礦山法隧道設(shè)計(jì)概論

1、礦山法隧道設(shè)計(jì)概論廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院楊治興2007年11月目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc182191293 一、前言 PAGEREF _Toc182191293 h 1 HYPERLINK l _Toc182191294 二、什么是“新奧法原理” PAGEREF _Toc182191294 h 1 HYPERLINK l _Toc182191295 1、新奧法的提出與命名 PAGEREF _Toc182191295 h 2 HYPERLINK l _Toc182191296 2、新奧法的基本要點(diǎn) PAGEREF _Toc182191296 h 2

2、HYPERLINK l _Toc182191297 3、新奧法與地鐵建設(shè)中礦山法隧道的關(guān)系 PAGEREF _Toc182191297 h 2 HYPERLINK l _Toc182191298 三、設(shè)計(jì)計(jì)算理論 PAGEREF _Toc182191298 h 4 HYPERLINK l _Toc182191299 1、荷載結(jié)構(gòu)法 PAGEREF _Toc182191299 h 4 HYPERLINK l _Toc182191300 2、地層結(jié)構(gòu)法 PAGEREF _Toc182191300 h 7 HYPERLINK l _Toc182191301 四、深埋隧道與淺埋隧道的分界值判定 PAG

3、EREF _Toc182191301 h 8 HYPERLINK l _Toc182191302 五、淺埋隧道荷載的計(jì)算方法 PAGEREF _Toc182191302 h 9 HYPERLINK l _Toc182191303 六、礦山法隧道設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題 PAGEREF _Toc182191303 h 12 HYPERLINK l _Toc182191304 1、圍巖級(jí)別的修正問題 PAGEREF _Toc182191304 h 12 HYPERLINK l _Toc182191305 2、隧道內(nèi)交叉口部位的加強(qiáng)問題 PAGEREF _Toc182191305 h 15 HYPER

4、LINK l _Toc182191306 3、關(guān)于小凈距隧道問題 PAGEREF _Toc182191306 h 15 HYPERLINK l _Toc182191307 4、錨桿的長(zhǎng)度、間距及墊板問題 PAGEREF _Toc182191307 h 17 HYPERLINK l _Toc182191308 七、地層變位的原因 PAGEREF _Toc182191308 h 20 HYPERLINK l _Toc182191309 八、隧道施工對(duì)鄰近建筑物的保護(hù)措施 PAGEREF _Toc182191309 h 20 HYPERLINK l _Toc182191310 1、降水法 PAGER

5、EF _Toc182191310 h 20 HYPERLINK l _Toc182191311 2、注漿加固法 PAGEREF _Toc182191311 h 20 HYPERLINK l _Toc182191312 3、凍結(jié)法 PAGEREF _Toc182191312 h 21 HYPERLINK l _Toc182191313 4、基礎(chǔ)托換樁 PAGEREF _Toc182191313 h 21 HYPERLINK l _Toc182191314 5、隔離墻法 PAGEREF _Toc182191314 h 21 HYPERLINK l _Toc182191315 九、隧道與建筑物鄰近程

6、度的判斷 PAGEREF _Toc182191315 h 21一、前言今天有幸參加建設(shè)總部組織的這次關(guān)于礦山法隧道設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)交流會(huì)，十分高興。這給我提供了一次很好的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。因?yàn)樵谧母魑欢际蔷哂胸S富的設(shè)計(jì)、施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的同志。而建設(shè)總部更是藏龍臥虎之地，他們之中有很多“老地鐵”，他們對(duì)礦山法隧道的設(shè)計(jì)與施工知根知底，其技術(shù)水平可以說已達(dá)到了很高的境界。由于今天在座的各位對(duì)礦山法隧道的設(shè)計(jì)與施工都偏重于實(shí)際應(yīng)用，所以對(duì)于一些深?yuàn)W的設(shè)計(jì)理論和一些繁瑣的公式推導(dǎo)不作為本次討論的重點(diǎn)。我下面要說的內(nèi)容偏重于個(gè)人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，希望能起到拋磚引玉的效果。礦山法隧道設(shè)計(jì)問題，是一個(gè)大題目，單靠這一、兩

7、個(gè)小時(shí)的時(shí)間想把它講出個(gè)子丑寅卯來是很難的。因此，咱們采取既速成又適用的辦法來解決這個(gè)矛盾。下面以解答問題的形式，來研討礦山法隧道的設(shè)計(jì)問題，但愿大家能夠接受。記得上個(gè)世紀(jì)六十年代我剛參加工作，去請(qǐng)教我們單位隧道研究室的科研人員，什么是“新奧法原理”這個(gè)問題。一位研究隧道掘進(jìn)的說：“隧道隧道，出碴進(jìn)料?！绷硪晃谎芯勘频恼f：“隧道隧道，打眼放炮?！蔽衣犃艘活^霧水，心想這是哪兒跟哪兒呀？不過，也不能怪他們。那個(gè)年代社會(huì)上正在批判所謂的“白專道路”，設(shè)計(jì)、研究要求革命化，全體技術(shù)人員都被趕到成昆線上的沙木拉達(dá)隧道里面去和鐵道兵戰(zhàn)士、工人同吃、同住、同勞動(dòng)了。他們說的話，也反映了當(dāng)時(shí)知識(shí)分子的一種思

8、想情緒。扯遠(yuǎn)了，還是轉(zhuǎn)回來講。二、什么是“新奧法原理”在礦山法隧道設(shè)計(jì)文件中，經(jīng)常看到：“本工程是以新奧法原理為指南進(jìn)行設(shè)計(jì)的”話語(yǔ)。那么什么是新奧法原理？它的基本要點(diǎn)是什么？就有必要稍作了解。1、新奧法的提出與命名新奧法是新奧地利隧道施工方法的簡(jiǎn)稱，它的概念是奧地利學(xué)者拉布西維茲教授于二十世紀(jì)50年代提出的。它是以既有隧道工程經(jīng)驗(yàn)和巖體力學(xué)的理論為基礎(chǔ)、將錨桿和噴射砼組合在一起作為主要支護(hù)手段的一種施工方法。后經(jīng)奧地利、瑞典、意大利等國(guó)的許多實(shí)踐和理論研究，于二十世紀(jì)60年代取得專利權(quán)并被正式命名為“新奧法”。2、新奧法的基本要點(diǎn)1）開挖作業(yè)多利用光面爆破和預(yù)裂爆破，并盡量采用大斷面或較大的

9、斷面開挖，全斷面開挖比分部開挖有利，以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)；2）隧道開挖后，盡量利用圍巖的自承能力，充分發(fā)揮圍巖自身的支護(hù)作用；3）根據(jù)圍巖特征，采用不同的支護(hù)類型參數(shù)，及時(shí)施作密貼于圍巖的柔性噴射砼和錨桿初期支護(hù)，以控制圍巖的變形和松弛，但初期支護(hù)不宜太厚；4）在軟弱破碎圍巖地段，使斷面及早閉合，以有效地發(fā)揮支護(hù)體系的作用，從而保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；5）二襯原則上是在圍巖與初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的條件下修筑，也就是說初期支護(hù)要滿足穩(wěn)定需要，二襯僅作為安全儲(chǔ)備；6）盡量使隧道斷面周邊輪廓圓順，避免棱角突變處應(yīng)力集中。若為復(fù)合式襯砌，二襯厚度也要薄；7）要用排水的方法降低巖體中水的滲透壓力；8）測(cè)定襯砌

10、的應(yīng)力及圍巖的變位，以指導(dǎo)設(shè)計(jì)變更及施工管理。3、新奧法與地鐵建設(shè)中礦山法隧道的關(guān)系新奧法原理適用于傳統(tǒng)的礦山法隧道，它要求隧道要有足夠的埋深。比如說要在級(jí)（也就是原來的類）圍巖中開挖一個(gè)滿足最大凈空寬度為5200mm的單線隧道，其覆土厚度要達(dá)到10m以上才可以設(shè)計(jì)與施工。它認(rèn)為如果埋深不夠，則開挖過程中會(huì)形不成卸載拱，這樣會(huì)導(dǎo)致拱頂以上土體的全部重量均由襯砌結(jié)構(gòu)承受，施工稍有不慎就會(huì)造成坍塌。咱們這一幫子人是在城市這個(gè)特定環(huán)境條件下搞地鐵隧道設(shè)計(jì)與施工的。所以，傳統(tǒng)的礦山法隧道所忌諱的正是我們經(jīng)常要遇到的。中國(guó)人是聰明的，是與時(shí)俱進(jìn)的，早在20多年前的1986年，中鐵隧道局進(jìn)入北京承擔(dān)北京地

11、鐵復(fù)興門折返線工程時(shí)，率先就把適合于地鐵建設(shè)的淺埋暗挖隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)展示在了世人面前。淺埋暗挖法隧道是對(duì)新奧法原理的發(fā)展與創(chuàng)新。淺埋暗挖隧道的20年設(shè)計(jì)與施工，可以總結(jié)出如下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)。1）對(duì)埋深淺、圍巖軟弱的情況，首先要改良加固隧道周圍地層。其方法有：注漿加固隧道周圍地層。根據(jù)工程的情況和地質(zhì)條件決定注漿范圍，注漿壓力及漿液配比，其目的是加固、改善隧道周圍地層，提高地層的自穩(wěn)能力；對(duì)埋深淺地面有一般基礎(chǔ)的樓房或城市交通主干道的，用管棚加固隧道拱部地層。根據(jù)不同情況采用長(zhǎng)管棚、短管棚或兩者聯(lián)合使用，用以抵抗拱頂?shù)貙拥南鲁亮?；用錨桿加固地層并提高土體的自穩(wěn)能力。以上不論哪一條在圖紙上

12、必須表示明確。2）根據(jù)新奧法原理的基本精神，在設(shè)計(jì)上要變大洞為小洞，這樣可以降低荷載等效高度，減少地面沉降。統(tǒng)稱有CD法、CRD法，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。設(shè)計(jì)單位不論采用何種工法圖紙上必須將其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。構(gòu)件尺寸工程數(shù)量表現(xiàn)清楚。3）從施工工藝上講要重質(zhì)量、防坍塌、限沉降，具體措施有7條：要高度重視注漿質(zhì)量，特別是拱部、拱腳及隧道底部的注漿質(zhì)量要切實(shí)做好，這對(duì)加固地層，保證施工安全，減少隧道下沉至關(guān)重要。俗話說“隧道隧道，穿靴戴帽”意思是說，如果頂部與底部穩(wěn)固了，隧道安全就有保證了。軟弱圍巖條件下，一定要做到短進(jìn)尺，每循環(huán)進(jìn)尺控制在0.5m0.75m范圍內(nèi)，一定要做到短臺(tái)階，臺(tái)階長(zhǎng)度控制在23m范圍；

13、一定要留核心土，用以穩(wěn)定掌子面。要特別重視格柵鋼架的早封閉、早成環(huán)，尤其是拱腳除了采用鎖腳錨桿或鎖腳錨管之外，還要特別注意拱腳懸空的時(shí)間不應(yīng)過長(zhǎng)，宜控制在三天以內(nèi)。拱腳懸空的格柵鋼架榀數(shù)不應(yīng)過多，宜控制在三四榀之內(nèi)。只有盡快把襯砌封閉成環(huán)，才能發(fā)揮初期支護(hù)防坍塌限沉降的作用。由于初襯承受施工期間的全部荷載，所以要特別重視噴射砼的質(zhì)量，特別是噴射砼的強(qiáng)度等級(jí)及其噴射厚度必須要達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙的要求。要重視初襯及二襯背后的回填注漿，初襯成環(huán)后的第三天，二襯封閉后的第七天應(yīng)分別對(duì)初襯及二襯拱頂背后進(jìn)行回填注漿，這對(duì)控制地面沉降和隧道結(jié)構(gòu)防水是至關(guān)重要的。要嚴(yán)格防水板的鋪設(shè)和焊接工藝操作程序，保護(hù)好防水板

14、，使它真正的能起到防水作用，這也是控制地面沉降的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。要嚴(yán)格掌握密炮眼，小藥量的原則，要嚴(yán)格限制爆破振速，優(yōu)先采用預(yù)裂爆破方法。爆破振速要求在2025mm/s之內(nèi)，以減少爆破沖擊波對(duì)圍巖的擾動(dòng)。4）在圍巖松軟、埋深又淺的礦山法隧道施工過程中，要加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，并及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)與施工，讓其立即考慮修正支護(hù)參數(shù)和改變施工步驟。以上講的這些，集中起來就是“管超前，嚴(yán)注漿，短開挖，強(qiáng)支護(hù)，快封閉，早成環(huán)，勤量測(cè)，速反饋，防治水，弱爆破，少擾動(dòng)，控沉降”這36個(gè)字。三、設(shè)計(jì)計(jì)算理論地下結(jié)構(gòu)物（隧道襯砌屬于其中的一種）與地面結(jié)構(gòu)物相比較，有其不同之點(diǎn)。地面結(jié)構(gòu)物在荷載作用下變形是自由的，即不受約束的

15、，而地下結(jié)構(gòu)物則相反。這就使得地下結(jié)構(gòu)處于更為復(fù)雜的工作條件下，就是說變形和應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，這是問題的一個(gè)方面。另一方面，卻使得地下結(jié)構(gòu)的受力條件比地面結(jié)構(gòu)更為有利，這是因?yàn)閲鷰r不僅主動(dòng)施加外荷載于襯砌上，而且它緊緊地包裹著襯砌限制其自由變形。由于彈性抗力的作用，能使隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力條件得以改善，即變形小而極限承載能力大。目前對(duì)復(fù)合式襯砌隧道的計(jì)算方法，有“荷載結(jié)構(gòu)法”和“地層結(jié)構(gòu)法”兩種理論。1、荷載結(jié)構(gòu)法荷載結(jié)構(gòu)法也就是用結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理對(duì)隧道主要承受結(jié)構(gòu)襯砌進(jìn)行內(nèi)力分析。1）設(shè)計(jì)原理荷載結(jié)構(gòu)法的設(shè)計(jì)原理認(rèn)為，隧道開挖后地層的作用主要是對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生荷載，而襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)能安全可靠地承受地層

16、壓力等荷載的作用。計(jì)算時(shí)先按地層的類別計(jì)算出地層壓力。然后按彈性地基上結(jié)構(gòu)物的計(jì)算方法對(duì)隧道襯砌內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算。內(nèi)力求出后再進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面的設(shè)計(jì)。2）計(jì)算原理（1）基本未知量與基本方程取襯砌結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)的位移為基本未知量。由最小勢(shì)能原理或變分原理，可得系統(tǒng)整體求解時(shí)的平衡方程式： （3-1）式中：K襯砌結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣，為mxm階方陣，m為體系結(jié)點(diǎn)自由度的總個(gè)數(shù)；由襯砌結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)位移組成的列矩陣，即=1 2 mT；P由襯砌結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)荷載組成的列矩陣，即P=P1 P2 PmT；矩陣P、K和，可由單元的荷載矩陣Pe、單元的剛度矩陣Ke和單元的位移矩陣e組裝而成。因此，在采用有限元方法進(jìn)行分析時(shí)，需先劃分單元

17、，建立單元?jiǎng)偠染仃嘖e和單元的荷載矩陣Pe。隧道承重結(jié)構(gòu)軸線的形狀為弧線時(shí)，需用折線單元模擬曲線。劃分單元時(shí)，只需確定桿件單元長(zhǎng)度。桿件厚度d即為承重結(jié)構(gòu)的厚度，而桿件寬度通常取為1（m）。相應(yīng)的桿件橫截面面積A=d1（m2），抗彎慣性矩為I=1/121d（m4），彈性模量E(KN/m2)取為砼的彈性模量。（2）單元?jiǎng)偠染仃嚨挠?jì)算設(shè)梁?jiǎn)卧诰植孔鴺?biāo)系下的結(jié)點(diǎn)位移為，對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)力為，則有 （3-2）式中為單元在局部坐標(biāo)系下的剛度矩陣，并有 （3-3）式中：l梁?jiǎn)卧拈L(zhǎng)度； A梁的截面面積；I梁的慣性矩；E梁的彈性模量。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)而言，由于各單元采用的局部坐標(biāo)系均不相同，所以在建立整體矩陣時(shí)，需

18、按式（3-4）將按局部坐標(biāo)系建立的單元?jiǎng)偠染仃囖D(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)整體坐標(biāo)系中的單元?jiǎng)偠染仃嘖e 。 （3-4）式中：T轉(zhuǎn)制矩陣，表達(dá)式為： （3-5）局部坐標(biāo)系與整體坐標(biāo)系之間的夾角。（3）地層反力作用模式地層彈性抗力由下式給出 （3-6） （3-7）其中： （3-8） （3-9）式中：Fn、Fs分別為法向和切向彈性抗力；Kn、Ks相應(yīng)的圍巖彈性抗力系數(shù)；并且K+、K-分別為受壓區(qū)和受拉區(qū)的彈性抗力系數(shù)；通常將受拉區(qū)的抗力系數(shù)假設(shè)為零，即桿件單元確定后，即可確定地層彈簧單元，它只設(shè)置在桿件單元的結(jié)點(diǎn)上。地層彈簧單元既可沿整個(gè)截面設(shè)置，也可在部分結(jié)點(diǎn)上設(shè)置。沿整個(gè)截面設(shè)置地層彈簧單元時(shí)，計(jì)算過程中需用迭

19、代法作變形控制分析，以判斷出抗力區(qū)的確切位置。2、地層結(jié)構(gòu)法地層結(jié)構(gòu)法的設(shè)計(jì)原理，是將隧道襯砌和地層看成是整體共同受力的統(tǒng)一體系，在滿足變形協(xié)調(diào)條件的前提下分別計(jì)算襯砌與地層的內(nèi)力，據(jù)此以驗(yàn)算地層的穩(wěn)定性和進(jìn)行結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)。由于此法計(jì)算相當(dāng)繁雜，限于時(shí)間和篇幅的原因這里就不作深入的介紹了?？偠灾?，由于圍巖錯(cuò)綜復(fù)雜的組合變化難以掌握，由于巖土工程問題分析中又是以經(jīng)驗(yàn)起主導(dǎo)作用的，因而目前對(duì)一般的噴錨支護(hù)或者復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍應(yīng)強(qiáng)調(diào)以工程類比法為主，理論分析只是目前地下工程襯砌設(shè)計(jì)的一種輔助方法。這一原則在錨噴構(gòu)筑法或者隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中均有明文規(guī)定。這就要求我們隧道設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員，要不厭其煩

20、、要不怕辛苦的多多深入到工地現(xiàn)場(chǎng)中去，通過現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況和監(jiān)控量測(cè)的數(shù)值，隨時(shí)修正我們的設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)，這才是確保隧道掘進(jìn)中安全的必由之路。四、深埋隧道與淺埋隧道的分界值判定 淺埋和深埋隧道的分界，按荷載等效高度值（hq），并結(jié)合圍巖級(jí)別、斷面形式及跨度、施工方法等因素綜合判定。按荷載等效高度的判定公式為： （4-1）式中：Hp淺埋隧道分界深度（m）；hq荷載等效高度（m），按下式計(jì)算： （4-2）q為按（4-3）式算出的深埋隧道的垂直均布?jí)毫Γ↘N/m2）； （4-3）式中：圍巖重度（KN/m3）；s圍巖級(jí)別；寬度影響系數(shù)，；B隧道寬度（m）；iB每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率，以B=5m的圍巖

21、垂直均布?jí)毫闇?zhǔn)，當(dāng)B5m時(shí)，取i=0.2；當(dāng)B5m時(shí)，取i=0.1。在礦山法隧道施工的條件下，、級(jí)圍巖取Hp=2hq，、級(jí)圍巖取Hp=2.5hq。按上述公式計(jì)算的深、淺埋隧道分界值如表4-1所示。深、淺埋隧道分界深度表 表4-1 隧道寬度(m)Hp(m)圍巖級(jí)別3456789101112131415160.50.70.91.01.11.21.31.41.41.51.61.71.81.91.11.41.82.02.22.32.52.72.93.13.23.43.63.82.22.93.64.04.34.75.05.45.86.16.56.87.27.65.47.29.09.910.811.71

22、2.613.514.415.316.217.118.018.910.814.418.019.821.623.425.227.028.830.632.434.236.037.821.628.836.039.643.246.850.454.057.661.264.868.472.075.6假設(shè)H為拱頂?shù)降孛娴母餐梁穸龋╩），如果HHp可視為深埋隧道；如果HHp可視為淺埋隧道。五、淺埋隧道荷載的計(jì)算方法淺埋隧道荷載分下面兩種情況分別計(jì)算。1、當(dāng)Hhq時(shí)，當(dāng)隧道埋深（H）小于或等于荷載等效高度（hq）時(shí)，屬超淺埋隧道，此時(shí)可將荷載看為均布垂直壓力。 （5-1）式中：q垂直均布?jí)毫Γ↘N/m2）；H隧道

23、埋深，指拱頂?shù)降孛娴木嚯x（m）。而側(cè)向均布土壓力e，可按均布考慮，其值為 （5-2）式中：e側(cè)向均布?jí)毫Γ↘N/m2）；Ht隧道高度（m）；c圍巖計(jì)算內(nèi)摩擦角（ ），其值見表5-1。各級(jí)圍巖的物理力學(xué)指標(biāo) 表5-1圍巖級(jí)別重度(KN/m3)彈性抗力系數(shù)K(MPa/m)變形模量E(GPa)泊松比內(nèi)摩擦角()粘聚力C(MPa)計(jì)算摩擦角c()262818002800330.2602.17825271200180020330.20.2550601.52.17078232550012006200.250.339500.71.5607020232005001.360.30.3527390.20.7506

24、01720100200120.350.4520270.050.24050151710010.40.5200.23040表注：1、選用計(jì)算摩擦角時(shí)，不再計(jì)內(nèi)摩擦角和粘聚力；2、表中數(shù)值不適合黃土地層。2、當(dāng)hqHHp時(shí)，當(dāng)埋深（H）大于荷載等效（hq）而小于或等于淺埋隧道分界深度（Hp）時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，便假定土體破裂面是一條與水平線成角的斜直線，如圖5-1所示。 EFGH巖土體下沉，帶動(dòng)兩側(cè)三棱土體FDB、ECA下沉，整個(gè)土體ABDC下沉?xí)r，又要受到未擾動(dòng)巖土體的阻力；AC與BD是假定的破裂面，分析時(shí)不考慮內(nèi)聚力C，并采用了計(jì)算摩擦角c；另一個(gè)滑動(dòng)面FH或EG并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破

25、裂面的阻力，若該滑動(dòng)面的摩擦角為，則值應(yīng)小于c值，無實(shí)例資料時(shí)，可按表5-2采用。各級(jí)圍巖的值 表5-2圍巖級(jí)別、角0.9c（0.70.9）c（0.50.7）c（0.30.5）c由圖5-1看出，隧道上覆巖體EFHG的重力為W，兩側(cè)三棱巖體FDB或ECA的重力為W1，未擾動(dòng)巖體整體滑動(dòng)土體的阻力為F，當(dāng)EFHG下沉?xí)r，兩側(cè)受到的阻力為T或T，作用于HG面上的垂直壓力總值為Q淺： （5-3）三棱體自重為： （5-4）式中：h隧道底面到地面的距離（m）；破裂面與水平面的夾角（）。根據(jù)正弦定理可得： （5-5）將式(5-4)代入可得： （5-6） （5-7） （5-8）式中：側(cè)壓力系數(shù)。得到兩側(cè)阻力值

26、T后，將T代入（5-3）式，則可得出作用在HG面上的垂直壓力Q淺。 （5-9）由于GC、HD與EG、FH相比往往較小，而且襯砌與土之間的摩擦角也不同，前面分析時(shí)是按計(jì)，當(dāng)中間土塊下滑時(shí)，由EG及FH面?zhèn)鬟f，考慮到壓力偏大對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)偏安全，因此，摩阻力不計(jì)隧道部分而只計(jì)洞頂部分，即在計(jì)算中用H代替h，這樣式（5-9）變?yōu)椋河捎?，所?(5-10)式中：Bt隧道寬度（m）。換算為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的均布荷載（見圖5-2）。 （5-11）式中：q淺作用在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上的均布荷載（KN/m2）。作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的水平側(cè)壓力為 (5-12)六、礦山法隧道設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題1、圍巖級(jí)別的修正問題準(zhǔn)確

27、判定圍巖級(jí)別是決策隧道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，根據(jù)巖石的堅(jiān)硬程度和巖體的完整程度這兩個(gè)基本指標(biāo)，鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范將圍巖基本分級(jí)定為六個(gè)級(jí)別。大致情況為：級(jí)圍巖：巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度：Rc60MPa，巖塊整體厚度H1.0m；級(jí)圍巖：巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度：硬質(zhì)巖Rc30MPa，軟質(zhì)巖Rc30MPa， 巖石整體厚度：硬質(zhì)巖0.5mH1.0m，軟質(zhì)巖H1.0m；級(jí)圍巖：巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度：硬質(zhì)巖Rc30MPa，軟質(zhì)巖Rc=530MPa，巖石整體厚度：硬質(zhì)巖H=0.10.5m，軟質(zhì)巖0.5mH1.0m；級(jí)圍巖：巖石的單軸飽和抗壓強(qiáng)度：硬質(zhì)巖Rc30MPa，軟質(zhì)巖Rc530MPa，巖石整體厚度：硬質(zhì)巖呈碎石狀

28、，軟質(zhì)巖H=0.10.5m；級(jí)圍巖：軟巖巖體破碎至極破碎，土體一般為第四系堅(jiān)硬、硬塑粘性土，稍密及以上的碎石土、卵石土、園礫土、角礫土、粉土；級(jí)圍巖：巖體呈粉末、泥土狀斷層帶，土體為軟塑粘性土、飽和的粉土、砂類土。以上的分級(jí)，叫做圍巖的基本分級(jí)。在影響工程巖體穩(wěn)定性的諸多因素中，巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度只反映了巖體質(zhì)量的基本特征，但它不是影響巖體穩(wěn)定性的全部重要因素。當(dāng)隧道圍巖存在地下水、高初始應(yīng)力、不利的軟弱結(jié)構(gòu)層面等情況時(shí)，其穩(wěn)定性就要大打折扣。因此，地下水、較高的初始應(yīng)力以及軟弱夾層都是圍巖分級(jí)的修正因素。平常設(shè)計(jì)時(shí)，很多年輕同志，只注重將工程地質(zhì)中的微風(fēng)化、中風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖分別定為級(jí)

29、、級(jí)、級(jí)，而不管它是硬質(zhì)巖還是軟質(zhì)巖，更不管水文地質(zhì)中地下水在巖石中的存在狀態(tài)對(duì)圍巖級(jí)別的修正問題，這是必須重視的。地下水對(duì)圍巖級(jí)別的修正地下水是影響巖體穩(wěn)定性的重要因素。水的作用主要表現(xiàn)為溶蝕巖石和結(jié)構(gòu)面中易溶膠結(jié)物質(zhì)，會(huì)使巖石軟化、疏松，充填物泥化，強(qiáng)度降低。水對(duì)圍巖級(jí)別的影響，不僅與水的賦存狀態(tài)有關(guān)，還與巖石性質(zhì)和圍巖完整性有關(guān)。巖石越致密，強(qiáng)度越高，完整性越好，則水的影響越小。反之，水的不利影響越大。地下水狀態(tài)的分級(jí)按表6-1確定，地下水對(duì)圍巖級(jí)別的修正按表6-2進(jìn)行。地下水狀態(tài)的分級(jí) 表6-1級(jí)別狀態(tài)滲水量干燥或濕潤(rùn)10偶有滲水1025經(jīng)常滲水25125地下水影響對(duì)圍巖級(jí)別的修正 表

30、6-2圍巖級(jí)別地下水狀態(tài)（2）初始地應(yīng)力對(duì)圍巖級(jí)別的修正在天然狀態(tài)下存在于巖體內(nèi)部的應(yīng)力，稱之為初始地應(yīng)力。圍巖初始地應(yīng)力場(chǎng)的影響，既反映了隧道埋深的影響，也反映了巖石強(qiáng)度的影響。高初始應(yīng)力是產(chǎn)生巖爆和巖芯餅化的共同條件。一定的初始應(yīng)力值對(duì)不同巖性的巖體穩(wěn)定性影響程度是不一樣的。為此，用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度（Rc）與最大主應(yīng)力（max）的比值，作為評(píng)價(jià)巖爆和巖芯餅化發(fā)生的條件，進(jìn)而評(píng)價(jià)初始應(yīng)力對(duì)工程巖體穩(wěn)定性的指標(biāo)。初始地應(yīng)力對(duì)圍巖級(jí)別的修正按表6-3進(jìn)行。初始地應(yīng)力影響對(duì)圍巖級(jí)別的修正 表6-3圍巖級(jí)別初始地應(yīng)力狀態(tài)Rc/max4或Rc/max=47或注：圍巖巖體為較破碎的極硬巖、較完整的硬

31、巖時(shí)，定為級(jí)；圍巖巖體為完整的較軟巖、較完整的軟硬互層時(shí)，定為級(jí)；圍巖巖體為破碎的極硬巖、較破碎及破碎的硬巖時(shí)，定為級(jí)；圍巖巖體為完整及較完整軟巖、較完整及較破碎的較軟巖時(shí)，定為級(jí)。（3）軟弱結(jié)構(gòu)面影響對(duì)圍巖級(jí)別的修正及其他要求軟弱結(jié)構(gòu)面是影響地下工程巖體穩(wěn)定的一個(gè)重要因素，軟弱結(jié)構(gòu)面是指成層巖體的泥化層面，一組很發(fā)育的裂隙，次生泥化夾層，含斷層泥，糜棱巖的小斷層等。對(duì)、級(jí)圍巖，當(dāng)洞軸線與主要斷層或軟弱夾層的夾角小于30時(shí)，應(yīng)降低一級(jí)；隧道洞深埋藏較淺，應(yīng)根據(jù)圍巖受地面的影響情況進(jìn)行圍巖級(jí)別修正。圍巖僅受地表影響時(shí)，應(yīng)較相應(yīng)圍巖降低1-2級(jí)；洞口段應(yīng)將圍巖級(jí)別降低一級(jí)考慮襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其長(zhǎng)度應(yīng)

32、不小于1倍洞跨；圍巖級(jí)別較低地段應(yīng)向圍巖級(jí)別較高地段延伸510米；對(duì)、級(jí)圍巖，巖石一般受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，風(fēng)化破碎，基礎(chǔ)易產(chǎn)生沉陷；土質(zhì)則承載力低，穩(wěn)定性較差，開挖后易產(chǎn)生隆起等變形，所以均應(yīng)采用曲墻式帶仰拱的襯砌。仰拱的矢跨比，單線一般取1/61/8，雙線一般取1/101/12。2、隧道內(nèi)交叉口部位的加強(qiáng)問題在地鐵礦山法隧道設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到隧道洞身與施工橫通道或者消防疏散通道相互交叉的岔洞結(jié)構(gòu)，此處是應(yīng)力比較集中的地方，受力關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，為了保證岔洞結(jié)構(gòu)的安全，有必要對(duì)其交叉口段的襯砌結(jié)構(gòu)作加強(qiáng)處理，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。其加強(qiáng)段長(zhǎng)度如圖6-1所示。3、關(guān)于小凈距隧道問題小凈距隧道是指隧道之間

33、的中間巖柱厚度小于表6-4建議值的特殊隧道布置形式。兩相鄰單線隧道間最小凈距建議值 表6-4圍巖級(jí)別 最小凈距（m）1.0B1.5B2.0B2.5B3.5B4.0B注：B隧道開挖斷面的寬度。由于影響兩相鄰隧道間距的因素很多，如圍巖的地質(zhì)條件、隧道斷面尺寸、先行隧道的襯砌情況、埋置深度、爆破用藥量以及施工方法等，而這些因素的影響又難以定量，因此表列的最小凈距建議值，在選用時(shí)還需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過工程類比、分析確定。小凈距隧道設(shè)計(jì)時(shí)的注意要點(diǎn)：必須是復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，支護(hù)參數(shù)應(yīng)按工程類比、計(jì)算分析綜合確定；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將中間巖柱的穩(wěn)定與加固作為設(shè)計(jì)與施工的重點(diǎn)來考慮；應(yīng)考慮相應(yīng)的施工方法，并提出各種施工方法

34、的具體要求；應(yīng)把中間巖柱的穩(wěn)定、淺埋段地表沉降、爆破振動(dòng)對(duì)相鄰洞室的影響作為監(jiān)控量測(cè)的主要內(nèi)容；當(dāng)、級(jí)圍巖占小凈距隧道總長(zhǎng)的80%以上時(shí)，最小凈距不宜小于0.3B；當(dāng)、級(jí)圍巖占小凈距隧道總長(zhǎng)的50%80%時(shí)，最小凈距不宜小于0.5B；當(dāng)、級(jí)圍巖占小凈距隧道總長(zhǎng)的50%以下時(shí)，最小凈距不宜小于0.75B；當(dāng)最小凈距小于0.3B時(shí)，宜采用連拱隧道；對(duì)最小凈距小于6m的中間巖柱，當(dāng)圍巖為、級(jí)時(shí)，宜用超前小導(dǎo)管注漿加固，對(duì)級(jí)圍巖宜用水平對(duì)拉錨桿加固，水平對(duì)拉錨桿的預(yù)加力宜為30100KN。當(dāng)最小凈距大于6m時(shí)，則可用系統(tǒng)錨桿取代；對(duì)小凈距隧道的爆破振動(dòng)速度允許臨界值，宜取為10cm/s。以上要點(diǎn)僅作參

35、考，不作設(shè)計(jì)依據(jù)。廣州地鐵二號(hào)線公園前紀(jì)念堂區(qū)間隧道，對(duì)雙線大斷面與單線小斷面兩隧道，凈距分別為0.85m、1.6m、4.0m進(jìn)行了“離心模型試驗(yàn)研究”和“數(shù)值模型研究”。計(jì)算模擬圖中的雙線隧道和單線隧道工法均與施工過程相同，雙線隧道采用CRD工法，以臨時(shí)中隔壁為界，遠(yuǎn)離單線隧道的一側(cè)稱之為C部，靠近單線隧道的一側(cè)稱之為D部。單線隧道采用臺(tái)階法，全斷面分上下兩個(gè)臺(tái)階。隧道開挖的斷面尺寸如圖6-2所示，最終結(jié)論有三點(diǎn)：第一點(diǎn)：先開挖小洞后開挖大洞，地面沉降值最大，小洞洞周塑性區(qū)和變形值均大于大洞；第二點(diǎn)：先開挖大洞，最先開挖大洞的D部（靠近小洞的一側(cè)），地面沉降值最??；第三點(diǎn)：中間巖柱未注漿時(shí)，

36、在大洞靠小洞的拱頂處存在塑性區(qū)，注漿后塑性區(qū)范圍大大減小。研究歸研究，在施工過程中為了確保工期，還是先開挖小洞后開挖大洞的，根本沒有管它的研究結(jié)論（研究單位：同濟(jì)大學(xué)、鐵二院、鐵十三局 2001.10）。至少此研究成果可供我們作設(shè)計(jì)參考。4、錨桿的長(zhǎng)度、間距及墊板問題錨桿分系統(tǒng)錨桿和局部錨桿兩大類。系統(tǒng)錨桿主要是對(duì)圍巖起整體加固作用，使圍巖在一定深度范圍內(nèi)形成拱形承載結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮圍巖巖體抗壓強(qiáng)度高的特點(diǎn)，發(fā)揮圍巖的自承能力，在圍巖條件較差時(shí)，應(yīng)采用系統(tǒng)錨桿。一般情況下系統(tǒng)錨桿應(yīng)沿隧道開挖輪廓線經(jīng)向布置。其布置形式有梅花型排列和矩形排列兩種，如圖6-3所示。 系統(tǒng)錨桿的長(zhǎng)度不宜太長(zhǎng)，當(dāng)錨桿長(zhǎng)度

37、大于4m時(shí)，鉆孔和注漿施工均較困難，有效錨固長(zhǎng)度難以保證，并且費(fèi)用也大。因此錨桿長(zhǎng)度單線隧道不宜大于3.0m，雙線隧道不宜大于3.5m，三線隧道不宜大于4.0m。系統(tǒng)錨桿的間距不應(yīng)大于錨桿長(zhǎng)度的1/2，且不宜大于1.5m。在、級(jí)圍巖中，錨桿間距宜為0.81.2m。這些規(guī)定是考慮到有利于相鄰錨桿的共同作用。永久支護(hù)的錨桿應(yīng)為全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿或預(yù)應(yīng)力注漿錨桿。其他類型的錨桿，如端頭錨固型錨桿、摩擦型錨桿是不能作為永久支護(hù)的。全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿是用水泥砂漿或樹脂作為填充粘結(jié)劑，使錨桿體和孔壁巖體粘結(jié)牢固，由此提供的摩擦阻力，阻止巖體位移，并通過安裝在孔口上的墊板、螺母對(duì)巖壁的約束力來抑制圍巖變形和承受圍巖

38、的松弛荷載。目前在地鐵礦山法隧道中使用最為廣泛的就是錨固性能可靠，具有長(zhǎng)期錨固效果的全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿。以往由于我們國(guó)家底子薄、鋼產(chǎn)量少，普通砂漿錨桿增加鋼墊板難度大，以及工程費(fèi)用增加多等情況，在設(shè)計(jì)及施工中大量采用的是無鋼墊板的螺紋鋼筋砂漿錨桿，實(shí)踐證明錨桿質(zhì)量很難保證。因此，在現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范中均認(rèn)為，鋼墊板是噴射砼與錨桿組成統(tǒng)一支護(hù)結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件。噴射砼雖可起到托板作用，但在先噴后錨的條件下，由于噴射砼與錨桿在其端頭處的連接并不牢靠，此種代替作用往往不能得到發(fā)揮。實(shí)踐證明，設(shè)鋼墊板可明顯地提高錨桿與噴射砼的綜合支護(hù)效果。因此在鐵路隧道工程中，規(guī)范要求必須推廣使用帶有鋼墊板的錨桿。錨桿孔口的墊板

39、應(yīng)緊貼壁面，未接觸部位必須楔緊。錨桿孔口光設(shè)墊板，其作用也不大，因此公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中還要求錨桿的墊板要通過螺母壓緊在壁面上。錨桿桿體露出巖面的長(zhǎng)度不應(yīng)大于噴射砼的厚度。這些規(guī)定希望設(shè)計(jì)者能遵照?qǐng)?zhí)行。鋼墊板的鋼材牌號(hào)為：Q235,尺寸不宜小于150mm150mm，厚度不宜小于6mm。局部錨桿的主要作用是阻止部分不穩(wěn)定巖塊崩落或滑移，通過錨桿將巖塊錨固在穩(wěn)定的巖體上，有效錨固端必須置于穩(wěn)定的巖體內(nèi)，如圖6-4所示。 錨桿長(zhǎng)度和錨固力的計(jì)算參數(shù)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查選定。錨固力T由下式計(jì)算： （6-1）當(dāng)單根錨桿錨固力tT時(shí)， （6-2）式中：W滑動(dòng)巖體的重力；f滑動(dòng)巖體與穩(wěn)定巖體內(nèi)的摩擦力；錨桿根數(shù)

40、。七、地層變位的原因礦山法隧道或盾構(gòu)法隧道在隧道開挖或盾構(gòu)掘進(jìn)的過程中，必然的也是不可避免的會(huì)對(duì)土層產(chǎn)生擾動(dòng)，這種擾動(dòng)導(dǎo)致了土體強(qiáng)度和壓縮模量的降低，從而便引起土體長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的固結(jié)和次固結(jié)沉降。當(dāng)?shù)貙幼冃纬^一定范圍時(shí)，就會(huì)危及到隧道周邊建筑物和地下管線的安全。地層變位的因素有以下幾種原因：1、由于土體的開挖破壞了原有地層應(yīng)力的平衡狀態(tài)，土體為了建立新的平衡就得進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)部的重新調(diào)整，這種調(diào)整過程是緩慢的，因此反映到地面的沉降也是逐漸的。2、隧道開挖后地下水的流失使土體的有效應(yīng)力增加，從而引起土體的固結(jié)變形。3、隧道初襯背后砼噴射的不密實(shí)鋼格柵成環(huán)封閉后又未能及時(shí)進(jìn)行回填注漿，引起了地層損失。4

41、、在水土壓力作用下隧道襯砌變形也會(huì)引起小量的地層損失。八、隧道施工對(duì)鄰近建筑物的保護(hù)措施1、降水法降水法是一種穩(wěn)定土層的施工方法。通過排除地層中的地下水，使地下水位降低，以此來防止在含水砂層中由于從開挖面涌水而發(fā)生塌方事故。此法在西安地鐵和成都地鐵正在大量使用，所有明挖基坑、含水砂層、砂卵石層，飽和軟黃土層的區(qū)間隧道都普遍采用深井降水。2、注漿加固法注漿加固法大致有滲透注漿（土的顆粒直徑0.05mm），劈裂注漿（土的顆粒直徑0.01mm），壓密注漿（適用于軟土、漿液中含有一定級(jí)配的砂粒），噴射注漿（高壓射流的沖擊、擾動(dòng)、切削、攪拌作用）以及水泥土攪拌樁五大類。注漿加固法的特點(diǎn)是：加固后的土體強(qiáng)度較大，防滲性能會(huì)顯著提高；加固的范圍和深度可以根據(jù)需要加以控制；見效快、施工周期短。上海延安東路隧道施工期間對(duì)某建筑的地基加固之前的沉降為200mm/d，而注漿加固后的沉降速度為2mm/d。地鐵五號(hào)線淘區(qū)區(qū)間郵電新村樓房基礎(chǔ)也采用過注漿加固。3、凍結(jié)法其他方法估計(jì)對(duì)穩(wěn)定開挖面土體或建筑物基礎(chǔ)土體有困難時(shí)，可用凍結(jié)施工法。這種方法就是將土體中的水低溫凍結(jié)形成凍土，凍土具有一定的強(qiáng)度和隔水性能，可以保證開挖的安全。此法在地鐵二號(hào)線海珠廣場(chǎng)公園前