【中铁】隧道施工方案决策技术（共265页）

1、隧道工程施工方案决策技术中铁隧道集团副总工程师 汪纲领引言：基本概念隧道工程洞室支护、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。引言：基本概念工程地质条件工程地质条件就是工程活动的地质环境，可以理解为工程建筑物所在地区地质环境中各项因素的综合。一般认为它包括如下六个方面：岩土类型及工程性质(地层岩性)这是最基本的工程地质因素，包括它们的成因、时代、岩性、产状、成岩作用特点、变质程度、风化特征、软弱夹层和接触带以及物理力学性质等。地质构造是工程地质工作研究的基本对象，包括褶皱、断层、节理

2、构造的分布和特征。地质构造，特别是形成时代新、规模大的优势断裂，对工程建设具有控制作用，对建筑物的安全稳定、沉降变形等具有重要意义。水文地质条件这是重要的工程地质因素，地下水是降低岩土体稳定性的重要因素，在某些情况下对建筑物的某些部位(如基础)发生侵蚀作用，影响建筑物的安全。研究内容包括地下水的成因、埋藏、分布、动态和水质等。地表地质作用与工程建设选址区域的地形、气候、岩性、构造、地下水和地表水作用密切相关，主要包括滑坡、崩塌、岩溶、泥石流、风沙移动、河流冲刷与沉积等，对建筑物稳定性评价意义重大。地形地貌地形是指地表高低起伏状况、山坡陡缓程度、沟谷宽窄及形态特征等，地貌则说明地形形成的原因、过

3、程和时代。不同的地形地貌代表不同的地质特征，这些因素都直接影响到建筑选址和线位的选择。天然建筑材料工程中常用的天然建筑材料主要有：粘性土料、砂性土、砂卵砾石料、碎石、块石石料等等，在大型土木及水利工程中，天然建筑材料的开采运输条件与质和量的条件等直接关系到场址选择、工程造价、工期长短等，因此，也是工程地质条件评价的重要内容，有时甚至可以成为选择工程建筑物类型的决定性因素。工程地质问题工程地质问题是指已有的工程地质条件在工程建设和运行期间会产生一些新的变化和发展（再平衡过程），导致影响建筑物安全的地质问题，是特指与人类工程活动有关的地质问题。它会影响建筑物修建的技术可能性、经济合理性和安全可靠性

4、。（可行性、经济性、可靠性）工程地质条件复杂多变，不同类型的工程对工程地质条件的要求也不尽相同，所以工程地质问题是多种多样的。就土木工程而言，主要的工程地质问题包括以下四类：地基稳定性问题。是工业与民用建筑工程常遇到的主要工程地质问题，它包括强度和变形两个方面。此外岩溶、土洞等不良地质作用和现象都会影响地基稳定。铁路、公路等工程建设则会遇到路基的稳定性问题。斜坡稳定性问题。天然斜坡是长期地表地质作用达到相对平衡的产物，而工程活动尤其是道路工程需要开挖和填筑人工边坡，这时，斜坡稳定对防止地质灾害发生及保证地基稳定十分重要。地层岩性、地质构造特征是影响其稳定性的物质基础，风化作用、地应力、地震、地

5、表水、地下水等对斜坡软弱结构面的作用往往会破环斜坡稳定，地形地貌和气候条件是影响其稳定的重要因素。洞室围岩稳定性问题。在隧道开挖和建设过程中破坏了地下岩体原始平衡条件，就会出现一系列不稳定现象，如围岩塌方、突泥突水、涌水等等。一般在工程建设规划和选址时都要进行线位地质稳定性评价，这是防止决策失误和工程事故，保证洞室围岩稳定所必需要做的工作。区域稳定性问题。在特定地质条件中产生的、并影响到广大区域的工程地质问题。包括活地层、地震、水库诱发地震、地震砂土液化和地面沉降等对工程稳定性的影响。对于大型水利水电工程、地下工程以及建筑群密布的城市地区，区域稳定性问题应该是需要首先论证的问题。水文地质条件水

6、文地质指自然界中地下水的各种变化和运动的现象。水文地质学是研究地下水的科学。它主要是研究地下水的分布和形成规律，地下水的物理性质和化学成分，地下水资源及其合理利用，地下水对工程建设和矿山开采的不利影响及其防治等。从工程施工的角度看，水的存在是一个极为不利的因素，在不同的地质条件下对工程的作用与影响，会形成不同的施工技术问题和施工安全问题。地质条件评价复杂地质条件：地质灾害发育强烈；地形与地貌类型复杂；地质构造复杂、岩性岩相变化大、岩土体工程地质性质不良；工程地质、水文地质条件不良；破坏地质环境的人类工程活动强烈。中等地质条件： 地质灾害发育中等； 地形较简单、地貌类型单一； 地质构造较复杂、岩

7、性岩相不稳定、岩土体工程地质性质较差； 工程地质、水文地质条件较差； 破坏地质环境的人类工程活动较强烈。简单地质条件：地质灾害一般不发育；地形简单、地貌类型单一；地质构造简单、岩性单一、岩土体工程地质性质良好；工程地质与水文地质条件良好；破坏地质环境的人类工程活动一般不大。评价原则：以上每类五项条件中，只要有一条符合复杂条件者，即划为复杂地质条件类型。隧道工程：地质难题与方法体系随着交通运输、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

8、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

9、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

10、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，这些理论与方法，共同构成了隧道施工技术的一个方法体系。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（岩压）一、围岩压力的定义与内涵周围岩体作用于隧道或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。围岩压力是一个可测量、可感知的量，人们可以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

11、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、应力降低区在软弱围岩中，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

12、塌。在坚硬的完整围岩中，由于岩体强度大，坑道周边不会现开裂和坍塌，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、初始应力区远离坑道周边的区域，由于岩体受洞室开挖的影响较小，应力状态没有发生变化，仍处于初始应力状态，也称为一次应力状态。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、形变压力是指围岩变形受到支护约束而产生的压力。形变

13、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，这是一个值得推崇的设计方向。但初期支护必须足够强，否则须及时施做衬砌，以避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形式为主。在松散地层中，若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；若及时施作柔性的喷锚支护，则就会以形变压力为主。形变压力常随时间推移而逐渐加大，最终才趋于平衡而稳定。膨胀压力：形变压力的一种。在膨胀地层中，由水和化学作用引起岩土体积膨胀产生的压力。岩爆冲击力：属松动压力范畴。在脆性岩层中

14、，因洞室开挖使围岩压力突然释放，从而引起岩爆。四、围岩压力的现行理论1、岩土柱理论坑道开挖以后，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

15、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

16、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、理论局限与解决方法由于地层初始压力和岩土参数不易准确测

17、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规律和数据。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

18、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

19、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。在开挖面附近适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

20、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

21、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、最大限度地发挥围岩的自承能

22、力。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、适时施做初期支护。预计围岩有较大变形和松弛时，应在恰当的时候对开挖面施做柔性支护，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。与传统支护结构不同，它不是

23、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、当支护抗力不足时，应优先考虑初期支护补强。对于支护需要加强的区段，不是增大混凝土的厚度，而是增加钢筋网、钢支撑和锚杆，使隧道全长范围内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、监控量测是新奥法的基础。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

24、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调整设计参数和变更施工方法。监控量测是信息化施工的基本手段，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都是依据围岩变位量测结果决定的。5、无角隅闭合结构受力条件最好。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，敷设仰拱使支护结构闭合是特别重要的措施。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

25、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、难以把握的时间效应，难以接受的严重后果。时间效应是工法选择的主要依据，对围岩自稳时间的判断十分关键，因为支护作业的工序时间必须足够。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，全断面一次开挖肯定是最有利的；分部开挖会使应力反复分布而造成围岩受损。这些因素都需要去综合平衡。7、岩层内的渗透水压力，必须采取排水措施来降低。 思想方法与技术理念 新奥法的支护结构至今仍处于经验设计阶段，一般都采取工程类比法进行预设计，然后再

26、根据现场监控量测进行动态修正，这本质上就是“变化与选择”的思想方法。“及时支护”与“适时支护”是两个完全不同的概念，而“适时支护”更能符合新奥法提倡的支护方式。很显然，“及时”无需技术思维，而“适时”则需要经验判断。从围岩与支护特性曲线可知，围岩应力与支护抗力都是一个对时间高度敏感的函数，安全的本质是二者始终处理一种稳定平衡状态，平衡点的选择具有“过程本质”。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）

27、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，并且尽可能不妨碍施工。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：

28、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

29、。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

30、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就会是安全的。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

31、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

32、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

33、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

34、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。认知力学模型： F=T+Pmax隧道预支护力（F）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（Pmax）和支护结构直接对围岩提供的支护抗力（T）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，称之为隧道的预支护原理。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

35、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可以表示为： 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

36、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，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

37、情况可采用锚喷网、锚喷架、锚喷架网等多种组合形式。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。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

38、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

39、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

40、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

41、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

42、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

43、素综合考虑研究选用。以隧道采用矿山法施工为例，以施工安全作为基本问题，讨论基本工法的选择原则与方法。基本工法的选择原则基本工法的选择，主要是考虑“时间与空间”两个因素，综合平衡“时间效应与空间效应”进行决策。由于闭合结构要比非闭合结构受力好很多，因此，快速封闭是指导隧道施工的最基本原则。至于施工中究竟应采用何种工法，要根据以下两个条件来决定：条件一：初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；条件二：各台阶施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备对施工场地大小的要求。情况之一在破碎围岩或软弱围岩施工中，围岩的自承能力相对较小且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，

44、围岩很快就进入了松弛状态，时间效应是突出矛盾，应以条件一为原则选择工法。为了确保施工安全，基本工法一般多采用各种形式的断面分块开挖法，辅助工法也必须足够强，以提高围岩的自承能力。例如CRD工法、CD工法、双侧壁导坑法等。情况之二在完整性围岩施工中，围岩自承能力比较大，可以提供维持围岩稳定所需要的承载力，即使不采取任何支护措施，围岩也能自稳。在这种围岩情况下，以条件二为原则选择工法，通常都采用全断面开挖法，以保证施工的经济性。情况之三介于二者之间的情况，更具有广泛意义。围岩具有一定的自承能力，隧道开挖后围岩不会立即松弛垮塌。起初，围岩压力处于形变压力阶段，随着围岩变形的不断增大，围岩内部结构和应

45、力状态也在不断的调整，自承能力不断下降而承载力不断增加。如不“适时”支护，围岩形变压力就会转化为松弛压力，之后就进入松弛状态，进而导致坍塌。“适时”支护就是为了在合适的时间对围岩施加一个抗力，以抵抗围岩的进一步松弛。对于这类围岩，隧道开挖后一般都存在一个自稳时间，而这个自稳时间的长短恰恰正是人们选择工法要考虑的关键因素。一般来说，若自稳时间短暂，工法选择原则以条件一为主兼顾后者；若自稳时间较长，工法选择原则以条件二为主兼顾前者。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。

46、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

47、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

48、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

49、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：项目CD法双侧壁导坑法CRD法工法的安全性较安全安全安全施工技术难

50、度较高高高施工机械类型中、小型小型小型施工工序较多多多工程造价较高高高掌子面的稳定性较好好好地表沉陷较小小小周边收敛控制较好好好适用范围地质条件较差、安全要求高跨度大、安全要求高地质条件差、安全要求高 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施工方法示意图重要指标比较适用条件沉降工期防水初支拆除量造价全断面法、级硬岩地层，浅埋、偏压、洞口段不适宜。一般最短好无低正台阶法级软围岩偏弱和级围岩。一般短好无低上台阶临时封闭正台阶法IV级围岩偏弱和级围岩；浅埋、偏压、洞口段。一般短好小低正台阶环形开挖法级软岩及V级围岩，浅埋、偏压、洞口段。一般短好无低单侧壁导坑正台阶法围岩压力大、产状

51、平缓、松软或不稳定含水地层；较大较短好小低CD工法适用于级围岩；浅埋、偏压、洞口段。较大较短好小偏高CRD工法组分复杂的级围岩及软塑状粘性土、粉细砂组成的级围岩。较小长好大高双侧壁导坑法（眼睛工法）级围岩，浅埋、偏压、洞口段以及充填性溶洞等地质条件。大长效果差大高中洞法小洞室，连续使用可扩成大洞室。小长效果差大较高偏洞法小洞室，连续使用可扩成大洞室。大长效果差大高第二章 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

52、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

53、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

54、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、排并用工法及隔离法。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类 别地层可能破坏模式处理对策(辅助工法)石质隧道软弱地层拱顶崩坍管棚注浆、超前小导管注浆、钢插板法等。开挖面失稳环形开挖、开挖面倾斜、喷砼封闭、开挖面锚栓、临时仰拱、地层改良(注水泥浆或化学浆)。沉降或挤压变形地

55、层改良、扩大基脚、锁脚锚杆或锁脚锚管、纵向联梁、微形基桩、加厚砼喷层、补强锚杆(加长或加密)、重型钢肋、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。断层破碎带拱顶崩坍同软弱地层开挖面失稳同软弱地层沉降或挤压变形同软弱地层涌水现象钻孔排水或导坑排水、深井抽水、止水注浆(包括水玻璃系、树脂注浆)卵砾石地 层隧道卵砾石地层拱顶崩坍管棚注浆、超前小导管注浆等。开挖面失稳环形开挖留核心土、开挖面倾斜、喷砼封闭、临时仰拱、地层改良(水泥浆或化学浆)等。渗(涌)水现象钻孔排水、深井抽水、止水注浆(包括水泥浆或化学浆) 、强制排放。砂、泥地层拱顶崩坍管棚注浆、超前小导管注浆、钢插板法等。开

56、挖面滑坍侧壁崩坍环形开挖留核心土、开挖面倾斜、喷砼封闭、临时仰拱、反压法、地层改良(水泥浆或化学浆)等。渗(涌)水现象水平旋喷桩加固其它同卵砾石地层沉降或挤压变形地层改良(包括注超微细水泥浆)、扩大基脚、锁脚锚杆或锁脚锚管、纵向联梁、微形基桩、加厚砼喷层(包括喷钢纤维砼)、补强锚杆(加长或加密)、重形钢肋、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。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

57、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

58、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

59、也是造成隧道支护结构失稳的一个重要原因。(水的限排问题:排水型隧道-必然选择)5、关于隧道安全“六达标”问题（行政法规：合规不合理问题）“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

60、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R