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浅埋软弱围岩隧道变形控制摘要：本文以宁安铁路钟鸣2#隧道为例，重点阐述在浅埋软弱围岩隧道施工，通过各种技术措施对围岩变形进行控制的方法。
关键词：隧道，浅埋，软弱围岩，变形控制abstract: this article to ning an railway chiming 2 # tunnel as an example, focuses on the shallow buried tunnel in weak rock construction, through various technical measures to control surrounding rock deformation method.key words: tunnel, shallow buried and weak surrounding rock, deformation control.中图分类号：u452.1+2 文献标识码：a文章编号：2095-2104（2013）引言在高铁建设过程中，出现了越来越多的地质条件复杂，浅埋软弱围岩的高风险隧道。
由于这些浅埋地层的埋藏比较浅，大多是强风化破碎的围岩，地质条件变化较大，围岩应力分布复杂，且开挖断面大，造成了隧道施工过程中，施工难度增大，初支变形复杂和隧道整体稳定难以控制的情况，隐含着很多坍塌等安全隐患。
本文以钟鸣2#隧道为研究对象，阐述在浅埋软弱围岩隧道施工过程中如何采取对策减小初支变形，确保施工安全的方法。
1 工程概况钟鸣2#隧道位于宁安铁路铜陵境内，双线全长798m，施工里程为dk140+830～dk141+628。
隧道穿越地层主要为含砾粉质黏土及泥质粉砂岩，围岩较破碎全风化，进出口均为偏压地段，全隧道属ⅴ级围岩。
地表水不发育，地下水主要为孔隙水和基岩风化层空隙水，隧道洞身位于地下水位以下，地质条件非常复杂，属宁安铁路高风险隧道。
钟鸣2#隧道采用中隔壁（crd）法开挖施工，全隧道为复合式衬砌支护结构，初期支护使用钢筋网、锚杆、钢架、喷射混凝土联合支护，二衬采用整体式移动台车一次施工完成。
隧道掌子面稳定性控制理论研究摘要：随着现代交通的快速发展，地下工程建设项目越来越多，深埋、长大及偏压隧道的需求也日益增大。
隧道在施工过程中频繁地遇到各种复杂的地质情况，而其隧道在穿越各种地层时也将遇到各种地质灾害。
面对这种情况，隧道掌子面稳定性控制的研究显得十分重要。
本文通过查阅国内外学者的研究成果，对掌子面周围土体及围岩、支护技术、信息处理技术和预测检测技术进行粗略地总结，对掌子面稳定性研究现状进行探讨，从中总结出掌子面稳定性研究的进步与不足之处。
关键词：隧道掌子面稳定性支护技术预测与检测信息处理1前言中国是一个多山的国家，其60%的全国面积属于山区和高原地区。
在修建山区铁路时，隧道工程是必不可少的。
随着科技水平的进步，隧道工程的技术水平也跟着提升了。
尤其是在隧道现代化设计理念的提出，以及现代化机械设备和施工新技术的不断创新，实现了隧道工程的跨越式进步，其集中体现在城市地铁、长大深埋隧道、过江过海隧道等各类用途的地下工程及隧道工程。
20世纪将成为人类向地下方向发展的世纪。
而隧道工程的技术也将不断发展创新，同时也面临着各种新技术的挑战。
隧道工程的发展正面临着开挖技术、支护技术和施工组织等方面的技术性问题。
但是隧道工程实际上还是一个地质工程，在隧道的建设过程中，会遇到各种各样的地质环境，同时在施工过程中也就产生了各种地质难题。
比如，隧道在软弱破碎带时，其围岩具有稳定性差、受力复杂等特点，常常会形成软弱围岩大变形等地质灾害。
而且围岩受力普遍复杂，围岩的应力分布及变化情况复杂，在隧道施工中都存在很多困难，常常造成塌方等安全事故。
因此针对隧道施工的特点及地层围岩变形特性可知，隧道开挖面的稳定性是十分重要的。
而一直以来，国内外的隧道工程因为掌子面失稳而发生的事故也屡见不鲜。
国内的如2011年４月２０日，兰新铁路第二双线甘青段小平羌隧道在进行初期支护施工时，发生拱部局部坍塌，掌子面发生坍塌事故，坍塌部位距隧道洞口约３００米，塌陷纵深长约１３米，塌方土石约２００－３００立方米，造成１２名现场作业人员被困;雅泸高速的泥巴山隧道，在隧道施工时，由于地下水的软化和腐蚀使得围岩强度下降且围岩内应力不断加大，致使钢拱架扭曲严重，甚至断裂，最后造成了长达20m的大塌方；国外的如日本惠那山隧道发生掌子面坍塌的事故。
隧道掌子面稳定性分析的一种简化方法顾博渊;白浪峰;徐平;刘燕鹏【摘要】为提出一种快速、准确评估软弱围岩隧道浅埋段掌子面稳定性的计算方法,在基于楔形块体理论对掌子面稳定性进行分析的基础上,得到一种分析隧道掌子面稳定性的简化方法;采用该方法对黑山南北高速KOSMAN隧道项目的掌子面稳定性进行计算分析.现场实际情况和计算结果表明,该方法具有快速、简便、实用等优点,能够及时、有效地为现场施工提供技术指导,可为今后类似项目提供参考.【期刊名称】《筑路机械与施工机械化》【年(卷),期】2019(036)003【总页数】6页(P129-134)【关键词】隧道工程;掌子面;稳定分析;楔形块体理论【作者】顾博渊;白浪峰;徐平;刘燕鹏【作者单位】中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075;中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075;中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075;中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安710075【正文语种】中文【中图分类】U455.420 引言近年来，在中国经济快速增长的背景下，国家对交通行业大力投入，使中国公路交通行业得到了迅猛发展。
截至2016年底，中国隧道共计23 707.9 km、19 516处，较2015年增幅分别达到10.99%、9.10%，无论是长度还是数量都已位居世界第一。
随着隧道总长和数量的全面增长，隧道修建过程中遇到穿越软弱破碎围岩[1-2]和古滑坡体[3-4]等不良地质现象的隧道工程实例不断增加。
在这些地区修建隧道时，如何控制掌子面稳定并采取及时、有效的预加固措施一直是隧道工程设计和施工领域的一大难点。
目前，隧道掌子面稳定分析已经引起广大隧道工作者的关注，并在理论分析、数值计算两方面得到很多有益的成果[5-11]。
在理论分析方面，Müller-Kirchenbauer提出掌子面微稳定模型，主要适用于由颗粒状物质构成的掌子面稳定分析，此种围岩具有非常低的黏聚力。
软弱围岩隧道施工初期支护变形处理控制措施摘要：随着我国经济的发展，处于大山地区的经济也需要提高，山区内的物产要运出来，产生流通这就要求对当地交通的建设与完善。
工程遇到山体就会考虑挖隧道，由于不同山体它的岩层不同，每个地方地质环境也有差异，所以一个隧道工程是一套非常复杂缜密的工程。
隧道挖掘过程中又往往遇到这样那样的困难，例如山体滑坡，岩层变化，软弱围岩等等。
由于隧道挖掘工程整体变数很大，软弱围岩又是一种常见现象，解决软弱围岩的支护变形的技术手段就成了解决问题的关键。
本文从概述软弱围岩隧道施工初期起，产生支护变形的特点和应对措施一一做出论述，为日后隧道工程软弱围岩支护变形的问题作出分析，为隧道工程的安全有序完工提供依据。
关键词：隧道；软弱围岩；支护大变形；对策当今时代，我国的经济水平发展极快，对道路桥梁等基础施工建设的需求越来越高，尤其是交通运输方面道路铺设尤为重要，在道路桥隧施工过程中，铁路的铺设会遇到隧道工程，公的建设也会有隧道路段，而软弱围岩隧道施工经常遇到支护变形的安全隐患阻碍工期。
因此做好软弱围岩隧道施工初期支护变形的工程分析和处理预案也就成了隧道围岩建设施工工作的重中之重。
一、隧道软弱围岩变形分析（一）软弱围岩变形的定义软弱围岩变形，实践研究表明，在隧道施工实践中，围岩往往会出现一些问题，如弹性变形、塑性变形，断裂和损伤随之而来。
相较于坚硬围岩，软弱围岩具有差异化的变形特点；首先是具有较大变形量，开挖隧道之后，具有显著的塑性变形；具有较快的变形速度，软弱围岩形变后，变形随之出现；且有较长变形时间，隧道开挖中，软弱围岩除了变化较快之外，持续时间也比较长，且具有明显的蠕变特性；软弱围岩具有更大的扰动范围，扩大了软弱围岩隧道周围塑性区之后，如果不及时的支护，或者结构强度不符合要求，就会进一步扩大扰动范围。
软弱围岩具有更低的强度和较差的自稳能力，隧道开挖过程中破坏到地应力分布，会有一圈松动圈形成于隧道周围。
隧道拱顶覆土厚度对超前核心土加固参数的影响分析摘要：采用玻璃纤维锚杆加固隧道超前核心土以约束掌子面挤出变形是提高隧道整体稳定的有效手段，也是软弱围岩变形控制工法（简称ADECO-RS法）的核心之一。
隧道拱顶不同的覆土厚度所产生的纵向土压力差异较大，超前核心土的加固参数需要相应的调整，为了定量分析覆土厚度对超前核心土加固参数的影响程度，以沿海高速公路野猪山隧道为依托，采用数值模拟方法系统分析了Ⅴ级围岩中不同覆土厚度（10~20m）下的隧道掌子面挤出变形、地表及拱顶沉降量、初期支护内力等力学指标。
分析表明，覆土厚度对上述指标的量值有直接关系，随着覆土厚度的增加，锚杆长度宜加长、间距宜减小。
关键词：隧道；覆土厚度；变形控制工法；超前核心土；加固1、引言新奥法（以下简称NATM法）是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法。
NATM法在我国公路、铁路、水力等山岭隧道中普遍采用。
但是，在大断面隧道中，由于需要分部开挖，如台阶法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等，对现场施工进度影响较大。
20世纪70年代中期，意大利Pietro Lunardi教授在NATM法的基础上提出了岩土控制变形分析法（Analysis of Controlled Deformation in Rocks and Soils，以下简称ADECO-RS 法），在意大利及欧洲其它国家的公路和铁路隧道建设过程中积累了丰富经验，被纳入意大利的隧道设计和施工规范中[1]。
我国铁路部门2006年开始在武广客专浏阳河隧道、桃树坪隧道等穿越复杂弱软地层时尝试采用了该工法[2，3]，为有别于“新奥法”而将其地命名为“新意法”。
以这些工程为依托，中铁第一勘察设计院、中铁隧道洛阳科学技术研究所、西南交通大学、北京交通大学等科研院针对隧道施工开展了大量研究。
软弱围岩隧道大变形施工控制技术摘要：在我国西部山区，分布有大范围的软岩地层，其中千枚岩的分布极为广泛，如兰渝铁路线上的木寨岭隧道，318线上的鹧鸪山隧道以及在建的九绵高速等多条高速公路隧道等。
该类岩体具有强度低、性状差、遇水易软化等特点，加之穿越高地应力、高烈度区软岩隧道建设过程中大变形灾害问题凸显，严重危及了隧道施工安全。
因此，开展软弱围岩隧道施工技术与支护技术的深入探讨，对于保证工程施工的安全性与质量的来讲非常重要。
本文以白马隧道为例，通过对该隧道的施工总结分析了一套软岩大变形隧道施工控制方法，并进行了理论和实地测试，对其在变形地段中的运用进行了探讨。
关键词：软岩隧道；大变形；施工控制措施引言：当前，业界对软弱围岩隧道的受力机制和技术仍处在探索性和探索性试验中，对其进行大变形特性的分析和找出行之有效的防治技术是非常必要的。
根据隧道的实际监测和理论研究，对白马隧道的大变形进行了研究，并给出了相应的技术措施。
一、软弱围岩大变形控制理念（一）刚性控制采用刚性控制理念法，通过大钢拱架、大厚度喷射混凝土、超前大管棚、掌子面长锚等措施，采用“以刚克刚”的方法克服了隧道的围岩变形。
该技术主要用于在埋深浅、地应力较小的情况下，对围岩的变形进行了有效的处理。
适合于围岩破碎、力学性能较低、地表沉降和隧道变形要求较高的地区。
（二）柔性控制柔性控制理念主要是利用增大预留变形，使隧道产生位移，使围岩体的应力得到最大程度的缓解，从而使支护体的受力最小化。
其控制手段主要有分段综合控制、伸缩支护和多重支护等。
在地应力较小、埋深较小的情况下，采用刚性支撑理论进行围岩变形的方法是切实可行的。
但对于地下工程中的大深度和高地应力，宜采用柔性支护技术。
（三）刚柔结合控制理念刚柔结合的控制理念是以刚性的预支护法来有效地控制掘进过程中的围岩体的应力释放速率；采用柔性初期支护对早期隧道的早期变形进行了抑制，同时采取了超前和早期支护措施，使围岩的变形保持在一个较好的水平。
第26卷 第6期2007年12月兰州交通大学学报(自然科学版)J ou rnal of Lanzh ou J iaotong University(Natural S ciences)V ol.26N o.6Dec.2007文章编号:1001 4373(2007)06 0034 04核心土对软弱围岩隧道掌子面稳定性的影响*郭桃明, 李德武, 宋 妍(兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州 730070)摘 要:针对黄土地区山岭双线隧道软弱围岩稳定性较差的问题,通过三维有限元方法系统地分析了台阶长度及核心土长度、宽度对隧道掌子面的纵向位移、塑性区纵向深度和横向大小的影响.得出一些对黄土地区软弱围岩山岭双线隧道具有实际指导意义的结论.关键词:山岭隧道;台阶法;掌子面;核心土中图分类号:T U457 文献标识码:A0 引言黄土双线隧道施工中,由于新黄土隧道围岩的自稳时间短,需要采用施工辅助措施来加固地层(或掌子面).在隧道施工中通常使用的辅助工法有:洞内外降低地下水位、地面加固地层(或掌子面)、洞内防排水等.其中黄土隧道洞内外加固地层(或掌子面)的辅助工法主要有:环形开挖留核心土、喷射混凝土封闭掌子面、超前锚杆、超前小导管支护和长管棚超前支护加固地层等.以上各种辅助工法中,环形开挖留核心土、喷射混凝土封闭掌子面最为简便,施工中应优先考虑.且由于环形开挖留核心土工法的各种施工参数的改变不会带来额外的费用,应作为首选方案.大量黄土双线隧道的施工实践表明,对于围岩为新黄土且埋深较浅的隧道,核心土留设合理与否,对掌子面的稳定性影响甚为明显.对于分部开挖法施工,台阶的长度及核心土的长度、宽度对掌子面的稳定性影响的定性分析很少.个别文献对埋深很浅、断面较小且为圆形的隧道,作了一些研究[6].本文针对黄土地区双线铁路山岭隧道出现的问题,运用三维弹塑性有限元法,对核心土留设做了系统研究.1 有限元模型的建立为了分析台阶长度及核心土的长度、宽度与隧道掌子面及其附近围岩的变形之间的相互关系,本文运用ADIN A8.3进行数值分析.其中土体和初期支护采用8节点So lid 3D单元模拟,土体单元材料选用M C材料模拟,因新黄土的剪切膨胀不明显,故在模拟时不考虑剪切膨胀的膨胀效应,地层的参数见表1.初期支护单元采用Co ncrete材料模拟,这种材料可以分析的非线性模式包括:开裂和压碎效应.材料选用C30混凝土,厚度为30cm,在施工中还采用20a工字钢支护,支护材料的力学参数如表2所示.ADINA程序中提供了单元的 生和 死,把要杀死的土体单元刚度和质量乘以一个很小的因子,由于ADINA提供了单元生死的时间,从而实现应力的缓慢释放,这一点和现实中土应力缓慢释放是相同的.近而可以很好地模拟围岩的应力释放以及喷射混凝土的工作过程.在模拟计算中,采用的是在阿克巴斯隧道施工中实际量测获得的变形值,反算得应力释放值,取应力释放30%,开挖的循环进尺为1m.其步骤为:1)开挖上半断面环形部分;2)支护上台阶;3)开挖下台阶和核心土;4)对下台阶部分进行初期支护.台阶和核心土的留设示意图如图1所示.图1 核心土的留设和开挖示意图Fig.1 Sketch of leaving core and driving tunnel*收稿日期:2007 07 03作者简介:郭桃明(1983 ),男,安徽巢湖人,硕士生.第6期郭桃明等:核心土对软弱围岩隧道掌子面稳定性的影响表1 地层的物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of rock名称E/M Pa c/kPa /(!)/kN∀m-3围岩11.650.312518.8717表2 支护材料的力学参数Tab.2 M echanical parameters of support material支护材料 力学参数钢拱架E=210GP a,!=240M Pa喷射混凝土E=3#104M P a,!c=20.1M P a!t=2.01M Pa模型的计算限制,考虑到圣维南原理,取周围土的尺寸为隧道宽度的3~5倍,模型尺寸为:80m# 80m#100m(宽#高#长);拱顶地层考虑到成拱作用[1],拱顶的厚度取为34.2m;隧道形状为曲墙式,跨度为10.6m.初始地应力按自重应力考虑,计算模型见图2.计算中采用表3,4所示的几种工况,由于跨度较大,故不考虑全断面开挖这种工况.在天然地层中各种参数肯定为最优的组合,所以各种工况运用黄金分割原理进行选取.图2 三维有限元模型Fig.2 3D FEM model表3 有限元分析计算工况1Tab.3 C ases studied by m eans of f inite element method1计算工况台阶长度核心土长度/m ∃0.146D0%0.236D0&0.382D0∋0.618D0(1D0)0.618D0.146D∗0.618D0.236D+0.618D0.382D,0.618D0.618D注:D=10.6m,上台阶高度为5m,核心土顶面离拱顶的距离为2.2m.表4 有限元分析计算工况2Tab.4 C ases studied by m eans of f inite element method2计算工况∃%&∋( L/m0.640.750.88 1.12 1.5注:台阶长为0.618D,核心土长为0.382D.核心土刷坡率取1−0.5,L 的含义如图1所示.2 有限元结果分析2.1 掌子面纵向位移1)无核心土对于不同的台阶长度,隧道掌子面中心线的纵向位移如图3所示.在无核心土的各种工况下,上台阶长度愈长,掌子面纵向位移愈小,如:与0.146D 的最大纵向位移相比,台阶长为0.246D时仅减小8.3%;长为0.382D时减小44.8%;长为0.618D 时可以减小55.7%;长为1D时可以减小50.8%,并且可以看出当台阶长度大于0.618D时,台阶长度对掌子面的纵向位移控制作用减弱,且掌子面纵向位移最大值在上台阶的下部,0.618D与1D两种工况下的数值,隧道纵向位移最大值仅差0.39 m m.图3 台阶长度与掌子面纵向位移关系Fig.3 Relation between step length and tunnel facelongitudinal displacem ent2)同台阶不同核心土如图4所示,在同台阶长度的工况下,核心土留设在很大程度减小了掌子面的纵向位移量.但是随着长度的增大,其抑制掌子面纵向位移效果并不非常明显.例如,在台阶长度为0.618D时,且不留设核心土时,最大值为26.62mm;台阶和核心土长度均为0.618D时,最大值为24.42mm.随着核心土长度的增加,掌子面最大纵向位移随之向下移动,同时下台阶的纵向位移也随之增大.故核心土可以增加掌子面的稳定性.值得注意的是,在核心土的长度较小的情况下,核心土的纵向位移较大.因为根据摩尔 库仑准则,增大土体的第三主应力可以提高第一主应力,开挖以后核心土实际只有自重应力作用,属于单向应力状态.这种情况下土体的承载力较低,变形较大,较容易被破坏.3)不同截面核心土在台阶及核心土长度相同,但核心土截面宽度35兰州交通大学学报(自然科学版)第26卷图4 核心土长度与掌子面纵向位移关系Fig.4 Relation between core soil length and tunnel facelongitudinal displacement不同的工况下,隧道掌子面纵向位移如图5所示.隧道核心土的大小对掌子面开挖拱部的纵向位移有一定的影响,但影响很小.对下台阶的情况和开挖拱部基本相同.值得指出的是:1)当L 小于1m 时,掌子面的纵向位移基本相同;当L 大于1.5m 以后,掌子面的纵向位移明显增大.说明核心土的宽度较小时,核心土自身的变形较大,对掌子面的保护效果较差;2)核心土与掌子面交线处的水平位移很小,这一点和其他工况相同.因为核心土相当于掌子面的弹性支座,支座的刚度越大,支座变形越小.图5 核心土形状与掌子面纵向位移的关系Fig .5 Relation between core soil shape and tunnel facelongitudinal displacement2.2 塑性区范围1)无核心土对塑性区进深的影响图6所示为纵向围岩塑性区情况.在下台阶长度很小的情况下,隧道的下台阶以及其后部的围岩出现塑性区,说明该工况条件下,隧道的底部出现了上鼓现象.当台阶长度大于0.382D 时,下台阶部位没有出现塑性区,但台阶长度为1D 时,塑性区的长度大大增加.塑性区长度的情况可以很好地与图3中掌子面中心线的纵向位移较0.618D 大的相吻合.在拱顶处围岩的塑性区较其他相邻部位要小,因为该处的拱顶施作对围岩的变形有约束作用.图6 台阶长度与隧道纵向塑性区关系Fig.6 Relation betw een step length and longitudinal plasticarea of tunnel2)无核心土塑性区大小情况图7中只是分析了隧道中心线以上部分横断面围岩的情况,因为中心线下部围岩在下台阶的保护下,发生危险的可能性远小于上部.当台阶长度大于等于0.382D 时,围岩的塑性区的大小基本相同.在研究中还发现,无论是改变核心土长度、台阶长度或者是核心土的宽度,对隧道的拱腰的水平收敛、拱顶下沉都没有很明显的影响,故在此不具体讨论各种工况对水平收敛、拱顶下沉的具体的影响.图7 台阶长度与横向塑性区关系Fig.7 Relation between step length and horizontalplastic area of tunnel3 工程应用在实际施工中工况为:下台阶长度为6m,核心土长度保留4m.掌子面中心线量测各点的布置及相应点的纵向位移如图8所示.从图8中的曲线形状和图4中基本吻合,但实际量测的值比数值分析的值小2~5mm,掌子面处的值较计算值小的比较多,下台阶相差较小.4 结论1)台阶的设置对软弱围岩隧道的掌子面的稳定有着重要影响,但是台阶长度有个最佳值,并不是36第6期郭桃明等:核心土对软弱围岩隧道掌子面稳定性的影响图8 测点布置及纵向位移Fig.8 Test point arrangement andlongitudinal displacement台阶越长,掌子面越稳定.这一点和新奥法施工软弱围岩隧道时要求隧道衬砌及早封闭相吻合.在研究中发现台阶长度取0.618D时,掌子面最稳定.这和施工中一般取0.6D相吻合.2)核心土的长度和台阶的长度同为0.618D 时,掌子面最为稳定.且核心土越长,掌子面与核心土交线处的纵向位移越小.值得注意的是,在留设核心土的情况下,核心土的纵向变形的最大值都大于拱部开挖面的纵向位移最大值.这一点要特别注意,在施工中要避免核心土被破坏,而失去保护掌子面的作用,在留设核心土时尽可能长一些.3)在研究核心土形状对软弱围岩掌子面影响时,发现核心土越宽,掌子面的纵向位移越小、掌子面越稳定.4)台阶长度及核心土长度、宽度对于控制拱顶的下沉和拱腰的水平收敛有一定的作用,但效果不很明显.如果要控制拱顶和拱腰的变形,需要采取其他的措施.参考文献:[1] 李德武.隧道[M].北京:中国铁道出版社,2004.[2] 潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京:中国铁道出版社,1990.[3] M artin J B.塑性力学.基础及其一般结果[M].余同希等译.北京:北京理工大学出版社,1990.[4] 王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥:安徽教育出版社,2004.[5] 孙 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draw n.Keywords:mo untain tunnel;step method;tunnel face;core soil37。
