（岩土工程专业论文）软弱围岩中大跨度浅埋公路遂道施工监控技术与应用.pdf

软弱围岩中大跨度浅埋公路隧道施工监控技术与应用 摘要 随着我国公路建设的快速发展，公路隧道数量不断增加，软弱围岩中大跨 度浅埋公路隧道开始大量涌现，这些隧道大多都面临着跨度大、埋深浅、地质 情况复杂、施工环境要求高等困难。因此，及时总结和研究此类隧道施工和监 控技术，深入探讨此类隧道施工中各种不良现象产生的原因，掌握已有隧道的 成功经验和失败教训，为新建的工程提供重要的参考资料和决策依据，对经济 地、高质量地建设公路隧道十分必要。本文结合淮南市山南新区洞山隧道工程 实践，对隧道超前支护预加固技术进行了深入的探讨：对隧道新奥法原理、施 工的特点、实际应用等方面进行了探讨，介绍了隧道施工监控量测的过程和方 法，对信息反馈与预测预报、量测数据的处理与分析进行了研究；最后重点阐 述了洞山隧道的施工方法和监控量测过程，研究了监控量测结果的分析与应用， 并对施工中发生的不良现象进行了评述。研究成果不仅成功应用于在建实际工 程中，对同类其它工程的设计、施工、监测也具有一定的参考价值。 关键词：软弱围岩大跨度浅埋施工监控 c o n s t r u c t i o na n dm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n da p p l i a n c eo n l a r g e s p a ns h a l l o w - - d e p t hh i g h w a y t u n n e l i ns o f ts u r r o u n d i n gr o c k a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v d o p m e n to fh i g h w a yc o n s t r u c t i o na n di n c r e a s i n gn u m b e ro fh i g h w a y t u n n e l s ，m o r ea n dm o r el a r g r - s p a ns h a l l o w d e p t hh i g h w a y t u n n e l si ns o f ts u r r o u n d i n gr o c k h a v eb e e na p p e a r e d m o s to ft h e s et u n n e l sa r ef a c i n gd i f f i c u l t i e ss u c ha sl a r g e - s p a n ， s h a l l o w d e p t h ，c o m p l e xo fg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，h i g h e rr e q u i r e m e n to fc o n s t r u c t i o n s o s u m m a r i z ea n dr e s e a r c ht h ec o n s t r u c t i o na n dm o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya b o u tt h i sg e n e r a t u n n e lo nt i m e ；e x p l o r ed i f f e r e n t k i n d so fb a dp h e n o m e n ap r o c r e a t i v er e a s o n ；g r i p s u c c e s s f u lo rf a i l i n ge x p e r i e n c ef r o mf a c t u me s t t u n n e l ；s u p p l yi m p o r t a n tr e f e r e n c e m a t e r i a l a n dd e c i s i o ng i s tf o rn e w l y - b u i l te n g i n e e r i n ga r ev e r yn e c e s s a r yf o re c o n o m i c a l l y ，h i g h l y q u a l i t yt oc o n s t r u c th i g h w a yt u n n e l b a s e do nt h ed o n g s h a n - t u n n e lo f t h es h a n n a nn e wa r e a i nh u a i n a nc i t y ，c a r r yo u ti n d e p t ha p p r o a c ha b o u tt u n n e la d v a n c eb a r r i n gs t r e n g t h e n t e c h n o l o g y ；c a r r yo u ti n d e p t ha p p r o a c hs u c ha st h et h e o r y 、e x e c u t i v ep o i n t 、p r a c t i c a l a p p l i c a t i o na n ds oo na b o u tn 蛆m i n t r o d u c em o n i t o r i n gc o u r s ea n dm e a n sa b o u tt u n n e l c o n s t r u c t i o n ，c a r r yo u tt h er e s e a r c ha b o u t i n f o r m a t i o n sf e e d b a c ka n df o r e c a s tp r e d i c t i o n ； c a r r yo u tt h es i m p l yr e s e a r c ha b o u t d a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s e s ；i nt h ee n d c o m p e n d i o u si n t r o d u c et h em e t h o do fc o n s t r u c t i o na n dm o n i t o r i n gm e a s u r ec o u r s e i n d o n g s h a nt u n n e l ，e m p h a s e se x p o u n dt h ea n a l y s e so fm o n i t o r i n gm e a s u r er e s u l t a n di t s d i r e c t i n go ra s s i g n i n gr o l ei np r o g r e s s ，a n dm a k eo b s e r v ea b o u tb a dp h e n o m e n a sw h i c h w e r ep r o d u c e di np r o g r e s s 1 1 1 er e s e a r c hp r o d u c t i o nn o to n l ys u c c e s s f u la p p l yt op r a c t i c e e n g i n e e r i n gp r o j e c t ， a l s op o s s e s si m p o r t a n t i n s t r u c t l o ns e n s ei nd e s i g n ， c o n s t r u c t i o na n dm o n i t o r i n gf o rs i m il a re n g i n e e r i n gp r o j e c t k e y w o r d ：s o f ts u r r o u n d i n gr o c k ，l a r g e s p a n ，s h a l l o w d e p t h ，m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n t 插图清单 图2 1c d 法施工示意图 9 图2 2c r d 法施工示意图9 图2 3双侧导坑法 9 图2 4台阶法分步平行开挖 1 0 图3 1净空位移量测测线布置示例图 1 6 图3 2地表下沉测点在横断面上布置示意图 1 9 图3 3不同时间锚杆轴力与深度关系 2 0 图3 _ 4锚杆测点轴力与时间关系 2 0 图4 1位移一时间监测曲线示意图q oo ooo 2 4 图4 - - 2岩体变形曲线与位移一时间曲线的相似 2 7 图卜3位移变化速率的确定 2 8 图4 _ 4测试典型曲线0 0 00 00 2 9 图5 一l淮南市山南新区洞山隧道位置图 3 0 图5 2淮南市山南新区洞山隧道南段工程地质平面图 3 1 图5 3淮南市山南新区洞山隧道地质纵断面图 3 2 图5 - 4双侧壁导坑施工示意图 3 3 图5 5台阶法施工示意图0 00 000 3 3 图5 “周边位移测点布置图 3 6 图5 7拱顶下沉测试示意图 3 6 图5 8地表下沉测试布置图0 0 00 00 000 3 7 图5 9地表下沉随时间变化曲线 3 8 图5 一l o各测点地表下沉变化曲线 3 8 图5 1 1z k l + 3 3 0 周边位移收敛随时间变化趋势 3 9 图5 1 2z k l + 3 3 0 周边位移收敛随掌子面距离变化趋势4 0 图5 1 3z k l + 3 3 0 拱顶下沉随时间变化趋势4 0 图5 1 4z k l + 3 3 0 拱顶下沉随掌子面距离变化趋势4 1 图5 1 5y k i + 3 4 5 周边位移收敛实测曲线与回归曲线 4 3 图5 1 6z k l + 4 1 4 量测断面各测点地表下沉变化曲线4 3 图5 1 7z k l + 4 1 4 量测断面地表下沉随时间变化曲线 4 3 图5 1 8z k l + 4 1 4 量测断面5 号测点地表沉降速率趋势图4 4 图5 1 9k 1 + 3 9 0 量测断面各测点地表下沉随时间变化曲线4 4 图5 2 0k 1 + 3 9 0 量测断面8 、9 、1 0 号测点地表沉降速率趋势图 4 5 图5 2 1k l + 3 0 0 量测断面各测点地表沉降随时间变化曲线 4 5 图5 2 2k 1 + 3 0 0 量测断面5 号测点地表沉降速率趋势图4 6 图5 _ 2 3z k l + 1 9 0 拱项下沉随时间变化曲线4 6 图5 _ 2 4z k l + 1 9 0 拱项下沉速率趋势图0 000 00 4 7 表1 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 - 4 表3 5 表4 一1 表4 - 一2 表4 - 一3 表4 - 4 表5 1 表5 - 2 表5 3 表5 - 4 表格清单 国内外浅埋大跨度隧道施工实例3 隧道现场监控量测项目及量测方法 1 4 净空位移测线布置1 6 净空位移量测频率1 7 隧道周边允许相对位移值 1 8 地表下沉量测断面间距6 o ooo ug oo 1 9 弗朗克林警戒标准2 5 法国制定的拱项沉降量控制标准2 5 日本新宇佐美隧道容许变形量2 6 洞周允许水平相对收敛值和开挖轮廓预留变形量2 6 洞山隧道主要参数一览表3 0 洞山隧道各级围岩参数表3 l 隧道监测数据采集频率3 7 y k i + 3 4 5 量测断面净空收敛数据表 4 2 独创性声明 本人声明所旱交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金月巴工些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同t 作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位敝储擗修刁电签字吼栌c 月坤 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥目巴工些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被杏阅或借阅。本人授权金a 曼王些盔 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 一躲；炫违 跏躲抄圣抄 i i i i - 字i i i ：铲( 月 l 咿签字日期：。分年l 月吵 日 学位论文作者毕业赫：f 凇f ) 厂g 工作单位：电话： 通讯地址：邮编： 致谢 在此论文完成之际，我的硕士研究生生活也即将结束。在这里，首先要感 谢我的导师杨成斌教授。在这三年的学习、研究和生活期间，杨老师自始至终 给予我莫大的关怀和帮助。在文献检索、资料收集、论文选题和论文撰写过程 中，杨老师给予了悉心的指导，提出了许多宝贵的意见和建议。他严谨的治学 态度，理论联系实际的指导思想，兢兢业业的工作精神和平易近人的作风，使 我深受启迪，受益匪浅。在此谨向杨老师致以最诚挚的敬意和深切的感激之情! 在合工大岩土院实习期间，我有幸得到了何仕英高级工程师、李永奎工程 师的指导、鼓励和帮助以及其他同事的帮助和关心，在我毕业之际，在此向他 们表达诚挚的谢意! 在我论文撰写过程中，感谢合肥工大工程试验检测有限公司洞山隧道监控 量测组、中铁四局洞山隧道项目部和合肥工大工程监理有限公司洞山隧道监理 部给予的大力支持，感谢合肥工大工程监理有限公司鹿中山总工程师给予的指 导，在此向他们深表谢意! 在研究生的两年多生活中，我的师兄潘星、周学良、邬雷勇、孙之芜、同 学钱锋、武海英、宋佳、甘果、王剑、侯世栋、赵祥煜等一直对我的学习、工 作和生活帮助很多。在此向他们表示感谢! 感谢父母和亲人多年来的支持和教诲! 最后，我还要由衷地感谢答辩委员会的全体老师以及莅临答辩现场的各位 老师和同学，感谢大家在百忙之中抽出时间参加和指导我的毕业论文答辩工作。 作者：张元连 2 0 0 7 年1 2 月 第一章绪论 1 1 公路隧道概述 隧道通常指用作地下通道的工程建筑物【l 】，根据应用领域可分为交通隧道、 矿山巷道、水工隧洞等。其中交通隧道与我们的日常生活联系最紧密，交通隧 道按照采用交通工具的不同可以划分为公路隧道、铁路隧道和城市地铁。 公路隧道作为公路中不可或缺的一部分，随着公路建设的不断发展，在世 界各国得到了广泛的应用。现代公路隧道的修建始于1 9 2 7 年美国纽约哈德逊河 底的荷兰盾隧道，该隧道双洞单向交通：长度分别为2 6 8 0 m 和2 5 5 l m 。高峰小 时交通量2 0 0 0 辆，盾构法施工。在此以后，世界各国修建了大量的公路隧道。 作为一个多山的国家，在过去一段时间里，我国的公路隧道建设也得到了长足 的发展。2 0 世纪5 0 年代，我国仅有3 0 多座隧道，总长约2 5 公里。1 9 6 4 年修 建的北京至山西原平的公路上，修建了两座2 0 0 米以上的隧道，已是非常大的 工程。1 9 7 9 年，我国公路隧道通车里程为5 2 公里，数量为3 7 4 座；1 9 9 3 年发 展到6 8 2 座，总长1 3 6 公里，隧道平均长度为19 9 米。近年来，随着我国公路 交通建设的迅速发展，公路隧道也进入了快速发展的历史时期，根据交通部公 布的我国2 0 0 5 年公路隧道统计资料，不包括香港、澳门特别行政区和台湾省的 数据，我国已有公路隧道2 8 8 9 座，总长1 5 2 7 公里，是世界上公路隧道数量最 多的国家。 1 2 现代公路隧道的主要特点 1 长隧道及特长隧道越来越多 随着道路等级标准的逐渐提高和隧道设计理论和施工技术的不断改进，公 路隧道的修筑长度已达数十公里，比较著名的有日本的关越隧道( 1 1 0 5 k m ) 、意 大利的勃朗峰隧道( 1 1 6 k m ) 、奥地利的阿尔贝铭隧道( 13 9 7 2 k m ) 、瑞士的圣哥 达隧道( 1 6 8 2 k m ) 、挪威奥尔兰隧道( 2 4 5 k m ) 。国内公路隧道的修筑虽然起步 时间较晚，但发展很快。代表性的有二郎山隧道( 4 2 k i n ) 、华釜山隧道( 4 6 k m ) 、 鹧鸪山隧道( 4 4 k m ) 、秦岭终南山隧道( 全长18 4 k m ，长度居亚洲第一，世 界第二) 、湖南雪峰山隧道( 6 9 5 k m ) 以及西安汉中高速公路上穿越秦岭的三 座特长隧道群( 总长3 4 k m ) 。这些长大公路隧道的成功修建，除了道路等级标 准要求的提高，新的施工工艺、现代通风、监控技术和许多成功的经验起着决 定性的作用。 。2 曲线隧道逐渐增多 在新的隧道设计理论和施工技术推动下，特别是在总结公路隧道运营管理 的实践经验后，现代公路隧道的选线己完全打破了过去的宁直勿弯的规则，曲 线隧道逐渐增多，如奥地利巴拉斯基复线隧道，结合地形和环境条件设计了一 段长达1 2 k m 的曲线隧道。曲线隧道的设计，不仅可以避开不良地质，而且对 促使行驶中的司机提高警惕和不受出口“白洞 影响加速出洞，避免引起交通 事故很有帮助。 3 双洞取代单洞 由于单洞双向交通不能充分利用汽车交通风，因此，要求通风设备装机容 量增加，特别是单洞双向交通的事故率远远高于双洞单向交通。故而近十多年 来，双洞单向交通隧道逐渐取代单洞双向交通隧道。国外目前正在将早期1 0 0 多座单洞双向交通隧道改变为双洞单向隧道。这对降低通风难度，节约能源， 减少事故很有帮助，而且还可以提高交通量，满足防灾救灾和备战的要求。奥 地利的巴拉斯基隧道和陶恩隧道就是典型的例子。 4 大跨度、大断面、形状扁平 公路隧道与铁路隧道、水工隧洞相比断面较大，双车道公路隧道的断面面 积可达8 0 m 2 左右；近年来，随着交通需求量的急剧增加，出现了大量的三车 道大跨( 大断面) 交通隧道，其开挖断面可达1 1 3 1 7 0 m 2 。因此公路隧道围岩受扰 动范围大，其轮廓对围岩块体的不利切割增多，围岩内的拉伸区与塑性区加大， 导致施工难度增大。而且在满足使用功能和施工安全的前提下，为了尽可能地 降低工程造价，公路隧道的断面常为形状扁平的马蹄形或直墙拱顶形。 5 埋深浅、地质情况复杂、施工环境要求高 随着城市建设的高速发展，为满足城市交通需求，各种城市公路隧道的建 设也越来越多。而这些城市公路隧道大都面临着埋深浅、地质情况复杂、施工 环境要求高等困难。对公路隧道的设计、施工、监测的技术要求也越来越高。 1 3 软弱围岩中大跨度浅埋隧道施工监控技术发展现状 在软弱围岩中修建大跨度浅埋隧道，开挖方式主要有中隔壁工法、侧壁导 坑法、台阶法、台阶分部开挖法等方法或其中的组合，而支护方式通常采用锚 喷、锚网喷、锚喷网架、锚喷网架注浆、钢架支护、钢筋混凝土支护、注浆加 固和预应力锚索支护以及多次支护、联合支护等形式。 中隔壁( c d ) 工法，侧壁导坑法最早应用于1 9 8 1 年德国慕尼黑地铁的施 工中，19 8 4 年日本成功地将德国人首创的中隔壁施工方法用于大跨度扁坦状的 真米公路隧道施工。2 0 世纪8 0 年代末期，日本在扩建东( 京) 名 ( 古屋) 高速公路静冈县御殿场至神奈川县大井松田段期间，应用了双侧壁导坑法、上 下短台阶法、上半断面一次封闭法、中壁工法等多种施工方法，修建了总长5 2 6 8 1 1 1 的9 座三车道公路隧道，即所领第一隧道( 长2 1 5 m ) 、所领第二隧道( 长 1l3 m ) 、高尾隧道( 长5 7 8 m ) ，樱平隧道( 长4 7 2 m ) 、北佃隧道( 长3 2 8 m ) ， 太郎尾隧道( 长7 0 7 m ) 、鸟手山隧道( 长8 4 2 m ) 、新都夫良野隧道( 长17 15 m ) 以及新吾妻山隧道( 长2 9 8 m ) 。 2 0 世纪9 0 年代，软弱围岩隧道施工采用计算机分析和工程实践相结合的 2 综合分析方法。2 0 世纪末期，一些便于工程推广的专用计算机程序软件得以成 熟和发展，信息化设计使经验方法科学化，使力学计算具有实际背景，形成了 以施工监测、理论分析、经验判断相结合，地质调查、设计、施工相交叉的施 工设计方法。 国内近来在软弱围岩中已建成的大跨度隧道如：沪宁高速公路的南京市中 山门隧道( 净宽1 2 5 m ，埋深1 0 5 m 左右) 、京珠高速公路广东省的大宝山隧道 ( 最大开挖宽度为16 5 m ) 、广东省广州市环城高速公路的白云山隧道( 净宽 3 1 5 m ，为三车道二联拱隧道，埋深小于4 m ) 等。这些隧道的成功修建也将我 国隧道施工技术上升到了一个新台阶。表1 1 列举了国内外在软弱围岩中所建 成的大跨度隧道的施工事例。 表1 1 国内外浅埋大跨度隧道施工实例 t 程简述主要施t 方法 德国全长9 8 0 m ，三车道区段长1 2 0 m ，开挖断面宽 上台阶两侧导洞一核心顶 赫斯拉奇21 5 7 5 m ，高1 2 0 5 米，覆盖层厚1 2 2 5 m ，为晚 部一核心下部一下台阶及 号公路隧道三叠纪石膏、软粉砂、断层带，地下水大。仰拱一次开挖法。 德国最大开挖断面为1 7 6 m 2 ，宽1 3 2 m ，高宽比最小为中隔壁法( c d 法) 及双侧壁 慕尼黑隧道 0 5 ，主要为含承压水的砂层、粉土质层、粘- 七导洞一拱部一核心土开挖 质和泥狄质地层。 法。 日本开挖断面达1 4 6 m 2 ，宽1 6 8 0 m ，高1 0 9 7 m 。位于双侧壁导洞法，导洞采用上 横滨地铁车 l 号国道下方，覆盖层厚2 0 m 。地层主要为近水下短台阶法。 站平状的暗蓝灰色粉沙质泥岩和中细粒砂岩互层， 局部夹火山碎屑薄层。 日本神户穿过未同结砂砾层，地面有街道、公路等构筑中隔壁法机械开挖 舞子隧道物，覆盖层厚1 1 5 0 m ，三车道和停车带开挖 开挖断面的宽、高分别为 1 6 3 8 mx 1 1 3 7 m 1 9 0 5 m x1 2 3 7 m 。 中国南京 白地表往下依次为杂填十、褐黄色亚粘土及混砾 采用双侧壁导坑法辅以超 沪宁高速中 亚粘七、棕红色中一强风化泥质粉砂岩。隧道位 前长管棚及侧肇注浆等措 于硬塑状的弧粘土中，属i i 类围岩，净宽1 2 5 m ， 山门隧道施。导坑贯通后冉拱部环形 埋深1 0 5 m 左右。属超浅埋三心扁圆坦拱隧道。 开挖并支护。 中国广州表层为第四系全新统坡积、残积砂粘士，下伏基地表用砂浆锚杆、洞内用管 白云山隧道 岩为下古生界混合岩，宽3 1 5 m ( 三车道，二联棚或超前锚杆加固后采用 拱) ，高1 0 5 5 r a ，埋深小于4 m 。三导坑半断面先墙后拱法。 在隧道工程监测和信息化设计方面，技术的进步和发展具体表现在以下两 个方面：一是监测方法及监测仪器本身的进步。现代物理，特别是电子技术的 成就，已广泛应用于新型检测仪器中，如各种材料不同的收敛计、应力计、压 力盒、远视沉降仪等。各类孔压计及测斜仪的设计与制作，优化了仪表的结构 和性能，提高了其可操作性、适应性、稳定性和精度：二是监测的内容不断扩 大与完善，分析方法不断提高。 国内在发展以位移测试为主体的隧道施工监测系统以及监测信息反馈理论 方面有了一定的进展。监控量测信息广泛的应用于介质力学参数反演、施工地 质超前预报( 孙广忠，朱维申等，1 9 9 6 ，) 心叫、支护时间设置( 孙钧，1 9 9 5 1 何满 朝，1 9 9 6 ) 乜儿4 1 、信息化设计和施工( 王建宇，1 9 9 0 ；李世辉，1 9 9 9 ) 陌6 1 及地质体 改造效果的检验等。石家庄铁道学院刘志刚教授h 1 、中铁十四局赵勇为首研究 了“断层参数预测法超前预报隧道断层技术”和“隧道施工地质技术与t s p 一2 0 2 探测解译技术”通过了专家评审，已达国际先进水平。吕康成随1 利用激光基准 测量原理，开发了激光隧道围岩位移实时监测系统，在浙江杭( 州) 一金( 华) 一 衙( 州) 高速公路上的樊村二号隧道试用，监测系统精度为0 5 m m 。以王兰生旧1 教授为主的课题组在川藏公路二郎山隧道工程中设计了简单、易行、便于现场 埋设、量测的围岩变形跟踪监测系统( t m s 系统) 。蒋树屏提出将原属最优控制 理论的卡尔曼滤波器( k a l m a nf i l t e r ) 应用于地下工程，开展具有可操作性的非 确定性反分析程序( d e k f e m ) ，并将其用于分析某公路隧道的围岩稳定，对围岩 最大剪应变分布塑性区估计作了计算分析，取得了良好的效果。 日本从2 0 世纪9 0 年代开始，就采用地质图像处理技术对掌子面的地质条 件进行图像处理，提炼出与围岩分级有关的参数，对围岩分级进行修正，并开 发了隧道掌子面图像系统。日本京都大学提出的用数码相机进行隧道净空位移 量测的研究成果，其精度可达到l m m 。 日本佐藤工业( 株) 开发了“s i t 系统 ，它是一个把洞内的量测数据、机械 和运输车辆的运行数据、通信数据等情报信号，用单一的通信线路进行传输， 实现洞内施工的一元化管理。日本地层科学研究所n 们开发“隧道量测和掌子面 情报快速管理系统”，操作简单、判断迅速，并能够显示出掘进情况、掌子面情 报、量测结果。 1 4 本文研究的目的与意义 地下工程最大的特点在于它的不确定性，工程类比是设计的重要方法，因 此及时总结和研究己有隧道的成功经验和失败教训，为新建工程提供重要的参 考资料和决策依据，对经济地、高质量地建设公路隧道十分必要。基于以上背 景，结合洞山隧道工程实际情况，本文对大跨度浅埋公路隧道施工监控技术与 应用作了一定的研究。 希望通过本文的研究，为在建的洞山隧道工程提供技术支持，并为以后类 似隧道的修建提供参考。 4 1 5 本文的主要研究内容 本文以淮南洞山隧道工程为依托，以现场施工状况和监测资料为依据，对 “软弱围岩中浅埋大跨度公路隧道施工监控技术与应用 进行研究，具体内容 如下： 1 软弱围岩中大跨度浅埋公路隧道的施工技术研究。包括各种施工工法及 其适用性、软弱围岩中隧道施工的辅助施工技术； 2 公路隧道的监控技术研究。包括施工监控的内容与方法、量测数据处理 与分析、信息反馈与预测预报； 3 结合淮南洞山隧道工程实例，给出了洞山隧道的合理施工监控方案，分 析施工技术和监控技术的应用效果。 5 第二章大跨度浅埋公路隧道的施工技术研究 公路隧道的常规施工方法为矿山法施工( 因最早应用于采矿坑道而得名) ， 又称钻爆法1 。在矿山法中，坑道开挖后的支护方法，一般分为钢木构件支撑 和锚杆喷射混凝土支护两类。作为隧道施工方法，习惯上将采用钻爆开挖加钢 木构件支撑的施工方法，称为“传统的矿山法 ；而将钻爆开挖加锚喷支护的施 工方法称之为“新奥法”。并形成了两大理论体系，即传统矿山法的松弛荷载理 论和新奥法的岩承理论。 2 1 隧道工程设计与施工两大理论 松驰荷载理论是2 0 世纪2 0 年代提出的，其核心内容是：稳定的岩体有自稳 能力，对隧道不产生荷载；而不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构 予以支承。这样作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松驰并可 能塌落的岩( 土) 体的重力。这是一种传统的理论，其代表人物有泰沙基 ( k t e r z a g h i ) 和普氏等专家它类似于地面工程建筑考虑问题的思路，至今仍被 广泛地应用着。 岩承理论是2 0 世纪5 0 年代提出的现代支护理论。其核心内容是：隧道围 岩自身有承载自稳能力，不稳定围岩丧失稳定是具有一个过程的，如在这个过 程中提供必要的支护或限制，则围岩仍然能够保持稳定状态。这种理论体系的 代表人物有腊布希维兹( k vr a b c e w i c z ) 、米勒一菲切尔( m i ll e r f e c h e r ) 、芬 纳一塔罗勃( f e n n e r - t a l o b r e ) 和卡斯特奈( h k a s t n e r ) 等学者。这是一种比 较现代的理论，它已脱离了地面工程建筑考虑问题的思路，而更加接近于地下 工程建设实际，近半个世纪以来已被广泛认可、接受及推广应用，并且表现出 了十分广阔的发展前景。 “松驰荷载理论 着重注意结果和对结果的处理；而“岩承理论”则更加 注意过程和对过程的控制，即对围岩自承载能力的充分利用。因此，两大理论 体系在原理和方法上各自表现出不同的特点。 2 2 传统的矿山法 传统的矿山法是人们在长期的施工实践中发展起来的。它是以木或钢构件 作为临时支撑，待隧道开挖成型后，逐步将临时支撑撤换下来，施作整体式厚 衬砌作为永久性支护的施工方法。木构件支撑具有耐久性差和对坑道形状的适 应性差、支撑撤换工作麻烦和不安全、对围岩扰动较大等缺点，目前已很少采 用。钢构件支撑具有较好的耐久性( 可采用装配式周转重复使用) 、对坑道形状 的适应性较好等优点，施工中亦可以不予撤换，更为完全可靠。钢木构件支撑 类似于地上的“荷载一结构”力学体系。它作为一种维护坑道稳定的措施是很 6 有效的，容易被施工人员理解和掌握。因此这种方法常被应用于不便采用锚喷 支护的隧道中，或处理坍方等。由于衬砌结构的设计工作状态不一致，以及临 时支撑存在的一些缺陷，在一定程度上限制了这种方法的发展和应用。 2 3 新奥法 2 3 1 新奥法 新奥法( n e wa u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ) 是新奥地利隧道施工方法的简称， 简写为n a t m ，是2 0 世纪5 0 年代奥地利学者腊布西维兹( l v r a b c e w i c z ) 教授 总结前人在隧道工程中积累的经验后所提出的一套隧道设计、施工方法。它与 法国所称收敛约束法或有些国家所称动态观测设计施工方法的基本原则一致。 新奥法摈弃了传统隧道工程应用厚壁混凝土结构支护松动围岩的理论，应 用岩体力学原理 1 2 】，根据在岩体中开挖隧道后从变形产生到岩体破坏要有一个 时间效应的性质，将锚杆和喷射混凝土集合在一起，适时构筑柔性、薄壁、能 与围岩紧贴的支护结构来保护围岩的天然承载力，变围岩本身为支护结构的重 要成分，使围岩与构筑的支护结构共同成为坚固的支承环，共同形成一个长期 稳定的洞室。新奥法所采用的主要支护手段是喷射混凝土和锚杆。 新奥法的主要特点是通过许多量测手段对开挖后隧道围岩的动态进行监 测，并以此来指导隧道支护结构的设计和施工。 1 9 8 0 年，奥地利土木工程学会地下空间利用分会把新奥法定义为“在岩质、 土砂质介质中开挖隧道，以使围岩形成一个中空筒状支承环结构为目的的隧道 设计施工方法”。并遵循以下原则 1 3 - 1 4 ： 1 考虑岩体的力学特性； 2 在适宜的时机构筑适宜的支护结构，避免在围岩中出现不利的应力应变 状态； 3 构筑一个闭合的支护结构，使围岩形成力学上稳定的中空筒状支承环结 构； 4 现场量测监控围岩动态，根据容许变形量来求得最适宜的支护结构。 新奥法的定义揭示了新奥法最核心的问题一一利用围岩支护隧道，使围岩 本身形成支承环。它的要点是：围岩体和支护视为统一的承载结构体系，岩体 是主要的承载单元；允许围岩产生局部应力松弛，也允许作为承载环的支护结 构有限制的变形；通过量测判定围岩体和支护结构的承载一一变形一一时间特 性；按“预计的 状态选择开挖方法和支护结构，在施工中，通过对支护的监 控量测，修改设计，决定支护措施和二次衬砌施作。 2 3 2 新奥法的优点： 与传统的矿山法相比，新奥法具有以下优点： 1 适用范围广，从构筑隧道埋深来看，由覆盖只有几米的浅埋隧道至埋深 7 达千米的深埋隧道；从地质条件来看，不仅在硬岩、软岩中运用，就是在膨胀 性地层、湿陷性土层以及软弱砂土地层中也能施工；此外，在偏压地带和高地 应力地区也可使用新奥法； 2 可以根据地质变化随时修改支护设计，加长加密锚杆，因此施工具有很 大的灵活性；此外，新奥法还可以成功控制地表沉降和适于施作防水层等优点： 3 由于开挖后及时做好密贴、柔性支护，防止岩体较大的松弛破坏，另外 在初次支护后，不断进行现场监测，一旦发现不良征兆，可以及时加固，因此 可以保证施工安全； 4 由于采用控制爆破，大大减少了开挖量，加快了施工进度，节约建造成 本。 新奥法最早用于奥地利阿尔卑斯山深埋隧道建设。其代表性工程有： 1 9 7 3 1 9 7 8 年穿过阿尔卑斯山的公路硬岩隧道；2 0 世纪6 0 年代中期德国法兰克 福、慕尼黑地铁软岩( 土) 隧道；8 0 年代德国总长12 0 k m 的6 5 座双线高速铁 路隧道及维也纳地铁含软土地层隧道。 由于新奥法具有广泛的适应性和优越性，现在己经成为在软弱围岩中及不 良地质条件下修建隧道的有效方法。 2 4 大跨度浅埋公路隧道新奥法施工的开挖方法及其适用性 隧道的开挖方法需根据断面形状、隧道长度、施工工期、工程地质、周围 环境等条件综合确定。在洞口浅埋地段、断层破碎带等软弱围岩中施工时，由 于地质条件较差、围岩破碎、施工困难、易塌方，因此，在施工前应进行充分 调查，对各类施工工法进行比较，有针对性地进行施工组织设计，确保隧道安 全快速施工 ”。1 7 】。软弱围岩中大跨度浅埋公路隧道主要开挖方法有：中壁法、 双侧导坑法和台阶分步平行开挖法 ”。19 1 ，具体如下： 2 4 1 中壁法( c d 法、c r d 法) 中壁法主要有c d 法和c r d 法两种，常用于掌子面不稳定，埋深较浅及围 岩较差的隧道工程中。施工示意图见图2 1 和图2 2 。该方法因纵向分割断面， 其开挖断面相对较小，故能确保掌子面的稳定，若支护及时，可防止隧道周边 围岩松弛范围的扩大。两种方法主要特点如下： c d ( c e n t e rd i a p h r a g m ) 法分割断面较大，施工难度较低，施工工序简单， 工期较短，且造价相对较低；但由于中壁的存在，使工作空间缩小，所以只适 用于中小型机械进行作业。 c r d ( c r o s sd i a p h r a g m ) 法最大特点是将大断面化成小断面，步步成环， 每个施工阶段都是一个完整的受力体系，结构受力明确，变形小，安全性高。 根据大量的实测资料，c r d 法比c d 法能更好的控制地表沉降。 当地质变化较大时，c d 法、c r d 法易于与其它施工方法进行转换。 8 图2 1c d 法施工示意图( 注：、开挖顺序) 图2 2c r d 法施工示意图 2 4 2 双侧导坑开挖法( 眼镜法、双侧导坑超前开挖法) 在埋深浅、围岩特别差以及地表沉降控制严格的工程中常使用双侧导坑法， 双侧导坑开挖法主要有眼睛法和双侧导坑超前法两种，施工示意图见图2 3 。 该施工工法能确保掌子面的稳定并能有效控制隧道周边围岩松弛。两种方法主 要特点如下【2 0 】： 眼睛法( 双侧壁导坑法) 由于分割断面较小，施工安全性好。但是，该工 法工序复杂，造价高，施工速度慢，特别是限制了大型机械的使用，施工条件 较差。 超前导坑法施工中的超前导坑能探明前方的地质情况，遇到不良地质时可 在开挖前采取预防措施，然而，当地质条件变好时改变施工工法比较困难。 ( a ) 眼睛法 图2 3双侧导坑法 ( b ) 侧导坑法 2 4 3 台阶分步平行开挖法 在工程实践中，中壁法和双侧导坑法有以下很难克服的缺点： 9 ( 1 ) 施工空间小，限制了大型施工机械的应用，降低了工效； ( 2 ) 临时支护多，投入大，不经济； ( 3 ) 施工中各工序相互干扰较大。 所谓台阶法分步平行开挖，即采用分步平行开挖；分步平行施作拱墙初期 支护；混凝土仰拱超前施作；构成稳固的初期支护体系，保护围岩的天然承载 力，有效抑制围岩变形。适用于浅埋、软弱岩层中的大跨隧道施工，开挖施工 示意图见图2 4 ， 、 il ) j 图2 4台阶法分步平行开挖 其技术特点如下【2 1 】： ( 1 ) 施工空间大，可以引入大型施工机械，多作业面平行施工，工效高； ( 2 ) 在地质条件复杂多变、软硬围岩相间的隧道中施工时，便于调整施 工方法； ( 3 ) 能适应不同跨度和多种断面形式，无需拆除临时施工支护，节省投 资； ( 4 ) 爆破施工可以分成多个作业面进行，将集中爆破化为分散爆破，既 减少了对围岩的扰动，又充分利用了空间，增加了爆破临空面； ( 5 ) 混凝土仰拱超前施作，不仅便于初期支护及早闭合成环，而且改变 了洞内作业环境； ( 6 ) 无需增加特殊设备，投入少，操作性强，易推广。 2 5 软弱围岩中大跨度浅埋公路隧道辅助施工方法 大跨度浅埋隧道施工中，为了确保掌子面的稳定和施工的合理化( 安全而 快速的施工) ，各种辅助施工技术2 2 。2 3 1 已成了不可缺少的手段，其主要有以下 几种： 1 管棚工法 管棚工法是在隧道开挖之前沿隧道开挖断面的外轮廓，以一定间隔与隧道 平行钻孔、插入钢管，再从插入的钢管内压注充填水泥浆或砂浆，来增加钢管 外围岩的抗剪切强度，使钢管与围岩一体化，由管棚和围岩构成棚架体系。其 效果可归纳为： 梁效应：因钢管是先行设置的，在掘进时，钢管在掌子面及其后方的支撑 支持下，形成梁式结构，防止围岩的崩塌和松弛。 l o 加强效应：钢管插入后，压注水泥浆，加强了钢管周边的围岩。 在浅埋地段，地表有结构物存在时，或隧道接近地中结构物、地下埋设物 开挖时，为把隧道开挖的影响限制在最小范围内，需尽量防止围岩的松弛，采 用管棚法是有利的。 2 注浆小导管超前支护 注浆小导管是向掌子面附近围岩注浆，以改善围岩状况，保证掌子面稳定 的方法，可以运用于有崩塌危险的地段。实践证明：掌子面斜上方对隧道的稳 定性具有很大的影响，开挖前改善此部分的状况，对增强隧道的稳定性极为重 要。小导管注浆视有无锚杆、药液、改良深度等而不同。压注材料不仅有水泥， 水玻璃，还有以高压( 3 m p a ) 压注的泡沫尿烷。 3 地表垂直锚杆工法 垂直锚杆工法是在隧道开挖之前，在隧道上部钻设直径1 0 0 - - - 1 2 0 m m 的钻 孔，钻孔中插入粗钢筋( 一般d _ - - 2 5 - - 3 2 m m ) ，再充填砂浆或水泥浆，在地中形 成棒状的钢筋加固体，可以阻止因开挖引起的围岩变形，提高围岩的抗剪切强 度。 此工法广泛应用于防止地表下沉、稳定掌子面、处理偏压、防止坡面崩塌。 尤其适用于浅埋的软弱围岩和滑坡地段等施工条件恶劣的地点。其优点是与开 挖作业无干扰，但应视地表状况选用，适用性较差。 4 掌子面正面喷混凝土、正面锚杆 正面喷射混凝土是在开挖后自稳性差的开挖面喷射3 1o c m 左右的混凝 土，覆盖掌子面，以防止掌子面松弛，提高掌子面的自稳性，常常与正面锚杆 同时使用。此外，通过目视喷射混凝土表面是否有龟裂发生，还可以获得有无 崩塌发生的信息。 正面锚杆是在掌子面有显著崩塌情况下采用的。锚杆长2 3 m ，视崩塌情 况设置。 5 水平高压旋喷压注工法和高压喷射搅拌工法 未固结的围岩，特别是城市的浅埋隧道，必须注意控制隧道变形和地表下 沉并确保掌子面的稳定。 水平高压旋喷压注工法，是在一般的初期导管注浆的基础上发展起来的， 能较大规模地以高压旋喷的方式压注水泥浆的超前支护工法。此方法是在水平 钻孔内采取高压旋喷技术，在隧道开挖外轮廓形成拱形预衬砌，以防护掌子面。 其具有以下特征： ( 1 ) 在隧道开挖之前，在掌子面前方构筑拱形刚性体，减轻传到掌子面和 支护上的荷载，控制开挖引起的松弛； ( 2 ) 因采用高压旋喷，形成改良的、高强度的土体； ( 3 ) 因采用专门的机械施工，施工速度快。 高压喷射搅拌工法是采用高压喷流切削围岩，将开挖的土、砂和硬化剂置 换或混合搅拌，在计划范围内形成圆柱形的改良体的方法。通常与压注法的目 的一样，但更宜用于有较大的强度和止水性的场合。 高压喷射搅拌工法只要进行合理的施工管理，就是一个可靠性很高的工法。 6 压缩空气法或气压室法 被开挖地层的稳定性往往取决于地层是否充分排水，在地层透水性差时水 对开挖影响不大，但在地层透水性好时如砂层，水就会对开挖产生较大的影响， 这时一般用排水井和压缩空气控制地下水。后者利用压缩空气的压力( 0 1 m p a 左右) 来抑制地下水流出，并对开挖面产生支护作用，减小地面沉降，这是压 缩空气法或气压室法的主要原理，压缩空气法在慕尼黑和维也纳的地铁工程中 取得了成功应用。 7 预衬砌法 在软弱围岩中，该工法又称预筑拱法，即沿开挖面周围用机械( 链锯) 切 割围岩，形成环形沟槽，立即用速凝混凝土填充以在开挖面前方形成一个类似 拱壳的锥形衬砌连续体，再开挖中间部分，混凝土拱壳加固前方地层，并用作 初期支护来保持地层稳定性，防止崩塌和地层沉降。 8 冷冻法( 冻结法施工) 冷冻法一般适用于地下水比较丰富、或地下水压比较大的地层中，它是采 用冷冻机和循环泵将氟利昂或低温液化气通过冷冻管注入隧道前方地层中使地 层孔隙水冻结而得到强化，采用冻结法施工时，需考虑解冻后的地面下沉。冻 结法施