2-复杂地质条件下的隧道设计与施工(关宝树)
复杂地质条件下大断面隧道施工技术研究报告
复杂地质条件下大断面隧道施工技术研究报告评审技术文件之一复杂地质条件下大断面隧道施工技术研究总报告集团有限公司二00 年月一、概述1、工程简介某市地铁某号线第七合同段全长1.834公里。
由某路站～某某站区间、某地铁站、某地铁站～环岛站区间三部分组成。
设施工竖井3座。
区间隧道均为暗挖，由于设计与3号线联络线、存车线和交叉渡线的需要，区间隧道断面复杂多变，共设计13种断面。
其中某路站～某某站区间右线325m范围内集中设计11种断面形式（见表1）。
复合式衬砌，大管棚和小导管超前支护，格栅钢架、钢筋网、喷混凝土初期支护，C30钢筋混凝土二次衬砌。
区间隧道埋深8～10m，穿越城市公园，隧道边界距城市小河0.5～9.0m，隧道经过地段下穿5处建构筑物：新江南大酒店、加油加气站、车辆管理所办公楼、机械研究所的索塔拉锚基础和河道疏浚工程暗河。
3、地质情况区间隧道地层主要为粉细砂层和粉质粘土层，根据铁路隧道设计规范，为Ⅺ级围岩，属于松土和普通土。
4、地下水情况地下水有台地潜水和层间潜水，水位较高，接近自然地面。
施工时采取降水措施，水位降至隧道底板1.0m以下，确保隧道在无水状态下施工。
二、工程特点1、区间设计断面多达13种，属典型的大断面洞群段落，采用6种施工方法，不同施工方法间转换多，断面间接口多。
2、区间1－1断面为三连拱隧道，埋深浅，跨度达22.5m，施工步序多，施工难度大。
3、区间下穿多种建筑物和管线，要求地面沉降量控制在30mm内，地表沉降要求严格。
隧道隆起量控制在10mm内。
三、关键技术1、地铁三连拱浅埋隧道施工效应分步模拟分析技术区间1－1断面为三连拱隧道，结构扁平，处于浅埋粉细砂地层，施工中隧道结构所受荷载加大，结构应力集中比较单拱隧道更趋复杂化，隧道成型和围岩稳定性控制的难度增大，稍有不慎，极易造成围岩过度变形，威胁区间管线和地表建筑物安全，甚至坍塌，严重影响施工进度和质量，因此选择合理的开挖方式和支护参数，保证围岩和结构的稳定极其关键。
关宝树地下工程第一章
1.7 放射性废弃物处理设施 地下的处理设施，一般都设在地下500-1000m深处。
1.8 粮食贮藏设施
主要是利用地下恒温性这一特点。地下贮藏的成本低， 可保护环境，节约能源等，由于能耗低，近几年发展极为迅速。
刘俊新 ( 西南科技大学土木工程与建筑学院 )
第一篇 地下工程概述
第一 概述
1.1 什么叫地下空间？
在地球表面以下的土层或岩层中天然形成或经人 工开发而成的空间称为地下空间；
在城市规划范围以内的地下空间称为城市地下空 间；
在城市以外山区岩层中开发的地下空间称为山岭 地下空间；
在江、湖、河、海水下开发的地下空间称为水下 地下空间。
第二节 地下空间工程的优缺点
2.1 地下空间工程的优点 ① 限定视觉 ② 开放地面空间和土地的有效利用 ③ 地下流通和输送 ④ 环境和利益 ⑤ 能源利用的节省和气候的控制 ⑥ 相对稳定的温湿度 ⑦ 自然灾害的保护 ⑧ 安全防卫 ⑨ 噪声和振动的隔离 ⑩ 维修管理
产和交通工具不断密集，城市有限的空间资源和用地 严重不足，城市的环境也日益恶化。这些都严重限制 了城市的发展。
1.城市建设的迫切需求
合理开发和利用地下空间是解决城市有限土地资源和改善 城市生态环境的有效途径。
向地下要土地、要空间已成为城市发展的必然趋势，并成 为衡量城市现代化的重要标志。
提高城市土地的利用率与节省土地资源、缓解中心城市密 度、扩充基础设施容量、增加城市绿地、保持城市历史景 观。
④ 排水处理设施 排水设备应考虑自然流下，设在基 地内较低的位置；水处理设备也宜设在排水设备附近。
隧道修建需着重关注的工程地质条件(1)
隧道修建需着重关注的工程地质条件作者：陈树峰胡鹏来源：《武汉科技报·科教论坛》2013年第07期【摘要】围岩地质条件对隧道建设有着重大影响，隧道在开挖过程中会遇到滑坡、崩塌、泥石流、岩爆、岩溶。
综合阐述公路隧道施工过程中的常见地质灾害及其防治措施。
【关键词】公路隧道；工程地质条件及预防措施随着我国经济的迅速发展，隧道建设也进入了一个新的发展时期，隧道在规模和技术水平上都上了新的台阶。
大量的隧道工程投入建设，许多地质问题也集中的爆发出来，工程建设带来很大影响。
因此针对不良地质条件隧道的设计与施工显得越来越重要。
不良地质条件有指滑坡、崩塌、岩堆、偏压地层、岩溶、高应力、高强度地层、松散地层、软土地段等不利于隧道工程施工的不良地质环境。
本文主要阐述这些问题的现象及特点，以便定性地辨别地质灾害；同时也列举了灾害的防治及处理措施，为隧道设计施工提供参考依据。
一、滑坡、崩塌、泥石流（一）现象及特点滑坡是指山坡在河流冲刷、降雨、地震、人工切坡等因素影响下，土层或岩层整体或分散地顺斜坡向下滑动的现象。
这种灾害的特点是瞬间性，面积大，动量大，破坏性极强。
泥石流是指在降水、溃坝或冰雪融化形成的地面流水作用下，在沟谷或山坡上产生的一种挟带大。
量泥砂、石块等固体物质的特殊洪流，其比重大，冲击力大，能移动并携挟巨石，冲击山体，形成巨大的破坏。
有些公路隧道难以避开滑坡、崩塌发育地区或泥石流沟。
滑坡、崩塌和泥石流对隧道的施工和隧道的稳定都构成了威胁。
（二）防治措施若滑坡为坡残积土沿基岩顶面滑动，滑坡后基岩裸露，且处于暂时稳定状态，推断进一步发展与扩大的可能性甚小，边坡不高，则宜以路堑方案通过。
采用抗滑桩和挡护结合整治的措施，并设天沟与渗沟拦截地表水和排除地下水。
如果滑坡沿开挖临空的坡脚滑出，滑面随开挖深度而变化，说明岩性软弱，不宜继续下挖，宜改用隧道和明洞通过。
如果滑坡地段是由于开挖失去平衡，加之雨水下渗，古滑坡复活，产生顺层推移式滑坡，则宜采用在滑体上部清方减载，回填反压，在滑体下部增加抗滑力。
《隧道施工技术》课程教学大纲
《隧道施工技术》教学大纲课程编号：631052课程名称：隧道施工技术课程英文名称：Tunneling excavation Technology课程类别：专业教育课课程性质：必修课学时（理论）：48学分：3开课学期：五选用教材：《隧道施工技术》，代树林等，自编教材主要参考书：1.陈建平、吴立，地下建筑工程设计与施工，中国地质大学出版社，2003.1 ；.关宝树、杨其新，地下工程概论，西南交通大学出版社，2001.6 ；2.黄成光，公路隧道施工，人民交通出版社，2001.8 ；.陈韶章、陈越、张弥，沉管隧道设计与施工，科学出版社，2002.5 ；3.井巷工程施工手册，煤炭工业出版社，1979.11 ；.曹善华主编，建筑施工机械，同济大学出版社，1991年。
4.倪寿璋编，工程机械基本知识，人民交通出版社，1984年。
5.《隧道施工》于书翰、杜谟远，人民交通出版社，1999.6一、中英文课程简介：中文：本课程为隧道与地下工程研究方向主干专业课程，内容包括各种隧道工程的施工方法、施工技术和施工管理方面的理论、基础知识和专业技能。
通过本课程的学习，使学生掌握山岭隧道开挖方法、钻眼爆破设计理论和施工技术、初期支护类型和施作方法、二次衬砌施作方法、施工过程的通风和压缩空气供应、不良地质地段和特殊地质地段施工方法和技术、地铁的主要施工方法和技术、水底隧道施工方法等。
本课程的授课对象为掌握一定的基础和专业基础课程理论知识的隧道与地下工程研究方向的本科生。
学生掌握这些技能后，可在矿山、基础工程、隧道与地下工程领域施展自己的才华。
英文：This course is for tunnel and underground engineering research direction of backbone of the professional courses, including a variety of tunnel engineering construction method, construction technology and construction management theory, basic knowledge andprofessional skills. Through the studying of this course, make students master the mountain tunnel excavation method, drilling and blasting design theory and construction technology, the initial support types and construction method, two lining construction process, the construction process of ventilation and the compressed air supply, adverse geological sites and special geological section, construction method and technology of subway main the construction method and technology, underwater tunnel construction method. This course is designed for grasping some basic and professional basic course of theory of knowledge in the tunnel and underground engineering direction of undergraduates. Students to master these skills, can display their talent in the mines, foundation engineering, tunnel and underground engineering.二、课程目的、性质与任务《隧道施工技术》课程是联系设计蓝图与实体工程间的纽带和桥梁，是以教会学生将设计图表转化为隧道与地下工程实体工程的各环节施工方法、施工工艺和施工组织为其教学目的的专业主干课程。
复杂地质条件下铁路隧道修建技术与对策
复杂地质条件下铁路隧道修建技术与对策肖广智（中国国家铁路集团有限公司工程管理中心，北京100844）摘要：结合既有铁路隧道工程经验，针对高地应力软岩大变形、岩爆、活动断裂带、高地温、高压富水断层等典型复杂地质条件，分析其特点并提出修建技术对策。
高地应力软岩的特点是围岩变形量大、变形速率高、变形持续时间长，主要对策为主动控制围岩变形、机械化施工、优化工艺工法、快速封闭成环等；岩爆的特点是预测难度大、对施工安全和工效影响大，主要对策为微震监测、释放地应力、加强支护、设备和人员防护等；高地温的特点是恶化作业环境、降低工效，主要对策为按照温度分级采取洒水、加强通风、冰块或机械制冷等降温措施；活动断裂带的特点是地质破碎、断裂带错动直接破坏结构，主要对策为大刚度环形衬砌、预留变形及补强空间、组合宽变形缝等；高压富水断层的特点是施工易产生突泥突水，主要对策为加强超前地质预报、超前泄水、加固地层、加强支护等。
相关修建技术对策可为川藏铁路隧道建设提供借鉴。
关键词：川藏铁路；高地应力；软岩；岩爆；高地温；活动断裂带；高压富水断层；修建技术中图分类号：U455文献标识码：A文章编号：1001-683X（2020）12-0035-08 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2020.12.0350引言近年来，随着铁路隧道建设数量和规模的不断扩大，铁路隧道修建技术也在逐步提高，我国已成为名副其实的隧道大国和隧道强国［1］。
赵勇等［2-3］通过工程试验和现场实践研究提出软岩大变形铁路隧道的变形机制和处治措施，在贵广铁路天平山隧道得到成功应用；韩侃等［4］依托拉林铁路巴玉隧道分析岩爆典型特点，确定防治岩爆的动态施工技术；雷俊峰［5］从拉日铁路吉沃希嘎典型地热隧道产生高地温的原因与特征着手，从多个方面制定工程对策；耿萍等［6-7］通过数值计算和工程试验，研究穿越活动断裂带的隧道响应特性和设防措施；张金夫等［8］在大瑞铁路大柱山隧作者简介：肖广智（1964—），男，正高级工程师。
关宝树 地下工程PPT 第四章
2. TBM法的缺点 ① 设备的购臵、运输、组装解体等的费用高，设计制 造时间长，初期投资高。 ② 施工途中不能改变开挖直径。 ③ 地质的适应性受到一定限制。 ④ 开挖断面的大小、形状变更难，在应用上受到一定 的制约。 ⑤ 运输困难
2.6 TBM法的基本条件 1.TBM法的技术流程
2.地质条件 在TBM法中，TBM和掌子面是分离的，故有软弱层和 破碎带时，采用辅助工法很困难。所以，不良地质的调查， 不仅对TBM的选择和施工速度有很大的影响，对能否采 用TBM法也是决定性的因素。 TBM施工的地质调查主要是调查影响TBM使用的地 质条件，如地层的硬软、破碎带的位臵、规模、地下水的 涌水、膨胀性围岩等，对TBM法是否适合，以及影响 TBM开挖效率的地质因素等。
不论是滚刀或是削刀，总的破岩体积中，大部分破岩并 不是由刀具直接切割的，而是由后进刀具剪切破碎的。为有 效破岩，先形成破碎沟或切削槽是前提条件。破碎沟或切削 槽的深度、宽度愈大，破岩效果便愈好。因此，需根据开挖 岩体的性质，选择适宜的刀具。
2.5 TBM的特点 1. TBM法的优点 ① 开挖作业能连续进行，施工速度快，工期短。特别是在 稳定的围岩中长距离施工时，此特征尤其明显。 ② 对围岩的扰动损伤小，用爆破法使围岩的损伤范围约为 2-3m，而TBM法只有1m左右，几乎不产生松弛、掉块、崩 塌的危险，可减轻支护的工作量。此外，超挖小，衬砌也省 时省料。 ③ 开挖表面平滑，在圆形隧洞的情况下，受力条件好。 ④ 振动和噪声对周围的居民和结构物的影响小。 ⑤ 施工安全，近期的TBM可在防护棚内进行刀具的更换， 密闭式操纵室、高性能集尘机等的采用，使安全性和作业环 境有了较大的改善。 ⑥ 作业人员少。
3.带管片衬砌操作的双护盾TBM工作周期 ① 前进和管片放臵过程 支撑护盾牢固地撑紧在洞壁上， 刀盘推进油缸支承在接触护盾的连接处，并在掘进过程中将 刀盘向前推进，保持所达到的掘进速率直至刀盘推进油缸行 程结束。同时，管片在盾尾安装，在安装期间后护盾的护盾 推进油缸支承着管片直至整环闭合。 ② 后护盾换位阶段 后护盾盾壳换位只持续几分钟。首先， 推进油缸卸载，随后护盾盾壳支撑的径向支撑油缸缩回并卸 载。然后，借助于后护盾推进油缸使刀盘推进油缸周围的后 护盾盾壳前移。最后，重复掘进和管片安装过程。 附属装臵： •① 刀盘上的超挖刀具，可得到更大的开挖直径，洞壁由伸 缩护盾盾壳支承直至管片安装。 •② 可纵向及径向移动伸缩的刀盘，以便超挖隧道的一侧， 提高机器的转向性。
大断面隧道设计、施工关键问题(关宝树)
英国
韩国 中国台湾 2013-8-14 合计
CTRL
KTX 台北
109
412 345 6242
300
350 350
300
300 300
26/24%
189/46% 65/19% 1339 107 90
13
这些长隧道的修建，无疑地是一个新的机遇和 挑战，我们应该利用这个机遇，将我国的隧道设计、 施工及维修管理的技术提高到一个新的水平。 应该指出，我国近4000km的铁路隧道和近1000km 的公路隧道，以及水工隧道、部分地下铁道，基本 上是采用矿山法修筑的，因此，这次发言也把重点 放在客运专线的隧道工程，以矿山法修建隧道的技 术现状和发展上。
国家 日本 线别 东海道 山阳 东北 上越 北陆 九州 法国 南东 大西洋 北欧 地中海 德国 ICE 哈诺法 法兰克福 意大利 西班牙 罗马 马德里 线路长度（km） 设计最高速度 （km/h） 515 563 593 275 117 128 410 284 333 250 99 327 177 237 471 210 250 260 260 260 260 300 350 350 350 300 300 280 300 300 营业最高速度 （km/h） 270 300 275 275 260 260 300 300 300 300（320） 280 330 300 250 300 隧道数量 69/13% 268/47% 184/ 107/39% 63/54% 85/69% － 16/6% － 13/5% 30/30％ 120/37% 17/22% 71/30% 16/3% 75 双线标准断面 积（m2） 63.5 63.5 63.4 63.5 63.5 63.5 － 71 100 100 82 82 92
关宝树_地下工程PPT_第二章
第三节
作用在隧道框架结构上的荷载
3.1 浅埋式地下结构荷载的确定方法 1. 地面荷载 一般浅埋地下工程通常要 考虑地面荷载。这类荷载由地 面建筑物、行驶车辆及其他公 共设施产生，它与地下结构距 地面距离（即埋深）相关，当 覆盖厚度超过8m时，其影响就 不大了。地面荷载通过覆土层 传递到地下结构。
2. 垂直土压力 作用在地下框架 结构顶面的垂直土压 力包括三个部分，地 面铺砌体重量，地下 水位以上土体和地下 水位以下土体重量， 如图2-2-8所示。
矩形闭合框架示意图
第二节 矩形闭合框架结构形式和尺寸 2.1 矩形闭合框架的设计 浅埋式地下结构特别是浅埋地铁隧道，一般都是采用钢 筋混凝土衬砌，因此这里进行矩形闭合框架的设计与一般地 下钢筋混凝土结构设计的原理和方法基本相同。 其主要设计内容： ① 结构的断面形式和尺寸的确定。 ② 荷载计算。 ③ 结构内力计算。 ④ 结构配筋计算。 隧道衬砌为箱形框架结构，计算时沿隧道延伸方向取１ m宽度为计算单元，做平面应变问题处理。 设计时首先应按照使用要求，计算出结构的内部净空尺 寸，然后根据结构构件的高宽比、荷载条件并参照已建类似 工程结构尺寸，假定断面上各构件的厚度，确定供计算用的 结构形状和尺寸。
由于d减小而不变则也减少即也就2基坑渗透稳定性验算流沙或管涌验算图2332表示由于在基坑内边沟排水出现水头差h产生由高处和低处的渗流经过板桩下端土层渗流向上到达坑底后汇于边沟进入集水井而泵抽走因此坑底下的土处于浸没于水中的状态其有效重度为浮容重当向上的渗流力或动水压力j达到能够抵消土粒的有效重度够抵消土粒的有效重度即时土粒就处于浮扬或翻腾状态要避免这种现象就应该满足即时土粒就处根据试验结果流沙现象首先发生在离坑壁大约等于板桩深度一半的范围内由于板桩是临时结构为简化计算可近似地取最短路程即紧贴板桩位置的线路来求得最大渗流力如果坑底以上土层为粗粒硬石层松散填土或多裂隙土等在坑壁一侧的水流经此层的水头很少可忽略不计则条件式简化为第六节深层搅拌桩支护结构61深层搅拌桩的支护结构的设计1
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三、“复杂地质”的范围
而具有上述表现的地质条件，根据日本最近修订的 隧道工程技术规范（山岭隧道篇）的规定有： • 膨胀性围岩的隧道； • 高压、大量涌水的隧道； • 未固结围岩的隧道； • 高热、温泉、有害气体的隧道；
并要求在设计中，应根据各自的围岩条件，研究安全、 经济的对策。
我国特殊岩土和不良地质地段隧道施工的原则 我国铁路隧道施工规范，也规定了特殊岩土和不良地质 地段隧道施工的原则，这些隧道包括以下围岩条件下的 隧道。 •富水软弱破碎围岩； •岩溶； •风积砂及含水砂层； •膨胀岩； •瓦斯； •挤压性围岩等。 此外，高或极高初始地应力场条件下的地质条件， 也常常具有上述的复杂地质特性。
例如日本饭山隧道在上半断面开挖时，先设臵了 4.0m×10根、6.0m×6根、@1.00m的锚杆，H-200@1.00m钢支 撑,喷射厚25cm的混凝土 （金属网5×150×150mm），变形到 一定程度后，又设臵了3.0m×4根@1.00m锚杆,H-125@1.00m钢 支撑和喷射12.5cm的混凝土。下半断面开挖设臵了4.0m×16 根@1.00m锚杆。变形富余量一次支护设20cm，二次支护设 20cm。支护结构示于图11。
2、必须控制底鼓的发生和发展，防止围岩过度松弛
隧道开挖的围岩动态， 大致如图7所示。 在复杂地质条件下， 坑道开挖后的动态，通常 是两侧向洞内挤入，大多 数的量测数据也充分地说 明了这一点。两侧挤入， 导致拱顶大量下沉。这是 一种情况。此时加强侧壁 的支护是关键。另外一种 情况是底部鼓起。底部鼓 起是导致隧道整体崩塌的 前兆。底部鼓起意味着底 部围岩丧失了承载力（支 承力），因此加强底部是 关键。
图12土压测定例（锅立山隧道）
图13埋深和净空位移（饭山隧道）
表5是多重支护位移的解析结果。
表5
先行位移 值 214mm 一次支护位 移值 55mm
坑壁位移的解析结果
二次支护位 移值 5mm 一次支护累计位 移值 （60mm） 合计
274mm
二次支护的位移值只有5mm，说明支护的 健全度是很高的，多重支护的二次支护完全处 于弹性状态。
图14表示两种情况的坑壁 位移值的比较。在多重支护 中因没有进行再开挖，比反 覆扩挖· 支护的先行位移值的 总合小，能够抑止围岩的劣 化。 标准的多重支护法的支护 模式可以参照前面的图11。 一次支护采用高规格的200H 钢支撑和喷混凝土厚度25cm 并掺以钢纤维，锚杆在上半 断面设L＝4m×10根，L＝ 6m×6根，下半断面设 L=4m×16根，总计32根。二 次支护采用150H钢支撑和 15cm的喷混凝土，没有设锚 杆。锚杆间距都采用1.0m。 变形富余要充分，一次支护 的变形富余设20cm，二次支 护设15cm，。必要时也可设 臵三次支护。
从围岩分级看，不包括在围岩分级范围的； 从施工方法看，必须采用辅助工法的； 从设计角度出发，不能采用标准设计的；
都可界定为复杂地质条件。
二、“复杂地质”的表现（特性）
不管地质条件如何复杂，只要出现以下力 学现象的地质条件，也都可视为“复杂地质” 条件。 • 掌子面失稳； • 底鼓现象严重； • 长时间的持续变形；或变形不收敛； • 初期支护严重变异。
图2 掌子面崩塌地过程示意图
超前支护
除了从掌子面本身想办法外， 另一个重要措施，就是超前支护。 从图4可以一目了然地说明超前 支护的意义和作用。 超前支护的目的就是要控制掌 子面前方可能出现的崩塌，这种 崩塌因地质条件可能是各种各样 的。但不管是什么样，只要能够 恢复掌子面的支护作用和控制了 前方围岩的松弛，就可以继续开 挖。 超前支护有两种。一种是向 掌子面正面打锚杆或者喷混凝土， 增强掌子面的支护作用，谓之正 面支档。一种是沿掌子面轮廓向 前方一定距离预先修筑各式各样 的壳体，谓之超前预支护。
图12是锅立山隧道土压的历时变 化。此区间膨胀压显著，为了对抗很 大的土压在掌子面设臵了管片，采用 不容许坑壁大量变形的施工方法。土 压几乎形成静水压作用，其值超过 3MPa，与此处埋深150m的全埋深压相 当。也就是说，衬砌承受着最大、全 埋深土压的作用。 图13是饭山隧道调查坑道的埋深 与净空位移动关系。埋深100m附近， 隧道净空位移比较小，设计上几乎可 以不考虑。超过100m后净空位移急剧 增大，呈现膨胀性隧道的样子。同样 的现象在许多膨胀压隧道中都得到证 实。埋深100m的土压，如围岩密度 （γ）取2.0g/cm3，则为2MPa，围岩 强度也大致是2MPa，则围压强度比在 1左右，是膨胀压发生的分歧点。此 值与在泥质围岩中统计分析的结果是 一致的。在图3中，可以看出埋深超 过100m的净空位移是相当离散的，预 计还有强度以外的因素有关。
测
图6掌子面前方量测方法示意图
曲线表明：随着掌子面的进展，前方补 强部分的深度是 15～ 5m的场合，掌子面 挤出和掌子面的变形响应在发展，从弹 性范围慢慢进入弹塑性范围。净空位移 曲线的初期趋势，是特别快的向稳定方 向发展。例如补强长度在 5m以下的场合， 出现 10cm量级的挤出，比初期阶段的测 定值大4倍以上。
图7 隧道开挖的围岩动态
如果采用解析方法计算，在不同 的初始地应力场条件下，得到的塑 性区边界示于图8和图9。
图8表明：λ=0.5（λ：侧压力系 数）时,塑性区基本上出现在侧壁, 呈月牙形,λ=0.3时,则变成图示的 耳形,也集中在侧璧范围λ=0.2时, 又变成向围岩深部扩展的 X 型。不 管何种情况,在坑道侧壁,塑性区域 显著集中 , 这一点对研究坑道破坏 有很重要的意义。 图9表示马蹄形坑道的计算结果。 当λ=l时 , 塑性区主要在距洞蜜等 距离的范围内产生 , 洞壁两侧略大 些。当λ=0.25时,塑性区主要在洞 壁范围内, λ=0.1 时,则呈X型。
复杂地质条件下的隧道设计与施工
报告人：仇文革 教授
西南交通大学
2004.12.16
报告主要内容
• • • • “复杂地质”条件的界定 “复杂地质”的表现（特性） “复杂地质”的范围 “复杂地质”隧道的设计施工原 则 • 结束语
一、“复杂地质”条件的界定
“ 复杂地质”一词，最近一段时期，出现频 率颇高。
图10 锚杆布置与塑性区
3、尽可能地在短时间内闭合断面
在复杂地质条件下，另一个原则，就是尽可能地在短时间内闭合断面。包括分 部开挖断面的临时闭合。如上台阶的临时闭合、各种导洞的临时闭合等。施工中 虽然大家都认识到临时闭合的重要性，但常常却做不到这一点。 这里我们强调的是时间因素。因为开挖后的围岩动态的发展与时间密切相关。 在开挖和时间中,应该考虑的事项有： · 从开挖到设臵支护的时间； · 从导坑开挖到整个断面闭合的时间； · 二次衬砌的施设时间等。 这里主要说明仰拱闭合时间的影响。 为了缩短闭合时间，采用微台阶法是一个重要措施。微台阶法实质上是全 断面法的变种。其目的就是缩短断面的闭合时间。 在Massenberg和Schwaikheim隧道中,从掌子面到环体闭合的时间,约为3~4周 。在法兰克福的地铁中,这一时间减少到9个小时,使地表下沉得以减小。在墨尼黑 地铁中,采用了闭合时间几乎为零的施工方法,使地表下沉进一步减少。 其次，就是打锁脚锚杆（管）、底部锚杆（管）。从我们的实践看，长的锁脚 锚管比长锚杆更为有效。注浆、扩大拱脚等也是一个方法。 最后，初期支护的断面闭合也是非常重要的。不管是采用喷混凝土，还是格栅 、钢支撑，一定要使之闭合，这样做虽然对后续作业有一定影响，也要这样做。 作为支护结构，闭合与不闭合，对控制周边围岩的位移和松弛，具有不可忽视的 影响。其承载力可有数量级之差。 应该说，在复杂地质条件下，所谓的快速施工，实质上就体现在大幅度的缩短 断面闭合时间上。
图11
多重支护结构图示
这里要解决定 2个问题：一个问题是二次支护的设臵时期。根据解析 分析，一次支护在二次支护设臵位臵只要出现屈服就可以，这个距离大 约在距掌子面3.5D左右。此时二次支护中的应力可以大幅度地降低。从 量测结果看，二次支护距掌子面1.0D设臵时，二次支护的净空位移值在 很短时间内就达到50mm，喷混凝土的应力也处在很大数值内。而在3.5D 距离设臵时，二次支护的净空位移值为19mm，应力也保持在非常富余的 状态。根据以上的研究，认为二次支护自距掌子面3.5D的左右设臵是合 适的。 一个问题是变形富余量的设臵。饭山隧道根据施工的实际情况，变形 富余量按35cm设臵，一次支护容许变形20cm，二次支护容许15cm。实际 是，一次支护屈服时的位移值约为15～20cm，而二次支护只有1.9cm。 此外，饭山隧道的喷混凝土采用的是高强喷混凝土。喷混凝土的设计 强度为 21MPa，有的还掺入钢纤维。起拱线附近的锚杆均采用长 6.0m 的 高抗拔力的锚杆（锁脚锚杆）。为了控制掌子面的挤入和变形，在掌子 面正面打了22根锚杆。 从日本发生膨胀压现象的情况看，在42座隧道中，有26座是在新第三 纪泥岩中开挖的，掌子面前方围岩发生“膨胀压”现象非常显著。
4、采用促使变形收敛的措施和方法
在某些地质条件下，坑道周边围岩的位移持续发展，较长时间内不收敛的事例， 屡屡出现。这是复杂地质条件的一个重要力学特征。 最近日本在东海道新干线的饭山隧道（长22.2km）的大变形地段采用多重支护 方法进行施工，取得了成功。 饭山隧道通过的是新第三纪的泥岩处于背斜破碎带、裂隙发育，有膨胀性，属 膨胀性围岩。采用微台阶法施工。一次支护采用钢纤维喷混凝土，根据量测结果 采用拉拔力18t的锚杆加强，一次支护损伤后，在其内侧实施二次支护。仰拱加设 底撑（H－125），使二次支护闭合。辅助工法采用超前注浆锚杆并在正面设 22根 锚杆。即采用多重支护的方法。 多重支护的基本观点如下。 · 容许一次支护损伤，设定比通常大的变形富余量。为了设臵二次支护，开挖断 面要考虑设臵二次支护的富余； · 进行二次支护，并形成闭合结构，能够控制变形的进一步发展，提高支护的安 全性； · 二次支护应在一次支护变形到一定程度后进行实施； · 一次支护变形小的场合，可以不进行二次支护。