隧道工程施工安全风险控制技术.ppt

隧道工程施工安全风险控制技术 中铁隧道集团副总工程师 汪纲领,隧道工程洞室支护、结构设计和工法选择的基础理论。 隧道施工的基本工法与辅助工法。 隧道超前地质预报技术。 信息化施工与动态反馈设计。 隧道工程通过岩溶地质地段安全风险控制技术。,随着交通运输、水利水电、城市地铁和地下空间开发利用，隧道施工技术也取得了长足的进步，隧道工程的规模和数量都有了较大增长。目前，中国是世界上隧道最多的国家，是地质最复杂的国家，也是今后隧道发展最快的国家。,随着隧道应用领域的不断拓展，也带来了新的地质难题: 超浅埋隧道的结构稳定与地面限沉问题； 极深埋隧道的岩爆和高应力下隧道结构大变形问题； 隧道穿过特殊地质地段（如岩溶洞穴、岩爆、瓦斯、膨胀性围岩、冻结层、第四季沉积砂土等地段）时也往往会遇到许多复杂的工程地质问题，给工程带来很大的困难。,就隧道工程而言，若对地质条件有足够深度的了解，对可能发生的地质灾害能够适时预报，通过动态设计与合理的施工技术措施，对隧道施工安全风险是可以进行有效控制的。,就地质工程而言，对于地质条件的预测及地质灾害的预报问题一直困扰着工程建设者，往往成为大型工程项目的重难点问题。 地质灾害常常导致隧道建设严重受挫。即使工程规模较小，若地质条件差，施工技术措施不当，也会变成相当困难的工程。 地质条件具有复杂性、特殊性和不确定性，由于勘察手段的局限性，使得勘察成果往往不能满足施工方案对地质条件的需求。为了避免在工程施工过程中由于地质条件突变而形成地质灾害，将超前地质预报工作纳入工序进行管理十分必要。,就施工技术措施而言，技术方案、工序管理与工艺控制是技术管理的三大基本问题。技术方案不合理，工艺控制不到位，工序管理不正确往往直接导致重大安全风险甚至造成项目失败。 大量失败案例分析证实，现场管理者观念陈旧、理念错误固然是主要原因，但在方案实施中对关键工序、工艺某些重要环节与细节的控制失误往往是重要因素。,从理念到实践，从超前地质预报到方案设计，从工艺控制到工序管理，从监控量测到动态反馈设计与信息化施工等，这些都是比较成熟的隧道工程施工安全风险控制技术。接下我想就以上问题与各位同行进行探讨，不当之处请批评指正。,第一部分 隧道工程洞室支护、结构设计和工法选择的基础理论,第一章 围岩压力 一、围岩压力的定义与内涵 周围岩体作用于隧道和地下洞室衬砌或支护上的荷载，也称地层压力。 围岩压力是开挖隧道后围岩变形和应力重新分布的一种物理现象。人们从开挖洞室后围岩变形和坍塌，衬砌或支护产生变形和开裂等现象，逐步认识到围岩压力的存在。,影响围岩压力的因素: 洞室形状或大小、地质构造、支护型式和刚度、洞室埋深，以及时间因素和施工方法等。 一次应力 (初始应力)状态: 洞室开挖前，岩体处在相对静止状态，其中任何一点的岩土都受到周围地层的挤压而处于应力平衡状态。 二次应力状态: 洞室开挖以后，解除了部分围岩的约束，原始的应力平衡和稳定状态被破坏，围岩中出现了应力的重分布，围岩向洞室内部空间变形，并力图达到新的平衡。,二、隧道开挖后围岩应力状态的三个区域 1、应力降低区 在松软围岩中，岩体的强度很小，不能承受开挖后急剧增大的洞室周边应力而产生塑性变形，沿坑道周边围岩应力松弛而形成一个应力降低了的区域，高应力向围岩深部转移。扰动了的岩体向坑道内变形，如果变形超过一定数值就会出现围岩失稳和坍塌。 在坚硬而完整的围岩中，由于岩体强度大，坑道周边未达到开裂和坍塌，故无应力降低区，这种洞室往往是自稳的。,2、应力升高区 围岩深部应力升高的区域，但其强度尚未被破坏，相当于一个承载环。坑道上方形成承载拱，承受上覆地层的自重，并将荷载向两侧地层传递。此即围岩的成拱作用。 3、初始应力区 距离坑道较远的岩体所受开挖的影响较小，仍处于初始的一次应力状态。,三、围岩压力的分类 1、松动压力 松动或塌落的岩体以重力形式直接作用在支护上的压力。岩体可以由于节理裂隙或岩石强度破坏而引起松动，直至坑道的顶部和侧部产生坍落。,2、形变压力 定义：围岩变形受到支护约束而产生的压力。 形变压力除与围岩应力有关外，还与支护时间及其刚度有关。柔性支护可产生一定位移而使形变压力减小，宜大力推广。但初期支护必须足够强，否则须及时施做衬砌，以免围岩位移过大而形成松动压力，不利于结构受力和稳定。,松动压力和形变压力经常同时存在。但以地质条件、支护类型和施工方法等不同而以某一种为主。 在松散地层中采用现浇混凝土衬砌而回填不密实时，通常以松动压力为主；而及时作的柔性喷锚支护则以形变压力为主。形变压力常随时间推移而逐渐加大，最终才趋于稳定。 说明：在膨胀地层中，还会产生水和化学作用引起岩土体积膨胀的膨胀压力，这也是形变压力的一种。在脆性岩层中，因坑道开挖，使围岩原先的高压力突然释放引起岩爆而产生的冲击压力，则属松动压力范畴。,四、围岩压力的现行理论 1、岩土柱理论 开挖坑道以后，由于支护或拱圈向坑道内部位移，引起其顶部上覆岩土柱的下沉，两侧地层对柱体产生与下沉反向的摩擦力，故上覆岩层重量减去岩土柱两侧的摩擦力即为围岩压力。 铁路行业的方法：拱顶土柱的下沉，将带动两侧三棱体下滑，由三角楔体的平衡条件求出与土柱间的摩阻力，土柱重量减去此摩阻力即为土体竖直压力。该理论多用于浅埋隧道，但也可推广用于深埋隧道。当隧道埋置极浅或遇软土层时，土柱两边的摩阻力接近于零，故围岩压力直接为土柱全重。,2、压力拱理论 对埋置较深的隧道，顶部岩体失去稳定，产生坍塌而形成不延向地表的局部破裂区。该区内的岩体自重即洞室支护上的荷载。破裂区上部边界线有抛物线、椭圆、半圆和三角形等不同假定，如科默雷尔岩体破碎理论等。 50年代初期，曾广泛采用普氏地压理论，假定岩体为松散体，其压力拱承受上覆土柱的全部均布重量，根据散粒材料不能承受拉应力，即弯矩为零的条件，得到拱形为抛物线，其矢高：hb/f (b为压力拱跨度之半，f为岩层坚固系数)。塌落拱岩体重量即为竖直地层压力。,3、弹塑性理论 利用弹塑性理论可求出沿洞室周边地层内产生塑性区的范围。设置衬砌后，利用地下结构与地层的位移协调条件，可求得塑性区半径和围岩压力值。,4、极限平衡理论 岩体内有各种各样的结构面。开挖坑道后，洞周的围岩出现与整个岩体相脱离的岩块。它的自重对衬砌产生压力。故用地质分析法时，需先查明断层、节理和软弱夹层的分布情况及其组合。当分离体由数组平行节理面组成时，可用裂隙岩石的极限平衡理论计算；当节理呈随机分布时，可用块体力学理论计算。,5、数值解法 除简单边界条件的圆形洞室有较严格的解析解以外，对其他断面形状的洞室可采用有限元法或其他数值方法计算弹性、弹塑性或粘弹与粘（弹）塑性的围岩压力值。 如已给出垂直压力，则侧向压力可视具体情况采用主动、静止和被动抗力等理论进行计算。如底部地层较差而承载力不好，处于极限状态，产生塑流，岩土将向洞室底部隆起；或遇膨胀地层时，均需要考虑底部围岩的隆起压力。,五、小结 由于地层初始压力和岩土参数不易准确测定，上述各种地压理论，实际应用时会受到一定限制，因此目前还较多地采用工程类比法。 长期以来，人们都想通过量测作用在隧道上的围岩压力及围岩和衬砌的变形，得出可靠的围岩压力分布和数值。如以洞径位移量测为主的收敛约束法，强调在施工期间进行量测，并反馈信息指导设计，称为现场监控法。 依靠实测来求得围岩压力值是当前的发展方向。围岩性质千变万化，支护形式多种多样，施工方法各不相同，故应综合经验、理论和实测的成果，针对不同情况，采用不同的理论和方法。,第二章 岩体力学理论 1、关于岩体力学 岩体力学是力学的一个分支学科，它是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，属于应用型基础学科。是力学、地质学与工程学之间的一门边缘学科。 岩体力学主要研究经过变形和破坏的岩体在地应力条件改变时产生再变形和再破坏的力学规律的学科。其研究目的是运用岩体的力学规律合理地利用岩体，预测、预报岩体工程中出现或可能出现的灾害，并拟定防治措施。,2、岩体力学研究的基本问题 岩体结构，特别是结构面的地质规律；岩体中应力，包括地应力及工程建设引起的二次应力；岩体变形规律；岩体破坏机制及强度理论；岩体水力学理论。 3、岩体力学研究的主要工程问题 岩体上各种工程地基的变形、破坏；岩体边坡的变形、破坏；地下工程的围岩变形、破坏、开挖和支护；岩体改造方案及技术。,第三章 新奥法原理,新奥法属于应用岩体力学的理论，通过对隧道围岩变形的量测、监控，采用新型的支护结构，尽量利用围岩自承能力指导隧道设计和施工的方法。,新奥法的三大要素：喷混凝土、锚杆与量测。 在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷锚支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力。 新奥法是一个具体应用岩体动态性质的完整力学方法，其目的在于促使围岩能够形成环状承载结构，故一般应及时修筑仰拱，使断面闭合成环。它适用于各种不同的地质条件，在软弱围岩中更为有效。,一、支护机理 着眼于洞室开挖后形成塑性区的二次应力重分布，而不拘泥于传统的荷载观念；它主要不是建立在对于坍落拱的“支撑概念”上，而是建立在对围岩的“加固概念”上。 在合理的临界限度内，它所需要的表面支护抗力Pi是与围岩塑性区半径R、洞室周边位移ur、以及围岩的内聚力、内摩擦角等参数成反比，而支护能提供的抗力则与其刚度成正比。,图1：隧道围岩应力再分布和支护抗力之间的关系示意图,围岩特征曲线1若不允许围岩壁面位移发展，洞壁径向压应力非常大；而若允许位移发展，则径向压应力减小，当位移达到某一数值时，围岩径向压应力，也就是支护抗力，为最小(Pi)。如果接近开挖面修筑支护，则位移ur较小。 支护特性曲线2随着ur的增加，Pi也增加，并在与曲线1的交点处取得应力稳定，此时的径向压应力为P（，1）。如果修筑刚性更大的支护，如曲线3所示，径向压应力增大如图中的P(，2)。 新奥法就是根据上述理由，接近开挖面适时施作密贴围岩的薄层柔性支护的。如果施作支护时间过迟，则使围岩位移过大而产生塌落荷载。如图中斜线阴影部分，也使径向压应力P(，3)增大，如曲线4所示。,曲线5表示，由于围岩应力重分布和衬砌之间相互作用而存在的四个显著的特征阶段。 第阶段：围岩不受支护的约束而能够向洞室内自由位移的时期。 第阶段：施作一次支护，由于支护抗力而使变形速度减小，并且这个抗力还和支护的刚度有关。 第阶段：由于施作了仰拱，支护刚度变大而使变形速度越来越小。 第阶段：当仰拱完全受力时，变形基本停止。,二、新奥法的基本要点 1、洞室开挖后，应使围岩自身承担主要的支护作用，而衬砌只是对围岩进行加固，使成为一个整体而共同发生作用。因此，须最大限度地保持围岩的固有强度，以发挥围岩的自承能力。 方法：及时喷混凝土封闭岩壁，就能有效地防止围岩松弛，而不使其强度大幅度降低，同时也不存在因顶替支撑而使围岩变形松弛。总之，使围岩经常处于三轴应力约束状态最为理想。,2、预计围岩有较大变形和松弛时，应对开挖面施作保护层，而且应在恰当的时候敷设，过早或过迟均不利。 方法：支护刚度不能太大或太小，又必须是能与围岩密贴，而要做成薄层柔性，允许有一定变形，以使围岩释放应力时起卸载作用，尽量不使其有弯矩破坏的可能。与传统支护不同，其不是因受弯矩而是受压剪作用破坏的。由于混凝土的抗压和抗剪强度比抗拉和抗弯强度大得多，从而具有更高的承载能力。 一次支护的位移收敛后，可在其光滑的表面上敷设高质量的防水层，并修筑为提高安全度的二次支护。前后两次支护与围岩之间都只有径向力作用。,3、衬砌需要加强的区段，不是增大混凝土的厚度，而是增加钢筋网、钢支撑和锚杆，使隧道全长范围采用大致相同的开挖断面。此外，因为新奥法不在坑道内架设杆件支撑，空间宽敞，从而提高了安全性和作业效率。 4、为正确掌握和评价围岩与支护的时间特性，可在现场进行量测。量测内容为衬砌内应力、围岩与衬砌间的接触应力以及围岩的变位，据以确定围岩的稳定时间、变形速度和围岩分类等重要参数，以适应地质变化及时变更设计和施工方法。 监控量测是新奥法的基本特征，量测的重点是围岩和支护的力学特征随时间的变化动态。衬砌的做法和施作时间是依据围岩变位量测决定的。,5、隧道支护在力学上可看作厚壁圆筒。它是由围岩支承环和支护环组成的结构，且两者存在共同作用。结构只有在闭合后才能在力学上起结构作用，所以除坚硬岩层外，敷设仰拱使支护闭合是特别重要的。 围岩的动态主要取决于支护环的闭合时间。当上半断面超前掘进过多时，就相应地推迟了它的闭合时间，在隧道纵向形成悬臂梁的状态而产生大弯曲的不良影响。 同样道理，为防止应力集中引起围岩破坏，断面应尽量做成无角隅，最好采用圆形断面。,6、时间效应：受开挖和支护等施工方法的影响，它对结构的安全性起着决定的作用。考虑掘进循环周期、仰拱闭合时间、拱部导坑的长度以及支护强度等变化因素，把围岩和支护作为一个整体来谋求稳定。 从应力重分布角度去考虑，全断面一次开挖是最有利的；分部开挖会使应力反复分布而造成围岩受损。 7、岩层内的渗透水压力，必须采取排水措施来降低。,小结 新奥法的支护结构至今仍处于经验设计的阶段，它的前提是要科学地进行围岩分类，并根据已经修建的类似工程经验，提出支护设计参数或标准设计模式。 现场监控设计，一般分成预先设计阶段和最后设计阶段，后者是根据现场监控量测数据，经分析比较或计算后，最后提出设计。 理论解析和有限元数值计算，至今还不能得出充分可靠和满意的结果，必须由上述两种方法即经验和量测加以验证。,三、新奥法的施工和量测 新奥法的施工作业必须根据事前的调查决定下列四个问题： 开挖方法； 支护布置及进行支护的最适宜时机； 是否设置仰拱及设置的时间和方法； 是否采用辅助施工方法及其种类等。 采用新奥法施工的绝大多数工程均采用各种断面分割法（台阶法）进行开挖，其次是采用全断面法。新奥法要求保证光面爆破的质量，避免凹凸不平而引起应力集中和减少超挖，从而节约为填平表面所需的大量混凝土。,新奥法的量测十分重要。 在制定现场量测计划时，要根据隧道及地下工程的规模、地质资料、各量测项目的作用，考虑工点所需解决的问题针对性地制定量测计划，选择合理的量测项目和方法。同时还必须考虑采用切实可靠的手段和仪器，保证量测工作准确安全，并尽可能不妨碍施工。 在应力应变、接触应力、位移等三大类量测项目中，新奥法应以位移的量测为主。,四、新奥法的适用性 实践证明，新奥法的适用性很广，我国已在亚粘土和黄土隧道施工中取得成功。但在下列情况下，一般都应采取适当的辅助措施才能施工： 1、涌水量大的地层； 2、因涌水产生流沙现象的地层； 3、围岩破碎使锚杆钻孔和插入都极为困难的场合； 4、开挖面不能自稳的围岩。,第四章 隧道围岩变形与支护的机理分析,隧道开挖前是处于三维应力状态的，隧道开挖后形成了新的空间，出现了临空面，围岩向洞内移动，应力进行重新调整，从而形成了二次应力。 如果围岩的强度高于二次应力，则围岩是稳定的； 如果围岩的强度低于二次应力，则必须进行支护，以保证围岩的稳定。,对于第二种情况，如果不对围岩进行适时支护，围岩就会发生破坏。 围岩的破坏是从围岩表面开始的，逐渐向深部开展，依次形成塑性软化区、塑性强化区和弹性区。塑性强化区和弹性区是围岩承载的主体，塑性软化区是我们要支护的对象。 通过对软化区进行支护，一方面可以提高其强度，有利于其自身的稳定，另一方面软化区围岩再对塑性强化区的围岩实施作用，增大了强化区岩压，使强化区围岩的承载力得到提高。所以通过支护或加固软化区围岩，可以提高强化区围岩的强度，围岩的自承能力得以充分发挥，实现深部围岩的稳定，并使其成为主要承载区。,除了对软化区围岩的加固措施外，在矿山法施工隧道时一般采用光面爆破进行开挖，目的是减轻爆破对围岩的震动，尽可能保持其原始状态。在稳定性差的围岩中施工隧道时，常采用预支护方法，使破碎围岩在隧道开挖前即得到强化。 浅部支护、光面爆破和预支护等措施都是工程施工中常用的技术手段，其目的都是在施工时尽可能“基本维持围岩原始状态”，保持原有强度，从而保证围岩的稳定。,第五章 隧道围岩的平衡稳定性问题,按照控制论理解：一般地说，任何一个力学系统、物理系统以及工程技术中的某些系统都有平衡稳定性问题。 工程施工安全的本质内涵：从一种稳定平衡状态（施工前）到另一种稳定平衡状态（工程竣工），过程有n个工序，如果每一个工序及工序转换都能实现稳定平衡，则整个工程施工过程是安全的。 简例说明稳定平衡问题：当球体处于图2状态时，外力使球体偏离原始位置，但球体无法自行恢复到原始状态，则球体处于不稳定平衡状态；当球体处于图3状态时，外力使球体偏离原始位置，而球体能自行恢复到原始状态，则球体处于稳定平衡状态。,图2.不稳定平衡,图3.稳定平衡,根据经典力学分析，如果任一时刻作用于结构系统的力（合力）都是相互平衡的，稳定的平衡结构系统就能够实现持久的平衡。如使用中的桥梁、隧道结构等；如果结构平衡系统一旦丧失其稳定性，其平衡状态就经不起外力干扰，可能随即发生破坏。如桥梁、隧道结构破坏；所以不稳定平衡系统是不能长期存在的。 安全风险多发生在施工过程中，尤其在工序转换过程中。在地下工程施工中，不但要注意结构的受力平衡，还要注意环境的水土平衡。,对于隧道工程，可应用平衡概念处理设计问题，如果周围相关环境处于稳定平衡状态，则隧道工程建设就较容易；如果周围相关环境处于不稳定平衡状态，则隧道工程建设就较难甚至非常难。 对于后者，可采用绕避不稳定平衡体或压低延长隧道使之处于稳定平衡状态，否则只能采用工程措施使隧道与周围相关环境共同作用符合力学规律即施工过程中每步序或使用过程中每时段，隧道围岩和支护系统都必须满足三维力学平衡、变形协调与稳定。,第六章 隧道预支护原理,一、理论与理念的统一性 各种隧道设计理论和工法存在内在联系和统一性，如围岩与支护系统共同作用理论是许多工法的共同理论基础，根据围岩实际情况进行设计与施工的理念对任何施工设计理论、工法都具有指导意义。 以不同设计理论为基础的各种隧道工法，其核心都是一致的，即隧道围岩与支护共同作用要达到足够强大，形成稳定平衡体系，实现“基本维持围岩原始状态”，从而达到“充分发挥围岩的自承能力”的目的。,图4 各种隧道设计理论和工法比较,二、“围岩支护”体系 预支护原理是以现有设计理论为基础并结合各种工法的优点，阐述了隧道围岩极限自承力Pmax、支护抗力T和围岩原始内力P0三者之间的力学关系，真实反映隧道“围岩支护”结构体系在开挖与支护（含预支护）施作过程中的互动过程和相互作用。 预支护原理解释了各种设计理论及其工法的统一性和适用性问题。建立预支护原理的完整理论体系将有助于解决隧道设计计算方法的合理选用和施工方案的合理制定。,1、力学模型 隧道开挖形成新的临空面，导致洞周围岩在径向产生应力释放，而远离隧道地层的应力状态并不发生变化。不失一般性，考虑均匀初始地应力场，用P0表示初始地应力，如图5所示。从静力学的原理可知，P0由“围岩支护”结构体系的承载力来平衡。 定义围岩预支护力F等于“围岩支护”结构体系的承载力，即： F=T+Pmax (1) 式中：F为预支护力；T为支护抗力；Pmax为围岩极限自承能力。,上述等式说明：隧道预支护力不只是支护结构对围岩的作用力，它是由围岩结构的极限自承能力和支护结构直接对围岩提供的支护抗力共同组成的。围岩结构的自承能力可以通过预支护措施和通过采取合理开挖措施得到维持。（关键词：共同与相互） 当预支护力大于使围岩发生过大变形或破坏的力时，隧道围岩就处于稳定平衡状态，称之为隧道预支护原理。 根据围岩稳定的一般原理，地应力是使围岩发生变形和破坏的根本动力，使围岩失稳的“力源”，因此，隧道预支护原理可进一步表述为：预支护力F要始终保持大于隧道施工前保持原始岩体稳定平衡的原始内力P0，使围岩处于稳定平衡状态的条件，即： FP0 (2),对于围岩好的隧道，开挖后围岩发生了变形，极限承载能力下降，经过一段时间后围岩内部结构调整完毕，变形收敛，围岩极限承载能力虽然发生了下降但还是大于P0，预支护力也大于P0，即FP0，围岩处于稳定平衡状态。 对于围岩差的隧道，开挖后围岩处于加速变形阶段，在较短时间内围岩极限自承能力就急剧下降并小于P0，如果来不及施加支护，预支护力等于极限自承能力，预支护力也小于P0，即FP0，围岩处于稳定平衡状态。,更具有广泛意义的是处于这两种极端情况之间的围岩，隧道开挖后围岩变形过程可以分为两个阶段，一个是形变压力阶段，另一个是松弛压力阶段。 在形变压力阶段，围岩极限自承能力下降但还是大于P0，围岩发挥的自承力随变形增大而增大，围岩的自承能力得到了发挥，所以隧道开挖完成初期，要允许围岩发生一定的变形，应及时采用柔性支护，若采用高刚度的支护结构限制围岩变形，支护结构将承受较大的载荷。如果支护刚度过小或支护时机过晚，围岩变形发展到松弛压力阶段时，围岩进入松弛状态，其极限自承能力迅速下降并小于P0，预支护力也小于P0，即FP0，围岩垮塌。,2、二次支护合理时机的选择 隧道开挖后允许围岩有一定的变形，再进行支护，促使围岩从非稳定平衡状态向稳定平衡状态转变。这样既可以发挥围岩的自承能力，减小支护刚度，进而降低造价。 允许围岩变形量： 可根据围岩级别、断面大小、埋置深度、施工方法和支护情况等，采用工程类比法预测，当无法预测时可依据公路隧道设计规范（JTG D702004）规定选用（见表1），并根据现场监控量测结果进行调整。,预留变形量（mm） 表1.,注：围岩破碎取大值，围岩完整取小值。,3、隧道施工核心理念 正确理念是，在施工过程中要最大限度地保护围岩的自承能力要尽可能地防止岩体松动，防止产生不利的应力条件，尽最大可能保持原始岩体强度。 不论围岩处于何种情况，预支护力F都要足够大，才能使隧道“基本维持围岩原始状态”，从而达到隧道“充分发挥围岩的自承能力”的目的，这就是隧道预支护原理的核心。,4、理论应用 （1）自承能力好的完整围岩 建议：隧道开挖应允许围岩有一定的变形，这样有利于围岩自承力的发挥，从而可以提供较小的支护力，达到节约建设成本的目的。 方法：开挖采取光面爆破，形成洞室后视情况或毛洞或只作少量初喷砼，充分利用围岩的自承能力来维持洞室的稳定。,（2）有一定自承能力的围岩 初期围岩的自承能力大于原始内力P0，隧道开挖后围岩不会立即松弛垮塌，岩压还处于形变压力阶段，属于非稳定平衡状态。随着变形不断增大，围岩内部结构和应力状态在不断的调整，围岩的自承能力呈下降趋势而承载力不断增加，围岩的自承能力得到发挥。 建议：关键是要使围岩从非稳定平衡状态向稳定平衡状态转变。选择支护时机非常重要，过早支护不能充分发挥围岩的自承能力，同时需要的支护抗力也比较大；支护过迟，岩压由形变压力转换为松弛压力，围岩发生松弛，很容易引起隧道坍塌。 方法：加强监控量测，根据量测数据指导施工，确定隧道支护结构参数，选择支护时机。,（3）自承能力差的破碎围岩或软弱围岩 这种围岩的自承能力相对较小，在洞室开挖后会迅速下降。围岩形变压力迅速转化为松弛压力，很快进入松弛状态，即很快从非稳定平衡状态向失稳状态转化。 建议：采取预支护或超前支护，从而提高围岩的自承能力。这样虽然隧道开挖后围岩仍处于非稳定平衡状态，但其自承能力有了较大提高，不会瞬时垮塌，为进行初期支护赢得了时间。 方法：必须采用刚性支护且必须及时，隧道开挖后由于围岩仍然处于非稳定平衡状态，对初支顺序非常敏感，因此，应合理选择支护顺序，加强工序管理。,对于破碎围岩或软弱围岩，如下理念很重要： 设计遵循“初次支护要强，承受部分水压和全部土荷载，而浅埋和海底隧道则承受全部水荷载和土荷载，二次模筑初砌作为安全储备”。 当隧道开挖未采取预支护措施而发生较大松弛或冒落时，这说明“对于特殊地质围岩，必须采用预支护技术，才能确保支护结构承受的围岩压力是形变压力而不是松弛压力”。 施作时必须同时考虑：预支护的刚度和喷射混凝土的时间即时空效应，这些都会影响围岩的变形，影响围岩压力的大小和分布情况。,三、特殊环境隧道开挖问题 需要说明一点，预支护原理是针对一般性隧道工程问题为基础提出的，解释各种设计理论及其工法的统一性和适用性问题。对于特殊环境隧道工程问题，预支护原理应用的理念需要适当扩展。,1、超深埋隧道锦屏二级水电站引水洞 由4条长约16.6km的引水隧洞，开挖洞径12m，衬砌后洞径11m，一般段埋深为15002000m，最大埋深达2525m。 问题：即使不考虑构造应力影响，对于埋深达2525m的洞身，仅上覆岩体自重应力就达68MPa。如果按弹性力学理论计算，考虑隧洞开挖引起2倍应力集中，洞壁围岩的最大应力就达到136MPa。围岩以大理岩为主，抗压强度仅为80120MPa。这样，围岩应力将超过岩块的抗压强度，而岩体强度还远低于岩块的强度。同时，引水隧洞围岩中还存在超过1000m的外水压力。 结论：深埋长大隧洞开挖引起围岩较大范围的塑性破坏是在所难免的，针对超高的地应力场环境，允许围岩产生一定范围的塑性破坏是必然的选择。 设计与施工控制的基本要求是：因势利导，控制塑性变形区域的扩展不出现有害的后果，利用围岩塑性变形降低围岩应力的集中程度，并使应力集中区向围岩深部转移，有利于减小支护结构的受力水平。（关键词：有限塑性破坏-合理限制）,2、 级围岩软塑状粘性土及饱和粉细砂层、软土 处理方法：当隧道工程遇到这种岩层时，由于岩体变形比较大，支护应采用先柔后刚的双层初期支护型式。如图6所示，一层柔性支护使围岩有一定的变形，发挥围岩的自承力，使塑性区得到一定的发展，以完成适度的岩体应力释放和卸压作用，但必须保持岩体不至失稳。另一层刚性支护，来控制变形，以免变形过大。这两层支护共同提供支护抗力，来保持围岩的稳定。 工序要求：一次柔性支护（310m）做好后，隔适当距离（520m）根据量测反馈及时做好刚性支护，控制围岩变形，达到基本维持围岩原始状态的目的，如图7。（关键词：先柔后刚）,图6级围岩衬砌情况,图7级围岩施工示意图,四、预支护原理的具体应用,1、完整性硬质围岩级硬质完整围岩 问题：隧道开挖后围岩的自承能力大于原始地应力，围岩本身能够自稳。这时围岩的稳定性只需要考虑局部掉块或岩爆，即由于洞周临空，暴露在临空面上的某些结构面强度较低的块体，失去了原始的静力平衡状态而成为关键块体。 措施：初期支护重点考虑关键块体的处理，这时采用的预支护技术是通过锚喷使关键块体成为稳定块体。,2、整体稳定性较好围岩级硬岩及稳定性较好的级围岩 问题：在此种地质条件下开挖隧道，由于岩体被各种结构面切割成各种类型的空间镶体，结构面强度成为围岩稳定性的关键因素。隧道开挖后，由于洞周临空，围岩中的某些块体在自重作用下向洞内滑移。 措施：初期支护以锚喷支护为主，起到稳定围岩、控制变形、防止围岩松弛和坍塌及产生“松弛压力”的作用。锚喷支护把围岩和支护结构组成一个统一的结构体系，通过加强围岩而实现充分利用围岩自身承载能力的目标。,3、稳定性一般的围岩、级硬岩及较好的级围岩 问题：要使围岩不发生破坏，必须限制其变形的发展。这就需要在洞壁上施加一定的支护抗力，使围岩从非稳定平衡状态向稳定平衡状态转变。 措施：采用柔性支护，使FP0，既允许围岩有一定的变形又给围岩提供了一定的支护抗力。柔性支护主要通过锚喷支护来实现，根据实际情况可采用锚喷网、锚喷架、锚喷架网等多种组合形式。 由（图8）可以看出，理想的锚喷支护设计就是对应于D点的支护抗力Pmin，这时维持围岩的稳定抗力最小。通常支护设计应有一定的安全储备，支护特性曲线在C点处与围岩特征曲线相交。,图8围岩位移支护特性曲线,新奥法：通过合理的支护方法与适当的支护时机，使支护特性曲线在接近Pmin处与围岩特性曲线相交，取得平衡，以充分发挥围岩的自承能力。 矿山法：施工采用传统支架法支护，由于不能提供连续的支护抗力或无法选择适当的支护时机，导致不能在接近Pmin处提供适宜的支护抗力。,图9块状围岩锚喷支护原理示意图,（1）砂浆；（2）锚杆；（3）块体潜在坍塌方向；1、2、3为潜在块体坍落次序,五、工法选择的合理性问题,在隧道施工中，每一种工法都不是万能的，都有其各自的适用条件，必须根据围岩类别及环境条件选用不同的工法。即使是同一级围岩，由于所处地质环境不同，岩体完整程度也不会完全相同，选用工法也有差别。无论选用何种工法，目标只有一个，就是要用最经济的手段维持隧道围岩的稳定，确保施工安全。 工法选择的基本原则： 预支护原理的正确运用，充分发挥围岩的自承能力和基本维持围岩的原始状态，预防和控制特殊地质隧道因局部失稳引发整体失稳，使隧道开挖扰动最小。,1、核心理念与系统概念 核心理念：不论哪种情况，预支护力都要足够大，才能“基本维持围岩原始状态”。使围岩与支护系统共同作用形成三维应力平衡状态，从而达到“充分发挥围岩自承能力”的目的。 完整围岩：围岩的承载能力可以保持洞室的稳定。对于这类围岩，要允许围岩发生一定的变形，可不进行支护或仅提供弱支护即可。 一般围岩：采取适时支护措施。因为开挖后围岩不会立即松弛垮塌，岩压还处于形变压力阶段，允许围岩发生一定的变形是必要的。但应控制变形过大，防止岩压转化为松弛压力，这样支护抗力增大而不经济，故选择支护时机非常重要。 破碎围岩：采取超前支护措施。因为洞室开挖后围岩会很快会进入松弛状态，所以只有预先强化围岩，才能保证开挖过程中围岩的稳定。,2、实现方法与路径 新奥法的理论核心是充分发挥围岩的自承能力，这一理念从力学角度提出了保持围岩稳定的基本思路。决定围岩稳定性的关键是围岩与支护系统共同作用达到稳定平衡，从这一概念出发，引导我们去寻找解决问题的方法。 因为“平衡与形变是可以计量的”，这也就为我们采用量测手段来控制支护时间提供了可能。解决“适时支护”问题，通过现场监控量测是实现路径。,3、严防局部失稳引发整体失稳 处理特殊地质隧道围岩稳定性问题，应树立“预防为主，避免现状处理”的理念。条件许可应尽量强化围岩，施工中灵活应用断面分割法进行开挖，及时形成空间闭合的支护系统，严控隧道围岩局部破坏或失稳引发隧道整体失稳问题。,4、开挖最小扰动原则 土质或软弱松散围岩隧道：施工中常采用断面分割法，这些工法基本无需或只需少量爆破，常采用机械和人工开挖施工，扰动一般较小。 石质隧道：施工中多采用爆破法，开挖最小扰动原则要求：一是用最有效的方法将隧道断面内的岩石适度破碎，并将碎石适度抛掷；二是降低爆破对围岩的扰动，最大限度地维持围岩原始状态，以有利于隧道的长期稳定。采取技术成熟的控制爆破方法，可以实现上述目标。,5、工法的合理性概述 在隧道施工中，合理的施工方法应与地质条件、环境条件相协调，支护参数与支护时机应符合安全、经济原则，开挖方法满足最小扰动原则；同时符合“预支护原理的正确运用”、“充分发挥围岩的自承能力和基本维持围岩的原始状态”，过程管理“严防特殊地质隧道局部失稳引发整体失稳”，灵活选用辅助工法，确保与基本工法的匹配性。 从理论上讲，好的工法就应该可以复制，但所有边界条件相同却是一个小概率事件。特别是结构受力复杂或不良地质与结构耦合复杂的情况，这种情况若简单复制有时却是致命的，往往会造成结构出现问题甚至灾难。到目前为止，隧道及地下工程施工仍然是安全风险最突出的领域之一。,第二部分 隧道施工的基本工法与辅助工法,在隧道工程施工中，最为重要的是选择合理的施工方法。工法选择是否合理，与隧道工程建设的工期、安全、质量、投资及环境影响有直接关系。 工法选择的依据，主要是工程地质及水文地质条件、施工条件、隧道埋置深度、断面尺寸大小、隧道长度、结构类型等，以施工安全为前提，以工程质量为核心，结合隧道的使用功能，施工技术水平、施工机械装备、工期要求和经济可行性等因素综合考虑研究选用。就目前而言，隧道施工方法大致有盾构法（TBM法）、沉管法与矿山法（新奥法、浅埋暗挖法）。 以隧道施工安全作为基本问题，下面仅就采用矿山法施工的隧道进行讨论。,第一章 隧道施工的基本工法,工法定义：工艺方法和工程方法。以工程为对象，工艺为核心，运用系统工程原理，把先进的技术和科学管理结合起来，经工程实践形成的综合配套的施工方法。 一、按破岩方法分 1、爆破法施工。 2、非爆法施工。 二、按开挖方法分 1、明挖法。 2、暗挖法。,全断面开挖法 全断面开挖法，是指按设计开挖断面一次开挖成型的方法。全断面开挖法主要适用于、级硬岩地层。浅埋、偏压和洞口地段不适宜采用全断面法开挖。 全断面开挖法有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，且工序少、干扰少，便于施工组织和管理。由于开挖面积较大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大，因此要求施工应具有较强的开挖、出碴、运输及支护能力。 全断面开挖法钻爆效率高，采用深孔爆破可加快掘进速度，且爆破对围岩的振动次数较少，有利于围岩稳定。由于每次深孔爆破震动较大，因此要求进行精心的钻爆设计和严格控制爆破作业。,两台阶法。 主要适用于级软岩和级围岩，洞口、偏压、浅埋段硬岩地层宜采用两台阶法开挖。将断面分成上下两个台阶开挖，台阶长度一般控制在11.5倍洞径（D）以内。原则是尽快跟进下半断面，尽早施作初期支护形成封闭结构；若地层较差，为了稳定工作面，也可辅以小导管超前支护等措施。 上台阶临时封闭正台阶法 主要适用于IV级偏弱和级围岩，根据施工现场的实际情况灵活调整台阶长度。施工中坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，严格控制开挖进尺，严格控制周边眼装药量，减少爆破对围岩的扰动，及时进行监控量测，确保施工的安全进行。,正台阶环形开挖法 适用于较差的、级软岩及V级围岩，也可用于洞口段、偏压段、浅埋段等。上台阶环形开挖预留核心土，实施中依具体地质条件采用不同的辅助工法。 CD工法 适用于级围岩，依具体地质条件结合辅助工法采用。施工中坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。,CRD工法 适用于特别破碎的岩石、碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土组成的级围岩和软塑状粘性土、潮湿的粉细砂组成的级围岩及较差围岩中的洞口段、偏压段、浅埋段等地质条件。实施中依具体地质条件采用不同的辅助工法。 此法适用于浅埋软岩的大跨或特大跨隧道，它具有台阶法及侧壁导坑法的优点，与侧壁导坑法相比较具有较快的施工速度；同时，本法通过中墙的减跨、临时仰拱及时封闭成环组成有力的支护体系，能非常有效地控制拱部下沉与收敛。此法最适用于上软下硬或半软半硬的地层，一旦下部围岩变硬，马上可以转化为上台阶法施工，半软半硬地层转化为CD法施工，施工方法比较灵活。,单侧壁导坑正台阶法 在围岩压力大、岩层产状平缓、松软或不稳定含水地层中修筑跨度大、扁平率低、地表沉降要求严的隧道时采用，与双侧壁导坑法相比，导坑宽度较大，开挖时临时支撑较少，施工干扰小。 双侧壁导坑法（眼睛工法）。 适用于可采用人工或人工配合小型机械开挖的级围岩地层、不稳定岩体和浅埋段、偏压段、洞口段以及充填性溶洞等地质条件。实施中依具体地质条件采用不同的辅助工法。几种工法优缺点比较见下表：,几种工法优缺点比较 表2,隧道及地下工程主要开挖方法 表3,第二章 隧道施工的辅助工法,隧道施工中常常遭遇一些特殊地质条件，所谓特殊地质，一般包括：软弱含水地层、挤压与膨胀性地层、断层破碎带及岩溶发育地层、高压水、高岩压及高地热地层、浅覆盖及偏压地段、煤系地层或采空区地段、含有害气体地层等等。在上述特殊地质条件下修建隧道工程，首先应选择合理的基本工法，其次再根据本项目特殊的地质条件采用相适应的辅助工法。辅助工法选用是否得当，往往决定着项目的成败。,一、辅助工法选用原则 在特殊地质条件下选用辅助工法，原则是：约束空间，适时支护。 正确运用预支护原理，充分发挥围岩的自承能力，尽力维持围岩的原始状态，预防和控制隧道支护结构由于局部失稳而引发整体失稳问题（关键词：要控制处理，不要现状处理）。 缩小开挖断面以减少扰动、预支护以防止拱顶围岩松动、支护结构尽早闭合以抑制变形、强化基脚以增加承载能力、妥善处理地下水以免岩体弱化等。以上讲的这些，集中起来就是“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，早成环，勤量测，速反馈，防治水，弱爆破，少扰动，控沉降”这36个字，概述如下：,二、确保开挖面稳定 1、拱顶稳定对策：预支护措施（管棚钢架超前支护、超前小导管注浆支护、钢插板法等）。 2、掌子面稳定对策：环形开挖预留核心土、喷射混凝土封闭掌子面（喷射早强混凝土，厚度宜为510cm）、临时仰拱或临时支护、开挖面锚栓（土钉）、地层改良等。 三、确保支护结构稳定 1、提高岩体强度：地层改良或小导管周边注浆及围岩深孔注浆。 2、增加支护强度：地层改良、扩大基脚、锁脚锚杆或锁脚锚管、纵向联梁、微形基桩、加厚混凝土喷层、补强锚杆(加长或加密)、重型钢肋（增加支护刚度）、临时仰拱、加强支撑(双层支撑或外加支撑)、反压法、构件支撑法等。,三、地下水处理 1、排水工法：钻孔排水或导坑排水、深井抽水、强制排放（控制排放）。 2、止水工法：止水注浆(水泥浆、化学浆包括水玻璃系、树脂注浆等)。 3、止、排并用工法。,第三章 隧道破坏模式及常用辅助工法,在特殊地质条件下修建隧道，按照软弱地层、断层破碎带、卵砾石地层与砂、泥质地层分类，依照隧道可能出现的破坏模式，通常采用的辅助工法如下表：,隧道破坏模式及常用辅助工法 表1-1,第四章 问题讨论,1、理论上讲，针对某个特定的地质条件，隧道施工的基本工法与辅助工法应该有一个最佳组合。 只要地质条件明确，工法选择得当，工序安排合理，现代隧道施工技术可以解决隧道施工的安全问题。但事实并非如此，就目前而言，隧道工程仍然是建筑施工行业安全风险最大的工程。 技术方案、工序管理与工艺控制是技术管理的三大基本问题，而问题往往不在技术方案上。工艺控制不到位，工序管理不合理往往直接造成方案失败。大量失败案例分析证实，现场管理者观念陈旧，理念错误是主要原因。,2、在隧道施工中，时间与空间是一对矛盾。一般说来，当空间效应解决后隧道施工的安全问题就一劳永逸地解决了，但做任何工作都需要时间，往往是在锁定空间之前时间效应就发生了作用，坍方也就形成了。 “适时支护，约束空间”是解决这对矛盾的一个基本原则。一般地讲，辅助工法提供了一个可供选择的宽泛范围，选择的依据是时间效应，这也说明了监控量测工作的重要性。,隧道施工：安全主题,约束条件,空间,时间,行为,施工安全,效率,3、对于环境要求比较高的浅埋隧道（如城市地铁隧道），如果条件允许也可采取地表注浆加固、旋喷桩加固等措施。若地面有一般基础的楼房或城市交通主干道的，可用管棚加固隧道拱部地层，根据不同情况采用长管棚、短管棚或两者联合使用，用以抵抗拱顶地层的下沉量；,4、水是促使工程地质条件迅速恶化的一个主要原因。在城市地铁隧道施工中，止、排工法的选用有许多限制性条件，实施中应慎重对待。冻结法是在洞周土层中降温，形成一个封闭的具有一定强度和稳定性的冻土帷幕，然后在冻土帷幕保护下进行隧道开挖、支护与衬砌。然而，解决冻胀、融沉问题本身就非常困难。在施工排水管理方面，现场少有重视，水流长期浸泡拱脚也是造成隧道支护结构失稳的一个重要原因。 排水型隧道-山岭隧道的必然选择：禁排与限排问题。 全过程全工序治水理念:分区、隔断、集中、封堵，深浅结合，先浅后深。,5、关于隧道安全“六达标”问题 “六达标”的要求过于简单化，有些情况与设计原则显然不符。在级围岩中，台阶法以及三台阶临时仰拱法用得最多，这两种工法在铁路隧道施工中比较普遍，若辅助工法的工艺质量控制的好，是能保证隧道安全的。限制掌子面与二衬的距离是不可行的。二衬与掌子面的距离，必须大致有100米左右才能保证防、排水及二衬施工的工序安排。几个连续工序为：喷射混凝土初支整平防水排水系统施工钢筋绑扎浇注二衬混凝土。各个工序都有不同的设备以及不同工种的工人，都需要有一定的活动空间。除非你按单工序安排作业，否则很难避免与隧道开挖工序干扰。 有两个问题必须明确： “达标”不能够确保隧道施工安全，也就是说，它不是确保隧道施工安全的充分条件。 “达标”是有条件限制的，否则会带来新的不安全问题。,6、关于围岩级别的修正问题 准确判定围岩级别是决策隧道施工方案的基础，根据岩石的坚硬程度和岩体的完整程度这两个基本指标，铁路隧道设计规范将围岩基本分级定为六个级别。大致情况为： 级围岩：岩石的单轴饱和抗压强度Rc60MPa，岩块整体厚度H1.0m； 级围岩：岩石的单轴饱和抗压强度：硬质岩Rc30MPa，软质岩Rc30MPa，岩石整体厚度：硬质岩0.5mH1.0m，软质岩H1.0m； 级围岩：岩石的单轴饱和抗压强度：硬质岩Rc30MPa，软质岩Rc=530MPa，岩石整体厚度：硬质岩H=0.10.5m，软质岩0.5mH1.0m；,级围岩：岩石的单轴饱和抗压强度：硬质岩Rc30MPa，软质岩Rc530MPa，岩石整体厚度：硬质岩呈碎石状，软质岩H=0.10.5m； 级围岩：软岩岩体破碎至极破碎，土体一般为第四系坚硬、硬塑粘性土，稍密及以上的碎石土、卵石土、园砾土、角砾土、粉土； 级围岩：岩体呈粉末、泥土状断层带，土体为软塑粘性土、饱和的粉土、砂类土。,以上的分级，叫做围岩的基本分级。在影响工程岩体稳定性的诸多因素中，岩石坚硬程度和岩体完整程度只反映了岩体质量的基本特征，但它不是影响岩体稳定性的全部重要因素。当隧道围岩存在地下水、高初始应力、不利的软弱结构层面等情况时，其稳定性就要大打折扣。因此，地下水、较高的初始应力以及软弱夹层都是围岩分级的修正因素。 （1）地下水对围岩级别的修正 地下水是影响岩体稳定性的重要因素。水的作用主要表现为溶蚀岩石和结构面中易溶胶结物质，会使岩石软化、疏松，充填物泥化，强度降低。水对围岩级别的影响，不仅与水的赋存状态有关，还与岩石性质和围岩完整性有关。岩石越致密，强度越高，完整性越好，则水的影响越小。反之，水的不利影响越大。地下水状态的分级按1-2表确定，地下水对围岩级别的修正按表1-3进行。,地下水状态的分级表 表1-2,地下水影响对围岩级别的修正表 表1-3,（2）初始地应力对围岩级别的修正 在天然状态下存在于岩体内部的应力，称之为初始地应力。围岩初始地应力场的影响，既反映了隧道埋深的影响，也反映了岩石强度的影响。高初始应力是产生岩爆和岩芯饼化的共同条件。一定的初始应力值对不同岩性的岩体稳定性影响程度是不一样的。为此，用岩石单轴饱和抗压强度（Rc）与最大主应力（max）的比值，作为评价岩爆和岩芯饼化发生的条件，进而评价初始应力对工程岩体稳定性的指标。初始地应力对围岩级别的修正按表1-4进行。,初始地应力影响对围岩级别的修正表 表1-4,注：围岩岩体为较破碎的极硬岩、较完整的硬岩时，