我对隧道工程的基本认识

认识三
隧道施工必须坚持的两大原则 原则一: “施工”要做到：不使周边围岩“松弛” 或者“少松弛” 原则二: “施工”要做到：围岩、初期支护及二 次衬砌成为一体的结构物
原则一 “施工”要做到：不使周边围岩“松弛” 或者“少松弛”
开挖产生的周边围岩的松弛是隧道施工安全的“死敌”， 减少松弛就意味提高施工的安全性，两者是密切相关的。 松弛的围岩是隧道开挖后产生变形，降低围岩承载性 能，加重人工支护负担的主因。 因此，施工中不使周边围岩“松弛”或者“少松弛”是非 常重要的。 目前我们的施工方法和施工技术，还满足不了这个原 则。一些隧道中发生的所谓的“大变形”等，均与此有关。 。
隧道周边围岩的动态
因此在隧道设计、施工中，掌握隧道开挖后的动态是非常重 要的。 这里必须指出，隧道的稳定性决定于隧道周边围岩的稳定性。 我们知道隧道周边围岩不稳定我们是无法施工的。只要隧道周 边围岩是稳定的，隧道就是稳定的。因此，“掌握围岩”的重点， 是掌握隧道周边围岩的动态。 隧道的周边围岩是三维的，不仅仅指横向范围内的围岩，也 包括掌子面前方的围岩。
锚杆
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在初期支护中，最有争议的是锚杆。锚杆不是 有用和无用的问题，而是如何设臵，如何更好 地发挥其支护作用的问题。 工程实践表明：在任何的支护条件下，锚杆支 护都是有效果的。在多数场合是可以采用的。 但也有不宜采用的情况。如在拱部采用超前支 护的围岩条件下，不宜设臵拱部锚杆；在浅埋、 易于发生整体下沉的围岩条件下，拱部锚杆的 支护效果不能发挥的场合，也可以不设臵锚杆 等。
如何尽可能地不让围岩松弛或少松弛，只 有两种方法
方法一：开挖后及早使开挖断面闭合； 方法二：开挖前预先加固围岩。 实质上，在软弱围岩隧道施工中都是两 种方法的组合。
及早使开挖断面闭合
所谓“断面闭合”有2个概念。 一个是横断面的断面闭合，一个是纵断面的断面闭合。 两者是相互配合的。实际上，断面闭合多数是指纵向的 断面闭合。 纵向的断面闭合，可以用时间或距离表 示。例如在几小时内闭合，或在几m内闭合。这与围岩 条件有极大的关系。围岩越差，要求的断面闭合时间越 短，也就是断面闭合的距离越短。


预加固的重点部位大致如下图所示。 图中的“长”，通常指长度超过8m以上的长 度。
预加固技术，主要是针对掌子面周边围岩 的，包括正面前方的围岩。因此应对周边 围岩的稳定性进行判定。在大断面隧道进 行大断面开挖的场合，周边围岩的稳定性 主要表现在： 掌子面的稳定性---掌子面前方围岩的挤出、 拱顶崩塌； 拱脚围岩的稳定性---拱脚下沉； 底部围岩的稳定性---底部鼓起。 因此，预加固技术的形成与发展与此有关。 预加固技术可以从地表面实施，也可以从 洞内进行。
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这些技术包括： · 控制掌子面前方围岩松弛的技术――先行位移 · 控制掌子面围岩松弛的技术 ――掌子面挤出位移 · 控制脚部下沉的技术 ――拱脚及底部下沉―― 整体下沉 · 控制地表面下沉的技术 ――地表面下沉 ――整 体下沉 不能不承认，在这个领域中我们与国外的差距是比 较大的。差距主要表现在施工机械设备上。（详细 内容请参考软弱围岩施工技术一书）。

众所周知，在城市土质隧道中，盾构法 是主流方法。这与盾构法，实质上是“断面 闭合时间”为0，或者说是“极少松弛”的方法。 整个盾构的施工过程是盾壳的保护下完成 的。如果说，围岩发生“松弛”，也是在盾尾 离开的瞬间出现的。而在采取“同步回填”， 这种可能发生的围岩松弛，也得到了控制。 因此，日本明确提出“地表面没有下沉的盾 构技术“。而矿山法很难做到这一点。
例如日本在矿山法施工中，为了提高施工的安全性和达到快速 施工的目的，最近开发了所谓“隧道机组工作站”的施工系统。 称之为“TWS”。 例如图1就是以钻孔台车为基础把各种专用施工机械组合成一 台的台车的多功能型的全断面开挖机（TWS）。
图2 TWS的各种施工机械搭载例
以泥岩为主体的软岩为对象，是按早期闭合的快速施工为目的， 由自由断面掘进机、凿岩机、喷射机、全周模板、皮带运输机 等组成机械开挖方式的全装备型大断面用TWS。
设置在设计断 面内
设置在设计 设置在设计断 设置在设计断面 断面外 面内 外
日本建议在台阶法施工条件下，闭合距 离一般控制在相当隧道开挖跨度左右的距 离（此条件相当于开挖跨度12m左右），开 挖跨度越大，闭合距离越短。按此原则来 组织隧道的施工作业和机械配臵。在软弱 围岩隧道中。“快挖、快支、快闭合”已经成 为我们的共识，正在一步一步地向这个方 向迈进。
开挖前预加固围岩
近几年，隧道施工技术一个重要的发展，就是辅 助施工方法体系的形成与应用。这是矿山法扩 展应用的需要，是提高施工安全的需要，也是 爱护围岩意识提高的表现。 • ，仅用初期支护，不管如何加强，也很难把围 岩变形或松弛控制住，这已为实践所证实。在 这种情况下，唯一的对策，就是对周边围岩进 行预加固（补强）。 • 所谓开挖前预加固技术是指：在开挖前对可能 造成松弛的围岩或者是已经判定为松弛的围岩， 事前进行补强的技术，意图提高周边围岩的承 载性能，大幅度地减少围岩开挖后可能发生的 松弛。
表4
早期闭合仰拱设置与上部的闭合。因 此要特别关注隧道底部结构的形成。 根据日本近期研究的成果，以早期断面闭合（这里称为 “早期闭合仰拱”）为重点，把其按时期和程度（刚性） 划分3个水准，其概要和优缺点列于表1。
水准Ⅰ： 初期仰拱早期闭合 主体仰拱闭合 水准Ⅱ：喷混凝土仰拱早期 水准Ⅲ：仰拱横撑早期闭合 闭合 示 意 图
中块状围岩 ，包括层状 围岩 弹塑性变形 为主
与围岩构造 坚硬、构造 大块状、厚 的关系 完整的围岩 层的坚硬围 岩 开挖后的围 稳定、以弹 以局部掉块 岩动态 性变形为主 为主
Ⅴ、Ⅵ 不稳定 开挖后可能立 即崩落，仅用 初期支护难以 控制变形的发 展，需要进行 预支护，先行 控制可能发生 的变形及松弛 。 土砂（包括碎 块状）围岩、 特殊围岩 松弛、坍塌为 主、极易发生 大变形
老生常谈
----我对隧道工程的基本认识
认识一 树立以“围岩为本”的基本理念
以“围岩为本”是由围岩的基本特性所决定的。
围岩的基本特性
围岩――结构的主体；围岩本身是具有自支护能力 的，也就是我们所谓的自稳性或稳定性。在设计施工 中，我们要充分发挥和利用围岩的这个能力； 围岩――构成结构体的主体材料―其特征是客观存在 的多变性和不确定性； 围岩――施加结构的荷载－开挖后的变形与支护的 相互作用是形成荷载的基本原因；它是由围岩性质和 施工技术所决定的，是一个不可捉摸的变量；
围岩级别 Ⅰ 稳定性 长期稳定 现象及措施 一般不需要 支护，仅进 行表面防护 Ⅱ 基本稳定 毛洞有一定 的自稳时间 ，可能有局 部掉块或滑 移，必要时 采用局部锚 杆、或喷混 凝土支护 Ⅲ、Ⅳ 暂时稳定 自稳时间较 短，开挖后 围岩发生松 弛，初期支 护基本上可 以使变形收 敛，无需采 用辅助工法
认识二 掌握围岩
所谓“掌握围岩”首先就是要掌握隧道开挖 后的围岩动态。也就是开挖后围岩的稳定 性。因此，如何搞清楚围岩开挖后的动 态？、如何评价开挖后的围岩稳定性？就 成为隧道及地下工程中的重要课题。也是 我们一直想解决的问题。
围岩开挖后的动态
围岩开挖后的动态，也就是稳定性受到许多因 素的影响，是多种多样的。但其外观的综合表现， 就是变形、掉块、滑移或松弛。仅仅用变形一词 是很难概括隧道开挖后的动态的。开挖后动态的 不同，决定了对应的支护对策的不同。
前面所述的变形、掉块、滑动、松弛等，基本上都是在周边 围岩中发生的。 隧道开挖对周边围岩的影响是有限的。其范围大致在1~2D （D：隧道开挖的宽度）左右。 过去我们十分关注隧道横向的影响范围，初期支护的选定基 本上 是以此范围的围岩动态决定的。实际上，在软弱围岩中， 掌子面前方围岩的稳定性更为重要。 必须强调的是：掌子面，实质上也是一个支护构件，开挖过 后它起着极为重要的支护作用。施工中出现的问题，多数与掌 子面的稳定有关。 因此，在隧道施工中，尽可能地掌握由于开挖、支护引发的 周边围岩的动态是非常重要的。 我们设计、施工的基本出发点，就是千方百计地使隧道周边 的围岩稳定下来。而使围岩稳定的基本原则就是维护和提高周 边围岩的自支护能力，特别是掌子面的支护能力。这一点必须 体现在隧道的规划、调查、设计、施工、维修管理的全过程。
以凝灰角砾岩为主体的中硬岩的复合围岩隧道为对象，组成由凿岩机、 喷射机、钢支撑架设机等能够进行爆破开挖及机械开挖的万能型大断 面隧道用TWS。 以花岗岩为主体的硬岩隧道为对象，组成凿岩机、喷射机等能够进行 爆破开挖的快速施工的大断面隧道用TWS。
脚部预加固机械
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作为支护脚部下沉的对策，我们基本上是采取 钢架下设臵垫板、扩大拱脚、打锁脚锚杆（管） 的方法。日本基本上采用以脚部钢管为代表的 脚部补强桩。但在过去的对策中，因为是在上 半断面开挖后进行施工，其抑制初期下沉的效 果比较小。同时还存在采用水进行钻孔也会扰 乱围岩，助长下沉等问题。因此开发出采用弯 曲大口径脚部补强桩工法，针对以上问题，预 先在围岩开挖前在预计设臵钢架的位臵打支持 桩，而后进行开挖并架立钢架。对控制脚部下 沉的效果极佳。
原则二“施工”要做到：围岩、初期 支护及二次衬砌成为一体的结构物
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隧道结构物只有与围岩成为一体才能发挥其功 能。特别是要确保围岩与初期支护形成一个具 有要求承载能力的支护结构体。 这里所谓的成为一体，就是我在施工要点集中 一再强调的“三密贴”。喷混凝土与围岩密贴、 防水板与喷混凝土密贴、二次衬砌与防水板密 贴，在其间不要留有空隙或空洞。 而目前的现状是喷混凝土基本上可以做到与围 岩密贴，但防水板与围岩是不密贴的，二次衬 砌与防水板也不是密贴的。钢架也不是与围岩 或喷混凝土密贴的。
钢架问题
在其建议的步骤中，锚杆都是最后，而且都是在两榀钢架中间 的位置，离开掌子面一定距离施做的，这与我们的做法有所不同。 而最先的步骤都是喷混凝土，而后是立钢架。 日本在08年的“山岭隧道设计施工技术标准”中，建议“采用 钢架，锚杆和喷混凝土的场合，应按钢架、喷混凝土、锚杆的顺 序施工，在围岩稳定有问题的场合，开挖后应迅速初喷混凝土， 再按钢架、喷混凝土锚杆的顺序施工”。