隧道变形及其控制技术

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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、隧道变形的实态1－1概述研究控制技术，首先就要了解和

2、认识隧道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px＝py＝10kgf/cm2，E＝1000kgf/cm2，υ＝1/3例2：承受2方向不同荷载的半圆形隧道px＝（1/2）py＝5kgf/cm2，E＝100

3、0kgf/cm2，υ＝1/3图3及4分别表示隧道壁面（r=a）及周边（r＝1.5a、2a、3a）的位移的计算结果（隧道宽度取D＝2a）。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（2a~5a）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20～30％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

4、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。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（2a~5a）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20～30％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

5、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、掌子面挤出位移及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

6、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20～30％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Ⅴ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

7、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，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。2－3一般围岩条件下浅埋隧道开挖后变形的基本规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（－3m≤