隧道施工监控量测技术隧道施工监控量测技术隧道施工监控量测技术隧道施工监控量测技术石家庄铁道大学石家庄铁道大学石家庄铁道大学石家庄铁道大学朱永全朱永全朱永全朱永全 一、隧道工程特点一、隧道工程特点 二、隧道围岩变形失稳模式分析二、隧道围岩变形失稳模式分析 三、隧道施工监测的内容与要求三、隧道施工监测的内容与要求 四、量测数据的处理与应用四、量测数据的处理与应用 五、典型工点位移监测与应用五、典型工点位移监测与应用 六、黄土隧道位移监测及应用六、黄土隧道位移监测及应用 主要内容主要内容时速200公里客货共线铁路单线隧道支护结构优化研究一一隧道工程特点隧道工程特点1 1、以经验法为主的隧道设计依赖围岩认识的准确性；、以经验法为主的隧道设计依赖围岩认识的准确性；22、 施工前设计地质客观上难以实现准确性；施工前设计地质客观上难以实现准确性；33、现行规范关于围岩分级存在着不足：、现行规范关于围岩分级存在着不足：（1 1） 围岩分级极差太大、且无亚级；围岩分级极差太大、且无亚级；（2 2）围岩结构类型（层状、倾斜）考虑不足；）围岩结构类型（层状、倾斜）考虑不足；（3 3）不良地质）不良地质 确定不细。确定不细。44、根据揭露地质实际及时变更变更是必要和合理的；、根据揭露地质实际及时变更变更是必要和合理的；55、隧道稳定性判别依据可行的办法是监测位移。、隧道稳定性判别依据可行的办法是监测位移。因此：施工位移监测意义重大，操作与应用存在难度。因此：施工位移监测意义重大，操作与应用存在难度。 我国铁路隧道围岩分级方法修订思路 将岩体结构类型纳入分级标准中，并增加部分亚级。分级原则为：（1）在隧道围岩分级中考虑围岩地质类型和变形破坏机理。（2）结合工程实际，可将IIIV级围岩各分出23个亚级。（3）增加土质围岩的分级。（4）细化黄土、大变形软岩等不良地质的分级。希望：细化分级、使支护措施、各类定额更加合理。施工过程力学是研究施工开挖施工过程力学是研究施工开挖与支护时间和空间顺序的力学效应及与支护时间和空间顺序的力学效应及转移规律；不仅要关注开挖后隧道洞转移规律；不仅要关注开挖后隧道洞周应力或位移及支护受力的大小，而周应力或位移及支护受力的大小，而且要掌握开挖掌子面及前方围岩的应且要掌握开挖掌子面及前方围岩的应力或位移；不仅要关注各阶段围岩静力或位移；不仅要关注各阶段围岩静力场和位移场规律，而且要掌握施工力场和位移场规律，而且要掌握施工过程应力场、位移场的转移规律；它过程应力场、位移场的转移规律；它是合理施工方法和控制技术形成的基是合理施工方法和控制技术形成的基础。础。立项背景1.1.隧道施工过程力学效应隧道施工过程力学效应5立项背景2 2、隧道安全施工方法、隧道安全施工方法、隧道安全施工方法、隧道安全施工方法通常是全断面法、台阶法、预留核心土环型开挖法和通常是全断面法、台阶法、预留核心土环型开挖法和多分部法等，而多分部法又变化有多分部法等，而多分部法又变化有CDCD法、法、CRDCRD法、双侧壁法、双侧壁导坑法、多台阶多部法等。导坑法、多台阶多部法等。多分部开挖空间小、限制了大型隧道施工设备的使用，多分部开挖空间小、限制了大型隧道施工设备的使用，进度慢、安全性差，在遇到松软、破碎软岩或浅埋条件进度慢、安全性差，在遇到松软、破碎软岩或浅埋条件时，往往还不能实现变形控制要求。时，往往还不能实现变形控制要求。立项背景3.3.隧道稳定性评价方法及信息反馈技术隧道稳定性评价方法及信息反馈技术立项背景稳定性判据研究现状稳定性判据研究现状稳定性判据研究现状稳定性判据研究现状结构工程中的结构工程中的强度判据，强度判据，在隧道工程中往往因为岩体过于复杂在隧道工程中往往因为岩体过于复杂而遇到很大困难。而遇到很大困难。 围岩屈服区或松动区判据，围岩屈服区或松动区判据，因围岩强度准确把握是十分困难，因围岩强度准确把握是十分困难，难以建立围岩屈服区或松动区特征与洞室失稳的量化关系。难以建立围岩屈服区或松动区特征与洞室失稳的量化关系。隧道变形量或变形速率判据隧道变形量或变形速率判据是以隧道变形或变形速率量值超过是以隧道变形或变形速率量值超过规定范围为依据。隧道内表面位移通过测量仪器测得，通过周边位规定范围为依据。隧道内表面位移通过测量仪器测得，通过周边位移观测以了解隧道的力学动态比较直观、也易于实施，国内外大多移观测以了解隧道的力学动态比较直观、也易于实施，国内外大多应用该方法。应用该方法。 3.3.隧道稳定性评价方法及信息反馈技术隧道稳定性评价方法及信息反馈技术立项背景隧道极限位移的确定和位移管理标准研究现状隧道极限位移的确定和位移管理标准研究现状隧道极限位移的确定和位移管理标准研究现状隧道极限位移的确定和位移管理标准研究现状 隧道洞内位移控制，就是从隧道出现的隧道洞内位移控制，就是从隧道出现的各种极限状态入手，找出在某种安全状态下各种极限状态入手，找出在某种安全状态下洞周各控制点的极限（或允许）位移。洞周各控制点的极限（或允许）位移。隧道洞内位移它不仅要关注开挖后隧道隧道洞内位移它不仅要关注开挖后隧道洞周位移、速率，也应掌握隧道洞周位移、速率，也应掌握隧道“掌子面挤掌子面挤压变形、预收敛和洞周收敛变形压变形、预收敛和洞周收敛变形”等空间位等空间位移规律。移规律。位移控制不仅要要用位移和速率，还要位移控制不仅要要用位移和速率，还要根据围岩性质，应用位移或速率的形态特征根据围岩性质，应用位移或速率的形态特征进行综合判别。进行综合判别。 收收敛-约束原理示意束原理示意3.3.隧道稳定性评价方法及信息反馈技术隧道稳定性评价方法及信息反馈技术隧道施工变形反馈决策应用技术隧道施工变形反馈决策应用技术隧道施工变形反馈决策应用技术隧道施工变形反馈决策应用技术 立项背景“动态设计施工动态设计施工”是隧道工程遵循的基本原则，是隧道工程遵循的基本原则，“预预设计、施工、监测、设计修正和施工方法调整设计、施工、监测、设计修正和施工方法调整”是隧道是隧道工程的基本技术路线。工程的基本技术路线。施工监测信息反馈技术，除在浅埋隧道和少数重点隧施工监测信息反馈技术，除在浅埋隧道和少数重点隧道工程的施工决策中发挥了重要作用外，对于多数铁路道工程的施工决策中发挥了重要作用外，对于多数铁路隧道，大量监测信息如何应用，如何根据监测信息修订隧道，大量监测信息如何应用，如何根据监测信息修订相应支护参数和改变施工方法，都亟待研究解决。相应支护参数和改变施工方法，都亟待研究解决。 隧道开挖后，深埋隧道位移、浅埋地表位隧道开挖后，深埋隧道位移、浅埋地表位移和隧道位移是围岩施工动态的最显著表现，移和隧道位移是围岩施工动态的最显著表现，最能反映出围岩和支护的稳定性。因此对隧最能反映出围岩和支护的稳定性。因此对隧道周边位移的量测是最直接、最直观、最有道周边位移的量测是最直接、最直观、最有意义、最经济和最常用的量测项目。意义、最经济和最常用的量测项目。以经验法为主的隧道设计参数之一以经验法为主的隧道设计参数之一以经验法为主的隧道设计参数之二以经验法为主的隧道设计参数之二二、隧道围岩变形失稳模式分析层状结构围岩层状结构围岩 碎裂结构围岩碎裂结构围岩 散体结构围岩散体结构围岩 二、二、 隧道围岩的变形失稳模式分析隧道围岩的变形失稳模式分析根据围岩结构对围岩变形失稳模式的决定作用，将隧道围岩的类型主要分为以下几种：特殊结构围岩特殊结构围岩 整体块状围岩整体块状围岩 块状结构围岩块状结构围岩 层状结构围岩层状结构围岩 碎裂结构围岩碎裂结构围岩 散体结构围岩散体结构围岩 水平或缓倾岩层水平或缓倾岩层 倾斜岩层倾斜岩层 直立或陡倾岩层直立或陡倾岩层 特殊结构围岩特殊结构围岩 围围岩岩结结构构类类型型 一一般般结结构构类类型型重点：重点：整体块状围岩整体块状围岩 块状结构围岩块状结构围岩 变形失稳模式：岩爆、劈裂剥落变形失稳模式：块体滑移、塌方二、二、 隧道围岩的变形失稳模式分析隧道围岩的变形失稳模式分析层状结构围岩水平（缓倾）层状层状结构围岩水平（缓倾）层状拱顶下沉、底鼓、弯折变形破坏 变形失稳模式：二、二、 隧道围岩的变形失稳模式分析隧道围岩的变形失稳模式分析层状结构围岩倾斜层状变形失稳模式：拱顶、右拱肩及右侧壁向洞内顺层滑移；左拱肩塑性弯折变形，左侧壁相对较稳定。二、二、 隧道围岩的变形失稳模式分析隧道围岩的变形失稳模式分析层状结构围岩直立（陡倾）层状层状结构围岩直立（陡倾）层状变形失稳模式：拱顶部位易顺层向下滑移变形；两侧壁向内弯折、溃曲变形。二、二、 隧道围岩的变形失稳模式分析隧道围岩的变形失稳模式分析碎裂结构围岩碎裂结构围岩变形失稳模式：掌子面、拱顶部位松动、掉快、塌方二、二、 隧道围岩的变形失稳模式分析隧道围岩的变形失稳模式分析散体结构围岩变形失稳模式：拱顶冒落、掌子面坍塌 二、二、 隧道围岩的变形失稳模式分析隧道围岩的变形失稳模式分析特殊结特殊结构围岩构围岩不良地质条件或特殊岩土体类型变形失稳特征、模式变形失稳模式图谱强风化介质：各类强风化的围岩产生松动土压而大变形或塌落水敏介质：膨胀性岩土、失陷性黄土、粘土、盐渍土等遇水液化、崩解或发生持续的塑性大变形强烈各向异性介质：炭质板岩、千枚岩和片岩等差异性弯折、挠曲等塑性大变形岩溶化泥质充填碎裂介质：岩溶溶蚀介质等突水、突泥、掌子面塌落等二、二、 隧道围岩的变形失稳模式分析隧道围岩的变形失稳模式分析不良地质条件或特殊岩土体类型变形失稳特征、模式变形失稳模式图谱构造破碎结构强度降构造破碎结构强度降低的介质：断层角砾、低的介质：断层角砾、砾石土等砾石土等 掉块或坍塌，遇水成掉块或坍塌，遇水成流塑性变形流塑性变形 土石混合体等松散堆土石混合体等松散堆积物积物 随机性掉块，掌子面随机性掉块，掌子面易塌落或鼓出变形易塌落或鼓出变形 隧道洞口、斜坡带或隧道洞口、斜坡带或浅埋段上覆岩层浅埋段上覆岩层 偏压、差异收敛变形、偏压、差异收敛变形、地表滑移或沉降地表滑移或沉降 对温度变化较敏感的介质：多年冻土在温度反复变化下产生热力学崩解效应二、二、 隧道围岩的变形失稳模式分析隧道围岩的变形失稳模式分析特殊结特殊结构围岩构围岩兰渝铁路炭质千枚岩兰渝铁路炭质千枚岩开挖揭露的炭质千枚岩 开挖扰动后呈粉末状 现场试验研究现场试验研究结构破碎松散结构破碎松散 开挖洞室后，岩体极不稳定，易坍塌。围岩强度低、遇水易软化围岩强度低、遇水易软化 开挖暴露后易风化、遇水易软化，尤其是存在渗水区段容易发生大变形。岩体结构面倾斜、层面光滑岩体结构面倾斜、层面光滑 薄层岩体在隧道面倾斜、层面光滑，开挖后周边岩体极易沿结构面产生松弛、滑移和坠落等变形破坏现象。倾斜岩层构造偏压严重倾斜岩层构造偏压严重。从现场地质素描及围岩压力量测结果，倾斜岩层构造偏压严重，最大围岩压力均出现在垂直层面方向。 钢架扭曲钢架扭曲钢架断裂钢架断裂喷层开裂喷层开裂喷层剥落喷层剥落仰拱隆起及开裂仰拱隆起及开裂二衬开裂、剥落二衬开裂、剥落及钢筋弯曲及钢筋弯曲小结：（1）围岩结构控制围岩变形失稳模式；（2）围岩变形失稳模式实际上决定针对性支护型式与施工工法；（3）铁路隧道围岩变形失稳模式已经初步形成系统化认识，还将继续完善。二、二、 隧道围岩的变形失稳模式分析隧道围岩的变形失稳模式分析三、隧道施工监测的内容和要求三、隧道施工监测的内容和要求表7-9-3净空位移、拱顶下沉的测试断面间距条件量测断面间距(m)洞口附近10埋深小于2B10施工进展200m前20(土砂围岩减小到10m)施工进展200m后30(土砂围岩减小到10m)表7-9-4 地表下沉测试断面间距覆盖层厚度H测点间距(m)H2B20502BHB1020HB510 表7-9-5 净空位移量测的测线数 开挖方法地段一般地段特殊地段洞口附近埋深小于2B有膨胀压力或偏压地段实施B项量测位置全断面开挖一条水平测线三条或五条三条或五条七条短台阶法两条水平测线三条或六条三条或六条三条或六条三条或五条六条多台阶法每台阶一条水平测线每台阶三条每台阶三条每台阶三条每台阶三条测试要求v尽量采用非接触式量测v第一次测试时间尽量在开挖后12小时内v时态（或进尺）关系曲线及时绘制v位移量值和速率综合判别v对整体下沉显著的应增加拱脚下沉监测v对有掌子面稳定稳定问题的宜开展掌子面挤出变形监测v非接触三维变形观测对观测系统的要求非接触三维变形观测对观测系统的要求v 应采用具有膜片反射功能的全站仪。建议高铁大断面黄土应采用具有膜片反射功能的全站仪。建议高铁大断面黄土隧道采用隧道采用6070mm规格的膜片，不宜使用尺寸小于规格的膜片，不宜使用尺寸小于5050mm的膜片。的膜片。v全站仪推荐采用全站仪推荐采用12级全站仪。全站仪测距精度则应达级全站仪。全站仪测距精度则应达到到2mm2ppm及以上，分辨率及以上，分辨率0.1mm。v 为提高隧道内观测作业速度，推荐使用带为提高隧道内观测作业速度，推荐使用带ATR功能的自动功能的自动观测全站仪。观测全站仪。v所选全站仪应配置红色可见光激光指示和目标照明功能。所选全站仪应配置红色可见光激光指示和目标照明功能。所选全站仪防尘等级应不小于所选全站仪防尘等级应不小于IP5。v（3）基于）基于ATR功能的功能的TPS1200隧道位移非接触观测系统隧道位移非接触观测系统v该系统由徕卡该系统由徕卡TCA1200系列自动全站仪、反射膜片和系列自动全站仪、反射膜片和PDA组成，具有组成，具有ATR目标自动识别功能，可自由设站自动完成隧目标自动识别功能，可自由设站自动完成隧道位移监测，其单站自由设站三维坐标精度道位移监测，其单站自由设站三维坐标精度1mm。(a)一条测线(b)两条测线(c)三条测线(e)六条测线(f)七条测线图7-9-11净空位移测线布置(d)五条测线v 测点布置v基准点布置：建立全站仪自由设站坐标系的基准点由两点组成，其中一点为坐标原点要求稳固不动，另一点用于确定横轴方向，该点沿竖轴和横轴方向的位移不影响测点的位移观测。v 测站设置：采用自由设站的仪器不需对中，采用7070mm膜片时测程应控制在3060m之间，采用5050mm膜片时应控制在3045m之间。 拱脚墙腰墙脚全位移曲线的概念：掌子面前方变形1540%，开挖后变形监测有丢失。表6-2-4300m埋深双线隧道变形技术指标统计汇总表项目洞周变形掌子面变形前方变形拱顶沉降/mm拱脚沉降/mm水平收敛/mm影响范围/D上台阶下台阶影响范围/D开挖面到达终值变形占比/%开挖面到达终值变形占比/%拱脚墙腰拱顶沉降拱脚沉降拱脚收敛墙腰收敛最大纵向位移/mm最大纵向位移/mm拱顶沉降开挖面到达终值变形占比/%开挖面到达终值变形占比/%最小值4.342318.50.388.154.70.5516.43.31.44197.51.51.571.071.216.85.621.07最大值9.22438.31.710.316.5219.410.32.420.811.52.142.51.431.7112.28.11.86平均值6.7823.5228.730.979.599.771.0817.985.881.8319.949.181.791.941.441.6510.296.421.33最小值39.49929.86.744.712.922.67217.514.459.591.431.210.790.93961131.14最大值64.61326330.821523.463.914061.730.720824.22.642.792.572.791482111.86平均值58.26109.9453.7415.6788.8318.2838.69117.3134.3923.34158.1515.791.741.831.221.46135.88173.131.38最小值22334357.92516914.815623230.616058221.61.431.50.570.714488911.21最大值24943069.58737634.525658892.226495439.81.711.791.711.7966510101.36平均值 240.86365.8665.0766.43253.3625.36202.43444.5744.14195.71683.1428.251.561.590.871.04601.71944.291.28四、量测数据分析与反馈四、量测数据分析与反馈图7-9-18地表沉降量测区间量测区间上半上半下半下半(25)DH+h3D450Hh1h21、规范位移值的应用、规范位移值的应用v表6-3-1 单线隧道初期支护极限相对位移(%)围岩级别埋深(m)5050300300500拱脚水平相对净空变化0.200.600.100.500.400.700.601.500.200.700.502.602.403.500.301.000.803.503.005.00拱顶相对下沉0.010.050.040.080.010.040.030.110.100.250.030.070.060.150.100.600.060.120.100.600.501.20表6-3-2 双线隧道初期支护极限相对位移(%) 围岩级别埋深(m)5050300300500拱脚水平相对净空变化0.010.030.010.080.030.100.080.400.300.600.100.300.200.800.701.200.200.500.402.001.803.00拱顶相对下沉0.030.060.050.120.030.060.040.150.120.300.060.100.080.400.300.800.080.160.141.100.801.40表7-9-6 量测数据管理基准参考值指标内容日本、法国、德国规范综合值推荐基准值城市地铁山岭隧道地面最大沉陷50mm30mm60mm地面沉陷槽拐点曲率1/3001/5001/300地层损失系数5%5%5%洞内边墙水平收敛2040mm20mm(0.10.2)B%洞内拱顶下沉75229mm50mm(0.30.4)B%表6-3-3 变形管理等级管理等级管理位移施工状态UU0/3可正常施工U0/3U2U0/3应加强支护U2U0/3应采取特殊措施注：U实测位移值；U0最大允许位移值。注：U实测位移值；U0最大允许位移值。图1位移时间关系曲线0初期支护二次支护下台阶开挖位移时间图2位移-开挖面距离关系曲线位移距离上、下台阶开挖锚杆喷混凝土v2.根据位移速率判断v从变形曲线可分为三个阶段：v(1)变形急剧增长阶段变形速率大于1mm/d时；v(2)变形速率缓慢增长阶段变形速率10.2mm/d时；v(3)基本稳定阶段变形速率小于0.2mm/d时。3. 位移时间曲线(位移时态曲线)形态判断v岩体破坏前变形曲线可分为三个阶段v(1)基本稳定区 v(2) 过渡区v(3) 破坏区 v变形速率逐渐增大，即 0。表明围岩已进入危险状态，须停工，进行加固。位移值、位移速率、位移加速度综合判别。要求监测数据及时处理。 五、五、 典型工点位移监测应用情况典型工点位移监测应用情况 乌鞘岭隧道大变形规律乌鞘岭隧道大变形规律图图3 F4断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布YDK170+250+500+750YDK171+000F4断层+290+440+640+740主带影响带影响带里程YDK174+500YDK175+000+500+900变形/mm斜井开口YDK175+330板岩占50%80%千枚岩占60%85%兰州方向武威方向里程图图4 志留系板岩夹千枚岩区段右线隧道变形沿隧道纵向分布志留系板岩夹千枚岩区段右线隧道变形沿隧道纵向分布 F7断层YDK176+800+200+400+600+800YDK177+000变形/mm影响带主带影响带里程图图5 F7断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布断层区段右线隧道变形沿隧道纵向分布乌稍岭隧道分区段最大变形速率与累计变形量统计乌稍岭隧道分区段最大变形速率与累计变形量统计乌稍岭隧道分区段最大变形速率与累计变形量统计乌稍岭隧道分区段最大变形速率与累计变形量统计 最大变形速率与累计变形的关系最大变形速率与累计变形的关系 在隧道工程监控量测中，在隧道工程监控量测中，在隧道工程监控量测中，在隧道工程监控量测中，除累计变形外，变形速除累计变形外，变形速除累计变形外，变形速除累计变形外，变形速率是另外一个进行围岩率是另外一个进行围岩率是另外一个进行围岩率是另外一个进行围岩稳定性评价的重要判别稳定性评价的重要判别稳定性评价的重要判别稳定性评价的重要判别指标。研究最大变形速指标。研究最大变形速指标。研究最大变形速指标。研究最大变形速率与累计变形的关系也率与累计变形的关系也率与累计变形的关系也率与累计变形的关系也是在施工初期阶段进行是在施工初期阶段进行是在施工初期阶段进行是在施工初期阶段进行最终变形预测的方法之最终变形预测的方法之最终变形预测的方法之最终变形预测的方法之一。一。一。一。图图6 最大变形速率与最大变形速率与累计变形的关系累计变形的关系最大变形速率/mm兰渝铁道两水隧道实测变形与速率兰渝铁道两水隧道实测变形与速率兰渝铁道两水隧道实测变形与速率兰渝铁道两水隧道实测变形与速率上台阶开挖到此监测面下台阶开挖到此监测面落 底 开挖 到 此监测面兰渝铁道两水隧道计算变形与速率兰渝铁道两水隧道计算变形与速率兰渝铁道两水隧道计算变形与速率兰渝铁道两水隧道计算变形与速率表表6-2 岭脊千板岩地层区段隧道极限位移岭脊千板岩地层区段隧道极限位移 单位：单位：(mm极限位移性极限位移性质拱拱顶下沉下沉拱脚水平收拱脚水平收敛墙腰水平收腰水平收敛毛洞隧道毛洞隧道50111781304初支后隧道初支后隧道227710770二二衬后隧道后隧道228742812表表6-3 F7断层区段隧道极限位移断层区段隧道极限位移 单位：单位：(mm)极限位移性极限位移性质拱拱顶下沉下沉墙腰水平收腰水平收敛毛洞隧道毛洞隧道400660初支后隧道初支后隧道136272二二衬后隧道后隧道140280表表6-4 乌鞘岭隧道岭脊段位移控制基准乌鞘岭隧道岭脊段位移控制基准 (单位单位:mm)管理等管理等级管理位移管理位移施工状施工状态U150可正常施工可正常施工150U300应加加强强支支护或二次或二次衬砌砌U300停工，并及停工，并及时采取加固措施采取加固措施注：注：U-隧道开挖后隧道总变形量隧道开挖后隧道总变形量 表3-5 F7断层和千枚岩地段隧道三维位移实测最大值 单位：mm两种隧道F7断层-圆形断面志留系地层-椭圆形断面右线正洞 左线平导以千枚岩含量为主以板岩含量为主竖直位移35016030045横向位移15010020050纵向位移907010015量测历时10天左右10天左右20天左右图5-24 F7断层位移向量方位趋势线图6-19 千枚岩地层区段位移向量方位势线4 炭质千枚岩区段隧道变形控制思路与建议表4-1 兰渝铁路隧道大变形分级控制基准(cm)（参考值）隧道类型分级指标常规变形大变形的等级单线隧道墙腰水平收敛202035355050拱顶下沉101017.517.52525双线隧道墙腰水平收敛303050507070拱顶下沉151525253535围岩及支护特征开挖后洞壁围岩位移较小，可稳定；一般支护无开裂或局部开裂开挖后洞壁围岩位移较大，持续时间较长；一般支护开裂或破损较严重开挖后围岩位移大，持续时间长；一般支护开裂或破损严重开挖后围岩位移很大，持续时间很长；一般支护开裂或破损很严重4.1.1 大大变形分形分级基准基准4 炭质千枚岩区段隧道变形控制思路与建议可能会可能会产生大生大变形的情况分析：形的情况分析：(1) 常常规变形：地形：地应力水平低，薄力水平低，薄层炭炭质千枚岩或千枚岩千枚岩或千枚岩夹板岩互板岩互层。(2) 级大大变形：地形：地应力水平高，厚力水平高，厚层炭炭质千枚岩，地千枚岩，地质构造构造强烈。烈。(3)级大大变形：地形：地应力水平极高，厚力水平极高，厚层炭炭质千枚岩，地千枚岩，地质构造构造强烈。烈。(4) 级大大变形：地形：地应力水平高或极高，厚力水平高或极高，厚层炭炭质千枚岩，千枚岩，地地质构造构造强烈，伴有地下水渗流。烈，伴有地下水渗流。4 炭质千枚岩区段隧道变形控制思路与建议表4-3 双线隧道不同变形等级的支护参数（参考值）变形等级预留变形量/cm初期支护掌子面加固二次衬砌喷混凝土锚杆钢筋网钢架部位厚度/cm部位长度/m环纵向间距/m部位网格间距/cm部位钢架类型纵向间距/m拱墙/cm仰拱/cm常规35全断面30拱墙3510.8拱墙82020全断面工20b0.5-60*70*35全断面30拱墙6810.8拱墙82020全断面H1750.5-60*70*35全断面30+10拱墙6810.8拱墙82020全断面工20b0.5-60*70*35全断面28+20拱墙6810.8拱墙82020全断面工20b+工160.5-60*70*40全断面28+20拱墙6810.8拱墙82020全断面H175+工160.5加固60*70*4.1.2 不同大不同大变形条件下的支形条件下的支护参数参数4 炭质千枚岩区段隧道变形控制思路与建议4.1.3 大大变形等形等级的的现场判判别和和变形管理基准形管理基准表表4-4 兰渝铁路变形及变形速率管理基准（参考值）兰渝铁路变形及变形速率管理基准（参考值）判别指标隧道类型分级指标常规变形大变形的等级变形量(cm)单线隧道墙腰水平收敛202035355050拱顶下沉101017.517.52525双线隧道墙腰水平收敛303050507070拱顶下沉151525253535变形速率(cm/d)单线隧道墙腰水平收敛1.82.53.84.5拱顶下沉0.91.31.92.3双线隧道墙腰水平收敛2.73.65.46.3拱顶下沉1.41.82.73.2施工状态正常施工I级支护参数级支护参数支护参数软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析兰渝线软岩双线隧道二次衬砌施作时机的确定 结合兰渝线软岩双线隧道变形等级管理基准和乌鞘岭隧道二次衬砌施作时机中的v终终/u测测对于、级大变形分别取值为0.5%1.0%、0.5%1.5%、0.5%2.0%，确定兰渝线软岩双线隧道二次衬砌施作时机如表4-1所示。 经2011年3月4日专家会，确定的二衬施作时机为双线2mm/d、单线1mm/d。 软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析4.2 初支变形速率初支变形速率2mm/d施作二次衬砌的可行性分析施作二次衬砌的可行性分析(1)不同围岩条件下支护参数施工过程模拟不同围岩条件下支护参数施工过程模拟软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析 变形超过200mm后应力释放率超过90%，即结构与围岩共同承受的地层压力小于0.6MPa。软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析(2)衬砌安全性检算衬砌安全性检算 分别按规范荷载和实测荷载进行结构安全性检算。 软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析(3)不同变形速率时衬砌结构受力分析不同变形速率时衬砌结构受力分析 根据两水隧道埋深具体情况，以+级软岩段为研究背景，研究级大变形围岩参数下隧道围岩和支护结构的变形和受力情况。拱顶下沉速率为拱顶下沉速率为3.84mm/步时施作衬砌步时施作衬砌 拱顶下沉速率为3.84mm/步步时施作衬砌，衬砌距掌衬砌距掌子面距离子面距离14m，拱顶下沉值为139.8mm，衬砌内表面压应力25 MPa，衬砌内表面拉应力1.3 MPa，超过混超过混凝土设计强度凝土设计强度。 软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析软岩双线隧道二次衬砌施作时机及结构安全分析拱顶下沉速率为拱顶下沉速率为1.82mm/步时施作衬砌步时施作衬砌 拱顶下沉速率为1.82mm/步步时施作衬砌，衬砌距掌子面距离衬砌距掌子面距离30m，拱顶下沉值为143.6mm，衬砌内表面压应力5 MPa，衬砌内表面拉应力0.3 MPa，低于混凝土设计强度低于混凝土设计强度。 二衬施作时机为双线二衬施作时机为双线2mm/d是合理、可行的。是合理、可行的。软岩双线隧道科研指导设计施工情况软岩双线隧道科研指导设计施工情况5.1 对软岩大变形的认识不断提高对软岩大变形的认识不断提高 (1)炭质千枚岩地层极破碎，加之地质偏压、局部渗水，开挖极不稳定，施工过程中变形控制困难是必然结果必然结果。 (2)初期对大变形认识不足，认为仅增加支护刚度增加支护刚度就可抵抗隧道大变形，转变转变为后期加强整个支护体系加强整个支护体系抵御强大的地层压力。 变形控制不能仅依赖大刚度的型钢支护，隧道支护是一个系统：喷射混凝土质量、喷射混凝土与钢架的连接密实性、钢架纵向连接、钢筋网焊接、系统锚杆注浆效果、锁脚锚管注浆效果、初喷混凝土封闭、超前锚杆施工质量等问题均不容忽视，而且有时某一环节会起到关键作用。 软岩双线隧道科研指导设计施工情况软岩双线隧道科研指导设计施工情况 (3)系统注浆长锚杆、径向注浆加固、锁脚锚管、预留核心土、加强钢架纵向连接等措施，是单层支护条件下使支护体系的强有力强有力的保证措施的保证措施。锚杆（锚管）注浆加固优于加大支护刚度注浆加固优于加大支护刚度。 (4)尽量采用尽量采用“单层支护单层支护+补强措施补强措施”解决问题解决问题。在适当加强的支护条件下，变形不稳定时适时施作支护补强(边墙长注浆锚杆、网喷混凝土)，实现洞室稳定。避免过早施作二衬、使二衬过大受力，确保运营安全。 (5)软岩大变形隧道深刻认识纵向位移深刻认识纵向位移的危害，并采取专项措施控制。软岩双线隧道科研指导设计施工情况软岩双线隧道科研指导设计施工情况5.2 设计支护参数设计支护参数 针对目前施工情况及进度要求，对于软岩双线隧道的施工变形控制，在设计方面采用改进的H175支护参数进行控制。在此设计支护参数基础上，应加强辅助措施施工质量的监管力度，把设计锚杆、锚管、径应加强辅助措施施工质量的监管力度，把设计锚杆、锚管、径向注浆等手段实施到位，保证质量的情况下，变形还是可控的。向注浆等手段实施到位，保证质量的情况下，变形还是可控的。软岩双线隧道科研指导设计施工情况软岩双线隧道科研指导设计施工情况5.3 施工方法及工艺优化建议施工方法及工艺优化建议 (1)采用三台阶法施工，采用三台阶法施工，上台阶长度上台阶长度控制在控制在6m以内，以内，上台阶高大于上台阶高大于4.5m (不宜太低不宜太低)，必须预留，必须预留核心土核心土，核心土长度核心土长度3-4m为宜。为宜。 (2)锁脚锚管及系统锁脚锚管及系统锚杆锚杆在核心土在核心土后方施作后方施作，以保障角度及效果。，以保障角度及效果。 (3)保障拱脚等节点部位垫块或保障拱脚等节点部位垫块或垫板垫板的实施，加强该部位的实施，加强该部位纵向连接纵向连接，更好地控制纵向位移。更好地控制纵向位移。 (4)钢架背后钢架背后回填注浆回填注浆，充填背后空洞，以保障钢架与喷层间的密实，充填背后空洞，以保障钢架与喷层间的密实性。性。 (5)适当加大预留变形量，适当加大预留变形量，预留二次补强空间预留二次补强空间，避免拆换。，避免拆换。 (6)二次衬砌二次衬砌拆模时间拆模时间在在1.5-2d以上，以保障二次衬砌的强度。以上，以保障二次衬砌的强度。 3 3贵广铁路天平山隧道贵广铁路天平山隧道1 合同规定的试验内容掌掌子子面面滑滑动变形形计每米一个每米一个测点点3040m测孔孔图图1-2 掌子面内部位移测点布置掌子面内部位移测点布置4 掌子面围岩内部位移量测试验结果试验结果 掌子面内部掌子面内部纵向位移量向位移量测结果果 DK372815 DK372 +845掌子面内部沉降量掌子面内部沉降量测结果果4 掌子面围岩内部位移量测试验结果试验结果 掌子面内部掌子面内部纵向位移量向位移量测结果果 DK372526 DK372 +396测管形状管形状图4 掌子面围岩内部位移量测试验结果试验结果 掌子面内部沉降量掌子面内部沉降量测结果果 DK372526 DK372 +396六、黄土隧道位移监测 黄土的结构特征使其有与一般土类似的较大竖向变形参数，但存在较高的抗拉能力；其竖直节理及结构面使其横向变形小于竖向，与一般砂性土相比具有脆性拉应变破坏特征；浅埋土地层隧道施工引起地层变形形成地表不均匀的沉降凹槽和滑动趋势楔形体。 黄土的分布v黄土在全世界分布面积达1300万平方公里，约占陆地总面积的9.3。在北半球，黄土分布于北纬3055之间地区；在南半球黄土分布在3040之间的地区。 v我国黄土以其分布范围广泛、连续、地层发育完整、厚度大而著称于世。分布面积约64万平方公里，以西北地区和黄河中游地区最为发育，多分布于甘肃、陕西、山西地区，青海、宁夏、河南也有部分分布，其它如河北、山东、辽宁、黑龙江、内蒙古和新疆等省(区)也有零星分布。在西北地区、黄河中下游一带构成著名的黄土高原，连续面积达44万平方公里。 早在20世纪六十年代中期，陇海线三门峡潼关段各黄土隧道施工中均发现有不同程度的地表裂缝；郑西高速铁路建设初期，15座黄土隧道均发现有地表施工裂缝；黄土公路隧道也有相同发现。因此，黄土隧道易形成施工地表裂缝。 隧道施工产生地表裂缝分析隧道施工产生地表裂缝分析图6-4 施工地层裂缝形成机理 ( (开挖临空使楔形体向下滑动，当滑动剪应力大于土体抗剪开挖临空使楔形体向下滑动，当滑动剪应力大于土体抗剪强度时，形成剪切破坏。滑动楔面分力作用使滑动面外侧表层土强度时，形成剪切破坏。滑动楔面分力作用使滑动面外侧表层土体产生隆起现象。地表产生拉断裂缝，滑动体自重力使深层土体体产生隆起现象。地表产生拉断裂缝，滑动体自重力使深层土体难以形成张开裂缝。难以形成张开裂缝。) ) 6 施工地层裂缝规律室内模型试验施工地层裂缝规律室内模型试验（1）黄土隧道地表多可见裂缝，并大多位于）黄土隧道地表多可见裂缝，并大多位于60m埋深以下；少埋深以下；少数隧道出现数隧道出现6070m埋深。埋深。（2）裂缝位置为隧道两侧即纵向裂缝和洞顶的环向裂缝，裂缝）裂缝位置为隧道两侧即纵向裂缝和洞顶的环向裂缝，裂缝方向均向内倾斜，与隧道开挖临空面的楔形滑动面密切相关。方向均向内倾斜，与隧道开挖临空面的楔形滑动面密切相关。浅层黄土因其抗拉强度低和故有的原生节理而张开，地表裂浅层黄土因其抗拉强度低和故有的原生节理而张开，地表裂缝坑探可见裂缝深度缝坑探可见裂缝深度3.010.0m，可见裂缝深度有限（深层受，可见裂缝深度有限（深层受自重挤压不能张开），一般不会到达隧道顶部。自重挤压不能张开），一般不会到达隧道顶部。（3）出现施工地表裂缝时的地表沉降、拱顶下沉数值分散，多）出现施工地表裂缝时的地表沉降、拱顶下沉数值分散，多数在数在50mm200mm。（1）施工控制标准）施工控制标准 支护封闭距离小于支护封闭距离小于2倍隧道跨度，施工地表沉降变倍隧道跨度，施工地表沉降变形小于形小于100mm，可防止出现宽大施工地表裂缝。，可防止出现宽大施工地表裂缝。（2）有害地表裂缝处理方法）有害地表裂缝处理方法 为了防止地表水沿裂缝下渗，对已形成的裂缝采为了防止地表水沿裂缝下渗，对已形成的裂缝采用注浆或回填灰土的方法进行及时封闭。用注浆或回填灰土的方法进行及时封闭。施工控制标准和地表裂缝处理技术施工控制标准和地表裂缝处理技术黄土隧道变形特征黄土隧道变形特征 v(1)新黄土隧道变形释放快、具突然破坏性v(2)老黄土隧道变形慢、支护强度不足也易形成塌方v(3)黄土隧道变形量大v(4)黄土隧道变形时间长、直至支护闭合v(5)黄土隧道易形成施工地表裂缝黄土隧道施工地表裂缝的形成机理黄土隧道施工地表裂缝的形成机理 v(1)黄土隧道围岩构造特征是其内因之一 按照土体结构力学的思想，黄土的颗粒形态、颗粒排列形式、孔隙性质和颗粒接触关系等确定了的黄土湿陷性，而黄土中的节理及结构面是控制黄土隧道工程施工地表裂缝形成机制与隧道稳定性的主要因素。(2)黄土较高抗拉强度和力学性质各向异性是其内因之二(3)隧道施工后隧道上方地层形成滑动趋势面和形成地表地层拉应力是外因地表裂缝出现的变形规律 现场调查地表可见或宽大裂缝多发生于地表沉降值在80mm以上；数值理论分析出现地表裂缝时的施工地表沉降95mm128mm(台阶法、全断面法施工)。模型试验发现在埋深在30m以内，最大地表沉降达到50.0104.0mm时，地表就有可能产生裂缝；当埋深达到50m时，地表中心沉降在130mm以上才能产生裂缝。思考题v隧道监控量测的目的、方法和存在问题v一、目的：稳定性判别v二、方法：位移稳定性判别方法v三、问题：标准、手段、水平