软岩段落。 主要代表性工点有：
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成兰铁路典型软岩隧道大变形发生段落
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9