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1、关宝树关于关宝树关于“软弱围岩变形及软弱围岩变形及其控制技术其控制技术”的讲座的讲座一、基本要求从理论上说，在软弱软岩中，隧道设计、施工的基本要求是：把把开挖后的围岩变形（松弛）控制在容许值范围之内。开挖后的围岩变形（松弛）控制在容许值范围之内。因此必须明确以下三个问题。1）坑道开挖后的围岩变形的实态，或者说，坑道开挖围岩是如何变形的？变形的量值有多大？2）不同的围岩条件，坑道开挖后的各种变形的容许值是多少？3）用什么技术方法和对策来控制这些变形的发展？二、坑道开挖后围岩是如何变形的？坑道开挖后在无支护条件下，仅仅依靠围岩自身的支护效应，其变形实态可以通过理论分析、实地量测予以确认。特别是要确
2、认在无支护条件下坑道各种变形的量值。当量值超过容许值时，就必须采取各种有效的技术对策予以控制，而且必须控制在容许值范围之内。根据三维计算结果，坑道开挖后的变形，基本上可以用图1的三维形态表示。即：隧道开挖后隧道的变形可分为以下三种实态：掌子面前方的先行位移掌子面前方的先行位移 掌子面挤出位移掌子面挤出位移 掌子面后方的位移掌子面后方的位移 这三种位移是同时发生的。在软弱围岩条件下，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律，并通过什么手段来控制其发展。2.1掌子面前方的先行位移掌子面前方的
3、先行位移 众所周知，掌子面前方围岩先行位移的概念，可以两个量值表示，即掌子面处的先行位移值和掌子面前方发生先行位移达的范围（图2）。实际上先行位移是随掌子面的推进而发生的。先行位移的最大值是在掌子面处。在一般的围岩条件下，其值约占总位移的2030左右，围岩条件越差，其值也越大。掌子面前方的先行位移，涉及的范围与围岩条件有关，一般在隧道跨经的1.01.5倍左右。因此，在一般围岩条件下，先行位移可以任其发生，不加控制。但在软弱围岩条件下，其最大值，例如超过全位移的30以上，甚至达到50或更大时，如不加控制，则会成为掌子面拱顶部分坍塌以及发生大变形的主因。这也就是我们采用各种超前预支护的主要原因。2
4、.2掌子面挤出位移掌子面挤出位移在实际开挖过程中，我们虽然发现了掌子面的挤出现象，但没有予以很大的关注。掌子面挤出位移是评价掌子面稳定性的重要指标。图3说明了掌子面挤出位移的基本概念。当掌子面挤出位移超过一定量值时，掌子面将崩塌，这不言而喻的。掌子面挤出位移，可以用其最大值评价.因此，当预计掌子面挤出位移过大的场合就必须采取控制掌子面挤出位移的技术对策。这也是我们采用留核心土方法的主要目的之一。2.3 掌子面后方的位移掌子面后方的位移目前我们采取的初期支护，主要是控制掌子面后方位移的技术对策。掌子面后方位移的动态特点是初始阶段的位移速度比较大，而且量值也初始阶段的位移速度比较大，而且量值也比较
5、大。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，在实地量测中，取得初期位移速度这个重要参数是非常重要的。其次是控制位移的收敛时间（距离）控制位移的收敛时间（距离）。在一般地质条件下，位移在距掌子面12D处，基本上就收敛了。但在软弱围岩中，这个距离会长一些，甚至在很长时间（距离）不收敛。2.4 示例说明示例说明下面我们引用浏阳河隧道的一个计算结果，说明上述位移的特征。该计算结果采用FLAC3D有限差分数值模拟软件进行了、级围岩的大断面隧道的模拟计算。计算条件：隧道断面：开挖宽度约15m，开挖高度约13.
6、5m。开挖面积达170m2。初期支护参数：厚20cm的钢纤维喷混凝土、开挖进尺1.0m。计算结果汇总列于表1及图4。围岩级别埋深m距掌子面距离（m）a/b100掌子面最大挤出位移拱顶下沉mm1050（a）5101520（b）251.12.24.28.111.312.112.832.813.9503.785.4111.8920.8125.1726.126.44537.61009.8315.434.1552.0658.2959.4759.4757.4106.215018.2930.2863.5389.7797.2398.4798.5164.5202.7253.665.0310.2116.5719.
7、4619.6819.7451.734.9508.3613.6329.9943.0846.5346.5846.6264.396.810026.1748.9190.69116.1118.3119.4119.775.7312.82518.4833.4466.6483.8484.5785.1385.2178.2217.95060.66109.1196.2255.5265.2268.4269.372.9710.9例如，从这个计算结果中可以看出：1、在开挖断面积达170m2的隧道，级围岩，埋深50m的场合，掌子面先行位移（拱顶下沉）已经达到最终位移值的45，其范围约在1D左右。因此必须控制采用超前支护控制
8、掌子面的先行位移。从掌子面挤出位移看，其值约为37.6mm，是在容许值之内，可以不采用控制掌子面挤出位移的对策。2、对级围岩而言，在埋深50m的条件下，因掌子面挤出位移已达到96.8mm，除采取超前支护控制掌子面前方的先行位移外，还必须采取对策控制掌子面的挤出位移。但其力度比级围岩要小些。（掌子面挤出位移，日本的经验控制值是80mm）3、掌子面先行位移的影响范围大致是隧道的开挖宽度或高度的11.5倍，因此超前支护的长度，原则上应超过开挖宽度，即采用1015m左右，在台阶法开挖中，可以适当缩短，但也不宜过短。4、控制掌子面挤出位移的对策，在一般情况下，可以采用留核心土的方法，当预计挤出位移超过1
9、50mm（无依据）以上时，就应该采取掌子面锚杆的对策。因此。在软弱围岩隧道设计时，最好通过解析方法求出可能发生的各种位移的量值。而后根据容许值来选择相应的变形控制技术。三、如何确定隧道开挖后的容许变形值？坑道开挖后的容许变形值，是指采用各种支护手段后的容许变形值。根据上述的变形实态，容许值应该包括：1)掌子面掌子面先行位移最大值先行位移最大值2)挤出挤出位移最大值位移最大值3)开挖开挖后的初始位移速度及拱顶下沉量、净空收敛值及脚部下后的初始位移速度及拱顶下沉量、净空收敛值及脚部下沉量的收敛值沉量的收敛值4)位移位移收敛距离收敛距离这里要说明2个问题。确定容许位移值的基本原则确定容许位移值的基本
10、原则容许变形值是针对全位移而言的，因此要了解全位移的概念全位移的概念。确定容许位移值的基本原则是：容许围岩变形，但变形必须控制在不造成围岩容许围岩变形，但变形必须控制在不造成围岩松弛的范围内。松弛的范围内。众所周知隧道开挖后必然会引起各种变形的发生，但如果仅仅是弹性变形，是容许的，即使发生塑性变形，只要不造成围岩松弛，也是容许的，容许这些变形的发生，也就是利用了围岩自身的支护效应。但如果变形超过这个范围，围岩会发生松弛，松弛的后果就可能出现各种预料得到的和预料不到的问题。确定容许位移值的基本原则 容许围岩变形，但变形必须控制在不造成围容许围岩变形，但变形必须控制在不造成围岩松弛的范围内。岩松弛
11、的范围内。众所周知隧道开挖后必然会引起各种变形的发生，但如果仅仅是弹性变形，是容许的，即使发生塑性变形，只要不造成围岩松弛，也是容许的，容许这些变形的发生，也就是利用了围岩自身的支护效应。但如果变形超过这个范围，围岩会发生松弛，松弛的后果就可能出现各种预料得到的和预料不到的问题。全位移值的概念 一般说，围岩的全位移量，包括掌子面到达前的围岩（先行位移）和掌子面通过到量测开始间的位移（初始位移）以及掌子面通过后的位移（量测位移），如图5所示。全位移值，也就是坑道开挖后在无支护条件下的最大可能的变形值。也就是说，支护设置后必须把全位移值控制在容许变形值范围之内。支护设置后必须把全位移值控制在容许变
12、形值范围之内。因此，必须建立全位移值与量测位移值之间的关系，才能够根据量测位移来控制全位移值。从图5可以看出，目前我们量测到的位移仅仅是全位移值的一部分，如何从量测位移转换为全位移值是目前量测中要解决的问题之一。也是理论上、应用上要解决的一个问题。由图可知全位移值先行位移值初始位移值量测位移值容许位移值全位移值/k（K：安全系数）由此可知，要决定容许值，首先必须知道先行位移值和初始位移值是多少。一般说这两个位移值，我们目前的量测方法，是无法量测到的。因此，只能通过大量的量测数据的统计分析加以确定，但离散性也是很大的。这是日本采取的主要方法。另一种方法，就是采用理论解析方法予以确定。虽然可以预计
13、出全位移值，但其可信性，比用统计方法更离散。最后就是用经验的方法，也许比较现实。但经验方法也要有统计数据和理论解析的支持，这是一些规范、指南中采用的方法。比较可靠的方法是实地量测，这也是目前量测三、控制变形的对策 控制变形的对策主要包括：维护掌子面稳定的对策和保护周边环境的对策两个方面。控制掌子面稳定对策拱顶稳定 掌子面挤出位移 脚部下沉 掌子面前方先行位移 掌子面后方位移 保护周边环境对策地下水 地表面下沉 近接结构物影响工法采用目的和效果确保施工安全保护周边环境掌子面稳定地 下 水位 降 低对策枯 水 对策地 表 面 下 沉对策近 接 结 构 物对策拱顶稳定掌子面稳定抑 制脚 部下沉地下水
14、对策抑 制先 行位移抑 制 开挖 后 位移抑 制先 行位移抑 制开 挖后 位移超前支护充填式、非充填式小导管注浆小导管压入式短钢管钢管钢背板小导管*管棚*水平喷射注浆*预衬砌*掌子面补强弧形开挖、留核心土掌子面喷混凝土短掌子面锚杆长掌子面锚杆*脚部补强补强锚杆补强锚管脚部注浆水平喷射注浆临时仰拱基脚混凝土水平锚管四、主要控制变形对策四、主要控制变形对策 根据表3-1，主要说明下述控制对策的特征及其应用 1）控制先行位移的技术超前支护；2）控制掌子面挤出位移的技术掌子面补强；3）控制脚部下沉的技术脚部补强；31 超前支护超前支护开挖前对需要采取拱顶稳定对策及开挖前对需要采取拱顶稳定对策及抑制地表
15、面下沉、净空位移对策的抑制地表面下沉、净空位移对策的围岩，采取的防护和强化掌子面前围岩，采取的防护和强化掌子面前方围岩的对策，称为超前支护。方围岩的对策，称为超前支护。此工法适用于开挖土砂围岩和岩堆地段、断层破碎带等场合和隧道接近铁道、道路、其它结构物等施工的场合。超前支护大体上可以按构造分类，分为利用隧道纵向刚性的梁构造和利用横向刚性的拱形构造两大类（图3-1）。梁构造可分为采用钢管、钢棒系材料的工法和高压喷射改良围岩的工法2种。同时，过去在岩堆地段和断层破碎带等不良围岩中，多把开挖断面分割为小断面进行开挖，但最近由于机械大型化和新材料及新工法的实用化，亦可采用超前支护与一般区间采用同样的施
16、工机械、支护材料及断面的施工事例逐渐增多。超前支护的分类列于表32。由于超前支护材料、使用机械、设备、地质条件及一次打设长度等，各具特色。为此选定超前支护时，要选定适合地质条件和周边环境条件，而且经济的工法。工法名称短超前支护长钢管水平旋喷注浆预衬砌管棚充填式注浆式示意图工法概况用钻孔台车沿掌子面外周每隔打入钢筋等用钻孔台车沿掌子面外周打入中空钢棒，并注浆，打入间隔约。用钻孔台车或专用机械打设直径约的钢管并注浆。间隔4560cm用专用机械钻孔后，从前端喷射搅拌地层。间隔、改良直径约用专用机械在开挖前于掌子面前方构筑拱状衬砌用直径沿隧道断面外周配置比较大的直径的钢管特征钢筋等表观提高掌子面前方围岩的约束力形成的注浆带能够改良围岩钢管和注浆材能够改良围岩，同时，因超前长度长，能够控制掌子面前方的先行位移高压喷射能够确实地改良掌子面周边围岩，同时，因超前长度长，能够控制掌子面前方的先行位移预衬砌能够稳定拱部，同时也能够抑制围岩的位移能够根据环境条件选择各种管径的钢管。钢管的刚性高，抑制变形的效果也高适用地质粘性土、砂质土、砂砾、裂隙岩体、卵石粘性土、砂质土、砂砾、裂隙岩体、卵石粘性土、砂质土
