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1、隧道变形及其控制技术基础开头语隧道设计、施工，最本质的问题是什么？“把隧道开挖后的围岩变形（松弛），控制在容许范围之内”，这也是确保施工安全和质量的关键所在。为此，要解决三个问题：1、隧道开挖后是如何变形的？；2、如何把变形（松弛）控制在容许范围之内？；3、容许范围有多大？。隧道开挖后初始地应力场的应力释放，其结果必然引起变形，而变形的后果，就是造成围岩松弛。因此当围岩的变形或松弛超过一定范围时，就会造成崩塌或不稳定，因此需要采取一定对策对变形加以控制，把变形或松弛，控制到容许的范围之内。这就是我们要研究的基本内容。一、隧道一、隧道变形的形的实态11概述概述研究控制技术，首先就要了解和认识隧道
2、开挖后产生的变形形态及影响变形的各种因素。一般说隧道开挖后的变形，是各种各样的，也是极为复杂的。把围岩视为连续介质的场合，可分3种情况进行研究。1）一般围岩条件下深埋隧道的变形实态2）一般围岩条件下浅埋隧道的变形实态3）特殊围岩条件下隧道的变形实态1）一般围岩条件下深埋隧道的变形实态为了说明方便起见，首先用2个计算例加以说明。设初始地应力场的水平方向和垂直方向的分力分别为px和py。例1：静水压荷载下的圆形隧道pxpy10kgf/cm2，E1000kgf/cm2，1/3例2：承受2方向不同荷载的半圆形隧道px（1/2）py5kgf/cm2，E1000kgf/cm2，1/3图3及4分别表示隧道壁
3、面（r=a）及周边（r1.5a、2a、3a）的位移的计算结果（隧道宽度取D2a）。图1圆形隧道的周边位移状态（拱顶下沉）图2半圆形隧道的周边位移状态（拱顶下沉）从图1、2可知，在计算条件下，从掌子面前方到掌子面后方一定范围内的拱顶下沉分布规律，大致如下。1）隧道开挖后在掌子面前方一定范围内（2a5a）产生了下沉，我们称之为“先行位移”；2）在掌子面处，产生一定量的“初始位移”，此值与地质条件关系密切，约为最终位移值的2030左右，这个位移是开挖后瞬间发生的；3）在掌子面后方，随掌子面的推进，产生不断增大的位移，其特点是初期的位移速度很大，而后增长的速度逐渐减缓，并趋于稳定。4）围岩性质（初始地
4、应力场、围岩物性等）和施工方法是决定变形动态的主要因素，对隧道变形有一定影响。从图1、2可知，在计算条件下，从掌子面前方到掌子面后方一定范围内的拱顶下沉分布规律，大致如下。1）隧道开挖后在掌子面前方一定范围内（2a5a）产生了下沉，我们称之为“先行位移”；2）在掌子面处，产生一定量的“初始位移”，此值与地质条件关系密切，约为最终位移值的2030左右，这个位移是开挖后瞬间发生的；3）在掌子面后方，随掌子面的推进，产生不断增大的位移，其特点是初期的位移速度很大，而后增长的速度逐渐减缓，并趋于稳定。4）围岩性质（初始地应力场、围岩物性等）和施工方法是决定变形动态的主要因素，对隧道变形有一定影响。图3
5、是一个随着掌子面推进的围岩位移测定例。在隧道拱顶上方2m的位置设一个长50m的水平铝管，根据测定的弯曲应变计算位移。量测位移的分布规律与计算结果基本趋势是一致的。总之，从计算和量测中我们可以得到一个重要认识，隧道开挖后的围岩变形状态可用图4的三维图表示。由上述各图可知，隧道开挖后隧道的变形可分为掌子面前方的先行位移掌子面前方的先行位移、掌子面掌子面挤出位移及出位移及掌子面后方的位移掌子面后方的位移三种。这三种位移是同时发生的。在复杂地形、地质条件下，支护的主要目的就是要抑制这些位移的发展，也就是抑制由这些位移引起的围岩松弛。因此，对设计、施工来说就是要搞清楚这三种位移（变形）的产生条件和发展规
6、律，并通过什么手段来控制其发展。在一般围岩条件下隧道开挖后的变形实态可用图5表示。在一般围岩条件下掌子面前方围岩的先行位移，是在开挖后瞬间发生的，先行位移的最大值是在掌子面处，其值约占总发生位移的2030左右，掌子面前方的先行位移，涉及的范围也比较小（约为1D左右），只有在围岩比较差的场合，如级围岩才需要加以控制。因此，在一般围岩条件下，主要是用初期支护控制掌子面后方位移的发展。掌子面后方位移的动态特点是初始位移发生的比较快，而且量值也比较大，即初期位移速度比较大。因此，控制初期位移速度的发展是非常重要的。这也是判定围岩好坏的一个重要指标。控制了初期位移速度的发展，也就控制了最终位移值。因此，
7、在实地量测中，取得初始位移值和初期位移速度两个重要参数是非常重要的。23一般一般围岩条件下浅埋隧道开挖后岩条件下浅埋隧道开挖后变形的形的基本基本规律律下面首先根据日本在9座土砂围岩中的浅埋隧道中，对隧道开挖后引起的地表面下沉现象的认识加以说明。一般说，根据掌子面的进展，可把地表面下沉现象分为表1几类。地表地中典型现象崩塌典型现象崩塌1前方隆起或前方相对隆起（L-1m）2 横向开裂3前方下沉3前方下沉和相对隆起4下沉持续增大5局部崩塌6下沉加速（3mL3m）6下沉加速和相对下沉7崩塌8崩塌9下沉收敛(1m4247474244242地应力场情况主要现象RB/max极高地应力场硬质岩：开挖过程中时有
8、岩爆发生，有岩块弹出，洞壁围岩发生剥离新主裂缝多成洞性差，基坑有剥离现象，成形性差软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁围岩有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞；基坑发生显著隆起或剥离不易成形424200132.5中等地应力20010130.661.0高地应力1050660330.52微弱的岩爆52.50330.16510强烈岩爆2.5GN2GN2IS2GN1.52GN1.52GN1.5IL特S1.5GN1.5GN1.5GN在日本道路公团的隧道围岩分级中，也把围岩强度应力比作为中硬岩、软岩及土砂围岩分级的一个重要参考指标（表7）加以考虑。表7日本隧道围岩分级中的围岩强度
9、应力比基准根据以上所述，应该认识到“围岩岩强度度应力比力比”是判定是判定围岩条件的重要指岩条件的重要指标。它基本上决定了隧道开挖后的变形动态。因此，加强决定围岩强度应力比的两个条件，即：初始地：初始地应力力场的的最大最大应力和力和围岩岩强度的研究度的研究是非常重要的。众所周知，坑道围岩的稳定性是由围岩自身的强度和坑道的尺寸所决定的。其中，由围岩的岩的物理力学和物理力学和围岩完整性决定的岩完整性决定的围岩岩强度度是最基本的因素。因此，在一些国家中，对此问题进行了大量的试验的、理论的以及设计值的研究。例如，日本根据隧道施工事例的净空位移和拱顶下沉量测结果、实施的支护模式及数值解析结果计算出围岩强度
10、应力比和隧道断面变形率的关系示于图22。据此，可以知道，围岩强度应力比小，断面变形率大。特别是，围岩强度应力比在2以下，断面变形率急剧增加。这里以日本公路隧道的围岩分级的围岩强度应力比为基准，按图22读取断面变形率，两者的关系列于表8。由表可知，围岩强度应力比在1以下，断面变形率在0.8以上，需要采用能够控制变形的施工技术。这样，就可以在事前调查及隧道施工时的量测结果掌握围岩强度应力比，也就是掌握了断面变形率。因此，在无支护坑道稳定性的研究中，研究围岩强度应力比的确定、应用是非常重要的。围岩强度应力比断面变形率（）4以上0.3以下420.10.5210.50.81以下0.8以上 表8断面变形率
11、的范围 注：（断面变形率隧道净空位移值/隧道开挖宽度100）。32外部因素（人外部因素（人为的因素）的因素）外部因素对隧道变形的影响，也不容忽视。其中包括隧道形状、跨度、埋深及施工方法等。1）隧道形状的影响目前的理论解析多数是以圆形坑道为基础的，当坑道形状不是圆形时，相应的公式都要改变，此时可用有限元法进行求解。但在初步设计中，亦可采用将不同形状坑道变换成当量的圆形坑道的方法近似地加以分析，或直接以坑道跨度代替公式中的坑道直径亦可，但并不是所有的坑道形状都可以这样做。根据理论计算分析，各种形状坑道的顶点（A点）和侧壁中点（B点）的切向应力可用下式表述：顶点：侧壁中点：式中：为侧压力系数；当1时
12、，A、B两点的坑道周边应力集中系数，列表9。由表9可知：编号4、5、6的坑道，基本上都可以按圆形坑道来处理，不会造成很大误差。对铁路隧道来说，双线隧道断面直接采用圆形断面的求解公式是可行的。2）隧道断面尺寸的影响隧道断面尺寸影响的概念示于图23。在同样的围岩中，隧道断面尺寸，一般说不会改变开挖后的变形规律，仅仅是量值上有所不同而已。但从另一角度看，随着断面尺寸的加大，围岩的地质模式可能改变，如从整体状，变为块状，或碎裂状等。实质上是围岩级别改变了（图23）。因此，坑道的稳定性也会随坑道尺寸的加大而改变，例如从稳定的，变为暂时稳定的或不稳定的。如何处理跨度的影响，目前有两者方法。一个是改变围岩级
13、别，一个是改变支护模式。从国内外的设计施工实绩看，多数国家都采用改变支护模式的方法予以对应。因此，在同一围岩级别条件下，因坑道跨度不同，会有几种支护模式出现。也就是说，支护模式与围岩级别不是一一对应的。在围岩级别确定的条件下，一种支护模式其适应的跨度也有一定的范围。目前，客运专线的隧道断面设计，根据列车速度而异，在同样围岩条件下，其开挖跨度大体上，从7m变化到16m左右。显而易见，对开挖跨度合理分级，决定其对应的支护结构参数，是在控制技术研究中必须解决的问题。日本新的公路隧道技术标准（构造篇），就按开挖跨度分为3级：58m、812.5m和12.514.0m三级。从稳定性角度出发，要进行跨度分级
14、就必须解决无支护跨度的问题。例如根据Barton对约30个无支护空洞的调查，给出图24无支护坑道的坑道与Q值的关系并用下式表示。无支护空洞跨度2Q0.663）隧道埋深的影响；隧道埋深，对开挖后隧道变形的影响是很显著的。埋深的影响有双重意义，一个是深浅埋隧道的划分，一个是深埋隧道不同埋深条件下的变形动态。浅埋与深埋相比，主要是难以形成承载拱。视地质条件会出现拱拱顶下沉急下沉急剧增大、增大、地表下沉和开裂以及掌子地表下沉和开裂以及掌子面不面不稳定等定等现象。而后者象。而后者则是在同是在同样围岩条件下，岩条件下，随埋深的增加，随埋深的增加，变形急形急剧增增长，甚至，甚至变得不得不稳定。定。首先谈地表
15、下沉与埋深有密切关系。从图25的模型试验结果可以说明，埋深大时，在隧道横断面内形成了承载拱，开挖引起的下沉，局限在隧道周边，而埋深小时，没有形成承载拱，开挖下沉会直接达到地表面。因此，我们基本上把开挖的影响达到地表面的隧道，定义为浅埋隧道。其变形动态在前面已经说明。埋深的增加，实质上就是初始地应力场量值的增加，而且，如上所述，围岩的侧压力系数也会随之变化，因此隧道开挖后的变形动态，也会出现很大的差异。在同样围岩条件下，其变形动态可能从弹性变形逐渐转变为弹塑性变形，甚至发生与时间有关的流变变形等。4）施工方法的影响；施工方法对隧道开挖后的变形动态的影响是非常显著的。其影响主要表现在以下几个方面。
16、（1）横断面开挖的分部开挖；一般说开挖分部越多，在同样地质条件下，其位移值也越大。因此，从控制位移的角度出发，采用不分部或少分部的开挖方法是主流的开挖方法。这也是选定开挖方法的一个重要原则。从这个角度出发，当然选择全断面法或者台阶法是最好的。从快速施工的角度出发也是这样。（2）开挖纵断面形状另外，如图26所示的开挖纵断面形状，这是一般采用的纵向分割施工的，但要考虑隧道全体的稳定，决定上半断面、下半断面、仰拱开挖各自的长度，也就是决定整个断面的闭合时期。从横断面看，一个断面闭合围岩就是稳定的，但从纵断面形状看，隧道闭合意味在各个阶段上半断面的支护、下半断面的支护、仰拱部位的支护都要完成才能形成闭
17、合的状态。为此，在隧道掘进过程中，一般说，从隧道纵断面看不稳定状态是连续的。因此，从隧道全体的稳定看，不仅要考虑隧道横断面形状，也要考虑隧道纵断面形状进行设计。（3）支护的施做时机支护的施做时机非常重要，一些大变形的发生，与支护时机的延误有很大关系。实际上，施工方法的影响，主要表现在变形的控制上，这将在以后进行解释与说明。综上所述，隧道纵向的应力、位移、支护等的理论上的关系，基本上可用下面两个图表示。图27就是包括纵向变形、应力状况的概念示意图。此图表述包括掌子面在内的纵向位移和应力变化的状况。图的上半部表示纵向位移的变化。下半部表示纵向应力的变化。在掌子面前方的aa断面处于围岩初始应力状态，
18、没有受到开挖的影响，也没有发生变形。而接近掌子面的bb断面，则受到掌子面的影响，应力开始再分配，并开始出现掌子面前方的先行位移，在掌子面ff处，因为掌子面应力的释放，掌子面切向应力增大。在弹性动态的场合，掌子面处的应力是最大的。围岩屈服的场合，应力的峰值移向掌子面前方的围岩。应力释放的结果，变形急剧增大。但变形不是全部发生的，由于掌子面的支护作用只产生最终位移的一部分。在弹性动态的场合，不设支护时，只产生最终的30左右的位移。产生屈服后掌子面的位移变大，而且最终产生的位移也大。其比例视条件而异。支护施工后支护约束了之后产生的净空位移，相反地支护也受到位移造成的荷载。支护的荷载被视为作用在围岩的
19、内压，使围岩处于三维的应力状态，大大提高了隧道的稳定性。随着掌子面的进展，开挖面的位移也在慢慢地发展，而在围岩特性曲线和支护特性曲线的交点达到稳定。此后位移不再发展，隧道达到最终的稳定状态。cc断面就表示此种状态。这说明从开挖到稳定的过程是随掌子面进展而变化的，应力状态也出现复杂的变化。图28的第1、2象限表示掌子面进展与应力释放的关系，第3象限表示不同围岩强度应力比条件下的围岩特性曲线，第4象限表示不同围岩强度应力比条件下的纵向位移的变化。由第3象限可知，在不同的围岩强度应力比条件下，围岩特性曲线是不同的，在qu/Po2的场合，围岩呈弹性动态，是稳定的。其它场合皆呈弹塑性动态，甚至出现松弛动态。由第3象限可知，在不同的围岩强度应力比条件下，隧道开挖后纵向位移的变化规律。随之qu/Po值变小，掌子面位移及掌子面后方的位移急剧增大。