隧道工程施工地表变形研究论文

2024-08-07

隧道工程施工地表变形研究论文（通用10篇）

篇1：隧道工程施工地表变形研究论文

隧道在施工过程中，将不可避免地会产生地表变形，当地表变形达到一定程度时，则会对地表既有建筑物产生一定程度的损害。因此，为了研究和掌握东海隧道施工引起的地表变形是否会对地表既有建筑物发生损害或发生损害程度，应对施工地表变形对既有建筑物安全性的影响进行科学分析和评价。本文以东海隧道为例，从建筑物沉降、倾斜、结构应力三个方面探讨隧道工程施工地表变形对既有建筑物影响。

1工程概况

东海隧道工程属典型的城市隧道工程，线路起点位于云山村北侧，下穿国公爷山，从黎明大学北侧操场、宝珊花园下穿过，通过宝秀小区，终点止于既有东海大街。项目全长约4.2km，其中隧道全长约2.2km，设计采用双洞方案，按双向四车道城市I级主干道标准进行建设，设计行车速度为60km/h。东海隧道作为一个典型的城市隧道工程，应具有城市隧道工程修建的共性要求，即与山岭隧道相比，城市隧道修建更要注重对周围环境的影响问题，也就是说周围环境将会对城市隧道修建起到一定程度的制约作用。

2既有建筑物影响对工程施工影响分析

在东海隧道工程修建过程中，主要存在着如下工程难点问题:隧道沿线地表既有建筑物分布密集，对施工引起的爆破振动、地表沉降等控制要求高，施工难度大。东海隧道沿线地表既有建筑物主要包括宝珊花园别墅区、宝秀小区、厂房及办公楼等，据现场实地调查统计结果可知，处于隧道施工影响范围内的主要既有建筑物数量多达29座，既有建筑物距隧道距离最小在10m以内，因此，隧道施工所引起的爆破振动、地表沉降等必将会对建筑物结构安全及其建筑物内人员的正常生活造成一定程度的影响，为确保建筑物结构安全，尽量减少对建筑物内人员正常生活的干扰，施工中必须对爆破振动、地表沉降等进行严格控制，从而增加了施工难度。

3建筑物结构安全地表变形控制指标

建立建筑物结构安全地表变形控制基准，其前提必须建立合适的地表变形控制指标。实际上，隧道施工引起的地表沉降和变形对建筑物的影响因素有很多。除地层特征以外，建筑物遭受损害的程度与建筑物的基础与结构型式、建筑物所处的位置，以及地表的变形性质和大小有关，若全部将其作为地表变形控制指标，现场操作十分不便，研究也不易实现。因此，研究中重点以地表变形中对建筑物损害程度最大的因素作为其变形控制指标。隧道开挖施工引起的对于地表以及建筑设施的损害可以分为直接开挖损害和间接开挖损害两种情况。位于主要影响范围内的对象(建筑物、管线、道路等)所受的损害称为直接开挖损害;但是在个别情况下，在主要影响范围以外比较远的地方，也可发现开挖影响的存在，这种影响也与隧道开挖施工有关，称为间接开挖损害，如开挖引起的大范围的地下水的变化对环境的影响等。因此，本文主要选用地表沉降损害、地表倾斜损害、结构应力三个控制指标。

4施工地表变形对既有建筑物结构安全影响数值模拟分析

为了进一步了解和掌握东海隧道整个施工过程引起的地表变形对既有建筑物结构安全性影响，采用数值模拟方法进行了细致研究和分析。计算过程中，以静力分析为主，未考虑爆破开挖的动力效应影响。

4.1建筑物沉降及倾斜计算结果及分析

为了掌握整个施工过程地表建筑物沉降及倾斜情况，计算中共选取了10个阶段工况进行详细说明。东海隧道施工引起的最大建筑物沉降值约为0.377mm，最大建筑物倾斜率约为0.0054×10－3，由东海隧道建筑物结构安全变形控制标准可知，上述数值均远小于相应控制标准值，说明施工地表变形不会对建筑物结构产生破坏，建筑物结构是安全的。

4.2建筑物结构应力计算结果及分析

为了掌握整个施工过程地表建筑物结构应力变化情况，计算中还对各施工阶段建筑物结构内力结果进行了分析和评价，将各计算工况结果进行汇总。

5小结

综上，本文以东海隧道为例，通过理论分析、数值模拟、现场实测等综合研究手段，确定了隧道地表建筑物结构安全控制标准，并给出了相应的建筑物结构安全控制措施，其成果可直接用于指导施工作业，有效地确保隧道地表建筑物结构安全，避免了工程经济赔偿纠纷现象发生。当然，由于能力有限，一些问题需要在以后的工作中深入完善。

篇2：隧道工程施工地表变形研究论文

摘要:研究目的:探明盾构隧道施工中各制约因素取值差异对地表沉隆变位分布规律的影响。

研究方法:本文以某拟建地铁城市区间盾构隧道试验段为研究对象,引入荷载释放系数和纵向等效刚度系数,采用三维有限元法对盾构隧道施工引起的地表横向沉降槽和纵向沉隆曲线进行了研究。

研究结果:揭示了围岩条件、隧道埋深和顶推力等因素变化对盾构隧道施工引起地表沉隆变位的影响,运用三维曲线探讨了盾构隧道施工过程中的地表沉隆变位曲线空间分布变化规律。

研究结论:围岩条件恶化、隧道埋深减小和顶推力增大都将导致施工引起地表沉隆变位影响的加剧,建议工程施工中采取调整顶推力等措施以降低施工对地表环境的影响。

关键词:盾构隧道;横向沉降槽;纵向沉隆曲线;三维有限元;顶推力

盾构隧道施工中盾构机每推进一环管片幅宽长度,毛洞即可在盾壳的支护下进行管片环拼装,并通过同步和壁后注浆向紧靠盾壳后部的开挖洞壁与脱离盾尾衬砌环间注入大量浆液,以防止由于周围土体向盾尾空隙移动而引起的较大地层扰动和地表沉降。

众多学者对盾构隧道施工引起地表沉隆变位分布变化规律进行研究并取得了大量成果。文献[1]采用现场监测和数值计算相结合的研究手段对广州地铁二号线区间隧道盾构法施工引起地表沉隆变位分布变化规律进行了总结分析;文献[2]结合上海地铁明珠线盾构隧道施工提出了地表沉降预测计算公式及参数确定方法;文献[3]在选用人工智能神经网络结构及相关预测模型基础上,对上海地铁明珠二期盾构隧道施工引起地表变形进行了小样本智能预测;文献[4]采用现场监测手段分析得出了掌子面与监测点距离对沉降量的影响规律,并对盾构顶推施工中的地表沉降进行了阶段划分。

现有研究成果主要是针对相关工程具体展开,缺乏对各影响因素的对比分析。因此,本文在盾构法施工隧道对围岩扰动影响基础上,结合装配式衬砌环向和纵向刚度等效特性,对围岩条件、隧道埋深和顶推力等因素影响下的地表沉降槽(带)空间分布变化规律进行了三维有限元数值模拟和定性分析,研究成果可供工程设计和施工参考。

1 工程概况

某拟建地铁城市二号线试验段区间盾构隧道位于南北向交主干道下方,地表线路两侧为1~4层砖混结构民房。区间隧道纵断面两端高中间低,线路全长1408m,间距13m,隧道结构拱顶埋深7.8~14m,位于上第四系更新统风积新黄土、第四系上更新统冲击层和中砂层,地下水位较低且对混凝土结构无腐蚀性。试验段区间隧道穿越地层在地下水位附近断续分布5m厚的软化层,地层处于硬塑一软塑状态,地下水位以上土层具有湿陷性,隧道围岩分级为Ⅵ级、局部Ⅴ级。试验段区间盾构隧道穿越地层地质条件围岩相关物理力学参数如表1所示。

试验段区间盾构隧道衬砌环采用C50预制钢筋混凝土管片,管片环外直径6m,内直径5.40m,管片厚0.30m,标准管片幅宽1.50m。整环采用“1+2+3”模式(即1个封顶块,2个邻接块和3个标准块)构筑而成。

2 计算模型及施工模拟

2.1 计算模型

计算采用三维有限元法进行,计算模型如图1(a)所示。为缩短计算时间,消除边界效应并满足较高计算精度要求,模型长48m,宽60m,高36m,单次循环进尺3m,共完成16组(原型32环)管片拼装施工,已拼装完成管片环、注浆层和盾构机如图1(b)所示。

计算围岩土体采用实体单元模拟,本构关系符合摩尔-库仑准则,相关材料参数如表1所示。盾构隧道是由若干环向和纵向接头连接而成的复杂带状空间体,计算中衬砌管片环、壁后注浆层及盾构机头均采用实体单元进行模拟,其中由文献[5]取管片环环向刚度折减系数0.7,由文献[6]取管片环纵向等效刚度折减系数0.01,泊松比和容重不折减,计算选用各结构材料参数如表2所示。由文献[7]取隧道施工引起围岩荷载释放系数0.25。

2.2 施工过程模拟

计算采用生死单元法[8]进行盾构隧道开挖过程的模拟,即通过单元的“杀死”来模拟隧道核心土体的开挖,通过单元的“激活”来模拟盾构隧道盾尾注浆和管片支护的形成。

根据盾构隧道施工特点,采用三维有限元模拟隧道的施工全过程主要包括如下几个步骤:(1)求解土体初始应力场,明确各单元的初始应力状态;(2)“杀死”单元,模拟核心土体开挖,形成洞周径向荷载释放;(3)“激活”单元,模拟管片环拼装和注浆层的形成;(4)循环进行,直至整条隧道贯通。

3 成果与分析

3.1 横向沉降槽

计算得盾构隧道分别完成第4环、第8环、第12环管片拼装和全隧道贯通后,不同围岩条件和隧道埋深下,顶推力改变所引起的目标断面1和目标断面2的地表横向沉降槽分布变化规律分别如图2和图3所示。

对比分析图2和图3可以看出:盾构机到达前,受刀盘顶推力对前方土体的挤压效应影响,掌子面前方一定距离处地表形成隆起;盾构机通过时,受脱离盾壳管片环和土壁间隙引起地层应力损失影响,地表形成较大沉降量且该沉降速率较大,同时隧道两侧土体向隧道中线移动,施工影响范围扩大,地表形成较大横向沉降槽;随着掌子面的逐渐远离,施工对地表沉隆变位的影响逐渐减小,地表横向沉降槽渐趋稳定且不再变化。

盾构隧道施工过程中,围岩条件、隧道埋深和顶推力等因素差异都在较大程度上制约着地表横向沉降槽的变化和沉降量的增加。以目标断面1地表横向沉降槽为例对各影响因素作用下的地表沉降量进行分析,计算得Ⅴ类围岩、2D埋深和0.3MPa顶推力作用下掌子面下穿目标面时的地表沉降量为0.62cm,约占隧道贯通后总沉降量的40%;围岩条件减弱,Ⅵ类围岩地表沉降量为0.57cm,约占隧道贯通后总沉降量的20%;埋深减小,1D埋深地表最大沉降量为0.39cm,约占隧道贯通后总沉降量的27%;顶推力增大,0.40MPa顶推力引起的地表沉降量为0.57cm,约占隧道贯通后总沉降量的40%。由此可以看出,修建盾构隧道所引起的地表沉降量更多地产生于施工后期,即长期固结期,而受施工阶段盾尾孔隙、壁后注浆和施工围岩扰动等影响相对较小。

3.2 纵向沉隆曲线

点绘计算所得各影响因素作用下,盾构隧道分别完成第4环、第8环、第12环管片拼装和全隧道贯通时的`隧道纵轴线正上方地表纵向沉隆变位分布曲线如图4所示。由图中可以看出,受顶推力等因素影响,掌子面前方一定距离处地表形成隆起,随后逐渐下沉,但下沉趋势不断减缓并最终趋于稳定。分析计算数据可以看出,Ⅴ类围岩、2D埋深和0.3MPa顶推力作用引起前方地表最大隆起点距掌子面约15m,围岩条件减弱,Ⅵ类围岩中该距离约为13.5m;隧道埋深减小,1D埋深下该距离约为6m;顶推力增加对地表最大隆起量出现位置几乎没有影响,由此可以看出,该隆起点位置受掌子面顶推力影响较小,而隧道埋深和围岩条件差异是制约地表纵向沉隆曲线变化规律的关键因素,而其中又以隧道埋深的影响最大,如当埋深由2D减小为1D后,该最大隆起量出现位置可缩短约40%。

由各影响因素作用下地表纵向沉隆曲线随施工进程的分布变化规律可以看出,隧道所处围岩条件、埋深和顶推力等因素均将在较大程度上影响和制约着地表沉隆曲线的变化规律。围岩状况恶化或隧道埋深的减小都将引起隧道纵轴线正上方地表沉隆变化区域及变位量的显著增加;顶推力降低,隧道施工对地表的影响相应削弱。

3.3 沉隆变位分布

由计算所得地表横向沉降槽和纵向沉隆曲线,点绘Ⅴ类围岩、2D埋深、0.3MPa顶推力作用下盾构隧道分别完成第8环管片拼装和隧道全长贯通后的地表沉隆变位三维分布曲线如图5所示。由图中可以看出,盾构隧道顶推施工将引起掌子面后方地表形成较大沉降量,受沉降围岩带动影响,两侧围岩拥向隧道中轴线,从而形成沉降槽。受顶推力影响,掌子面前方围岩产生向上、向前移动趋势,从而形成地表隆起,远侧围岩受隧道施工影响较小,地表沉隆变位不明显。隧道贯通后,地表形成沿纵轴线对称沉降槽,受围岩次固结效应影响,早期施工完成管片环上方形成较大沉降量。

4 结论与建议

结合广州地铁三号线大-沥区间盾构隧道施工,采用三维有限元法对隧道施工过程中的地表沉隆变位分布变化规律进行了深入研究和定性分析,揭示和探讨了围岩条件、隧道埋深、顶推力等因素变化引起的地表沉隆变位差异,通过本文研究可得出如下结论:

(1)盾构隧道施工地层应力损失导致后方及掌子面附近地表横向形成类似于Peck沉降曲线的单一沉降槽,刀盘顶推力挤压效应引起前方地表横向隆起。地表沉降量主要产生于施工后期的长期固结期而受施工期影响相对较小。

(2)施工地层应力损失、后期固结沉降和掌子面顶推力导致地表纵向呈前隆后沉趋势变化。掌子面前方最大隆起点出现位置受隧道埋深影响较大,而隆起量则受围岩条件影响较大。

(3)分析不同影响因素作用下的地表沉隆变位分布变化规律可知,围岩条件恶化、隧道埋深减小和顶推力的增大都将导致施工对地表影响的增加,工程设计中应在结合围岩差异基础上适当调整隧道埋深,并在施工中适时调整顶推力以降低施工对地表环境的影响。

参考文献:

[1]刘招伟,王梦恕,董新平.地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析[J].岩石力学与工程学报,(8):1297-1301.

[2]沈培良,张海波,殷宗泽.上海地区地铁隧道盾构施工地表沉降分析[J].河海大学学报(自然科学版),2003(5):556-559.

[3]安红刚,孙钧,胡向东,等.盾构法隧道施工地表变形的小样本智能预测[J].成都理工大学学报(自然科学版),(4):362-367.

[4]高俊强,胡灿.盾构推进和地表沉降的变化关系探讨[J].南京工业大学学报.2005(4):44-48.

[5]道t合技g研究所.道造物等O省ね解h(シル?ドトンネル)[M].丸善株式会社,.

[6]曾东洋.盾构隧道衬砌结构力学行为及施工对环境的影响研究[D].成都:西南交通大学,2005.

[7]松井春.都市トンネルのH(合理的なO?施工法をめさし)[M].鹿岛出版社,.

篇3：隧道工程施工地表变形研究论文

1工程概况

青岛某待建的区间隧道下穿既有区间隧道, 待建的隧道直径为6.5m, 已有隧道直径为6.2m。上部区间隧道顶板距离地面30m, 底板埋深36.2m。地质条件复杂, 在计算范围内, 地层由上到下依次为粘性土、强风化花岗岩、中风化花岗岩、微风化花岗岩。上下线隧道两者的二衬的最小净距为750mm~850mm, 相应的初期支护净距为220mm~270mm。待建的区间隧道支护方式及支护参数为:在隧道掌子面位置上部布设超前管棚;在拱顶处打设长度3m, 间排距为1.0m×1.0m梅花形布置的注浆锚杆;在拱肩位置打设长度为2.5m, 间排距为1.2m×1.2m梅花形布置的注浆锚杆;初期支护混凝土平均厚度为200mm, 二衬厚度按设计定为800mm。

2数值模型分析

(1) 模型建立。为了全面分析隧道开挖对围岩及上部结构造成的扰动, 应将隧道开挖可能对围岩造成影响范围之内的围岩全部计算在内[4,5]。建立三维数值模型尺寸为:长×宽×高=80m×50m×60m, 并将地层按照地质勘查资料概化为四层, 材料破坏准侧服从摩尔库伦破坏准侧。模型上部为自由边界, 四周为限制水平移动的链杆约束, 下部为全面限制位移的固定端。数值模型如图1所示。

(2) 施工模拟。按照原设计施工方案, 同时施工下部左右两线隧道, 在模拟中以开挖0.5m为循环进尺。具体的施工顺序为:左右两线隧道同时施工超前管棚→左右两线开挖0.5m→喷射混凝土→打设锚杆→再开挖0.5m→喷射混凝护→打设锚杆。开挖支护6m之后, 左右隧道同时施做6m二衬, 然后循环以上步骤, 直至穿越既有隧道。

(3) 模拟结果分析。图2为双线区间隧道施工完成后的竖向位移云图, 由云图可以读出:下部区间隧道最大沉降值为-10.0mm, 发生在隧道的拱顶位置, 并且在隧道的拱肩位置, 沉降开始发生改变。在拱肩的上部, 隧道围岩发生下沉, 而在拱肩的下部范围, 围岩出现底鼓。因隧道开挖引起的沉降扩展至地表, 沉降值为-4mm, 并且沉降扩展宽度较大, 地表沉降槽达到了40mm。而隧道底板围岩由于岩体的受力状态由稳定的三向受力状态变为危险的双向受力状态, 底板易出现底鼓, 其低底鼓量为3mm。由云图可以看出, 上部已有隧道的沉降规律与下部隧道的沉降规律不相同。已有的隧道上部地表的沉降值大小为-3mm, 沉降槽宽度为35mm, 相比下部隧道开挖对地表的沉降影响较小, 说明已建立的隧道对地层有一定的加固作用。并且在上部隧道的底板位置处, 围岩未出现底鼓, 而是下沉, 其下沉趋势同下部隧道拱顶的沉降相一致。将四条区间隧道的二衬结构单独拿出并分析结构的竖向位移变化, 发现在两条隧道交叠的位置、隧道两端处结构位移沉降值最大。隧道两端由于边界效应导致沉降较大, 可以忽略不计, 主要是在交叠区, 隧道沉降都较大。说明下部隧道开挖对上部结构扰动较为明显, 但上部隧道结构的沉降值较下部隧道拱顶沉降值较小, 说明上部隧道结构的加固作用起到效果。

3加固措施改进及效果分析

(1) 支护参数改进。由隧道围岩及隧道二衬结构的位移变化规律, 为了更好地控制围岩的沉降, 将原来的支护参数进行了改变。减小拱顶处的超前注浆小导管的间距, 由原来的0.5m减少至0.3m;拱顶处的注浆锚杆间排距由1.0m×1.0m调整为0.8m×0.8m, 两肩位置处的锚杆间距减少至1.0m×1.0m。并将初喷混凝土和二衬混凝土的标号各提高一个等级。

(2) 支护方案效果分析。将改变后的隧道支护参数重新运用于数值模拟中, 导出围压的塑性区云图 (图3) , 可知, 塑性区范围均小于支护锚杆的长度, 下部隧道拱顶处塑性区扩展深度较大, 而两边塑性区扩展深度较小, 底板塑性区范围也较小, 说明改进后的支护方案能较好的控制围岩塑性区。

在隧道的拱顶及拱肩位置处布设位移沉降监测点, 在模拟中记录两处位置的沉降变化。最终, 优化后的拱顶沉降比原来减少了3.8mm, 同时拱肩沉降量比原来减少了1.8mm。支护措施的效果由关键位置的沉降变化量便可以反映出, 因此, 改进后的支护参数能保证隧道施工的安全。

4结束语

针对青岛某双线区间隧道下穿既有双线区间隧道的实例, 利用数值模拟的手段分析了隧道隧道开挖对围岩及二衬沉降的影响, 并以此提出了改进措施, 从塑性区分布和关键位置沉降变化量上验证了改进措施的有效性, 指导了现场施工。

参考文献

[1]张海波, 殷宗泽, 朱俊高.近距离叠交隧道后构施工对老隧道影响的数值模拟[J].岩土力学, 2005, 26 (2) :282-286.

[2]陶连金, 唐四海, 金亮.隧道上穿已建车站结构的变形预测及安个评估[J].地下空间与工程学报, 2008, 4 (3) :442-447.

[3]沈培良, 张海波, 殷宗泽.相邻隧道长距离叠交施工的数值模拟[J].西部探矿工程, 2003 (11) :93-95.

[4]王丹, 张海波, 王渭明, 等.拱盖法地铁车站施工沉降规律及控制对策研究[J].隧道建设, 2015 (01) :33-40.

篇4：隧道工程施工地表变形研究论文

摘要：本文介绍了威鲁公路一标段阿依隧道洞口段施工过程中出现的各种病害，并分析其成因，介绍了病害处理的具体工程措施和施工方法，总结了浅埋、偏压、软弱围岩地质段隧道进洞方案和综合治理措施，有效保证了隧道施工顺利进洞。

关键词：隧道；洞口；开裂；变形；治理；措施

一、概述

阿依隧道为兴义市威舍至鲁屯一级煤炭专用公路第1合同段的重要工程，为单向2车道的一级公路隧道，隧道左幅长445m，隧道右幅长629m，隧道最大埋深94.9m。隧道区上覆第四系残坡积层（Q4el+dl），下伏下三叠统飞仙关组（T1f）泥岩、泥质粉砂岩及中三叠统关岭组（T2g2）灰岩、泥灰岩，第四系残坡积层在隧道进出口、洞身沟谷及缓坡地带有分布，厚薄不均，在沟谷中稍厚，多数陡坎斜坡段基岩裸露。泥岩、泥质粉砂岩强风化较厚，岩体节理裂隙极发育，岩体极破碎，灰岩强风化较薄；中风化泥岩、泥质粉砂岩节理裂隙较发育，岩体较破碎至较完整，多数为Ⅳ～Ⅴ级围岩。地下水以孔隙水、裂隙水为主，主要由大气降水补给。地表渗水严重，属浅埋软岩隧道，且有明显偏压。

隧道出口采用上半断面开挖进洞，开挖后即架设钢拱架和进行钢筋网喷射混凝土支护，进尺达10m后，因边坡、仰坡、以及地表大面积开裂，且有滑塌倾向，初支拱顶发生不正常下沉，一天的下沉量达到2cm，拱顶最大沉降量达20cm，部分开裂，已侵入二衬空间。拱顶发生小坍方，掘进困难，造成进洞受挫。

二、病害原因分析

经现场实地考察后，对原有的勘察、设计文件进行了复查和原因分析。

1.从设计资料方面分析

（1）设计资料不准。鉴于目前勘察设计手段的局限性，设计对工程地质、水文地质资料提供不准，为此设计采用的支护参数和衬砌类型不符合隧道开挖后实际的围岩情况。

（2）隧道进出口段为浅埋隧道，对相同围岩级别显然浅埋隧道要比非浅埋隧道围岩压力要大；隧道出口端仰坡岩土体为一陡坡，隧道轴线与坡面斜交进入，坡面与洞门非对称，属坡面斜交型，存在一定程度的偏压。

2.从施工方面分析

（1）施工方法不当。施工方法针对围岩情况的变化缺乏灵活应变性，各工序间距安排欠妥当，一次开挖量过大，支护不及时或支护强度不够等而引起围岩的坍塌；施工单位放大炮开挖，对于软质岩应遵循“强支护、短进尺，弱爆破”原则，对于浅埋软质岩隧道更应禁止爆破。

（2）边、仰坡开挖后暴露时间过长，未采取措施对仰坡进行处理，是导致失稳的原因之一。排水沟、截水沟未按设计图的要求施工，距离隧道洞口太近，且施工质量太差，起不到隔水、截水作用。仰坡开挖后未及时打设锚杆和喷射混凝土进行封闭加固，洞口未做加固就开挖进洞，从而造成坍塌。

（3）开挖时未进行地质和支护的观察量测工作。对围岩节理裂隙发育性状了解不足，施工方法和手段缺乏针对性。对已施工的钢拱网喷支护，缺乏观测数据，不能在失稳前先行察觉并采取相应措施。

3.其它方面原因分析

（1）进口段从开挖的掌子面看到，在拱脚以上为厚层强风化泥岩，节理裂隙发育，厚层泥岩被切割成块状，岩层倾向线路右侧（向山里），进洞施工的过程中，破碎岩层受扰动，加之地下水的影响及对边坡约束措施不足等，导致了隧道边坡坍方；开挖后应力释放，发生较大膨胀压力使坑道变形，围岩坍塌；因围岩压力过大，拱脚承载力不足，两侧土体被挤压内涌，并沿线路轴向推挤移动，引发过大变形而侵入限界，并导致大范围牵连性坍塌和地表下陷。

（2）隧道衬砌：从现场调查和地质钻孔勘探取样分析来看，隧道病害段并不存在影响隧道安全的深层滑坡，衬砌开裂的主要原因是：因隧道洞身处于软基之上，岩层为泥岩，作为V级围岩的泥岩属软质岩类，遇水极易软化，强度低，在地下水的作用下，其本身就具有流滑性，且受扰动后，自稳能力差使围岩压力增大，施工中围岩长时间产生缓慢的塑性变形，向洞内挤压，破坏支护和衬砌。

（3）地面裂缝：隧道出口较大范围内潜伏着较深上层滞水，由于浸泡变形，使土的强度降低，造成斜坡失稳；同时因隧道开挖后围岩应力调整的影响，上覆土体自下而上产生松弛，并牵动上部曾遭受浅滑层扰动的土体，导致了地面裂缝的产生。因初期支护不力、不及时，衬砌未紧跟，由于隧道施工爆破的震动，使挤压破碎带的松散岩体的缝隙和空隙不断震动挤密，引起体积的调整，形成差异变形，地表出现裂缝，雨水补给渗入和地下水从隧道中的渗出，加剧了此种变形。

三、主要治理措施

1.洞口段的处理

（1）地表沉陷和裂缝用不透水土夯填密实，并重新施工截水沟，防止地表水渗入洞身段。地表采用地面灌浆锚杆，锚杆采用3根φ25的焊接钢筋束，纵、横间距1.5m×1.5m梅花形布置，锚杆尾部用φ25钢筋焊接，并用砂浆保护，隧道右侧山体方向布置5排。

（2）平衡压重止偏

隧道出口冲沟较深，隧道位于半坡上，右覆盖层薄，偏压明显。为防止隧道结构的剪切破坏，采取了填土压重的防偏措施。填土厚距拱顶2.1m，填土范围为距隧道中线28m以内，下侧设墙收缩坡角，回填材料为隧道弃渣。洞身衬砌为混凝土复合衬砌，二衬不等厚布置，左侧边墙厚80cm，右侧边墙厚60cm。

（3）洞口段施作臨时仰拱，临时仰拱由I18工字钢和30cm厚C20混凝土组成，I18工字钢与初期支护钢拱架逐一对应，并加钢板楔紧焊接。临时仰拱基础应做处理（如清除表层泥土，进行碎石换填），确保在稳定地基上。临时仰拱施工时应边施作边拆除竖直支撑。对初期支护扭曲变形、表面存在裂缝的部分应同时在初期支护表面增设环向临时支撑（纵向间距70cm），与初期支护钢拱架间隔设置，并设置纵向连接筋。环向临时支撑拱脚处用纵向支撑与临时仰拱焊接起来。

（4）初期支护外背拱：背拱采用I18钢拱架，钢拱架纵向间距为50cm，纵向加设连接筋，确保钢拱架纵向稳定。每片工字钢接头处必须栓接后焊接牢靠并增加锁脚导管，钢拱架与初期支护之间如有空隙用楔块楔紧。对已开挖段落，采用长4.5mφ50的注浆钢花管进行洞内环向注浆加固，间距100cm×100cm。环向注浆钢花管在拱脚处向下斜打。落底时，侧墙处亦进行环向注浆。环向注浆顺序，按先拱脚，后拱顶，由下而上对称进行。

（5）注浆完成后待收敛稳定以后，进行下导坑开挖（每循环以5m为宜），并用工字钢将仰拱初期支护封闭成环（与初支钢拱对应，换拱段在变形拱圈钢拱位置，仰拱预埋双拼钢拱，与换拱拱圈的新架双拼钢拱对应），浇筑仰拱进行仰拱充填，拆除临时仰拱，按该步骤直至仰拱施作完毕。未施做临时仰拱段下半断面落底时，采取拉中槽跳马口的施工方法，每次最大错开3m左右，杜绝单侧落底。下半断面落底、仰拱封闭成环后，应根据监控量测结果及时浇筑暗洞二次衬砌。

2.进洞方案

篇5：隧道工程施工地表变形研究论文

盾构隧道施工引起地表沉降的预测与控制

通过研究盾构施工引起地层移动及地表沉降的原因与机理,对施工过程中的地表变形量进行预测和数值模拟计算,并据此在设计与施工中根据现场特殊的.施工工况和周边环境条件,制定和采取有针对性的沉降控制措施.

作者：江华陈建康李四强李国梁孙立柱曹伟达 Jiang Hua Chen Jiankang Li Siqiang Li Guoliang Sun Lizhu Cao Weida 作者单位：中国矿业大学(北京)岩土所,北京,100083刊名：市政技术英文刊名：MUNICIPAL ENGINEERING TECHNOLOGY年，卷(期)：27(2)分类号：U456.31关键词：盾构隧道地表沉降预测控制

篇6：官山隧道变形段换拱施工步骤

从4月8日洞内发生沉降变形后，指挥部即安排作业队开始洞内支撑加固及注浆处理。至4月30日止，已完成上述措施，经业主·设计·监理四方纪要要求： DK491+469-DK491+527段采用地表注浆处理。准备进行下一步的换拱工作。

隧道内初支支护拱架的拆换工作是一项复杂的工作，也是一项具有高度危险性的工作。为了使这项工作具有可操作性，具备风险可控制性。现将施工过程分解为如下几个步骤：

一． DK491+495-DK491+505段换拱

A．操作方法

1．此段换拱的目的是在此处做管棚工作室，和二衬台车的拼装空间。

2．由于下台阶二衬厚度仍能满足要求，所以下台阶不需换拱。新换的拱架与原有的下台阶拱架相连接。新拱架按原设计尺寸加工，长度不够的部分采用同弧度拱架连接，现场加工连接钢板，必须与原下台阶连接牢固。小段的拱架需左右交错布置。

3．此段已完成仰拱施工，仰拱填充面距拱顶高度为11.3米。为了使中，上台阶的换拱方便施工，需要垫碴至中台阶中部，垫碴高度为5米。中台阶右线侧需要换拱的部位留成斜坡。然后在碴面上搭高脚手架，工人在脚手架上进行操作。B．步骤

1．在DK491+505-DK491+490段先架立临时套拱，套拱与初支间用木楔塞紧。纵向连接筋采用Φ25钢筋，间距1米。临时套拱的设置位置为老拱架的空隙中间。这样既能降低换拱风险，又能方便施工。

2．在DK491+506.5处向小里程方向打设超前小导管，进行注浆。

3．在DK491+505处凿出两榀钢拱架，先不破坏原钢架。将两榀钢架中间的喷砼破开。向上扩挖至设计开挖线位置再向上抬高30厘米。架立两榀新拱架。这两架拱架下面是没有下台阶拱架的，所以要对其拱脚进行加强锚固处理。方法为：在中台阶拱脚处两侧各打设4根5米长小导管，在小导管上垫一块16mm的钢板，然后将钢拱架放置在钢板上。立好钢架后，再向小里程方向打超前小导管，然后挂网喷砼。4．拆除DK491+505小里程方向变形钢架，再向小里程方向破除一格喷砼。然后扩挖、立架、喷砼依次向前推进至DK491+503。

5．DK491+505-DK491+499段6米为长管棚操作空间，需对此段断面尺寸加大30厘米。

6．在DK491+499-DK491+497段施作2米管棚导向墙。安装管棚导向钢管。7．在DK491+497-DK491+457段打设40米长108管棚。二． DK491+474-DK491+495段换拱

1． DK491+493-DK491+495段已施工下台阶，按前述方法进行换拱。

2． DK491+493-DK491+483段还未施工下台阶，按三台阶七步法进行换拱操作。3．在DK491+483-DK491+477段6米施作管棚工作室。此段还未施工中台阶，按三台阶七步法进行换拱操作。

4．在DK491+477-DK491+475段施作2米管棚导向墙。打设DK491+477-DK491+437段40米长管棚。在打设此处长管棚期间可进行二衬台车的拼装工作。5．进行完DK491+475-DK491+474段换拱后，可按正常工序向前掘进。三． DK491+505-DK491+527段换拱

篇7：隧道工程施工地表变形研究论文

席亚滨

软弱围岩是指饱和抗压极限强度在30MP以下、岩体完整性系数在0.4以下的围岩，其工程性质主要表现在围岩自稳性差、节理发育、岩石风化严重。通常情况下，我们把以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主的隧道都称之为软弱围岩隧道。软弱围岩隧道施工面临的风险大于一般隧道，普遍存在初期支护变形、破坏、侵限换拱；结构下沉，喷射砼开裂掉块剥落；突水涌泥、塌方，甚至是二衬破坏等现象，其出现的频次和产生的破坏力大小与地质本身、施工能力和技术管理水平的高低等都有很大的关系。

在对软弱围岩隧道施工的时候，首先在要树立一个全新的思想观念，更要树立一个坚强的信心。另外，在在项目最艰难的时候体现技术管理的龙头作用，项目管理人员要做到思路清晰，以身作则，保持整个团队的团结协作。一个项目团队，如果长期牢固树立好这些思想观念的话，这个项目就至少成功了一半。当然，在实际的工作面前，我们更要讲究科学的方法。

应遵循的原则

软弱围岩隧道施工中，我们要解决的核心问题就是控制变形。面对频繁的变形开裂和由此导致的诸多问题，我们所有的努力都是为了实现一个目标，就是通过采取一定的初期支护补强措施和加强施工现场过程控制，将拱部的下沉和周边的收敛控制在一定范围内，确保每月最大有效施工天数，严防一切形式的变形开裂导致的换拱，杜绝塌方，确保施工安全；为此，我们在施工过程中必须要有一个很大的责任心。

责任心是战胜软弱围岩隧道施工各种困难的法宝。各层次领导，任何一个部门，每一个参建人员都应立足本职工作，建立坚强责任心，才能应对好各种困难，才能解决好现场的各种问题。当然，除一个责任心外，在软弱围岩隧道施工过程中我们应该在技术上把握三个基本原则。

原则一：方案不失误

我们在软弱围岩隧道施工中，应在不同阶段根据不同的材料编制施工方案，施工前，我们可按照设计或业主提供的“风险评估报告”和相关设计文件编制专项的施工方案，该方案应具备一定的指导性；施工过程中通过超前地质预报成果和日常技术工作积累的一线资料，及时对“风险评估报告”进行细化和调整完善，同时根据其制定更为细化的施工方案，方案中的措施应满足施工现场的需要，必须具备很强的可操作性并及时传达给现场，必要时做相关的专题讲座，让方案深入人心；

解决软弱围岩隧道变形开裂控制问题，不能仅仅依靠技术手段，施工现场的严密组织和强有力的管理至关重要，只有平行解决才能从根本上起到作用。施工方案一旦确定，必须严格执行到位；实施过程务必规范、步步到位。

原则二：工序不失衡

在项目管理上，均衡是一个重要理念，在软弱围岩隧道施工过程中，不可控的因素有很多，例如地质变化快、局部失稳滑塌、突水涌泥等情况；掘进与仰拱和二衬要均衡，上、中、下三个台阶的施工要始终保持均衡；能力和目标要均衡（这主要体现在掘进进尺和仰拱开挖长度的控制上，你没有配套的人员和设备，你就不能随意加大工序循环进尺，这一点是需要特别注意的）；时间和空间要均衡（要发挥人员和设备最大潜力，施工组织十分重要，什么工序能平衡、什么工序必须独立作业等等），一旦失衡就会带来危险的后果，隧道施工上台阶过快会导致台阶长度加大，安全问题自然突出；我们在老东山隧道施工时，统计的大量循环时间记录表就反映出单循环使用时间量的差异很大，下一步施工中，我们将继续做好单循环作业时间记录并进行认真细致的分析，及时提出问题所在，下力度解决这个时间差异。

原则三：围岩量测不造假所有隧道的塌方，都是一个由量变到质变的发展过程，量测是指导施工的“眼睛”，通过掌握拱顶下沉及周边收敛的规律，发现异常立即采取加固措施，根据量测数据分析成果及时调整预留沉落量对于控制隧道初支变形开裂是非常有效的。我们要求各个隧道工区都要做好四个方面的工作；首先是严格按照规范要求，在开挖后及时预埋围岩量测点并获得初始读数，困难地段及时增加测点密度，加大观测频率并将获得的数据及时添加到“变形时态变化散点图”中，据以及时考察变形发展动态，修正回归系数；其次是不断对两图进行回归分析，并根据两图发展趋势，预测可能出现的最大值和变形速率；三是根据变形最大值和变形速率预报围岩稳定性和安全性并对其做出具体的规定，以便及时采取措施加强支护措施；四是建立“零”报告制度和实行严格的奖罚考核制度；最终实现量测工作全面、及时、准确和真实有效，确保施工安全。

应注意的几个问题

在软弱围岩隧道施工过程当中，以下几个问题是我们必须特别注意的：

由于软弱围岩地质较为复杂、变化频繁，要成功的渡过软弱围岩的前提就是地质工作，只有做好地质工作，掌握准确的地质情况，才能正确选择好施工方案；

“心之官则思”。要善于观察并思考问题，“针尖大的窟窿能透过斗大的风”。在软弱围岩隧道施工中，地质一旦变化或有水的影响就该敏锐的感觉到它的严重性并迅速采取措施，不能熟视无睹、若置罔闻，要坚定不移地把施工安全放在压倒一切的突出位置；

施工过程中，应严格按照“重地质、管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测、速反馈”的二十四字方针组织施工，它是软弱围岩隧道施工成败的关键；

对于支护系统，应严格控制好拱架的纵向间距，加强钢架的纵向连接；按要求做好超前支护和锁脚锚杆（管），结合实际揭示围岩的岩层产状确定锁脚锚杆（管）的角度，同时提高安装焊接的质量。喷射砼时要控制好喷射距离和角度，严防出现空洞；总之要确保支护系统的有效性；

无论采用哪种施工方法，软弱围岩施工应严格控制好施工步距，仰拱施工必须先行，要确保二衬紧跟掌子面施工，安全距离任何时候不能超标；

高度重视水对软弱围岩隧道施工的影响；在做好超前探孔排水的同时，对初期支护表面潮湿段落应及时埋设Φ42小导管作为排水管，以便及时将地下渗水集中排出。

需要继续研究的问题

对于软弱围岩隧道施工面临的变形开裂问题，我们未来还会遇到很多，情况可能会更加复杂和多变。如，钢支撑对于抵御变形开裂有多大的作用，占的比例有多少？如何有效提高支护体系的整体性？如何提高支护体系中锁脚施工的质量？超前支护对控制拱部下沉有多大作用？每一种支护措施分别在控制变形开裂中起什么作用？喷射砼的工艺调整在抵御变形开裂问题上能起到什么样的作用？注浆在以泥岩和砂岩为主的隧道施工中，对于抵御变形开裂有多大的作用吗？通过研究各种变形量测的数据，可推测出变形开裂在某时刻可能达到的数值，于是引出了时间差，如何在施工中利用好这个时间差？对于扩大拱脚的实施在控制变形开裂中是否有效，其操作的可行性如何进一步的优化？预留沉落量在控制变形开裂中的作用及所占的比例？如何实现软弱围岩隧道施工的快速施工？

这些问题是要求我们需要在后续的施工过程中不断的加强研究。可以说，不同的时空条件、不同的外部环境、不同的生产要素、不同的管理能力，所采取的方法都有所不同；在软弱围岩隧道施工的过程中，我们无法完全遏制变形开裂，但要确保其受控、不换拱；我们无法完全的避免塌方，但能够防止出现人员伤亡。所以说，对于软弱围岩隧道施工，我们施工单位需要投入更多的心力，仔细研究，确保软弱围岩隧道施工的安全进行。

篇8：隧道工程施工地表变形研究论文

某铁路单洞双线隧道, 设计时速120km/h, 出口端与高速公路相交, 相交长度约为100m, 夹角约为40度。该段采用双侧壁导坑法施工, 埋深约5~12m, 其中高速公路路面至隧道拱顶的埋深为12m。

下穿段隧道施工对高速公路路面平整度存在影响, 开挖可能会引起地表差异沉降进而影响行车安全。为了查明下穿施工过程地表沉降影响范围及程度, 验证施工方案的可行性而进行评估分析。本文充分借鉴已有的关于隧道下穿地表构造物的工程经验, 采用计算分析为主, 经验公式预测为辅的方法对铁路隧道下穿高速公路施工方案进行安全评估。首先采用地层-结构法模拟分析下穿段施工, 得出隧道地表沉降量值及分布特征。然后采用Peck经验公式, 以解析方法预测隧道下穿施工造成地表沉降的范围及程度。最后依据计算结果和解析分析结果, 得出下穿段隧道施工方案安全性评估结论, 提出建议措施和下一步工作注意事项。

2 下穿段施工地表沉降计算分析

2.1 数值模拟计算结果

计算应用平面弹塑性有限差分方法, 围岩采用摩尔-库仑弹塑性模型, 初期支护、二次支护、二次衬砌采用弹性模型。模型尺寸:左右两边及隧道底部到边界取3倍洞径, 顶部按隧道实际埋深取值。在模型的左、右边界约束水平方向位移, 下边界约束竖直方向位移, 上边界为自由地表面。

计算参数主要参考《铁路隧道设计规范》 (TB10003-2005) , 取V级围岩下限建议值选择取。

隧道下穿段埋深范围为5~12m, 高速公路路面至拱顶为12m, 为进一步对比分析不同埋深地表沉降, 分别取埋深12m、8.5m、5m三种计算工况。隧道开挖引起洞壁围岩应力释放和位移变化, 进而引起地层变形, 延伸至地表后, 形成地表沉降。伴随着施工工序的改变和推进, 地层内部变形也发生相应变化。随着开挖面的不断增大, 地层沉降的范围也不断增大, 并最终形成左右基本对称的沉降云图。12m埋深情况下, 各施工步隧道上方地表沉降曲线如图1。

3.2 Peck法经验公式沉降计算结果

地表沉降横向分布规律可采用Peck经验公式:

式中:S (x) ———距隧道中线x处的沉降值 (mm) ;Smax———隧道中线处最大沉降值;V1———地下工程单位长度地层损失 (m3/m) ;i———沉降曲线变曲点;H———隧道埋深。取地层损失率i=6.9%, 计算得出埋深12m、8.5m、5m地表最大沉降, 同时由Peck公式得出地表沉降分布曲线。埋深12m、8.5m、5m, 数值计算和Peck公式所得地表沉降分布曲线如图2所示。

以上图表中可以看出, 总体上Peck法计算得到的地表沉降量值小于数值计算结果, Peck法得到的沉降影响区域较小。地表沉降最大值随埋深加而增加, 符合超浅埋隧道围岩压力与变形的一般规律, 两种方法所得曲线分布较为一致, 曲线形状相似, 基本呈高斯正态分布, 量值上差距约为5%~30%, 两种方法预测地表沉降结果均小于控制标准。

4 结论

1) 根据相关规范拟定了地表变形控制标准, 采用数值计算及经验公式预测相结合的方法进行评估分析, 结果有较好的对比印证性。2) 根据数值计算及Peck经验公式计算结果:下穿段施工引起高速公路路面沉降的最大值为、路面横坡增量、纵向倾斜度均满足高速公路路面平顺性的控制标准;埋深8.5m、5m, 下穿施工引起地表沉降的最大值均小于沉降控制标准。3) 下穿施工方案提供了足够的支护刚度, 地表受开挖扰动影响较小, 沉降安全性可以保障。

参考文献

[1]银健民.暗挖隧道下穿既有线路基沉降自动监测系统研究[J].铁路技术创新, 2014.

篇9：隧道工程施工地表变形研究论文

关键词：软岩隧道；大变形地段；施工技术

中图分类号：U458 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）18-0001-04

1 工程概况

成兰铁路CLZQ-13标红桥关双线隧道起讫里程D2K253+710.000～D1K256+890.000，全长3 169.33 m，隧道工程地质具有“四极三高”的显著特点：地形切割极为强烈、构造条件极为复杂活跃、岩性条件极为软弱破碎、地震效应极为显著；高地应力、高地震烈度、高地质灾害风险。其中，该隧道软质岩大变形预测段及可能发生大变形段共5段长1 480 m，约占隧道全长的47%，对隧道施工进度、成本及安全控制的影响极大，是全隧施工的关键。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌特征

红桥关隧道位于四川省阿坝州松潘县川主寺镇境内，隧址区属高中山剥蚀地貌，处于高原高寒区段。

岷江位于线路右侧，岷江河谷深切，两侧横向沟谷发育，地形起伏较大。

地面高程为2 950～3 510 m，地势左高右低，自然横坡10～60 ？觷局部稍陡，最大埋深410 m。

2.2 地层岩性

红桥关隧道地层岩性主要以板岩（碳质板岩）为主，局部段落夹砂岩、灰岩、页岩、（含煤层），零星分布花岗岩。其中，炭质板岩多呈灰、深灰、灰黑色，薄层状结构，节理裂隙发育，岩体较破碎，岩质软，遇水易软化，易风化剥落，抗风化能力弱。砂岩呈夹层分布，呈灰白、灰色，粉细粒～细粒结构，质硬，层理清晰，呈中厚层状，钙质胶结为主。岩体较破碎处偶夹灰白色的石英脉，主要矿物成分为长石、石英。

2.3 地质构造

2.3.1 岷江断裂

在地表D2K254+565～D2K254+980段发育岷江断裂，被第四系掩盖，推测洞身段断裂带宽382 m，断层带岩性以灰质板岩为主，岩体挤压较破碎，岩质较软，构造节理发育，强风化带较厚。

2.3.2 川主寺1号推测断层

物探显示，在D1K256+092～D1K256+350.深孔DZ-HQG-02号孔揭示，157.2～166.3为断层角砾，断层挤压特征明显，多为泥质胶结，节理面夹炭质板岩，质软，手捏易碎，该断层对隧道围岩的影响范围为258 m。

2.4 水文地质特征

地表水：线路位于岷江水系，主要接受大气降水及少部分渗出的裂隙水补给，并向岷江排泄，地表水为当地居民水源。

地下水：线路内地下水主要为孔隙潜水、基岩裂隙水和构造裂隙水为主。

孔隙水主要接受大气降水补给，并向低洼地带排泄，其动态变化大，径流途径短，在雨季尤其是大雨、暴雨之后，水位大幅增高，动水压力增大，旱季反之。

基岩裂隙水主要赋存与砂岩、板岩中，千枚岩地层为相对隔水层，由于裂隙发育，基岩裂隙水较丰富，但受岷江深度切割影响，山高谷底，浅部地下水径流途径短，循环交替迅速，基岩裂隙水多于沟谷下部沿裂隙面就近似滴水状、片状或小股排泄状，以岷江或临近沟谷为排泄基准面，因此地下水埋置相对较深。

基岩裂隙水受大气降水补给外，还受地表水的补给，地下水动态变化严格受降水制约，变幅较大。线路内局部发育镇坪肩状倒转复向斜，属储水构造，向斜及背斜核部岩体破碎，富水性强。

3 软岩变形的成因及特征

3.1 软岩变形的成因

软岩隧道稳定性主要取决于岩层结构特征、力学作用以及特征性矿物成分及分布等因素，每种变形力学机制有其独特的特征型矿物、力学作用和结构特点。

隧道在不同的受力环境和围岩结构下，其变形破坏特征和力学机制有所不同，其力学变形机制非常复杂，往往软岩巷道（隧道）变形并非具有单一的变形力学机制，而是同时具有多种变形力学机制的复合型变形力学机制。红桥关隧道软岩大变形的主要成因为：

①炭质板岩属于地质软岩范畴，为低级变质岩，岩层单轴抗压强度低，岩质软。在区域地质构造作用下，红桥关隧道炭质板岩节理裂隙发育，岩体较破碎，结构面之间结合差，内摩擦角值极低，岩体强度较低。而红桥关隧道外部荷载主要是山体重力，隧道最大埋深410 m，地应力较大，围岩比（地应力/单轴抗压强度）大。隧道开挖导致的应力重分布使隧道围岩产生较大的变形，当应力超过岩体强度时，则塑性变形易导致隧道失稳破坏。

②炭质板岩遇水易软化，易风化剥落，抗风化能力弱。当隧道地下水沿裂隙、夹层渗入时，会大大降低岩石强度，导致强度应力比减小，易发生塑性破坏，而塑性破裂面又进一步为地下水提供渗流通道，循环往复，导致围岩强度进一步降低。

3.2 软岩变形的特征

软岩非线性大变形力学研究的岩土体介质已进入到塑性、粘塑性和流变形的阶段。

①软岩隧道变形具有变形速度快，持续时间长、塑性变形量大的特点。

②围岩变形具有很强的流变特征，具有很强的空间和时间效应，变形难以收敛。在外部荷载无变化的情况下，岩体变形随时间增长逐渐加大，甚至破坏垮塌。

③变形分布不均匀，呈各向异性的变形特征。各向异性是岩体变形的一个主要特征。对于软岩而言，软岩中包含有大量的沉积层面、软弱夹层、节理面、不连续裂隙面、微孔隙与微裂隙等，各向异性特征尤为显著。其次，由于围岩应力场的非对称，受构造应力或扰动应力的影响，巷道周边应力分布不均一，有不同的破坏特征，不能用均一的支护参数去支护隧道围岩。必须有区别性地采取支护措施，才能出现均匀塑性圈，使支架承受均匀荷载。

④软岩往往具有易扰性，对卸荷松动、施工震动等极为敏感，施工开挖方法、施工工序转化对围岩变形影响较大。

⑤变形破坏较大。隧道围岩变形易造成拱顶下沉，边墙收敛，钢架扭曲折断、初期支护开裂掉块、侵占二衬空间、隧道坍塌、衬砌破坏脱落等。

4 软岩段技术控制措施

4.1 坚持动态设计理念

对岷江活动断裂带动态设计范围D2K254+560～D2K255+040

段及软岩变形段落D1K256+020～+120段，D1K256+120～+260

段，D2K254+920～D1K255+200段，D1K255+300～D1K256+020段，D1K256+260～+405段实行动态设计管理。

4.1.1 加强超前预探及地质调查

综合采用TSP203地质预报系统、红外线探测仪、超前钻孔探测、地质调查等综合地质预报技术，重点对影响隧道稳定的主要因素（地层岩性、结构面特征、地下水、围岩应力）进行观测，对非可溶岩地段断层及其破碎带、活动断裂带及高压富水地段进行加强探测。针对高地应力软弱围岩地段，实时进行围岩级别判定与修正，掌握围岩级别变化趋势，为动态设计提供地质依据。

4.1.2 加强围岩监控量测

通过对隧道软岩变形监控量测数据分析，结合隧道围岩特征、围岩变形形态及规律进行分析，建立以极限位移或相对位移值为控制基准的围岩变形管理基准，依据实时监测所得的量测数据，作为隧道稳定性判别标准及动态设计的重要参考依据，以便及时修改和调整设计参数，指导现场施工。

4.2 隧道开挖

4.2.1 隧道开挖方式

软岩隧道开挖，应尽量选择台阶法、CRD、双侧壁导坑法等分部、分台阶开挖的方法，能尽量缩小开挖临空面，并有利于围岩变形压力的逐步释放，能较早地使初期支护闭合，便于控制沉降。针对本隧道岷江活动断裂带及Ⅴ级围岩破碎及富水段采用双侧壁导坑法，对于围岩结构较完整的Ⅳ、Ⅴ级围岩可采用短台阶法（设临时仰拱或横撑）。临时仰拱采用I18工字钢临时支护采用C20砼。

4.2.2 隧道开挖注意事项

①隧道开挖过程中，要结合量测分析数据，预留足够的变形量，以利于围岩应力的部分释放，吸收残余变形外力，并确保隧道衬砌轮廓不侵限。

②施工中要注意各工序对隧道稳定的影响。每次扰动，围岩应力都要进行重应分布。围岩经过多次扰动及应力释放，围岩强度进一步弱化或恶化，围岩塑性变形区会不断扩大。施工中要特别注意下台阶及仰拱开挖对隧道稳定性的影响。

③严格控制台阶长度和高度。各步台阶开挖长度不宜过长，可根据围岩条件进行调整，但必须满足相关规范及规定要求，台阶长度控制在一倍洞宽以内。隧道开挖应确保及仰拱紧跟，尽快封闭成环，隧道仰拱封闭位置距离掌子面不得大于35 m。

④严格控制开挖进尺，以便尽早封闭成环。上台阶每循环开挖支护进尺按1～2榀钢架间距控制，边墙每循环开挖支护进尺不得大于2榀钢架间距，仰拱开挖前必须完成钢架锁脚，仰拱开挖每循环进尺不得大于3 m。

⑤隧道爆破开挖采用弱爆施工，施工中加强爆破振动监测。

4.3 超前支护施工

根据隧道围岩级别及工程地质及水文条件，分别采用超前Ф108大管棚、超前Ф89中管棚、Ф42超前小导管，对隧道掌子面前方进行预加固，改善岩层物理力学性能，加固围岩，提高围岩稳定能力，有效防止围岩松弛，超前施工支护措施、材质、布设情况以及设置范围见表1。

①为增强管棚导管的抗弯能力，导管内设置主筋为HRB335

Ф18 mm钢筋笼，钢筋笼由四肢筋和固定环组成，固定环采用5 cm长Ф42壁厚3.5 mm钢管，间距1 m。

②钢管上钻注浆孔，孔径10～16 mm，孔间距15～20 cm，注浆孔呈梅花型布置，尾部留不钻孔的止浆段。管棚预留止浆段100 cm，超前小导管预留30 cm。

③注浆采用1：1水泥（P.O 42.5）净浆。大管棚注浆压力控制在0.5～2.0 MPa，中管棚、超前小导管注浆压力控制为0.5～1.0 MPa。围岩破碎、地下水发育地段，可采用水泥-水玻璃双液浆，浆体强度不低于M10。

4.4 隧道支护

4.4.1 隧道支护形式的选择

对于软岩隧道支护形式选择，目前主要依据以下方面来考虑：

①应力适度适放。隧道开挖后，围岩应力在短时间内得以释放，从而产生初始的变形。此阶段围岩变形速度快，变形量大，且释放的变形压力大，如果隧道开挖后立即进行刚性支护，这时支护结构承受的围岩压力较大，支护结构是无法提供如此大的阻抗力。因此，可采用柔性初期支护的手段，力求有控制的产生一个合理厚度，有塑性圈，有约束地让围岩变形、释放地应力的目的。

②充分发挥和调动围岩的自承能力。现代岩石力学揭示，岩石破裂后具有残余强度，松动破裂仍有相当高的承载能力，围岩既是支护压力的根源，又是抵抗平衡原岩应力的承载体，而且是主要的承载结构体。对于软岩变形隧道，支护的作用在于维护和提高松动围岩的残余强度，控制围岩的塑性化程度，从而控制塑性圈范围，充分发挥和调动围岩的自承能力，并与围岩共同作用，形成承载结构。

③软弱围岩隧道变形不是单一的变形力学机制，而是集多种因素和多种变形力学机制于一体的复合型变形力学机制，应采取多种手段进行联合支护，确保结构稳定。

为此，红桥关隧道采取复合式衬砌结构型式，即二次支护结构。利用初期支护结构的及时性、粘贴性、柔韧性、密贴性等特点，及时封闭开挖后的围岩，充分发挥围岩自身的支护作用，以控制围岩的变形和应力的适度释放，进入一个相对稳定的阶段。再利用二次衬砌的钢筋混凝土结构和初期支护共同作用，进一步增加支护的强度和刚度，以承受来自围岩的流变压力，与围岩形成整体受力体系，最终达到控制围岩变形的目的。初期支护选择采用喷射混凝土+钢筋网+锚注+工字钢架+钢筋混凝土的联合支护结构形式，相关指标见表2。

4.4.2 二次支护施作时机选择

软岩隧道二衬施工的关键在于确定隧道二次衬砌施作时间。二次支护最佳时机是围岩应力、塑性区及变形速度趋于稳定，此时围岩的膨胀变形能得到了充分释放而围岩自身承载能力又没有太多的损失，也就是围岩等速蠕变阶段。此时，隧道开挖后经过初始蠕变的急剧变形后，围岩应力得到较大的释放，围岩变形量一般可达到总变形量的80%以上，围岩变形速率明显下降，此时，采用刚性的钢筋混凝土衬砌可有效抵抗围岩流变压力，确保结构稳定。

从隧道开挖的时空效应来理解，即在隧道开挖变形初期（初始蠕变阶段），隧道受空间效应作用，其在隧道横断面上表现为“圆环形”的约束，在纵断面上表现为“半圆弯形”的约束，这两种约束合在一起便使得围岩在毛洞无支护状态下得到短暂的稳定，此时可时及施作初期支护，有约束的让围岩变形，保护围岩。当隧道变形到了稳定蠕变阶段，这个时侯空间效应消失，隧道围岩转入流变阶段，此时及时施作刚性二次衬砌以抵抗岩体的后续流变变形，确保围岩稳定。二次支护施作时机的选择可以通过对隧道表面位移监测，当隧道表面位移速度由快到趋于平缓的拐点附近为二次支护的最佳支护时机。同时，在距离控制上，可按二次衬砌距掌子面约3～3.5 D来把握。此时隧道开挖后的空间效应已基本结束，逐步转入以时间效应为主的等速蠕变阶段。铁道部对于软弱围岩及不良地质铁路隧道的二次衬砌与掌子面距离作了严格规定，二次衬砌与掌子面的距离不得大于70 m。

4.4.3 隧道支护施工的注意事项

①开挖后，立即组织混凝土初喷，初喷厚度3～5 cm，及早封闭围岩。待布设锚杆、钢筋网及钢架后进行复喷砼施工。复喷砼分层施作。湿喷混凝土一次喷层厚度，拱部为7 cm，边墙为10 cm以上。

②所有系统锚杆均应设置钢垫板。钢垫板尽量和钢筋网、钢架焊接连成整体。

③注意钢架接头处理。钢架接头尽量避开同一截面钢架拱部节点受力较薄弱。在台阶法施工中，要考虑上下台阶围岩收敛变形不一致对钢架接头安装的影响。

④注重各向异性，抓住关键部位补强。对软弱围岩隧道的破坏是一个渐进的力学特征，总是从某一个或几个部位开始变形、损伤，进而导致整个支护系统的失稳。隧道开挖后必须认真加强隧道地质观察与分析，有效判定控制岩体变形破坏的主要因素以及隧道应力集中部位，对重要部位进行适当加强支护。

⑤高度重视隧道注浆工作。注浆加固，可有效封堵围岩裂隙，阻断渗水通道，同时可提高压注地层的物理力学性能，大大提高围岩整体抗拉剪强度，对活动断裂带可采取帷幕注浆手段进行围岩堵水加固。

⑥加强隧道出口段反坡施工排水，避免墙脚被长期浸泡而发生底鼓。

4.5 监控量测与风险预警

4.5.1 隧道监控量测设计

监控量测设计关键在于选测项目的选取上。对于软岩变形隧道，选测项目体现以下几个方面的内容：

①地应力的监测。

②内部位移值的监测。

③各结构承受变形压力情况。

软岩变形段监控量测选测项目见表3。

4.5.2 软岩隧道大变形坍塌风险预警

围岩和支护结构变形是围岩稳定性和支护结构承载能力和安全性的最直观反映，不论何种机制的围岩大变形，围岩的坍塌和支护系统的破坏都是变形发展的一定程度的必然结果。围岩稳定状态体现为隧道围岩变形速率呈递减趋势并逐渐趋于零，而失稳状态则表现为围岩变形速率呈递增趋势，最终累计位移超过极限位移而失稳。

因此围岩变形预警可将净空变化、拱顶下沉观测等可直观反映隧道稳定与变形情况的位移量测项目作为变形预警首选监控项目，根据日常监控量测结果，绘制位移时态曲线，对各时刻的总位移量、位移速度及位移加速度的变化趋势加以分析，从而对围岩的变形状况进行动态趋势预测，建立最大日变形量和累计变形量的风险预警机制。同时也可选取围岩内部位移、锚杆杆体应力、钢架受力、二次衬砌接触受力等监测项目，作为监控量测的拓展和补充，一并纳入监控预警项，预警管理见表4。

5 结语

红桥关隧道隧址区为三叠系上统新都桥组炭质板岩夹板岩、砂岩；侏倭组板岩、砂岩夹炭质板岩及断层角砾岩，该隧址区地质条件极其复杂且最大埋深为410 m，隧道易发生大变形，需重点加以防范。

①坚持动态设计理念，加强综合探测和监控量测，实时进行围岩分级判定和修正，建立以极限位移或相对位移值为控制基准的围岩变形管理基准。

②根据工程地质条件，优先选用双侧壁导坑法和短台阶法组织施工，实行分部、分台阶开挖，尽快封闭围岩，确保围岩稳定。

③采用喷射混凝土+钢筋网+锚注+工字钢架+钢筋混凝土的联合支护结构形式，对关键部位必须加强支护。

④加强注浆工作。认真做好超前管棚、导管注浆及隧道径向锚杆注浆，加固围岩，封堵裂隙。

⑤根据隧道的实际情况，建立日常监控量测管理体系，在必测项目的基础上，加强地应力、内部位移及各结构受力监测。

⑥选择可直观反映隧道稳定与变形情况的位移量测项目作为变形预警首选监控项目，建立最大日变形量和累计变形量的风险预警机制。

参考文献：

[1] 徐则民，黄润秋.深埋特长隧道及其施工地质灾害（第1版）[M].四川：西南交通大学出版社，2000.

[2] 朱汉华，孙红月，杨建辉.公路隧道围岩稳定与支护技术（第1版）[M].北京：科学出版社，2007.

[3] 蔡美峰，何满潮，刘东燕.岩石力学与工程（第1版）[M].北京：科学出版社，2002.