隧道施工知識要點總結(jié)(上冊)

1、第一部分 概述1隧道施工的技術(shù)特性地下結(jié)構(gòu)物是多種多樣的，構(gòu)筑地下結(jié)構(gòu)物的施工技術(shù)也是多種多樣的。這些施工技術(shù)的形成和發(fā)展是與地下結(jié)構(gòu)物的施工特性有關。因此，首先要充分了解地下施工的基本特性。概括地說，地下施工具有以下特性。隱蔽性大；作業(yè)的循環(huán)性強；作業(yè)空間有限；作業(yè)的綜合性；施工是動態(tài)的，施工過程的力學動態(tài)是變化的，圍巖的物理力學性質(zhì)也是變化的；作業(yè)環(huán)境惡劣；作業(yè)的風險性大。各種施工技術(shù)必須考慮這些特性，才能夠發(fā)揮其作用。地下結(jié)構(gòu)物竣工后，我們只能看到外觀的面貌，而其內(nèi)部及結(jié)構(gòu)物背后的狀態(tài)是隱蔽的。嚴格意義上說，地下工程就是一個隱蔽工程。我們要求結(jié)構(gòu)物做到“內(nèi)實外美”，就是說，要把隱蔽的工程

2、做到實處，不留后患。一般的地下結(jié)構(gòu)物都是縱長的，施工是嚴格地按照一定的順序循環(huán)作業(yè)的。如開挖就是按照“鉆孔裝藥爆破通風出碴”的循環(huán)，一步一步地循環(huán)開挖，直到最后隧道貫通。這種循環(huán)性是地下施工最具特色的一點。也是我們組織施工的基本原則。地下結(jié)構(gòu)物通常都是在地下一定深度修筑的。結(jié)構(gòu)物的尺寸就受到極大限制，這也就決定了施工空間的尺寸和形狀。在有限的空間內(nèi)進行施工，投入的人力和機械，都不能夠“暢所欲為”，都要考慮有限空間這個特點。因此像地面工程使用的大型機械，是很難在地下工程中發(fā)揮其作用的，必須采用適合地下工程有限空間的施工機械和施工方法。地下施工是由多種作業(yè)構(gòu)成，開挖、支護、出碴運輸、通風及除塵、防

3、水及排水、供電、供風、供水等作業(yè)，缺一不可。每一項作業(yè)搞得不好都會影響全局。因此，地下施工的綜合性很強。這就要求我們必須有良好的施工管理和施工組織的經(jīng)驗，才能使工程有序地快速進展。地下結(jié)構(gòu)的力學動態(tài)是極為復雜的，其復雜程度直到目前，還有許多不清楚的地方。我們只能在修筑地下結(jié)構(gòu)物的整個過程中，逐漸地去認識和理解它的力學狀態(tài)的變化，并通過各種手段極力控制和調(diào)整結(jié)構(gòu)的力學狀態(tài)變化。施工過程，從力學角度看，就是控制和調(diào)整這個力學狀態(tài)變化的過程。施工技術(shù)也就是控制和調(diào)整這個力學狀態(tài)的手段和方法。理解這一點是極為重要的。地下施工的作業(yè)環(huán)境，比較差，黑暗、潮濕、粉塵多，在惡劣的地質(zhì)條件下，還有安全的問題。因

4、此，如何創(chuàng)造一個安全、舒適和工廠化的作業(yè)環(huán)境，就成為地下施工技術(shù)要解決的重要課題。最后，風險性與隱蔽性是關聯(lián)的，施工人員必須經(jīng)常關注隧道施工的風險性。特別是在不良地質(zhì)條件下，更要有風險意識和應變意識。目前，在地下工程，也包括隧道施工中出現(xiàn)的問題，許多是由于對上述的地下施工特性認識不充分或沒有認識所造成的。因此，提高對地下施工特性的認識是十分必要的。2隧道施工的現(xiàn)狀與問題改革開放以來，我國鐵路、公路、水電站等山嶺隧道工程的發(fā)展又進入了一個新的時期。到2000年我國已有公路隧道1684座，總長達628km，到1998年底鐵路運營隧道約5336座，總長達2565km。這不僅表現(xiàn)在隧道數(shù)量的增加，也表

5、現(xiàn)在隧道長度上有所突破，如長度超過12km的長梁山隧道、西安安康線上的長18.6km的秦嶺隧道、正在修建的長達18km的終南山公路隧道，以及小浪底水電工程中的地下群體的修建，另一項突破表現(xiàn)在施工技術(shù)上，如秦嶺的1線隧道是采用直徑8.8m的全斷面掘進機（TBM）修建的，這標志著我國鐵路隧道施工技術(shù)的進步和成熟。在鐵路隧道中，已不再單純地依靠鉆爆法修建隧道，也采用非鉆爆的機械開挖法進行隧道的修建。正在修建和預計修建的長度超過4km以上的公路隧道，包括大斷面（3車道或4車道、雙聯(lián)拱隧道等）的公路隧道也不斷出現(xiàn)。特別是在加強鐵路、公路建設的新高潮中，不同長度、不同類型的山嶺隧道大量涌現(xiàn)。因此，隧道技術(shù)

6、的發(fā)展，面臨一個新的機遇和挑戰(zhàn)。從目前的工程實際出發(fā)，在今后很長一段時期內(nèi)，礦山法仍然是修建山嶺隧道的主流方法，是其他方法不可能代替的。因此，改造和完善礦山法及其相關施工技術(shù)，仍然是刻不容緩的，必須及時總結(jié)經(jīng)驗、適應形勢發(fā)要求、不斷提高山嶺隧道礦山法的施工技術(shù)水平。在隧道施工中最重要的是選擇合理的施工方法。在長期的工程實踐中，我國已經(jīng)積累了相當豐富的經(jīng)驗和理論，逐漸形成了具有中國特色的隧道施工方法體系。隧道施工過程和方法是多種多樣的，目前在我們經(jīng)常采用的礦山法中大致有全斷面法、臺階法和分部開挖法三大類。在當前的施工實踐中，采用最多的方法是臺階法，其次是全斷面法。在大斷面隧道中，單側(cè)壁導坑（中隔

7、壁法）和雙側(cè)壁導坑（眼鏡法）采用較多。由于施工機械的開發(fā)和輔助工法的采用，施工方法有向更多地采用全斷面法，特別是全斷面法與短臺階法結(jié)合的發(fā)展趨勢。也就是說，施工方法有向全地質(zhì)型方法轉(zhuǎn)變的趨勢。因此，目前選擇施工方法，并不完全決定于地質(zhì)條件。地質(zhì)條件僅僅是選擇施工方法的一個因素，而更強調(diào)的是：施工方法必須符合快速、安全、質(zhì)量及環(huán)境的要求。其中環(huán)境因素有時成為選擇施工方法的決定性因素。因此，選擇施工方法時須考慮的基本因素大體上可歸納為：1施工條件：實踐證實,施工條件是決定施工方法的最基本的因素，它包括一個施工隊伍所具備的施工能力、素質(zhì)以及管理水平。目前我國隧道施工隊伍的素質(zhì)和施工裝備水平，有高有低

8、，參差不齊，因此，在選擇施工方法時，不能不考慮這個因素的影響。2圍巖條件：也就是地質(zhì)條件，其中包括圍巖級別、地下水及不良地質(zhì)現(xiàn)象等，圍巖級別是對圍巖工程性質(zhì)的綜合判定，對施工方法的選擇起著重要的甚至決定性的作用。從施工技術(shù)的發(fā)展趨勢看，地質(zhì)條件雖然是重要的，但基本施工方法的變化卻不顯著，例如全斷面法和超短臺階法的結(jié)合以及全地質(zhì)型掘進機及自由斷面掘進機等的開發(fā)都說明了這一點。3隧道斷面積：隧道尺寸和形狀，對施工方法選擇也有一定的影響。目前隧道斷面有向大斷面方向發(fā)展的趨勢，如公路隧道已開始修建3車道甚至4車道的大斷面，水電工程中的大斷面洞室，更是屢見不鮮。在這種情況下，施工方法必須適應其發(fā)展。在單

9、線和雙線的鐵路隧道、雙車道公路隧道中，越來越多地采用了全斷面法及臺階法；而在更大斷面的隧道工程中，先采用各種方法先修小斷面的導坑，再擴大形成全斷面的施工方法極為盛行。4埋深：隧道埋深與圍巖的初始應力場及多種因素有關，通常將埋深分為淺埋和深埋兩類，有時將淺埋又分為超淺埋和淺埋兩類。在同樣地質(zhì)條件下，由于埋深的不同，施工方法也將有很大差異。 5工期：作為設計條件之一的施工工期，在一定程度上會影響基本施工方法的選擇。因為工期決定了在均衡生產(chǎn)的條件下，對開挖、運輸?shù)染C合生產(chǎn)能力的基本要求，即對施工均衡速度、機械化水平和管理模式的要求。 6環(huán)境條件等：當隧道施工對周圍環(huán)境產(chǎn)生爆破振動、地表下沉、噪聲、地

10、下水條件的變化等不良影響時，環(huán)境條件也應成為選擇隧道施工方法的重要因素之一，在城市條件下，甚至會成為選擇施工方法的決定性的因素。在施工方法中應該澄清一個問題。就是對新奧法的認識問題。目前大家對新奧法的認識并不完全一致，有的認為它是一種施工方法，有的認為它是一種概念、理念或原則。我認為這種爭論是沒有什么實質(zhì)性的意義的。地下工程的修建已經(jīng)有了很長的歷史，我們積累的經(jīng)驗和教訓是十分豐富的，象日本的“隧道十訓”、奧地利的“22點原理”我國的“十六字經(jīng)”等等，而且出現(xiàn)了許多以“國”命名的方法，如英國法、法國法以及德國法、比利時法以及近期出現(xiàn)的挪威法等等。這些方法雖然是以當時的技術(shù)條件和技術(shù)理論形成的，但

11、它也同樣體現(xiàn)了隧道施工的基本原則。如，充分利用圍巖的自支護能力、支護要及時等。大家知道，暗挖法是針對明挖法而言的。礦山法則是暗挖法中的一種方法，而新奧法則是礦山法中的一種方法。因此，從嚴格的意義上說，新奧法，與過去所謂的上下導坑法、漏斗棚架法等是雷同的方法。但它是以新發(fā)展的施工技術(shù)（噴混凝土、錨桿等）為依托的方法。這也是新奧法命名的基本原因，別無其他。正像挪威法是以鋼纖維噴混凝土作為永久支護為依托的方法一樣。在長期的工程實踐中，不管是哪種方法，都必須正確地堅持隧道施工的基本原則。這些原則是在長期的施工實踐中積累起來的經(jīng)驗、教訓的結(jié)晶，而且也是得到理論研究所證實的。歸納起來，施工中，不管采用哪種

12、方法，都必須遵循的基本技術(shù)原則是： 1）因為圍巖是隧道的主要承載單元，所以在施工中充分保護和愛護圍巖，避免過度破壞和損傷遺留圍巖的強度，使暴露的圍巖盡量保留既有的質(zhì)量，是最重要最基本的原則。這在任何施工方法中都是一樣的。像古老的黃土窯洞、無襯砌的巖石洞室等的修建就完全遵守了這個原則。 2）為了充分發(fā)揮圍巖的結(jié)構(gòu)作用，應容許圍巖有控制的變形，一方面容許變形達到不在圍巖中形成松弛的量級，一方面必須限制它，使圍巖不會過度松弛而喪失或大大降低承載能力；而在淺埋或地表下沉受到控制的條件下，及時控制變形和松弛及其發(fā)展是異常重要的。 3）變形的控制主要是通過支護阻力（即各種支護結(jié)構(gòu)）的效應達到的。因此，在施

13、工中必須合理地決定：支護結(jié)構(gòu)的類型、支護結(jié)構(gòu)參與工作的時間、各種支護手段的相互配合、斷面封閉時間、一次掘進長度等。 4）在施工中，必須進行實地量測監(jiān)控，及時提出可靠的、足夠數(shù)量的量測信息，以指導施工和設計。有人認為，量測是“新奧法”的重要組成部分，實際上，在新奧法之前，量測監(jiān)控的技術(shù)早已存在，例如，量測木支撐的橫梁彎曲（撓度），用錘擊法判定支柱的受力狀況等。即使從今天的眼光看，這些技術(shù)仍然有其實用價值。5）在選擇支護手段時，一般應選擇能大面積的、牢固的與圍巖緊密接觸的、能及時施設和應變能力強的支護手段。因此，多采用噴混凝土、并與錨桿、金屬網(wǎng)聯(lián)合使用，有時也要與鋼支撐或格柵等配合使用；臨時仰拱也

14、是重要的、不容忽視的支護手段。 6）要特別注意，隧道施工過程是圍巖力學狀態(tài)不斷變化的過程。減少分部，也就有可能減少因分部過多而引起的圍巖內(nèi)的應力變化和圍巖的松弛，因此，在有可能的條件下，應盡量采用全斷面或大斷面分部的開挖方法。7）在任何情況下，使隧道斷面能在較短時間內(nèi)閉合是極為重要的，在巖石隧道中，因圍巖的結(jié)構(gòu)作用，能夠“自封閉”。而在軟弱圍巖中，則必須改變“重視上部、忽視底部”的觀點，應盡量采用能先修筑仰拱（或臨時仰拱）或底板的施工方法，使斷面及早封閉。8）為保證二次襯砌的質(zhì)量和整體性，在任何情況下，都應采用先墻后拱的施工順序。 9）在隧道施工過程中，必須建立設計施工檢驗地質(zhì)預測量測反饋修正

15、設計的一體化的設計施工管理系統(tǒng)，以不斷地提高和完善隧道施工技術(shù)。在實際的施工過程中，這些原則也不是一成不變的，應該結(jié)合實際情況進行完善和提高。我國近3000km的鐵路隧道和近700km的公路隧道，基本上是采用礦山法修筑的，目前出現(xiàn)的主要問題集中在以下幾個方面：1施工階段地質(zhì)判釋的技術(shù)不完善，缺乏有效的判釋方法和手段；2隧道施工方法，特別是軟弱破碎圍巖的施工方法的工廠化程度有待提高；3在施工中沒有牢固樹立“保護圍巖、愛護圍巖”的觀點和理念；不能有效地控制對遺留圍巖的損傷和松弛；4“重外美、輕內(nèi)實”，結(jié)構(gòu)存在隱患；如：襯砌背后充填不密實，甚至留有空洞；襯砌厚度不足，有的嚴重不足；襯砌初期開裂普遍存

16、在；基底處理不徹底，運營不久出現(xiàn)翻漿冒泥現(xiàn)象等；5地下水處理始終是薄弱環(huán)節(jié)，防水工程質(zhì)量欠佳，滲水、漏水現(xiàn)象時有發(fā)生；6環(huán)境意識薄弱，洞內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境欠佳，減少對周邊環(huán)境和結(jié)構(gòu)物影響的措施不力；7施工階段的工程質(zhì)量的檢測體制不完善，更為重要的是缺乏有效的檢測手段和方法；8應變能力不強，一旦出現(xiàn)施工災害，有時束手無策；9沒有真正地實現(xiàn)動態(tài)施工和管理。實質(zhì)上，這幾點也就是衡量我們隧道施工水平的重要標志。我國與一些發(fā)達國家相比，在技術(shù)上的差距，也就在于此。出現(xiàn)這些問題主要與施工技術(shù)和施工管理有關。當然隧道工程中存在的問題是多方面的，有設計、施工方面的，也有業(yè)主、監(jiān)理方面的；有深層次上的問題，也有面上

17、的問題。但總的來看，施工技術(shù)和嚴格的施工管理是關鍵。隧道施工的基本理念根據(jù)作者的體會，針對目前存在的問題，隧道施工的要點，歸納起來就是四句話：“愛護圍巖”、“內(nèi)實外美”、“重視環(huán)境”和“動態(tài)施工”。這也就是隧道施工的四大理念。所謂“愛護圍巖”有兩層含義，一層含義是不損傷或少損傷遺留圍巖的固有支護能力，這可以通過采用機械開挖技術(shù)和控制爆破技術(shù)預以解決。一層含義是通過各種手段和方法，如采用支護技術(shù)、加固或預加固技術(shù)以及各種輔助施工技術(shù)等增強圍巖的自支護能力。這些技術(shù)形成了隧道施工的核心技術(shù)。所謂“內(nèi)實外美”，關鍵是內(nèi)實。而內(nèi)實的關鍵就是要最到“四密實”，即混凝土密實、噴混凝土密實、噴混凝土與圍巖密

18、實（貼）、二次襯砌與初期支護密實（貼）。這牽涉到混凝土、噴混凝土、回填、支護接觸等技術(shù)。所謂“重視環(huán)境”，也有兩層含義，一層含義是指內(nèi)部環(huán)境，即施工作業(yè)環(huán)境；一層是對外部環(huán)境，即對周邊環(huán)境的影響。重視環(huán)境是時代的要求，許多環(huán)境技術(shù)都是因時代的變遷而得到發(fā)展，許多基準都是因環(huán)境的要求而制定。根據(jù)暴露出來的圍巖狀態(tài)，采取對策，是隧道施工的基本原則。這里所謂“動態(tài)施工”是指：隧道施工過程中的地質(zhì)條件是不斷變化的；其力學動態(tài)也是不斷變化的，因此，施工過程就不可能是一成不變的。我們在施工過程中采用的各種施工方法和技術(shù)都是為了適應這種“動態(tài)”變化的。因此，隧道施工的各種決策都要在施工階段的地質(zhì)技術(shù)、施工階

19、段的量測技術(shù)和施工階段的質(zhì)量控制技術(shù)的基礎上進行管理。這也就是動態(tài)施工的基本含義。歸根結(jié)底，一句話，就是必須不斷地提高隧道施工的工廠化技術(shù)和施工管理的水平。本施工要點集，就是根據(jù)以上幾方面存在的問題、施工的基本原則和作者的經(jīng)驗，分析存在問題的原因和提出解決問題的方法和途徑，供現(xiàn)場技術(shù)人員參考。第二部分 施工階段的地質(zhì)判釋技術(shù)隧道施工人員，在施工中會遇到各種地質(zhì)現(xiàn)象。隧道施工，通俗地說，就是“與山斗”、“與水斗”、“與地質(zhì)斗”。因此，了解山與水，認識地質(zhì)，就成為隧道技術(shù)人員的“基本功”。在施工過程中，不可能完全依靠地質(zhì)人員來解決地質(zhì)問題，要把解決問題的“主動權(quán)”控制在自己手中。前面我們提到，愛護

20、圍巖、保護圍巖是隧道施工的最重要的原則，而其前提是要充分認識和了解圍巖。因此，如何認識和了解圍巖，也就成為施工技術(shù)人員的重要而迫切的義務。我們的工程技術(shù)人員，由于學校教育的局限性和現(xiàn)場管理體制的不同，最感到欠缺的是地質(zhì)知識和經(jīng)驗。而隧道和地下工程又正是天天與地質(zhì)環(huán)境打交道的工程。因此，對工程技術(shù)人員來說，必須加強這方面的鍛煉，在實際工作中，不斷地積累和獲取這方面的知識，不斷地提高對各種地質(zhì)現(xiàn)象的判釋水平。因此，下面扼要地說明與我們關系密切的幾個地質(zhì)問題。施工要點一 施工階段圍巖級別的評定 在施工中，因圍巖級別的變動而變更設計（支護結(jié)構(gòu)參數(shù)、施工方法等）的情況是屢見不鮮的。有的隧道，在施工過程中

21、，變更設計達原設計的20%50%，不僅延誤了工期，也提高了施工成本，同時給工程質(zhì)量也造成一定的影響。造成這種現(xiàn)象的原因是多方面的，但主要是施工前的地質(zhì)工作不到位、缺乏有效的圍巖級別判定的方法，而更為重要的是：我們對施工中的地質(zhì)工作缺乏足夠地認識，也缺乏有效的判釋方法和手段。由于隧道的技術(shù)特性，近年來，各國都非常重視施工階段的地質(zhì)工作。因為大家認識到：只有開挖暴露出來的地質(zhì)狀態(tài)，才能使我們比較客觀、可靠地了解在施工過程中出現(xiàn)的一些現(xiàn)象和問題，才能使我們采取最符合地質(zhì)狀態(tài)的施工和支護措施。但如何根據(jù)暴露出來的地質(zhì)狀態(tài)，來評價圍巖的動態(tài)，又成為施工中的關鍵。在隧道施工中，根據(jù)施工前階段的調(diào)查進行的設

22、計，都是屬于預設計。其正確性、與實際的符合程度，都有待施工中的檢驗。因此，在施工過程中，要進行地質(zhì)調(diào)查、掌子面觀察及量測，對暴露的圍巖進行評價，并將其結(jié)果有效地反饋于下述目的：確認和修正圍巖級別并迅速而合理地反映到設計和施工中；確認施工中隧道結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，同時，確保施工的經(jīng)濟性；積累資料，作為類似條件下隧道施工的的參考。這就是施工地質(zhì)的任務和要求。目前問題的關鍵是：如何根據(jù)施工中的調(diào)查、觀察及量測等對圍巖進行評價，采用什么樣的方法，根據(jù)什么樣的準則來進行評價。施工階段圍巖級別的評定方法，目前主要兩類：一類是根據(jù)開挖暴露出來的掌子面觀察的方法，一類是根據(jù)量測的方法。目前，國內(nèi)外在隧道及地下工程

23、施工中進行圍巖評價，主要是根據(jù)掌子面的觀察來進行的。這是比較簡便而現(xiàn)實的方法。量測方法也是判定圍巖狀態(tài)的好方法，但量測結(jié)果的處理要很長的時間，因而當?shù)刭|(zhì)條件變化激烈時很難適應。此外量測也需要投入大量的儀器和時間，對施工作業(yè)有一定的干擾。地質(zhì)超前預報的方法是在必要時采取的方法，沒有普遍性。因此，利用掌子面觀察的方法，就成為進行圍巖評價的主要方法。作為工程技術(shù)人員應該掌握這種方法的實質(zhì)和內(nèi)涵。 洞內(nèi)觀察是為掌握地質(zhì)狀況，確認支護效果及決定支護參數(shù)等而實施的。掌子面觀察是當新的掌子面出現(xiàn)后首先進行的觀察。要繪制掌子面觀察（素描）圖，進行攝影等。在施工中應充分利用觀察到的資料，及時判釋，來完善支護體系

24、和施工方案。這種觀察主要通過目視，也可以采用攝影的方法觀察掌子面的地質(zhì)狀態(tài)和地質(zhì)的變化狀況。觀察中應具體地記錄以下各項并描繪掌子面地質(zhì)素描圖。地質(zhì)狀況及其分布、性質(zhì)和掌子面自穩(wěn)性；圍巖的軟硬、裂隙間距及方向等圍巖狀態(tài)；斷層的分布、走向、粘土化程度等；涌水地點、涌水量及其狀態(tài)；軟弱層的分布。 應該說，工程技術(shù)人員，通過掌子面地質(zhì)觀察技術(shù)的積累，會不斷地豐富自身的地質(zhì)知識和經(jīng)驗，從而提高自身的地質(zhì)工作的素質(zhì)。在掌子面觀察的方法中，一個關鍵的問題，就是對觀察到的地質(zhì)素材進行分類和分級。表1是鐵路隧道施工階段的掌子面觀察記錄表。表1 掌子面地質(zhì)觀察記錄表工程名稱位置 里 程評 定 距洞口距離(m)巖性

25、 指標 巖石類型(名稱) 粘結(jié)力c= MPa； = 硬巖中硬巖軟巖極軟巖土單軸抗壓極限強度Rb MPa點荷載強度是 MPa變形模量E GPa泊松比=天然重度 kNm3其他巖體完整狀態(tài)地質(zhì)構(gòu)造影響程度輕 微較 重嚴 重很嚴重完 整較完整較破碎破 碎松 散間距(m)1.50.61.50.20.60.060.20.06地質(zhì)結(jié)構(gòu)面延伸性極差差中等好極好粗糙度明顯、臺階狀粗糙、波紋狀平整光滑平整光滑、有擦痕張開性(mm)密閉 1.0粘土充填風化程度未風化微風化弱風化強風化劇風化說明地下水滲水量(Lmin10m) 2002100203205041.021.00.230.20.054100210050350

26、204205*510021005035020*42055200 13 2.5J中等地應力20010 130.661.0K高地應力105 0.660.330.52L微弱的巖爆52.5 0.330.16 510M強烈?guī)r爆2.540030040020030010020045354525351525100210020320541.020.21.030.050.2041.0結(jié)合好整體狀或巨厚層狀結(jié)構(gòu)0.75較完整23 1.00.4結(jié)合好塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)0.750.55較破碎3 0.40.2結(jié)合好鑲嵌破碎狀結(jié)構(gòu)0.550.35結(jié)合一般中薄層狀結(jié)構(gòu)破碎3 0.2結(jié)合差裂隙塊狀結(jié)構(gòu)0.350.15松散 0.2

27、破碎結(jié)構(gòu)結(jié)合很差散體狀結(jié)構(gòu)100100100厚中層，裂隙發(fā)育100501005010050薄層，裂隙發(fā)育502050205020破碎帶205205205斷層帶55907590507525500.750.50.750.350.500.200.350.2體裂隙系數(shù)75由此可見,在施工階段可采用多種指標進行圍巖完整性的評價，其中有的是定量的，有的是定性的。因此評價圍巖完整程度時，能定量的就采用定量的指標,不能定量的就采用屬性指標。這是符合工程實際的。從圍巖完整程度的分級看，多數(shù)是將圍巖完整程度分為5級。即：完整、較完整、較破碎、破碎和極破碎。施工分級主要采用表1所列的綜合指標進行判定。即：地質(zhì)構(gòu)造影

28、響程度、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度和風化程度三個定性因素進行判定。同時亦可根據(jù)施工中可能獲得的定量指標，如表中所列的裂隙系數(shù)、體裂隙系數(shù)或彈性波速度等，進行完整程度的判定。 利用掌子面觀察的評價方法是很多的，而且在實際工作中，都得到了一定的應用。從整體上看，掌子面觀察方法仍然是一種經(jīng)驗的解決方法。其可操作性、實用性、適應性都很強，因此，應用較廣。采用掌子面觀察方法應該注意以下幾個問題：1）要進行綜合的評價 在評價時，不僅要根據(jù)掌子面暴露處理的地質(zhì)狀態(tài)進行評價，還要結(jié)合施工前的地質(zhì)素材和施工中圍巖的動態(tài)等，特別是量測數(shù)據(jù)，進行綜合評價。這是極為重要的。2）要與地質(zhì)變化相對應 根據(jù)施工階段掌子面觀察和量測結(jié)果

29、進行評價，選擇支護結(jié)構(gòu)時，常常是遲后于地質(zhì)條件的變化，因此掌握地質(zhì)變化的大致規(guī)律是很重要的。眾所周知,施工前的圍巖分級主要是根據(jù)勘測階段的地質(zhì)素材進行的。由于受地質(zhì)勘測手段的限制,常常不能獲得充分可靠的判定圍巖類別的數(shù)據(jù),這是正常的。因此,施工后修改圍巖類別的情況,是屢見不鮮的。而施工階段,由于開挖,圍巖暴露,可根據(jù)暴露的圍巖狀況直接地對圍巖的性態(tài)和動態(tài)進行判定。并以此來修正設計和施工的方案。因此,各國都加強了隧道的施工地質(zhì)工作, 并提出了許多圍巖分級的評定建議。3）掌握圍巖的特性 評價時要充分考慮圍巖的特性，例如，位移值是因圍巖級別、巖種等而有所不同。在裂隙發(fā)育的圍巖中，隧道的穩(wěn)定性是受裂隙

30、的發(fā)育程度控制的；涌水會使圍巖軟化等。其次,圍巖類別的判定在多數(shù)情況下是通過定性描述的指標進行的,如: 地質(zhì)構(gòu)造影響嚴重與否,裂隙發(fā)育如何,圍巖是否穩(wěn)定等等,也就是說,是通過一些屬性指標來判定的。這就避免不了判定上的人為因素的影響。如何避免人為因素的影響, 或是提高判定數(shù)據(jù)的可靠性是我們需要關注的問題。考慮到目前采用的屬性指標的實際情況,一些與屬性指標量化有關的數(shù)學方法,如模糊聚類分析,數(shù)量化理論等,被引進到圍巖分級中來。這也是圍巖分級評定方法的重要發(fā)展。 4）判斷基準的修正 為使掌子面觀察的評價更合理，在根據(jù)已經(jīng)獲得的數(shù)據(jù)和基準進行評價時，應不斷地修正判斷基準，并將其反映到未施工的地段中，這

31、也是很重要的。5）掌子面攝影方法的修正由于地質(zhì)勘查技術(shù)的發(fā)展，目前已有可能通過掌子面攝影的方法對圍巖進行評價。這完全可以消除人為觀察的失誤。利用掌子面的照片畫像處理技術(shù)，獲得掌子面的地質(zhì)信息，從而為圍巖分級提供可靠的信息。同時此一信息還可為支護結(jié)構(gòu)的選擇提供依據(jù)。因此，建立掌子面攝影畫像處理確定圍巖級別的一體化手段應是我們今后研究的主要課題。施工要點二數(shù)碼相機攝影及畫像處理方法在地質(zhì)判釋中的應用 概述目前一些國家在隧道及地下工程中，采用數(shù)碼相機攝取有關掌子面及隧道斷面的有關數(shù)據(jù)，如地質(zhì)數(shù)據(jù)、變形數(shù)據(jù)，就可以比較方便、可靠地推定圍巖的級別、進行三維的地質(zhì)分析以及進行隧道凈空變形的觀測等。這是一項

32、具有發(fā)展前景的高科技含量的技術(shù)信息技術(shù)在地下工程中的具體應用。該方法設備簡單，僅僅需要數(shù)臺較高分辨率的數(shù)碼相機及相應的附屬配件。例如，在隧道圍巖分級中，重點是如何在施工階段的掌子面上獲取分級所需的基本要素（地質(zhì)要素），因此，如何可靠地、快速地、客觀地取得掌子面地質(zhì)數(shù)據(jù)是至關重要的。目前在多數(shù)情況下是通過地質(zhì)技術(shù)人員，根據(jù)既定的記錄格式，進行實錄填寫。如填寫人員無實際經(jīng)驗，往往造成填寫漏項或失誤，而導致圍巖分級的判斷不正確或失誤。日本從20世紀90年代開始，就采用地質(zhì)畫像處理技術(shù)對掌子面的地質(zhì)條件進行畫像處理，提煉出與圍巖分級有關的參數(shù)，對圍巖分級進行修正。此方法不僅適用于圍巖分級的修正，也可用

33、來進行掌子面前方的地質(zhì)預測，以及對襯砌開裂的觀察、隧道斷面形狀、變形的測試等。如日本京都大學，提出的用數(shù)碼相機進行隧道凈空位移量測的研究成果，其精度達到1mm，滿足了隧道凈空位移量測的要求。此外，采用數(shù)碼相機進行襯砌及支護表面開裂的觀察，推定襯砌及支護的受力狀態(tài)，也取得了一定的成果。由此可見，數(shù)碼相機畫像處理方法在隧道中的應用，是有重要影響和工程意義的。地質(zhì)素描及掌子面前方地質(zhì)預測畫像系統(tǒng)是由畫像測定、畫像處理及地質(zhì)解析3部分（圖1）構(gòu)成的。利用數(shù)碼相機和畫像處理技術(shù)，把畫像中豐富的數(shù)據(jù)、素材提煉出來，解決有關問題。 畫像攝影系統(tǒng)掌子面周邊原畫像 畫像處理系統(tǒng) 原畫像處理 分割畫像處理 畫像處

34、理 不連續(xù)面信息 巖類巖級信息 地質(zhì)解析系統(tǒng) 地質(zhì)解析 不連續(xù)面同定 優(yōu)先度判定 巖類巖級劃分判定 掌子面前方地質(zhì)預測 圖1 掌子面畫像系統(tǒng)此技術(shù)可利用掌子面超前鉆孔或超前導坑坑壁的畫像信息，或利用主洞和襯砌的畫像處理信息，用計算機處理等方法進行（圖2）。采用的主要儀器概況列于表1。圖2畫像量測系統(tǒng)概貌表1 主要儀器一覽表畫像量測小直徑巖孔畫像量測裝置超小型CCD相機、IK-M32、30萬畫素、水平解像度360TV線以上、垂直解像度350TV線以上導坑畫像量測裝置TMC-574S、有效畫素570（水平）485（垂直）、水平解像度320TV線以上、垂直解像度310TV線以上、球面鏡掌子面畫像量測

35、裝置TMC-574S、有效畫素570（水平）485（垂直）、水平解像度320TV線以上、垂直解像度310TV線以上、記錄儀畫像處理畫像收錄及展開處理BIPS-C25、16bit CPU、彩色RGB、8bit、分解能256像素、記錄媒體MT及VTR通用畫像處理裝置彩色RGP 8bit、分解能512像素480像素、畫像解析處理裝置YHP318、32bit、主存儲容量 4MB、3.5英寸磁盤、20MB MT畫像輸入輸出處理裝置激光復印機 解像度400dpi、彩色RGP 地質(zhì)解析解析用計算機PC-H98 CPU 486SX 主存儲容量 5MB （1）畫像量測小直徑巖孔畫像量測是采用鑿巖機向掌子面前方鉆

36、孔，將攝影裝置插入，觀察孔壁的狀況。攝影裝置是直徑25mm、長460mm，巖孔直徑是30mm以上。適用深度約在30m以內(nèi)。掌子面畫像量測是用能夠走行、回轉(zhuǎn)的相機攝取帶狀的分割畫像，來掌握掌子面和周邊的地質(zhì)信息而進行的。導坑畫像量測是把小直徑巖孔的量測技術(shù)擴展到數(shù)米直徑的坑道，來觀察洞壁的狀況。其機器的構(gòu)成示于圖3。圖3是 坑道畫像量測的機器構(gòu)成圖3 坑道畫像量測儀器構(gòu)成（2）畫像處理畫像處理系統(tǒng)是經(jīng)過模擬/數(shù)碼變換、過濾處理等處理，變換成展開畫像。基本的畫像展開處理方法如圖3所示，把CCD的畫像信號經(jīng)過A/D變換存儲在原畫像用的框架中。在此原畫像上從隧道中心以任意的半徑R為圓周位置上的畫像數(shù)據(jù)

37、，從始點P順時針方向回轉(zhuǎn)讀出，并把它存儲到展開畫像用的框架中。（3）地質(zhì)解析根據(jù)這些展開畫像和分割畫像就可以提煉出能夠表征解析斷層、節(jié)理和巖類等所需要的畫像數(shù)據(jù)。地質(zhì)解析系統(tǒng)對龜裂的各種統(tǒng)計量（龜裂間距、龜裂密度、單位面積的龜裂的總延長等）、斷層、節(jié)理的走向傾角、孔壁和圍巖的RQD、巖質(zhì)、風化度等地質(zhì)變量等用畫像解析進行量化評價?；谶@些解析結(jié)果，就可以預測掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造、斷層、節(jié)理和開挖面的交差狀態(tài)，同時也可以根據(jù)液壓鑿巖機的鉆孔數(shù)據(jù)（鉆孔深度、鉆孔聲等）評價圍巖的健全度，預測圍巖等級。下面介紹幾個成功應用此系統(tǒng)的事例，供參考。（1）隧道掌子面畫像處理系統(tǒng)本系統(tǒng)是由日本清水、東亞計測等

38、會社于1993年開發(fā)的。系統(tǒng)由用于攝影的數(shù)碼相機、進行畫像處理及編制掌子面觀察日報和數(shù)據(jù)庫的計算機、保存數(shù)據(jù)的光盤、輸出高質(zhì)量掌子面觀察日報的彩色打印機等構(gòu)成（圖4）。圖4硬件配置 工作人員用數(shù)碼相機對掌子面攝影，用工地的計算機把有關掌子面的自穩(wěn)狀況和地質(zhì)、涌水等情況書寫在彩色畫像上，并加上日期、距離等編制而成。結(jié)合隧道開挖形狀，從畫像上切出必要部分進行處理。所有的操作都用鼠標進行，包括切出畫像的掌子面觀察日報并保存在數(shù)據(jù)庫中，自由地檢索。數(shù)據(jù)采用大容量的光盤（600MB）保存。其工作步驟參見圖5。 圖5 作業(yè)流程本系統(tǒng)的特點是：處理非常容易，可以作為現(xiàn)場日常施工管理的手段；從攝影到數(shù)據(jù)庫保存

39、都是采用數(shù)碼數(shù)據(jù)進行的，信息的追加、修正、保存都可不損傷畫質(zhì)來進行；可以提高信息的質(zhì)和量。能夠客觀地理解地質(zhì)狀況，消除人為產(chǎn)生的誤差；編制效率高、省力、省時，大幅度地縮短作業(yè)時間；地質(zhì)信息可以數(shù)據(jù)庫化，可以用掌子面觀察日報的記載項目，表示隧道縱向地質(zhì)展開的變化（圖6）及各種表示功能（圖7）。圖7 各種表示功能（2）掌子面觀察系統(tǒng)本系統(tǒng)以掌子面觀察圍巖的評價方法系統(tǒng)化為目的，有效地、合理地進行掌子面的圍巖信息的收集、記錄、分析、評價。目前可編制掌子面觀察記錄和繪制地質(zhì)縱斷面圖及掌子面地質(zhì)展開圖。本系統(tǒng)是在Windows95上運作，由Visnal Basic編制的掌子面編制系統(tǒng)和利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) M

40、icrosoft Access的日報管理系統(tǒng)構(gòu)成的。掌子面編制系統(tǒng)有以下功能： 編制掌子面素描圖； 編制掌子面地質(zhì)展開圖及地質(zhì)縱斷面圖；編制隧道縱斷面。日報管理系統(tǒng)有以下功能： 圖6地質(zhì)狀況變化的圖形表示編制掌子面觀察記錄； 輸出掌子面觀察記錄。 系統(tǒng)按以下流程實施：進行掌子面狀況的觀察急掌子面攝影；用畫像存儲把掌子面照片存在計算機上；在計算機上進行畫像處理，描出掌子面素描圖；在掌子面素描圖上，設定展開圖和縱斷面圖中目前位置的掌子面和前面掌子面的聯(lián)系；輸入掌子面觀察結(jié)果；把掌子面素描圖和掌子面照片與掌子面觀察記錄連接在一起，輸出結(jié)果。 圖8為掌子面觀察記錄的輸出示例。圖8 掌子面記錄施工要點三

41、 高地應力問題目前，在隧道的設計施工中，常常談到所謂的“高地應力”問題。因為它與巖爆、大變形息息相關。但什么是高地應力、如何評價高地應力、在什么條件下才發(fā)生高地應力、有高地應力的場合，采取什么設計和施工措施等問題，還有許多不明確的地方。因此作為工程技術(shù)人員了解和認識高地應力是很必要的。圍巖初始應力也稱地應力，是在自然狀態(tài)下存在于圍巖內(nèi)部的應力，是客觀存在的物理量?？拥篱_挖后的應力分布，與其有直接的關系。它的量值受到許多因素的影響，如埋深、地質(zhì)構(gòu)造運動、地形地貌等，是不確定的，也是動態(tài)的。通常圍巖的初始地應力是由自重應力和構(gòu)造應力構(gòu)成的。一般說自重應力與埋深有關，垂直應力是隨埋深的增加而呈直線增

42、加的。即埋深越大，垂直應力也越大，如下式。y=H式中：圍巖單位質(zhì)量；y：圍巖垂直應力，也常常是圍巖中地應力的最大值；H：隧道的埋深。但構(gòu)造應力會改變自重應力的初始狀態(tài)，圍巖中的最大地應力可能不是垂直方向的，而是水平方向的。因此，圍巖內(nèi)部的最大地應力，常常用max表示。高地應力是一個相對的概念，它是相對于圍巖強度（Rb）而言的。也就是說，當圍巖內(nèi)部的最大地應力（y、max）與圍巖強度（Rb）的比值（Rb/max）達到某一水平時，才能稱為高地應力或極高地應力。即：圍巖強度比=Rb/max目前在地下工程的設計施工中，都把圍巖強度比作為判斷圍巖穩(wěn)定性的重要指標，有的還作為圍巖分級的重要指標。從這個角度

43、講，應該認識到埋深大不一定就存在高地應力問題，而埋深小，但圍巖強度很低的場合，也可能出現(xiàn)高地應力的問題，如大變形的出現(xiàn)等。因此，在研究是否出現(xiàn)高或極高地應力問題時必須與圍巖強度聯(lián)系起來進行判定。表1是一些圍巖強度比的分級指標。可以參考。因此，一定不要誤解，初始地應力大，就是高地應力。因為，有時初始地應力雖然大，但與圍巖強度相比卻不一定高。而在埋深較淺的情況下，雖然初始地應力不大，但因圍巖強度極低，而可能出現(xiàn)大變形等現(xiàn)象。表1 圍巖強度比的分級標準一般地應力高地應力極高地應力法國隧協(xié)小于224大于4我國工程巖體分級標準小于447大于7日本新奧法指南（1996年）小于246大于6日本仲野分級小于2

44、24大于4圍巖強度比與圍巖開挖后的破壞現(xiàn)象有關。特別是與巖爆、大變形有關。而前者是在堅硬完整的巖體中可能發(fā)生的現(xiàn)象，后者是在軟弱或土質(zhì)地層中可能發(fā)生的現(xiàn)象。在表2的“工程巖體分級標準”中就有有關的描述。表2高初始地應力巖體在開挖中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象應力情況主要現(xiàn)象Rb/max極高應力硬質(zhì)巖：開挖過程中時有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差，基坑有剝離現(xiàn)象，長形性差軟質(zhì)巖：巖蕊常有餅化現(xiàn)象，開挖工程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時間長，不易長洞，基坑發(fā)生顯著隆起或剝離不易成形小于4高應力硬質(zhì)巖：開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂縫

45、較多，成洞性較差，基坑時有剝離現(xiàn)象，成形性一般尚好軟質(zhì)巖：巖蕊時有餅化現(xiàn)象，開挖工程中洞壁巖體位移顯著，持續(xù)時間長，成洞性差，基坑有隆起現(xiàn)象，性較差47而日本仲野則是以是否產(chǎn)生塑性地壓來判定的（表3）。表3 不同圍巖強度比開挖中出現(xiàn)的現(xiàn)象（仲野）圍巖強度比大于424小于2土壓特性不產(chǎn)生塑性地壓有時產(chǎn)生塑性地壓多產(chǎn)生塑性地壓施工要點四 水的問題 對山嶺隧道施工和運營后的維修養(yǎng)護有重大影響的因素之一就是隧道涌水。 隧道施工時發(fā)生的涌水不僅對作業(yè)環(huán)境有影響，也會使掌子面不穩(wěn)定，影響噴混凝土和錨桿的施工質(zhì)量。特別是在有大量、高壓涌水的情況下，常常造成重大事故，必然要改變施工方法、增加輔助工法，致使工期

46、拖后、工程費增加等。 伴隨涌水的問題，整理如表1所示。表1隧道開挖中的涌水問題原因或環(huán)境直接作用預計的現(xiàn)象和影響滲透水軟巖的軟化促進破碎帶、裂隙剝離粘土的膨脹無凝聚力圍巖的流動化土壓增大側(cè)壁崩塌的誘因吸水膨脹、圍巖流變圍巖崩塌、喪失穩(wěn)定接近涌水帶隔水墻的破壞掌子面圍巖崩塌、流失坑道埋沒排水設備過小排水不良洞內(nèi)環(huán)境不良支護基礎承載力降低集中涌水流速大、水深大掩埋掌子面設備作業(yè)危險停止施工豎井、斜井泵排水洞內(nèi)積水地下水的繼續(xù)流出地下水位降低水源枯竭水位降低海岸部海水侵入掌子面開挖中或支護施工完成之前，保持掌子面一定時間的自穩(wěn)是山嶺隧道施工方法的前提。此自穩(wěn)性，主要是與構(gòu)成掌子面地質(zhì)的力學強度特性有

47、關。在掌子面周邊有涌水的情況下，掌子面因滲透壓而會出現(xiàn)崩塌流出等，使其強度降低。特別是在未固結(jié)的圍巖中，因初始強度低，伴隨涌水會造成掌子面坍塌現(xiàn)象。在未固結(jié)圍巖中，如降低水位過度，會出現(xiàn)干燥流沙現(xiàn)象。根據(jù)地質(zhì)條件，考慮其滲透性，在可能的凝聚力的條件下，調(diào)整和控制含水比是很重要的。 掌子面有涌水時，涌水易向支護底部集中而妨礙作業(yè)。同時使底部圍巖劣化，因局部壓密而造成支護下沉，產(chǎn)生支護變異和斷面異常等。 側(cè)壁有涌水時，噴混凝土會粘附不良，或不能施工。對一定程度的涌水，可增加速凝劑的添加量或采用金屬網(wǎng)等，提高混凝土的粘附，因施工后的涌水，會在初期支護背后形成空洞等粘附不良現(xiàn)象。要十分注意。施工時，將

48、涌水部分地集中，進行排水是很重要的。 周邊涌水是造成施工效率大幅度降低的重要原因。涌水一般向隧道坡度低的一側(cè)流動，在逆坡施工時，需要強制排水。在易于泥化的地質(zhì)條件下，需配置足夠的水泵。對突發(fā)的大量涌水，要增加輔助設備。從豎井或斜井開挖時，要有獨立的排水用電源，并準備好預備電源。因涌水使路基地層劣化，施工效率降低，重型機械的走行不安全等，這是造成洞內(nèi)事故的直接原因。必須對洞內(nèi)排水給預足夠的注意。 孔隙水會降低圍巖的內(nèi)摩擦角，危及掌子面的自穩(wěn)性，滲透水流也會造成細粒流失的流動現(xiàn)象。掌子面的崩塌會造成人身事故，也會危及掌子面所穩(wěn)定。 因涌水的沖刷會在噴混凝土的背后造成空洞，而在以后的水的作用下，空洞

49、會逐漸擴大，造成隧道變異和二次襯砌質(zhì)量降低。二次襯砌施工前，要充分調(diào)查漏水地點的背后是否有空洞，必要時，應用砂漿充填和設置導水系統(tǒng)、防水板等。 施工后的問題是，因隧道周邊水位的分布，在仰拱或路基下的分界處，會形成積水。此積水的侵蝕有時會形成圍巖空洞。有此種可能的情況時，要鋪設中央集水管或研究洞內(nèi)水溝高程的設置。 因隧道施工而采用降低水位方法時。會形成周邊地層的壓密下沉，是造成很大的地表下沉的重要原因。在施工前就要考慮地層的特性，作好施工計劃。特別是有地面結(jié)構(gòu)物時，要研究變更止水方法等問題。 同樣地，因地下水位的降低而會造成水資源、水文環(huán)境的很大變化，對水利用會造成很大的影響，因此，應施工前加以

50、調(diào)查，進行處理。隧道施工中的排水，混入在開挖土石內(nèi)，要設置衛(wèi)生處理裝置進行處理。施工要點五 幾個特殊的地質(zhì)問題 1未固結(jié)圍巖 未固結(jié)圍巖，其范圍大致是：新第三紀鮮新世的低固結(jié)、未固結(jié)的砂巖、泥巖，第四紀洪積世的砂層、粘土層，其他的沖積層，表土、壚姆、火山噴出物、風化巖、巖堆等。 而山嶺隧道遇到的未固結(jié)圍巖，幾乎都是洪積世以前的圍巖。根據(jù)對過去的施工實例調(diào)查的結(jié)果，山嶺隧道施工方法大致適用于未固結(jié)圍巖強度的下限值是：單軸抗壓強度為1.0kgf/cm2，變形系數(shù)是100kgf/cm2。 未固結(jié)圍巖的問題，可歸納為以下3點：（1）圍巖強度小、掌子面自穩(wěn)性差；（2）圍巖強度及剛性低、易變形；（3）因涌

51、水，掌子面變得不穩(wěn)定。 第一個問題是未固結(jié)圍巖所共有的，為此要采取確保掌子面自穩(wěn)性的對策。 第二個問題，在隧道周邊有結(jié)構(gòu)物和埋設物時，要控制圍巖的松弛（變形）使之不對這些結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生影響。就是沒有結(jié)構(gòu)物時，因這類圍巖會產(chǎn)生很大的變形，可能造成掌子面崩塌、不穩(wěn)定等，因此，盡量控制圍巖松弛（變形）也是很重要的。 第三個問題是在有水的圍巖中產(chǎn)生的問題，特別是在砂層確保掌子面自穩(wěn)性是很困難的。因涌水，會造成錨桿錨固不良、噴混凝土剝離、支撐下沉等，對施工影響極大。因此，對地下水進行處理是極為重要的。 由此可見，在未固結(jié)圍巖中，要采用各種輔助工法來確保施工的質(zhì)量和安全。在規(guī)劃隧道時，要根據(jù)地質(zhì)、隧道斷面、埋

52、深、環(huán)境條件等，除采用分部開挖、加強支護規(guī)模、環(huán)向開挖、早期閉合等基本開挖方法外，還要研究采用何種輔助工法的問題。 2砂層、砂礫層圍巖 砂層、砂礫層圍巖缺少凝聚力、從開挖到噴射混凝土開始之間，或噴射作業(yè)中，都會發(fā)生拱頂?shù)魤K，造成超挖的情況，或者還沒有固結(jié)的噴混凝土剝離，造成施工困難的情況。為此，在這種圍巖中，要采用防止掉塊的超前支護等輔助工法。同時，在這種圍巖中，如掌子面長期放置，會反復剝離，而使掌子面不穩(wěn)定。因此在施工中斷時，要采取正面噴混凝土的穩(wěn)定措施。 在砂層、砂礫層中有地下水時，涌水會造成圍巖流失，甚至出現(xiàn)塌陷等事故。在這些隧道中，就是同樣的砂層，也有產(chǎn)生流沙和不產(chǎn)生流沙的情況。分析其

53、產(chǎn)生的不同原因，主要是砂的粒徑分布對有無流沙現(xiàn)象有很大的影響。因此，提出表1的判定基準。最近，日本根據(jù)津輕海峽隧道的分析，認為：當細粒徑含有率f5.4，均勻系數(shù)Uc2.9時，具備了發(fā)生流沙的條件。表 1 掌子面的自穩(wěn)條件分類細粒徑含有率（）均勻系數(shù)（Uc）自穩(wěn)困難10以下5以下有條件自穩(wěn)10205以上自穩(wěn)性好20以上沒有涌水的土砂圍巖隧道的崩塌判斷基準列于表2。表2 沒有涌水的土砂圍巖的崩塌判斷基準分類缺乏自穩(wěn)性可能自穩(wěn)備注含水率w（）15 301530細粒徑含有率f（）88與w有相關性10粒徑D10(mm)0.10.1與Uc的相關性高均勻系數(shù)Uc22 3砂層、砂礫層互層圍巖在互層圍巖的情況，

54、各砂層的地下水會被粘土層所隔離，靠近掌子面壓力水頭也不會減小，為此，如圖1所示，如開挖不透水層，地下水會噴出，并伴有流沙涌出。所以，在互層圍巖時，達到掌子面之前，事前要采取措施排除砂層的地下水。但是，互層圍巖與單一的砂層相比，噴射效果差，地下水會殘留在不透水層上，如圖2所示，可能從邊界處涌水，而使砂層流出。這是要注意的。在未固結(jié)圍巖的粘土層中，多含有強度低的物質(zhì)，因此，在開挖時，會因周圍應力的增加，使粘土層塑性化，而擠出、變形，掌子面變得不穩(wěn)定。在這種圍巖中，要需要采取防止變形和加固圍巖的對策。圖1 邊界處因涌水造成的砂層流出 圖2 砂層和泥巖的互層中，掌子面的崩塌 4）風化花崗巖的圍巖 處于

55、風化花崗巖中的隧道，與其他巖類的隧道相比，風化深，從洞口開始有很長一段脆弱的圍巖，特別是埋深小的時候，整個隧道都可能處于風化砂之中。 風化土是花崗巖類的巖石（花崗巖、花閃綠崗巖等）的結(jié)晶性火成巖及同質(zhì)的片麻巖等風化而成的殘積土以及它們形成的崩積土。一般說，風化土定義范圍是很廣的，視風化程度，物性有很大不同。風化土的粒度構(gòu)成的范圍是比較廣泛的，從幾乎沒有細粒成分的到細粒成分到達30以上者。細粒少的情況與砂的性質(zhì)相同。細粒成分多的情況與粘性土的性質(zhì)相同。此外，殘積土類的風化土，有許多空隙存在，故隨應力的增加，空隙收縮，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，變形有隨時間而持續(xù)的特點。 花崗巖的風化狀態(tài)，淺部的強風化部大致成

56、為均勻的土體狀，是很軟弱的，深部的風化部是沿裂隙風化的，巖塊內(nèi)部沒有風化。風化程度從淺向深逐漸變化，但風化的發(fā)展，因斷層、節(jié)理等的裂隙狀態(tài)、母巖的礦物構(gòu)成、粒度、組織等而異。就是在同一深度，圍巖的軟硬、穩(wěn)定狀態(tài)也會有很大差異。為此，隨掌子面的進展，要特別注意風化狀態(tài)的變化。5膨脹性圍巖 所謂膨脹性圍巖就是指能產(chǎn)生膨脹性地壓的巖類。而膨脹性地壓是指在因膨脹而使凈空斷面縮小的地質(zhì)條件下，作用在襯砌和支護結(jié)構(gòu)上的地壓。其一般特征是：隨時間圍巖長期的位移或土壓增大，能產(chǎn)生使支護結(jié)構(gòu)破損的土壓。狹義地說，風化圍巖和含有粘土礦物的圍巖的體積膨脹以及因圍巖塑性變形而引起的膨脹都屬于此類。而且，膨脹性土壓是從

57、現(xiàn)象得到的一種概念，一般用在變形比較大的情況，與其他土壓有時是很難區(qū)別的。 圍巖體積膨脹的原因有：1）單純吸水的物理膨脹；2）化學變化產(chǎn)生的膨脹；3）上覆荷載的塑性變形；4）圍巖破壞以及地殼運動時潛在的能量的釋放等。 在1、2兩種情況中，單獨發(fā)生膨脹性地壓的程度還不很清楚，就是含有膨潤性礦物蒙脫石的軟巖，也不一定就發(fā)生膨潤現(xiàn)象。膨脹性的主要原因是圍巖強度比小，產(chǎn)生的塑性地壓，就是膨脹性地壓。第3種情況，指圍巖強度和初始垂直應力比（圍巖強度比）小于23以下的巖石（特別是粘土巖），因開挖使隧道周邊圍巖破碎（塑性化），沿一定厚度的斷面吸水膨脹（膨潤）而軟弱化，形成膨脹性地壓。第4種情況，指過去的膨脹

58、性地質(zhì)多集中在造山帶和褶皺帶中發(fā)生的膨脹性地壓。但是，膨脹性地質(zhì)的巖石強度是很小的，巖石內(nèi)潛在的應力也不可能很大，因此，因潛在應力釋放而引起強大地壓的情況是很少的。 根據(jù)日本的施工實際，膨脹性地壓幾乎都發(fā)生在埋深小于300m以下情況，埋深大于500m的隧道發(fā)生的不多。一般說發(fā)生膨脹性地壓的，都是圍巖強度小的巖石，如軟弱的粘土巖、蛇紋巖、破碎帶、強風化巖等，其次是內(nèi)摩擦角小的巖石。強度小，但內(nèi)摩擦角大的砂質(zhì)土和礫石土是很難發(fā)生的。 軟弱的粘土質(zhì)巖因是圍巖強度小，細粒成分多（內(nèi)摩擦角小），較易發(fā)生膨脹性地壓。這些巖石有：第3紀的泥巖、頁巖、凝灰?guī)r、火山礫凝灰?guī)r等。在這些軟巖中，視其屬性，其動態(tài)有所

59、不同。非綠色凝灰?guī)r地域的軟巖，從經(jīng)驗上看，沒有膨脹性，但綠色凝灰?guī)r地域的軟巖，從實測的地壓看，屬于中新紀后期的黑色泥巖、凝灰?guī)r，易發(fā)生膨脹性地壓。新時期的堆積的軟巖，其地壓較小。 表1是一些泥巖、頁巖隧道的物性指標和產(chǎn)生膨脹性的基準值。根據(jù)該表的研究結(jié)果，有些指標顯示膨脹性，有些指標不顯示膨脹性，評價時應避免機械地選用，最好整理出各指標間的相關關系。例如：塑性指數(shù)、2m以下的粒子含有率、CEC等大時，水平土壓也大；塑性指數(shù)大，單軸強度、變形系數(shù)小；2m以下的粒子含有率和塑性指數(shù)、液性指數(shù)、蒙脫土含有率、CEC等是正相關的。到目前為止，評價膨脹性地壓還是比較困難的。根據(jù)指標的相關關系綜合判定膨脹

60、性地壓。根據(jù)數(shù)量化理論的分析，第一位的指標是圍巖強度比、第二位指標是蒙脫土含有率和自然含水率，第三位的是侵水崩解度。表1泥質(zhì)圍巖表示膨脹性的指標C1C2C3C4C5膨脹性圍巖指標圍巖強度比（G）/1G2擠出性膨脹性22G4輕度擠出性地壓大34G6地壓大46G10有地壓510G幾乎無地壓發(fā)生膨脹性地壓可能性大的情況1巖石中的主要礦物是蒙脫土22m以下的細粒含有率大于303塑性指數(shù)704CEC35meq/100g1變形系數(shù)8000kg/cm22單軸抗壓強度40kg/cm3單位容重205g/cm34自然含水比205液限1006塑限707流動指數(shù)2082m以下粒子含有率309CEC35meq/100g