隧道施工支护技术 隧道工程支护与监测技术讲义.doc

隧道施工支护技术中国中铁隧道集团工程部二○○九年十月 目次第一讲新奥法设计施工的原理3第二讲隧道的支护体系与围岩的稳定性11第三讲支护施工的几点说明21第四讲隧道支护部分规范与说明25第五讲监控量测与支护32附录：乌鞘岭隧道9#斜井及正洞监控量测数据分析及其对支护施工的指导38 第一讲新奥法设计施工的原理一、隧道设计施工的两大理论及其发展过程二十世纪以来，人类对地下空间的需求越来越多，因而对地下工程的研究有了一个突飞猛进的发展。在大量的地下工程实践中，人们普遍认识到，隧道及地下洞室工程，其核心问题，都归结在开挖和支护两个关键工序上。即如何开挖，才能更有利于洞室的稳定和便于支护：若需支护时，又如何支护才能更有效地保证洞室稳定和便于开挖。这是隧道及地下工程中两个相互促进又相互制约的问题。在隧道及地下洞室工程中，围绕着以上核心问题的实践和研究，在不同的时期，人们提出了不同的理论并逐步建立了不同的理论体系，每一种理论体系都包含和解决（或正在研究解决）了从工程认识（概念）、力学原理，工程措施到施工方法（工艺）等一系列工程问题。一种理论是二十世纪20年代提出的传统的“松弛荷载理论”。其核心内容是：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载：不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。这是一种传统的理论，其代表人物有泰沙基和普氏等人。它类似于地面工程考虑问题的思想，至今仍被广泛的应用着。另一种理论是二十世纪50年代提出的现代支护理论，或称“岩承理论”。其核心内容是：围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力：不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。这种理论体系的代表性人物有拉布西维兹、米勒-菲切尔、芬纳-塔罗勃和卡斯特奈等人。这是一种比较现代的理论，它已经脱离了地面工程考虑问题的思路，而更接近于地下工程实际，近半个世纪以来已被广泛接受和推广应用，并且表现出了广阔的发展前景。由以上可以看出，前一种理论更注意结果和对结果的处理：而后一种理论则更注意过程和对过程的控制，即对围岩自承能力的充分利用。由于有此区别，因而两种理论体系在过程和方法上各自表现出不同的特点。新奥法是岩承理论在隧道工程实践中的代表方法。二、新奥法 新奥法是应用岩体力学的理论，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，及时地进行支护，控制围岩的变形（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、监控来指导隧道和地下工程设计施工的方法和原则。（光爆+锚喷支护+量测）新奥法与传统施工方法的区别：传统方法认为巷道围岩是一种荷载，应用厚壁混凝土加以支护松动围岩。而新奥法认为围岩是一种承载机构，构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构（以喷射混凝土、锚杆为主要手段）并使围岩与支护结构共同形成支撑环，来承受压力，并最大限度地保持围岩稳定，而不致松动破坏。新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是NewAustrianTunnellingMethod,简称为NATM。它与法国称收敛约束法或有些国家所称动态观测设计施工法的基本原则一致。新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹教授于二十世纪50年代提出的。它是以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法，经奥地利、瑞典、意大利等国的许多实践和理论研究，于60年代取得专利权并正式命名。之后这个方法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速的发展，已成为现代隧道工程新技术的标志之一。我国近40年来，铁路等部门通过科研、设计、施工三结合，在许多隧道修建中，根据自己的特点成功地应用了新奥法，取得了较多的经验，积累了大量的数据，现已进入推广应用阶段。目前新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修建隧道的一种基本方法，技术经济效益是明显的。新奥法的基本要点可归纳如下：1．岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。为此，施工中断面分块不宜过多，开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。新奥法将围岩视为巷道承载构件的一部分，因此，施工时应尽可能全断面掘进，以减少巷道周边围岩应力的扰动，并采用光面爆破、微差爆破等措施。减少对围岩的震动，以保全其整体性。同时注意巷道表面尽可能平滑，避免局部应力集中。2．为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和它参加工作的时间（包括闭合时间）来控制岩体的变形。 新奥法将锚杆、喷射混凝土适当进行组合，形成比较薄的衬砌层，即用锚杆和喷射混凝土来支护围岩，使喷射层与围岩紧密结合，形成围岩-支护系统，保持两者的共同变形，故而可以最大限度地利用围岩本身的承载力。3．为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合，而成为封闭的筒形结构。另外，隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。4．允许围岩由一定量的变形，以利于发挥围岩的固有强度。同时巷道的支护结构，也应具有预定的可缩量，以缓和巷道压力。   围岩的变形是控制在一定范围内的，必须避免围岩变形过大，从而导致围岩强度的削弱以致引起垮落、失稳。支护结构具有一定的变形量，允许巷道围岩产生一定的变形，以缓和来自巷道的巨大压力，更进一步减轻支护荷载。新奥法施工过程中量测工作的特殊性   由于岩体生成条件与地质作用的复杂性，施工条件的复杂性，以及对工程设计参数的精确要求，得要通过许多量测手段，在施工过程中对围岩动态和支护结构工作状态和支护结构工作状态进行监测。并用监测结果修改初步设计，指导施工。   量测的结果可以作为施工现场分析参数和修改设计的依据，因而能够预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然提到施工的安全程度。通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工程序、进行设计变更及日常的施工管理。5．新奥法施工在巷道开挖后采取了一系列综合性措施：构筑防水层、围岩巷道排水；选择合理的断面形状尺寸；给支护留变形余量；开巷后及时做好支护、封闭围岩等，都是为保护巷道围岩的自身承载能力，使围岩的扰动影响控制在最小范围内，并加固围岩，提高围筵强度。使其与人工支护结构共同承受巷道压力。为了敷设防水层，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，可采用复合式衬砌。6．二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩和支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度。由上所述，新奥法的支护原则是：围岩不仅是载物体，而且是承载结构；围岩承载圈和支护体组成巷道的统一体，是一个力学体系；巷道的开挖和支护都是为保持改善与提高围岩的自身支撑能力服务。上述新奥法的基本要点可扼要的概括为：“少扰动、早喷锚，勤量测、紧封闭”。 三、用一个弹簧来理解新奥法原理1．洞室边缘某一点A在开挖前具有原始应力（自重应力和构造应力）处于一个平衡状态。如同一根弹性刚度为K的弹簧，在P0作用下处于压缩平衡状态。2．洞室开挖后，A点在临空面失去约束，原始应力状态要调整，如果围岩的强度足够大，那么经过应力调整，洞室可处于稳定状态（不需支护）。然而大多数的地质情况是较差的，即洞室经过应力调整后，如不支护，就会产生收敛变形，甚至失稳（塌方），所以必须提供支护力PE，才能防止塌方失稳。等同于弹簧产生了变形u后，在PE作用又处于平衡状态。3．由力学平衡方程可知，弹簧在P0作用时处于平衡状态；弹簧在发生变形u后，在PE的作用下又处于平衡状态，假设弹簧的弹性系数为K，则有：P0=PE+Ku讨论：（1）当u=0时，P0=PE即不允许围岩变形，采用刚性支护，不经济；（2）当u↑时，PE↓；当u↓时，PE↑。即围岩发生变形，可释放一定的荷载（卸荷作用），所以要允许围岩产生一定的变形，以充分发挥围岩的自承能力。是一种经济的支护措施，围岩的自稳能力P=P0-PE=Ku；（3）当u=umax时，发生塌方，产生松驰荷载，不安全。四、要点1．围岩是受洞室开挖影响的那一部分岩（土）体，围岩是三位一体的即：产生荷载、承载结构、建筑材料。2．隧道是修筑在应力岩体中的，具有特殊的建筑环境，不能等同于地面建筑。3．隧道结构体系=围岩+支护体系。五、新奥法施工特点   1.1及时性   新奥法施工采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施工，因此可以利用开挖施工面的时空效应，以限制支护前的变形发展，阻止围岩进入松动的状态，在必要的情况下可以进行超前支护，加之喷射混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。   在巷道爆破后立即施工以喷射混凝土支护能有效地制止岩层变形的发展，并控制应力降低区的伸展而减轻支护的承载，增强了岩层的稳定性。    1.2封闭性   由于喷锚支护能及时施工，而且是全面密粘的支护，因此能及时有效地防止因水和风化作用造成围岩的破坏和剥落，制止膨胀岩体的潮解和膨胀，保护原有岩体强度。   巷道开挖后，围岩由于爆破作用产生新的裂缝，加上原有地质构造上的裂缝，随时都有可能产生变形或塌落。当喷射混凝土支护以较高的速度射向岩面，很好的充填围岩的裂隙，节理和凹穴，大大提高了围岩的强度。（提高围岩的粘聚力C和内摩擦角）。同时喷锚支护起到了封闭围岩的作用，隔绝了水和空气同岩层的接触，使裂隙充填物不致软化、解体而使裂隙张开，导致围岩失去稳定。   1.3粘结性   喷锚支护同围岩能全面粘结，这种粘结作用可以产生三种作用：   ①联锁作用，即将被裂隙分割的岩块粘结在一起若围岩的某块危岩活石发生滑移坠落，则引起临近岩块的联锁反应，相继丧失稳定，从而造成较大范围的冒顶或片帮。开巷后如能及时进行喷锚支护，喷锚支护的粘结力和抗剪强度是可以抵抗围岩的局部破坏，防止个别威岩活石滑移和坠落，从而保持围岩的稳定性。   ②复和作用，即围岩与支护构成一个复合体（受力体系）共同支护围岩。喷锚支护可以提高围岩的稳定性和自身的支撑能力，同时与围岩形成了一个共同工作的力学系统，具有把岩石荷载转化为岩石承载结构的作用，从根本上改变了支架消极承担的弱点。   ③增加作用。开巷后及时继进行喷锚支护，一方面将围岩表面的凹凸不平处填平，消除因岩面不评引起的应力集中现象，避免过大的应力集中所造成的围岩破坏；另一方面，使巷道周边围岩由双方向受力状态，提高了围岩的粘结力C和内摩擦角，也就是提高了围岩的强度。   1.4柔性   喷锚支护属于柔性薄性支护，能够和围岩紧粘在一起共同作用，由于喷锚支护具有一定柔性，可以和围岩共同产生变形，在围岩中形成一定范围的非弹性变形区，并能有效控制允许围岩塑性区有适度的发展，使围岩的自承能力得以充分发挥。另一方面，喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生越来越大的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生松动破坏。2、新奥法的主要支护手段与施工顺序    新奥法是以喷射混凝土、锚杆支护为主要支护手段，因锚杆喷射混凝土支护能够形成柔性薄层，与围岩紧密粘结的可缩性支护结构，允许围岩又一定的协调变形，而不使支护结构承受过大的压力。   施工顺序可以概括为：开挖→一次支护→二次支护。   2.1开挖   开挖作业的内容依次包括：钻孔、装药、爆破、通风、出渣等。开挖作业与一次支护作业同时交叉进行，为保护围岩的自身支撑能力，第一次支护工作应尽快进行。为了冲分利用围岩的自身支撑能力开挖应采用灌面爆破（控制爆破）或机械开挖，并尽量采用全断面开挖，地质条件较差时可以采用分块多次开挖。一次开挖长度应根据岩质条件和开挖方式确定。岩质条件好时，长度可大一些，岩质条件差时长度可小一些，在同等岩质条件下，分块多次开挖长度可大一些，全断面开挖长度就要小一些。一般在中硬岩中长度约为2-2.5米，在膨胀性地层中大约为0.8-1.米。   2.2第一次支护作业包括：一次喷射混凝土、打锚杆、联网、立钢拱架、复喷混凝土   在巷道开挖后，应尽快地喷一层薄层混凝土（3-5cm），为争取时间在较松散的围岩掘进中第一次支护作业是在开挖的渣堆上进行的，待把未被渣堆覆盖的开挖面的一次喷射混凝土完成后再出渣。   按一定系统布置锚杆，加固深度围岩，在围岩内形成承载拱，由喷层、锚杆及岩面承载拱构成外拱，起临时支护作用，同时又是永久支护的一部分。复喷后应达到设计厚度（一般为10-15cm）,并要求将锚杆、金属网、钢拱架等覆裹在喷射混凝土内。   完成第一次支护的时间非常重要，一般情况应在开挖后围岩自稳时间的二分之一时间内完成。目前的施工经验是松散围岩应在爆破后三小时内完成，主要由施工条件决定。   在地质条件非常差的破碎带或膨胀性地层（如风华花岗岩）中开挖巷道，为了延长围岩的自稳时间，为了给一次支护争取时间，安全的作业，需要在开挖工作面的前方围岩进行超前支护（预支护），然后再开挖。   在安装锚杆的同时，在围岩和支护中埋设仪器或测点，进行围岩位移和应力的现场测量：依据测量得到的信息来了解围岩的动态，以及支护抗力与围岩的相适应程度。    一次支护后，在围岩变形趋于稳定时，进行第二次支护和封底，即永久性的支护（或是补喷射混凝土，或是浇注混凝土内拱），起到提高安全度和整个支护承载能力增强的作用，而此支护时机可以由监测结果得到。   对于底板不稳，底鼓变形严重，必然牵动侧墙及顶部支护不稳，所以应尽快封底，形成封闭式的支护，以谋求围岩的稳定。3、新奥法适用范围   ①具有较长自稳时间的中等岩体；   ②弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩；   ③强风化的岩石；   ④刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩；   ⑤坚硬粘土，也有带坚硬夹层的粘土；   ⑥微裂隙的，但很少粘土的岩体；   ⑦在很高的初应力场条件下，坚硬的和可变坚硬的岩石；   在下述条件下应用新奥法必须与一些辅助方法相配合   ①有强烈地压显现的岩体；   ②膨胀性岩体（要与仰拱与底部锚杆相配合）；   ③在一些松散岩体中，要与钢背板与之配合；   ④在蠕动性岩体中，要与冻结法或预加固法等配合；   在下列场合中应用应慎重   ①大量涌水的岩体；   ②由于涌水会产生流砂现象的围岩；   ③极为破碎，锚杆钻孔、安装都极为困难的岩体；   ④开挖面完全不能自稳的岩体等。4、新奥法的缺点主要有：   ①实施不仅要求有良好的施工组织和管理，也要求技术人员和量测人员都十分熟练，没有这一点就易于发生错误；作业质量都与每一个人的仔细操作有关。   ②开挖暴露出的地质会立即改变其状态，因此要求施工地质人员要亲临现场，以便发现问题；   ③用能控制的施工量测，往往给施工带来不便；   ④ 干喷射带来的灰尘以及由于易受化学药品的损害必须加强防护，尤其是对眼睛的防护，湿喷虽然可以避免此缺点，但在同样条件下，不如干喷那样有效的支护岩体。   新奥法施工是从实际经验中总结出来的，又在不断实践经验中得以丰富其内容和进一步发展，新澳法施工在我国推广以来，经过几十年的发展，通过科研、设计、施工三结合，在修建下坑、西坪、大瑶山、军都山等铁路隧道以及中梁山、二郎山等多座公路隧道中，应用新奥法远离及其相应的技术，取得了较大的成就。   不可否认，新奥法也存在不少缺点，不过经过工程技术人员和科技工作者的共同努力一定可以把新奥法不断完善，在我国的现代化建设进程中发挥更加重要的作用 第二讲隧道的支护体系与围岩的稳定性1隧道围岩的稳定性1.1利用围岩是支护的要点1.1.1从支撑围岩压力的概念到利用围岩的概念1.1.2新奥法的基本原理腊布兹维奇从弹塑性理论出发，以一个弹性薄板挖一个圆孔的力学解为基础，作为原理作了一个概念性的阐述。即洞子开挖后，周边应力集中，集中系数为3，超过岩体弹性极限，形成塑性区。在N=1的情况下，有一薄壁圆环作支护，则—支护抗力R—塑性区半径—原岩应力C—岩体粘滞系数—岩体内摩擦角r—隧道半径图1.1图1.2 腊布兹维奇又进一步研究不加支护的破坏形式。对圆形洞室，若垂直方向初始应力为主，将在两侧墙出现剪切破坏楔体，喷锚支护加强、加固剪切楔体，防止破坏。1.1.3不同结构岩体的破坏实际上，岩体是一个结构体，不同的岩体破坏形式不同完整岩体厚板体板裂效应薄板体薄板弯张、脱层破坏块状岩体不稳定结构体的滑移破坏土质岩体塑性变形，流变松散体普氏理论软硬相间岩体软质岩的破坏、挤出、滑动等膨胀性岩体1.1.4隧道围岩中的自承体系及其变化隧道开挖是个4维问题：3维空间+时间在掌子面前方1~4倍洞径远，岩体已经变形，沿切向、径向都受压缩。隧道开挖断面是在已经被压缩的岩体状况下进一步变形。隧道一开挖，周边岩体向洞内移动，发生张性变形，这样就在隧道周边岩体中形成由外向内的一个自承结构，最外层为松弛带，中间经过一个过渡带到压密区，然后是未受扰动的原岩（图1.3）。图1.3隧道周边围岩自承体系（某隧道，由形变—电阻率法、声波法、位移计、地面预埋应变计等测定） 最外层的松弛带岩体无论是沿切向还是径向都发生了张性变形，实际上可以分为两层，即最外面靠近临空面的部分，岩体受爆破、施工、自重影响，变形最严重；靠里的一部分，则主要是受应力解除影响的变形。松弛带岩体在隧道刚开始时并未松动，除局部或特殊情况外还是自稳的。而压密区的岩体，是在三维空间中受压缩的。在有围压情况下，岩体强度远大于单轴抗压强度。因此，压密区岩体有很高的强度，形成一个厚壁圆桶，或很厚的岩拱，与原岩应力相平衡或承载原岩压力。压密区通过过渡带受松弛带的支护，如果松弛带不破坏，不发展，压密区就会渐趋完善，保护岩体整体稳定。松弛带、过渡带、压密区，广义的加上支护，形成一个围岩自承体系。自承体系随时间如何变化？由支护，即对自承体系的保护来决定。如果不作支护，松弛带岩体张性变形将继续发展，直至由松弛带发展到松动，同时松弛带向深部发展，不仅使过渡带变成松弛带，而且使压密区逐渐消失，岩体因承载力大大减弱，而出现整体失稳（图1.4）。图1.4围岩自承体系随时间的破坏A为压密区B为松弛带如果及时做支护，及时保护了松弛带，随着对岩体径向和切向变形的约束，松弛带就可能情况改善，张性变形减少，松弛带缩小，过渡带成为压密区的一部分，压密区扩大并均匀化，最后达到稳定（图1.5）。 图1.5在喷锚支护下自承体系的完善A为压密区B为松弛带C为过渡带这里可以看到几个现象：（1）每一个开挖步骤都可引起围岩中的一次调整，所以每一个步骤的影响是好是坏，要作评估；（2）洞形可以影响一开挖就形成的自承体系的形态，自承体系形态好，调整得就快，所以开挖的洞形是能促进围岩自承体系的手段之一；（3）开挖速度体现在4维中的t这一坐标，要考虑到围岩自承体系产生和调整需要时间；（4）开挖断面附近，在刚开挖时松弛带一般还有自稳能力，此时还有掌子面的支撑，产生桥跨作用，此时如及时支护对巩固松弛带的作用很大；（5）对于中小跨度的隧道和地下工程，加固松弛带，尤其是加固松弛带的最外层，能起到保护自承体系的作用；浅埋情况，自承体系不完整。浅埋土质隧道，由于自承体系不完整，拱部以上土体靠原生结构，靠土、砂的粘滞性和摩擦维持。 附录二.1软岩隧道围岩中自承体系的形成和发展除浅埋隧道外，一般情况下，隧道的稳定，需要围岩的稳定。关于隧道围岩稳定的机制和理论，以往大多是在二维或三维的条件下进行的。而隧道的开挖和支护，是在四维（三维空间加时间）的条件下发生的；隧道从开挖到稳定，也要经历一段相当的时间。作者通过大量在现场对围岩变形规律的实测后发现，有许多现象需要从隧道的开挖和支护是四维问题这一条件去解释，否则难以理解。实测资料还发现，隧道围岩中可能存在有一定层次的自承体系结构，它们是在四维条件下形成的，并随时间和支护而变化、发展。本文将对此作一系统的阐述。所涉及的是较软弱的岩体，在非大地压的情况，并且暂不考虑块体的平衡和位移等问题。基本上是以实测资料为依据。一围岩中的自承体系结构除浅埋隧道外，隧道能稳定，是由于其围岩中存在有一定结构层次的自承体系，使得围岩能稳定。严格地讲，自承体系也应包括支护系统。因为支护、尤其是喷锚支护往往与围岩结成一体。图l所示是在某隧道（砂、泥岩互层）用形变一电阻率法和声波测量测得的。自承体系由内向外包括：内层支护、松弛带、压密区，有时在松弛带外还有一过渡带。松弛带中岩体沿隧道切向和径向因发生张性变形，因而比原岩状态松弛；它常分为两部分，接近压密区的部分变形较图1某隧道实测围岩中自承体系示意图松动。压密区中岩体沿隧道切向发生（根据声波量测和形变-电阻率法量测资料）压性变形，沿隧道径向有时也受压、岩休整体呈被压缩状态。过渡带中岩体或基本不变形，或在整个变形过程中或成为松弛带的一部分，或成为压密区的一部分。在土质隧道中也能测到同样的自承体系。自承体系的范围由许多因素决定，岩体的强度是一个重要因素。岩石隧道围岩的自承体系常仅几米宽，在土质隧道中则可能宽达20~30m 。开挖方法，隧道洞形，支护形式和及时与否等，都会影响自承体系的范围。自承体系稳定，隧道的变形才能停止。而松弛带的岩体稳定，变形不再发展，是整个自承体系稳定的前题。可以将包括支护在内的整个自承体系看作一个承载结构，它朝向岩体的外缘的原岩应力对它的作用可看作是它的外荷。二隧道围岩中自承体系的形成隧道围岩中的自承体系是在三维空间十时间这个四维的条件下形成的。在隧道开控后，它将随支护状态而变化，随时间而发展。隧道的开挖是在三维空间中实现的，量测资料表明，开挖面前方一定距离外，岩体即已开始变形，在较好的岩体中，这距离可能在l—2倍洞径之外；在软弱围岩。例如土体中，则可能在3—5倍洞径之外。这变形是自承体系形成的基础。由于有这变形基础，洞室开挖后围岩中才可能形成自承体系。量测表明开挖面前方岩体在隧道的切向和径向都发生压性变形。可以认为，开挖面前方岩体沿隧道切向的应力增高，使岩体在隧道切向和径向发生压性变形，而周围岩体的约束使沿隧道径向也发生压性变形（见图2、3）。这种应力和变形使岩体向自由空间方向位移，自由空间有两个，一个是开挖面，另一个是地面，所以，若隧道上覆岩体强度较低而又不太厚，地面就可能上升，这已为许多浅埋隧道的量测资料所证明，例如军都山隧道浅埋黄土段、北京地铁复兴门折返段、地铁西单车站等（见图4）工程均曾观测到。图2某隧道（砂、泥岩互层）开挖前后洞顶上方不同深度围岩沿隧道切向的变形 图某隧道各部开挖前后洞顶上方不同深度围岩沿隧道径向和切向的变形图4军都山隧道浅埋土质段开挖通过20#测点前后地表及土体内部沉降时态曲线开挖面前方岩体沿隧道切向的压性变形，是围岩自承的基础。在隧道开控后，虽然在极短的时间内。周边岩体沿隧道切向应力集中，但是，由于出现了隧道这临空面，其周围岩体能量迅速释放，因此。这部分岩体很快沿隧道切向和径向发生张性变形，成为松弛带。即使在黄土质隧道拱脚下方这切向应力最高的部位，在开挖后一个短时间内可能出现压劈，但在不长时间之后，这部分土体即沿径向和切向发生张性变形；成为松弛带的一部分；而且出现压劈的深度也仅0.3~0.5m。隧道开挖后，最靠内的岩体成为松弛带。在一定深度，开挖面前方岩体已经发生的沿隧道切向的压性变形仍然存在，它们处于三维应力状态下，具有较高的承载能力，能在一定时间内保持围岩不发生整体破坏。从图2、3、4还可见，在多部开挖时，每一开挖步骤，都会引起开挖面前方岩体的压性变形，这些变形是叠加在已有的变形之上的。 为了读者能更好地理解图2、3及后述的一些资料，这里作一说明：这些资料是形变一电阻率法所测。同一岩体，在发生压性变形时，其电阻率会降低，即与原始电阻率值之差是负值，压性变形越大，电阻率降低越剧；若发生张性变形，则电阻率会升高，与原始电阻率值之差为正值，张性变形越大，电阻率增高越多。改变测量电阻率的电极的排列方向，可以测量不同方向的电阻率值。为了解岩体不同方向的变形情况，图2、3的资料是在钻孔中测得的。钻孔是在开挖前在隧道中线位置钻好，然后测量不同深度水平向（隧道切向）和铅垂向（隧道径向）的电阻率作为初始值；在隧道开挖过程中，不断测量开挖面前方开挖后、支护后不同深度的电阻率值。这样就可了解拱顶上方岩体的变形规律。三自承体系的变化和发展开挖后自承体系的变化由支护决定。图5和图6是一组对比资料，它们来自某隧道中相邻的两个试验段，其中模注混凝土衬砌段的土质要好于喷锚试验段。模注衬砌段在开挖后第6天开始衬砌，第15天衬砌完成（衬砌厚30cm）。从图5可见，开挖5天后，拱顶松弛带宽约5m，距拱顶5～12m，还有一宽8m的压密区；而开挖20天（衬砌完成5天）后，土体自承体系仍在恶化，松弛带扩展到6m，压密区缩小到仅1.5m宽（拱顶上6~8.5m），以后土体自承性能仍在恶化，开挖1个月后，压密区完全消失，松弛带扩大到8m宽；不久以后，埋设在衬砌背后的的压力盒测得的压力成倍地增加。这说明，如果不作支护或对岩体保护不好，甚至由于拱顶衬砌与岩体间通常存在的小小的空隙，致使不能限制拱顶松弛带岩体的张性变形的发展和松弛带范围扩大，在软弱围岩中，松弛带的岩体甚至发展到松动以至坍落，最后压密区缩小以至消失，岩体整体自承能力丧失。图6所示的喷锚衬砌段则不同。由于开挖后几小时图5某黄土隧道模筑混凝土衬砌段弧导开挖后拱顶上方即及时喷射5～7cm厚不同深度土体沿切向ρs的相对变化混凝土支护，故尽管刚Δρs=ρs-ρso（单位：Ω.m）Δρs<0土体受压开挖时土体中的压密区ρso—1979.1.16Δρs>0张松尚不完整，但十余天后， 已有宽约6m的压密区；两个半月后，虽然隧道断面大小扩挖了一倍，压密区仍扩大到13m宽，松弛带却没有扩大；开挖5个月并将喷射混凝土层加厚到l5cm后，压密区扩大到17.5m宽并最后趋于稳定。图6某黄土隧道喷射混凝土衬砌段弧导开挖后拱顶上方不同深度土体沿切向ρs的相对变化Δρs=ρs-ρso（单位：Ω.m）Δρs<0土体受压ρso—1979.1.16Δρs>0张松图7某隧道开挖并喷射混凝土支护后拱顶上方不同深度岩体切向ρs随时间的变化ρ01977.6.71—1977.6.23喷射混凝土后2—1977.8.2～8.63—1978.1.24图7所示是砂泥岩互层的某隧道拱顶上方围岩变形的形变一电阻率法测量结果。由图可见，由于开挖后及时喷锚支护，隧道周边的松弛带范围逐渐缩小，压密区扩大，最后达到稳定。 实际上，包括喷锚在内的支护系统仅作用于或主要作用于松弛带，图8展示了某黄土隧道周边土体在喷射混凝土后张性变形是如何减小、土体状态是如何改善的。由图可见，＜0的松弛带岩体，在喷射混凝土支护后，减小。从图7还可见，松弛图8某隧道喷射混凝土衬砌完成后围岩中松弛带带可分为两部分，最内层是受开中切向ρs的变化（松弛带土体性状的改善）挖影响（如爆破、机械破岩等）ρso1979.1和岩块本身自重而位移影响最大1—1979.4.4马口挖过断面1～2m，喷层厚5cm的部分，它们变形较大；其外的2—1979.5.8马口挖过断面20m，喷层加厚到15cm岩体是由于应力释放而产生张性变形，变形较小。 第三讲支护施工的几点说明1喷射混凝土和锚杆联合支护的作用1.1岩质隧道（1）加固局部岩块，防止岩体中不不稳定结构体的冒落及大位移；（2）约束松弛带的切向和径向的张性变形；（3）加固松弛带的岩体，使之整体性加强，形成整体结构；（4）有一定的结构承载作用；强调的是喷锚的及时性，特别是喷射混凝土的及时性；面接触的支护形式；喷锚联合支护的作用。 一组块状围岩喷锚支护模型实验结果（冶金建筑科学研究院）：用砌块组成断面，净跨2000mm的混凝土拱，矢高500mm，作为裂隙发育的不稳定块状岩体。实验结果试件名称试件形式破坏荷载50吨荷载时拱中挠度绝对（吨）相对绝对（mm）相对块状围岩性7.3191砂浆锚杆支护50.76.951.21/7.5喷混凝土支护70.19.60.41/22.51.2土质隧道1.2.1砂浆锚杆在土质隧道中的支护作用黄土有垂直节理、构造斜节理和层，某些土体也有一些裂隙和层面，全长粘结砂浆锚杆可以将它们加固，将土块连接；系统的砂浆锚杆能将砂浆、土体改性，增加其整体强度。1.2.2浅埋土质隧道的支护 浅埋土质隧道自承体系不完整，主要靠砂、土的原始结构，靠砂、土体的摩擦、粘滞保持稳定。同时，土体围岩往往有流变性，需要一定的支护刚度才能制止流变。土质隧道浅埋暗挖法应以限制围岩变形为主，应采用早期大刚度的初期支护，防止土体变形过大破坏原始结构；初期支护应给土体以一定的支护抗力及时制止流变。在保护了土体之后，土体仍能保持较好的自承能力，二次衬砌承受变形压力不大。这一基本认识经过军都山隧道浅埋土质段工程试验成功，并推广到北京及广州、深圳等地铁中。1.2.3临时支护，初期支护和永久衬砌临时支护是为施工安全服务的。用喷锚做临时支护代替了过去的木支撑，支护是必须的，不能因岩质较好而不为。不乏好围岩不及时支护而坍方落石的实例。初期支护不仅是临时支护，它也是永久衬砌的一部分。喷锚构筑法中初期支护是主要的受力结构，二次衬砌是为防水和作安全储备，即使在土质隧道中，初期支护按设计敷设后，二次衬砌都可在几个月，甚至一年后施工。初期支护是维持围岩自承体系的主要手段。减薄、简化初期支护，企图以加厚二次衬砌的模筑混凝土来代替喷射混凝土，这从理论上讲是错误的。永久衬砌包括初期支护和二次衬砌，实际上二次衬砌可以是模筑混凝土，也可以是喷射混凝土，也可以是砌块或拼装式结构。模筑衬砌和砌块、拼装结构等，在中间有防水板时，与喷射混凝土之间没有粘结性，没有切向摩阻力。4.2开挖分部喷锚支护的一个主要特点是初期支护作为永久衬砌的一部分，这是避免围岩在分部开挖时受二次扰动的重要优点。因此，应当尽量减少分部的数目。小导坑扩大，实际上不是安全的办法，全断面和正台阶是比较好的形式。非在不得已时，不应用侧壁导坑。侧壁导坑法较安全，但是分部多，工序繁杂，还要破坏掉侧壁导坑的内侧初期支护。在软弱围岩中，要及时封闭仰拱，形成完整、封闭的支护结构。许多隧道在软弱围岩中，施工时变形（位移）不止，及时做仰拱后，都能抑制变形发展。量测资料表明，变形不止的隧道段，主要是由于边墙和拱脚不断内挤。仰拱施作后，首先抑制拱脚的内挤。正台阶法施工时，上导坑不应拖的太长。4.3喷锚支护 4.3.1喷射混凝土喷射混凝土应在开挖后尽快施作。喷射混凝土的抗压强度一般R1d=5MPa,砂浆锚杆中的水泥砂浆R1d=5Mpa，因此，均在敷设后24小时才能起到较好的支护作用。根据量测资料，每一道工序在施工时，变形都会加大，即施工对（喷、锚、挖）它们是扰动、是荷载，只有强度足够时才能起支护作用。即使是较好的围岩，也应及时喷射混凝土，应记住桥跨效应在一倍洞径内起作用。目前喷射混凝土普遍回弹量大，平均达30%以上。其实，只要按规范要求，控制喷射距离在0.6～1.2m、垂直被喷面、控制风压、控制好水灰比，略作改进和培训，是可以将回弹控制在15～20%以内的。这里也有个报酬和管理问题。当然，在有钢筋网和格栅拱架时的喷射混凝土有一些特别的喷射方法，可以通过培训和让工人去探索。建议在可能条件下粗骨料用连续级配。在需要很快起支护作用时，可以采用早强水泥喷射混凝土。喷射混凝土还有两个值得注意的问题：一是喷射混凝土往往偏薄，这是因没有配备随时检测喷层厚度的仪器。二是在有钢拱架时往往钢拱架处喷层厚，两钢拱架之间薄，形成波浪型。在铺防水板后浇筑衬砌时，易将防水板挤破，或形成二层衬砌间的空区，衬砌完成后再打孔注浆充填，不仅费时费工，还可能钻破防水板造成漏水。4.3.2锚杆锚杆包括局部锚杆和系统锚杆，局部锚杆是为了锚拴住岩体中的不稳定结构体用，应由有经验的工人或地质工程师确定位置和方向。系统锚杆则在较软弱岩体中设定，经常要求按隧道径向和定间隔设置。全长粘结式锚杆在敷设中的最大问题，一是方向不对，主要是打锚杆孔的台架等工具不合适，或未设台架凑合施工，方向不合理的锚杆是不起作用的。二是注浆不饱满，注浆不饱满的锚杆不仅起不到支护作用，反而可能成为载荷。抗拔力并不能证明注浆饱满的程度，应当推广锚杆砂浆饱满度的检测技术。实际上，只要锚杆端部有1m左右长度注了浆，抗拔力就合格，但这根锚杆不仅不起作用，反而可能起坏作用。 锚杆应当及时敷设，随着岩体变形锚杆逐渐施加应力。敷设晚的锚杆已在岩体急剧变形阶段之后，作用明显减少。4.4钢拱架在外力方向与钢拱架断面平面一致时，它是一个钢性的支撑。但受力与平面不一致时它们则为柔性支撑。钢拱架与岩体是点接触，对岩体仅能起局部支撑作用，而且在受力时会因局部应力集中而发生扭曲。因此，钢拱架在与喷射混凝土结合时才能发挥好的作用。想单纯依靠钢拱架做支护并不是好的主意。不乏不喷混凝土单用钢拱架支护而发生拱架扭曲、垮坍的实例。使用型钢拱架时，喷射混凝土困难（钢拱架与围岩之间难以喷实，喷射混凝土打在钢拱架上回弹大），相比之下格栅拱架就好的多。格栅拱架的优点是，它的变形与混凝土匹配，它与喷射混凝土结合成的钢筋混凝土结构具有很大的刚度。可以适应先柔后刚的支护形式，也可以与一次喷射足够厚度的混凝土结合形成刚度大的初期支护。通常，格栅拱架不需太大的刚度。4.5超前锚杆及小导管注浆超前锚杆是在岩质隧道破碎岩体中应用的，它一端由钢质拱架支撑，成5o~10o插向斜前上方。另一端插入掌子面前方的岩体中被未开挖的岩体支撑。所以，其长度必需保证大于一个循环开挖进尺长度。它们除了可加固近隧道临空面的破碎岩体外，还可以支架其上方的岩体，在锚杆孔中注浆时，浆液可挤入岩体的裂隙中起固结作用。必要时可采用早强水泥砂浆。小导管注浆是对付松散层的，也可以在处理坍方时在坍体中开挖前进用，通过导管注浆将松散体固结。小导管一般间距30~40cm，不适用于岩质岩体，原因是岩质岩体通常不可能注入浆液，同时小导管间距过小，钻孔将岩体切断造成大量超挖。 第四讲中国中铁集团企业标准之客专隧道支护部分规范与说明10支护10.1一般规定10.1.1铁路客运专线隧道支护必须配合开挖及时施作，保证施工安全。及时支护是保证隧道开挖安全的重要手段。支护及时与否决定隧道施工安全的成败。因此应及时进行支护。10.1.2隧道支护应采用喷锚支护，根据围岩特点、断面大小和使用条件等选择喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等单一或组合的支护形式。喷锚支护包括的单独或组合形式主要有：锚杆支护、喷射混凝土支护、喷混凝土锚杆联合支护、喷混凝土钢筋网联合支护、喷混凝土与锚杆及钢筋网联合支护、喷射钢纤维混凝土支护、喷射钢纤维混凝土锚杆联合支护、以及上述类型加设钢架的联合支护。10.1.3当开挖工作面不能自稳时，应根据具体地质条件进行超前支护和预加固处理。在地层稳定性较差地段，常采用超前锚杆、小导管以及管棚等超前支护措施。在地层稳定性很差地段，应在工作面或和围岩一定范围进行超前预注浆加固处理。10.1.4锚喷支护施工中，应做好下列工作：1锚喷支护施工记录（附录B）；2喷射混凝土的强度、厚度、外观尺寸等项检查和试验报告（附录C）；3监控量测记录；4地质素描资料（附录D）。锚喷支护需要仔细施工才能达到设计要求，并且施作后成为隐蔽工程，因此需要在施工过程中对控制施工质量的参数和过程进行记录，同时必须进行地质素描，并对支护的主要力学行为进行监控量测并记录。10.2喷射混凝土10.2.1客运专线铁路隧道初期支护喷射混凝土应及时进行，初喷混凝土在开挖后及时进行，复喷就根据工作面的地质情况和一次爆破用药量分层、分时段进行。湿喷工艺重要特征是在混凝土搅拌工序加入水泥水化所需的全部水分。湿喷工艺能够按设计配合比严格控制水胶比，湿喷工艺将干喷混合料中的游离颗粒状水泥形态转变为湿喷混合料的水泥浆体形态，大幅度降低了粉尘浓度，保护工人健康；湿喷工艺能够对液体速凝剂进行准确计量。在隧道大面积淋水段经过监理批准可以采用干喷工艺。10.2.2喷射混凝土原材料应符合下列要求：1水泥：选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。水泥强度等级应不低于32.5MPa；2细骨料：采用坚硬耐久的中砂或粗砂，细度模数宜大于2.5，含水率宜控制在5%~7%，含泥量按重量计不应大于3%；3粗骨料：采用坚硬耐久的卵石或碎石，粒径不宜大于15mm；当喷射钢纤维混凝土时，粒径不宜大于10mm；骨料级配宜采用连续级配（表10.2）；当使用碱性速凝剂时，不得使用含有活性二氧化硅的石材，含泥量按重量计不应大于1%； 4骨料级配：宜控制在表10.2所给的范围内。表10.2喷射混凝土骨料通过各筛径的累计重量百分比（%）骨料粒径（mm）等级0.150.300.601.202.505.0010.0015.00优5～710～1517～2223～3134～4350～6078～82100良4～85～2213～3118～4126～5440～7062～901005速凝剂：在使用速凝剂前，应进行与水泥的相容性试验及水泥净浆凝结效果试验，初凝不应大于5min,终凝不应大于10min，碱性速凝剂掺量应不大于5%，无碱速凝剂掺量应不大于8%。液体速凝剂物理性状为：呈均匀状态，无团聚现象，可有少量沉淀，搅拌后应无沉淀，应无刺激性气味，环境温度在5°C以上能保持其工作性；速凝剂施工实际用量与实验室掺量有较大差异，其原因有三：首先实验室掺量试验条件为0.4水灰比的水泥净浆，其二为速凝剂凝结时间随水灰比增加而延长，其三为实际工作过程中难免有损耗，同时速凝剂中的固体沉淀物造成浪费。但这种差异应控制在50%以内。速凝剂掺量对喷射混凝土品质和成本有重要影响，掺量低将导致回弹增加和早期强度不够，掺量过高不但增加成本，还将导致后期强度降低并同时影响混凝土密实性，因此掺量应根据试验结果加以严格控制。液体速凝剂如沉淀物过多或黏度过大将严重影响其工艺性，应加以限制。6减水剂：使用减水剂前应进行相应的性能试验和使用效果试验；7外掺料：外掺料掺量应通过试验确定，加外掺料后的喷射混凝土性能必须满足设计要求。当掺用粉煤灰替代水泥时，宜采用Ⅰ级粉煤灰，当掺用粉煤灰改善混凝土和易性时，可以掺用Ⅱ级粉煤灰。宜采用表面积大于20000m2/kg的优质硅粉，硅粉所需用量按水泥重量计为3～15%。但在使用前必须确定它们对材料属性的影响，特别是早期强度；在喷射混凝土中使用粉煤灰和硅粉是一项环保型事业，减少水泥用量就是减少向大气排放CO2，同时粉煤灰和硅粉本是工业废弃物。硅粉不但提高喷射混凝土强度，同时使混凝土粘性增加，对降低回弹是十分有利的。8水：喷射混凝土用水不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质，不得使用污水、pH值小于4的酸性水、含有硫酸盐量按SO42-计算超过用水重量1%的水,不得使用海水。10.2.3喷射混凝土配合比与喷射混凝土工作度喷射混凝土配合比设计必须同时满足混凝土性能和喷射混凝土工作度（可喷性）要求，喷射混凝土配合比应通过试验确定，并应遵守下列原则：水胶比：根据喷射混凝土强度由试验确定，宜控制在0.4～0.5之间；用水量：根据混凝土坍落度要求确定（采用减水剂时可降低用水量）；胶凝用量：根据水胶比和用水量计算确定，但不宜小于400mg/m3；砂率：应为45～60%；和易性：喷射混凝土拌合物应无离析和泌水、粘聚性好；稀薄流喷射混凝土最适宜坍落度为8～13cm，稠密流喷射最适宜坍落度为10～16cm。喷射混凝土配合比与喷射混凝土工作度喷射混凝土工作度包含混凝土和易性和喷射工艺性（可喷性）两方面，目的是提高生产效率、降低回弹、保证品质，以控制适当流动性和增加粘稠性为主。良好的喷射工艺性应为：由料斗向料腔喂料效率高，在输料管道内不结团，输送阻力小，喷嘴不跌浆，喷射回弹率低，喷嘴处粉尘浓度低。喷射混凝土水泥用量变化范围较大（440～550kg/m3之间），远远高于普通混凝土结构的变化值。10.2.4喷射机应具有良好的密封性能，输料连续、均匀，附属机具的技术条件应能满足喷射作业需要。10.2.5喷射混凝土作业前，应做好以下工准备工作 1检查机具设备和风、水、电等管线路，并试运转，确保作业区内有良好的通风及照明；2清除松动岩块和墙脚岩碴、堆积物，并向料斗加水冲洗受喷面（当岩面受水容易潮解、泥化时，只能用高压风清扫）；应从顶部工作面往下清洁；3检查开挖断面净空尺寸；4设置控制喷射混凝土厚度的标志；5岩面如有渗漏水应予妥善处理。10.2.6喷射作业应遵守下列规定：1喷射作业应分段分片依次进行，喷射顺序自下而上；2一次喷射厚度可根据喷射部位和设计厚度确定，且拱部不得超过10cm，边墙不得超过15cm；3分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行。若终凝1h后再喷射，应先用风水清洗喷射表面；4喷射作业紧跟开挖作业面时，下一循环爆破应在喷射混凝土终凝3h以后进行；5喷射混凝土应强化工艺管理，降低喷射回弹率。10.2.7喷射混凝土养护应遵守下列规定：1混凝土喷射终凝2h后，应进行湿润养护，养护时间不得少于14d；2黄土或其它土质隧道，应控制养护用水，避免喷水过多软化下部土层；3隧道内环境气温低于5℃时，不得进行喷水养护。10.2.8喷射混凝土冬期施工应遵守下列规定：1喷射作业区的气温不应低于5℃，在结冰的岩面上，不得喷射混凝土；2混合料进入喷射机料斗前温度不应低于5℃；3对液体速凝剂进行加热处理，温度不应低于10℃（最佳20℃）；4喷射混凝土强度未达到6MPa前，不得受冻。10.2.9喷射混凝土的安全与防护应符合下列要求：1施工作业前应认真检查和处理支护作业区的危石，施工机具应布置在安全地带；2施工用作业台架应牢固可靠，并应设置安全栏杆；3应定期检查电源线路和设备的电器部件，确保用电安全；4施工中应经常检查输料管、接头的磨损情况，当有磨损、击穿或松脱等现象时应及时处理；5施工中检修机械或设备故障时，必须在断电、停风条件下进行，检修完毕向机械设备送电送风前必须事先通知有关人员；6当采用加大风压处理堵管事故时，应先关机将输料管顺直，紧按喷嘴，喷嘴前方不准站人，疏通管路的工作风压不得超过0.5MPa；7非施工人员不得进入正进行喷射的作业区，施工中喷嘴前严禁站人；8喷射作业区应有良好的通风措施，作业区的粉尘浓度不得大于2mg/m3。作业人员应带防尘口罩、防护帽、防护眼镜、防尘面具等防护用具，作业人员应避免直接接触碱性液体速凝剂，不慎接触后应立即用清水冲洗；9喷射混凝土作业完成后应及时对机具进行清洗。10.2.10初期支护表面应平整，无空鼓、裂缝、松酥，并用喷混凝土（或砂浆）对基面进行找平处理，平整度用2m靠尺检查，表面平整度允许偏差：侧壁5cm、拱部7cm。10.2.11喷射混凝土厚度检查宜采用断面仪检查。喷射混凝土的厚度应符合下列要求：1喷射混凝土平均厚度不应小于设计厚度； 2喷射混凝土厚度检查点数的80％及以上不小于设计厚度；3喷射混凝土最小厚度不小于设计厚度的2/3。10.2.12钢纤维喷射混凝土应满足下列规定：1钢纤维宜用普通碳素钢制成。2钢纤维断面直径（或等效直径）应为0.3～0.5mm。3钢纤维长度应为20～25mm，并不得大于输料软管以及喷嘴内径的0.7倍；长径比为40～60，长度偏差不应超过长度公称值的±5%。4钢纤维抗拉强度不得小于380MPa。5钢纤维喷射混凝土的钢纤维体积率宜为1.0～1.5％（体积比）。6钢纤维喷射混凝土使用的水泥强度等级不应低于42.5MPa。7钢纤维喷射混凝土粗骨料最大粒径不宜大于10mm和钢纤维长度的2/3。8拌制钢纤维喷射混凝土不得采用海水、海砂、严禁掺加氯盐。9钢纤维喷射混凝土的搅拌应采用强制式搅拌机。10钢纤维喷射混凝土搅拌时间不宜小于180s，宜采用将钢纤维、水泥、骨料先干拌后加水湿拌的方法，且干拌时间不得少于1.5min。10.3锚杆10.3.1锚杆施工应符合现行《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086）、《铁路隧道喷锚构筑法技术规范》（TB10108）的有关规定。10.3.2锚杆类型选择，应根据地质条件、使用要求及锚固特性，可选用中空注浆锚杆、树脂锚杆、自钻式锚杆、砂浆锚杆和摩擦型锚杆等。锚杆杆体半成品、成品的类型、规格、性能符合设计要求和国家有关现有技术标准的规定。锚杆选择时应根据地质情况确定锚杆的作用机理，然后再结合锚杆的使用要求和特性进行选择。选择原则是质量可靠、耐久性好、安装方便、经济合理。1自钻式锚杆特点：锚杆可任意切割或接长、将钻进灌浆和锚固有机地结合为一体、可避免塌孔、易保证砂浆灌注饱满；但杆体单价高。2砂浆锚杆的特点：施工简便、杆体单价低；需要围岩有成孔条件、灌浆工艺需严格控制。3中空注浆锚杆：灌浆质量易保证、施工简便；需要围岩有成孔条件。杆体单价介于自钻式锚杆和砂浆锚杆之间。10.3.3锚杆粘结剂的粘结强度、凝固时间、抗老化及抗侵蚀性能应满足设计要求，对环境无污染。水泥砂浆的强度等级不应低于M20。10.3.4锚杆孔应符合下列条件：1钻孔机具应根据锚杆类型、规格及围岩情况选择；2应按设计要求定出位置，孔位允许偏差为±150mm；3应保持直线，应宜与其所在部位的围岩主要结构面垂直；4深度及直径应与杆体相匹配；5有水地段应先引出孔内的水或在附近另行钻孔；6对成孔困难的地段，应采用自钻式锚杆。10.3.5锚杆安装应符合下列要求：1首先需要将锚杆孔中的水和碴清除；2杆体插入锚杆孔时，应保持位置居中，插入深度应满足设计要求；3砂浆锚杆孔内灌注砂浆应饱满密实； 4药包型锚杆、树脂锚杆应先检查药包和树脂卷质量，受潮或变质者不得使用。在杆体插入过程中应注意旋转，使粘结剂充分搅拌。5普通水泥砂浆锚杆的施工要求：1)砂浆配合比（质量比）：水泥:砂:水宜为1:(1~1.5):(0.45~0.5)，砂的粒径不宜大于3mm；2)砂浆应拌和均匀，随伴随用，一次拌和的砂浆应在初凝前用完；3)注浆作业应遵循下列规定：注浆开始或中途暂停超过30min时，应用水润滑注浆管路；注浆孔口压力不得大于0.4MPa；注浆管应插至距孔底5~10cm处，随水泥砂浆的灌入缓慢均匀地拔出，随即迅速将杆体插入，杆体插入长度不得短于设计长度的95%。若孔口无砂浆流出，应拔出杆体重新注浆。6水泥砂浆药包锚杆的施工要求：1）砂浆的初凝不得小于3min，终凝不得大于30min；2）药包浸泡时间必须符合产品说明要求，浸泡超过规定时间的不得使用；3）浸泡好的药包应及时送放到钻孔内，并逐一顶至孔底并挤紧；4）待药包安装完毕立即将杆体插入，随插随转动，杆体位于钻孔中部。7树脂锚杆的施工要求：用杆体将树脂卷送入孔底，用搅拌器搅拌树脂时缓缓推进杆体，搅拌时间一般为30s。搅拌完毕后将孔口处锚杆临时固定，15min后可安装垫板。为了保证施工安全并提高支护效果，开挖后应迅速喷射混凝土和安装锚杆。1锚杆孔内的积水和岩碴会影响粘结剂与孔壁的粘结力从而降低锚固能力，因此灌浆或送放水泥卷或树脂卷前应使用压风清孔。2锚杆安装的位置、方向、深度应符合设计要求。3灌浆是否密实是锚杆能否发挥锚固作用重要因素，因此在灌浆过程中应密切观察灌浆压力、灌浆量、漏浆情况等。砂浆锚杆注浆的饱满程度是确保锚杆安装质量的关键，孔内砂浆不饱满密实，影响锚固效果。4水泥药包和树脂药包受潮后对锚固质量影响很大，过期或变质药包都不得使用。水泥药包和树脂药包在安装时都需要搅拌以便化学反应能够充分进行，形成均匀的胶结体才能确保获得预期的锚固效果，因此，安装杆体过程中应注意搅拌。5水泥砂浆的水胶比应严格控制，要使砂浆的灌注性好，同时灌入的浆体不易从锚杆孔中漏出。灌浆管的拔出速度与灌浆速度要匹配，需要细心掌握。6水泥药包的浸泡时间是控制水胶比的重要手段，必须严格控制，否则会影响锚固效果。在将水泥药包到锚杆孔时，应用木棍逐一慢慢送到孔底，避免药包被卡在孔内其它部位，同时要避免拱部锚杆孔内的药包掉出，故药包送到底后应适当挤压。7树脂卷锚杆安装时必须对树脂卷进行搅拌，但搅拌时间不得超过产品国标要求。树脂凝固前需要在孔口将锚杆杆体固定在钻孔中心，便于杆体受力状态良好。10.3.6锚杆必须安装垫板，垫板应与喷射混凝土面密贴。垫板安装应在锚杆已经具有抗拔力情况下进行。锚杆不加垫板是目前普遍存在的问题，甚至已经被误认为是正确的做法，事实上它是造成坍方的重要原因之一。本条强调锚杆垫板的作用，以引起足够的重视。垫板一般用厚度6～10mm的钢板或铸铁制成，规格为150×150mm或200×200mm。不平整的岩面可用斜形垫板和球形垫板。锚杆垫板应在砂浆凝固后进行。10.3.7锚杆安设后不得随意敲击，其端部在填充砂浆终凝前不得悬挂重物。10.4钢筋网 10.4.1钢筋网材料宜采用Q235钢，钢筋材质、规格、性能满足设计要求。钢筋直径宜为6~12mm，网格边长尺寸宜采用150~300mm，搭接长度应为1~2个网格边长。10.4.2铺设钢筋网应符合下列要求：1钢筋网宜在初喷混凝土后铺挂，使其与喷射混凝土形成一体；2砂土层地段应先铺挂钢筋网，沿环向压紧后再喷混凝土；3采用双层钢筋网时，第二层钢筋网应在第一层钢筋网被混凝土覆盖后铺设，其覆盖厚度不应小于3cm；4钢筋网应与锚杆或其它固定装置连接牢固；5喷射混凝土时，应调整喷头与受喷面的距离、喷射角度，钢筋保护层厚度不得小于2cm；6喷射中如有脱落的石块或混凝土块被钢筋网卡住时，应及时清除。1开挖后先喷一层混凝土后再挂网。既可以保证作业安全又可使岩面平整，便于使钢筋网与围岩表面保持适宜的间隙。当围岩表面比较平整时，也可先挂钢筋网再喷射混凝土。3采用双层钢筋网时，第一层钢筋网被混凝土覆盖后，再铺设第二层钢筋网，有利于减少喷射中的回弹，增加混凝土的密实性。4锚杆尾部作为钢筋网的支点时，钢筋网应与锚杆端头焊接牢固。喷射混凝土时，喷射料应力求避开锚杆和钢筋，以防增加回弹量。5在开始向钢筋网喷射混凝土时，应适当减少喷头至受喷面的距离，这样可提高喷射料流的冲击力，迫使混凝土挤入钢筋背后，以保证钢筋能被混凝土完全包裹及喷层的密实性。10.5钢架10.5.1钢架应在开挖或喷射混凝土后及时架设。钢架在开挖后立即架设能起到立即支护的作用，且有较大的承载能力，可以在喷射混凝土施作前和施作后早期强度形成以前及单独使用时单独承载。10.5.2钢架宜选用钢筋、型钢、钢轨等制成，钢架用钢材的规格、型号、材质满足设计要求和国家有关现有技术标准的规定。钢架不宜在受力较大的拱顶及其它受力较大的部位分节。格栅钢架的主筋直径不宜小于18mm，且焊接应符合设计要求。用钢筋焊成的格栅钢架与型钢钢架相比，有受力好、质量轻、刚度可调节、省钢材、易制造、易安装等有点。型钢架的刚度和强度大，在软弱破碎围岩中施工或处理坍方时使用较多，但与混凝土粘结不好，与围岩间的空隙难于用喷混凝土紧密充填，导致钢架附近喷混凝土出现裂缝。为提高钢架支护能力，应避免在钢架受力较大处分节。10.5.3钢架安装应符合下列条件：1安装前应清除底脚的虚碴及杂物;2安装允许偏差：横向和高程为：±5cm，垂直度为±2°；3各节钢架间应以螺栓连接，连接板应密切；4沿钢架外缘每隔2m应用钢楔或混凝土预制块楔紧。10.5.4钢架应与喷混凝土形成一体，钢架与围岩间的间隙必须用喷混凝土充填密实；钢架应全部被喷射混凝土覆盖，保护层厚度不得小于40mm。10.5.4钢架之间宜用直径为φ22mm的钢筋采用焊接方式连接，环向间距不应大于2m。为确保钢架的支护效果，钢架和喷混凝土应形成一体尤其是格栅钢架本身刚度不大，如若不被喷射混凝土包裹，则起不到应有的作用。为此钢架背后不能有空隙，要仔细地喷射。钢架与钢架之间的沿隧道纵向采用钢筋焊接方式连接，是为了提高钢架整体稳定性，在坍方地段或大变型地段应更加重视纵向连接。 第五讲监控量测与支护中国中铁集团企业标准之客专隧道监控量没规范与说明1.1一般规定1.1.1监控量测工作必须紧接开挖、支护作业，应按设计要求进行布点和监测，并根据现场施工情况及时调整量测项目和内容。量测数据应及时分析处理，并将结果反馈到施工过程中。隧道施工过程中，使用专用的仪器和工具对围岩和支护结构的受力、变形以及它们之间的关系进行观测，并对其稳定性、安全性进行评价，统称为监控量测。与一般地面工程相比，隧道及地下工程所处的环境比较复杂，不确定性因素较多。工程实践表明：隧道设计单独地使用力学计算或经验类比方法都不能取得良好的效果，为了使经验方法科学化和力学计算有实际背景，监控量测作用特别重要。把隧道开挖过程中围岩和支护结构受力、变形状况监测结果作为判断围岩稳定性和支护结构承载能力、安全性的依据具有直观、准确、及时、有效的特点，把监控量测所获得的信息加以必要的数学处理、与理论、经验方法相结合，与预先制订的基准值进行比较，可以分析和判断设计方案、参数和施工方法、工艺的合理程度，从而为变更设计方案、调整设计参数、优化施工工艺及施工决策提供依据。1.1.2监控量测应作为施工组织设计一个重要组成部分，应纳入施工工序，并贯穿施工的全过程，为施工管理及时提供以下信息：1围岩稳定性、支护结构承载能力和安全信息；2二次衬砌合理的施作时间；3为施工中调整围岩级别、完善设计方案及参数、优化施工方案及施工工艺提供依据监控量测的主要目的是了解围岩稳定性、支护结构承载能力和安全性信息，确定初期支护补强及二次衬砌合理的施作时间，为在施工中调整围岩级别、变更设计方案及参数、优化施工方案及施工工艺提供依据，直接为设计和施工管理服务，因此应作为施工组织设计的一个重要组成部分，纳入施工工序，作为施工中的日常性工作。1.1.3开工前应根据隧道规模、地形、地质条件、施工方法、支护类型和参数、工期安排以及所确定的量测目的等编制量测计划。编制内容应包括：量测项目、量测仪器选择、测点布置、量测频率、数据处理、反馈方法及组织机构、管理体系等。同时应考虑量测方法的经济性，与施工的进程相适应。为了对监控量测进行有效的控制，隧道开工之前应根据环境条件、地质条件、设计要求、施工方法及施工进度安排等编制量测计划，确定量测项目、仪器、测点布置，量测频率、数据处理、反馈方法及组织机构、管理体系，使监控量测既满足设计和施工要求，又经济合理，技术可行。1.1.4现场量测仪器，应根据量测项目及测试精度来选用。一般应尽量选择简单适用、稳定可靠，操作方便，量程合理，便于进行结果处理和分析的测试仪器。量测仪器应按计量器具有关要求进行检定。目前，对同一物理量测试手段和方法较多，仪器价格、测试方法和费用相差较大，在实际操作中，一定应根据监测的目的、内容及精度要求，选择简单适用、稳定可靠、操作方便、量程合理的测试仪器。1.1.5现场应成立专门监控量测小组，负责测点埋设、日常监测、数据处理和仪器维修保养工作，并及时将量测信息反馈于设计和施工。本条明确了现场应设专门的机构和人员负责埋点、测试数据处理、信息反馈及仪器维修、保养工作，从而及时、准确地提供监测信息，为设计和施工管理服务。 1.2量测内容与方法1.2.1隧道监控量测的项目应根据工程特点、规模大小和设计要求综合选定。量测项目可分为必测项目和选测项目两大类（见表1.2.1—1和表1.2.1—2）。在采用钻爆法施工时，深埋隧道Ⅲ～Ⅵ级围岩及浅埋隧道必须进行必测项目；选测项目应根据工程规模、地质条件、隧道埋深、开挖方法及其他特殊要求，有选择地进行。围岩和支护结构变形是围岩稳定性和支护结构承载能力和安全性的最直观反映，围岩的坍塌和支护系统的破坏都是变形发展的一定程度的必然结果。位移量测具有量测结果直观、测试原理简单、测试精度较高、抗外界干扰性强、测试费用较低等优点。因此，选用测试项目时应将位移量测作为首选量测项目。必测项目为日常施工管理中所必须进行的量测项目，主要为位移测试项目。净空收敛量测一般只进行水平收敛基线的量测，拱顶下沉可根据量测断面大小及开挖方法，布置1～3个测点。地表下沉量测可以反映隧道开挖对地表土体的影响，在浅埋地段应将地表下沉量测也作为必测项目。重要工程或特殊地质和环境条件下，为了更全面地掌握围岩、支护结构受力状态及变形规律可根据需要选择一项或几项选测项目作为必测项目的补充，使于测试资料的相互验证，一般情况下，各选测项目应同必测项目布置在同一断面上。测试精度主要通过对监测仪器、测试方法、围岩及支护结构工作状态判定及测试成本的综合分析确定的。净空变化、拱顶下沉是判断围岩稳定性、支护结构承载能力、安全性最直接和有效的信息，因此，其精度要求较高。表1.2.1—1监控量测必测项目序号监测项目测试方法和仪器测试精度备注1洞内、外观察人工观察、地质罗盘2净空变化收敛计0.1mm一般进行水平收敛量测全站仪1mm一般进行三维多点量测3拱顶下沉水准测量，水准仪、钢尺0.1mm4沉降缝两侧底板不均匀沉降水准测量、水准仪、铟钢尺0.5mm沉降缝两侧底板（或仰拱填充层面）沉降5洞口段与路基过渡段不均匀沉降观测水准测量、水准仪、铟钢尺0.5mm洞口底板（或仰拱填充层面）与洞口过渡段的沉降6地表下沉水准测量，水准仪、塔尺0.5mm浅埋隧道必测（H0≤2B）注：H0为隧道埋深B为隧道开挖宽度。表1.2.1—2监控量测选测项目序号监测项目测试方法和仪器测试精度备注1地表下沉水准测量、水准仪、塔尺0.5mmH0＞2B时2隧底隆起水准测量、水准仪、铟钢尺0.5mm3渗水压力渗压计频率接收仪0.01MPa4围岩内部位移多点位移计频率接收仪0.1mm5围岩压力压力盒频率接收仪0.01MPa6二次衬砌接触应力压力盒频率接收仪0.01MPa7钢筋受力钢筋计频率接收仪0.01MPa8喷射混凝土受力混凝土应变计频率接收仪9锚杆杆体应力钢筋计频率接收仪0.01MPa10二次衬砌内应力混凝土应变计频率接收仪11爆破振动观测爆破振动记录仪振动器临近建筑物12围岩弹性波速度弹性波测试仪 注：1、H0——隧道埋深；B——隧道最大开挖宽度。1.2.2隧道施工过程中应进行洞内、外观察，洞内观察可分开挖工作面观察和已支护地段观察两部分。1开挖工作面观察应在每次开挖后进行。及时绘制开挖工作面地质素描图、填写开挖工作面地质状态记录表和施工阶段围岩级别判定卡（附录G）。对已支护地段的观察每天至少应进行一次，主要观察围岩、喷射混凝土、锚杆和钢架等的工作状态。观察中发现围岩条件恶化时，应立即采取相应处理措施；2洞外观察重点应在洞口段、岩溶发育区段地表和洞身埋置深度较浅地段，其观察内容应包括地表开裂、地表沉陷、边坡及仰坡稳定状态、地表水渗透情况地表植被变化等。洞内、外状态观察对掌握围岩动态和支护结构工作状况非常重要，特别是在不良地质条件下更是确保施工安全和工程质量的必不可少的措施。洞内、外观察和量测结果一起分析，对于优化设计方案、调整施工参数及科学地进行施工组织和管理十分重要。1.2.3净空变化、拱顶下沉和地表下沉等必测项目应尽量设置在同一断面，其量测断面间距及测点数量应根据隧道埋深、围岩级别、隧道断面大小、开挖方法、支护形式等确定，应符合表1.2.3的规定。各选测项目量测断面的数量，宜根据设计要求进行布置，或在每级围岩内选有代表性的断面1~2个，断面上的测试元器件、类型、位置及个数根据需要确定。量测断面间距和每个断面上的测点、类型、位置、个数应根据隧道埋深、围岩级别、隧道断面大小、开挖方法、支护类型等确定。围岩差的地段，量测断面应布置多些，围岩好的量测断面应相对布置少一些，在不良地质体中，应考虑布置一定数量的选测项目断面。地表下沉量测布置的测点数应适当多一些，应能测到完整的纵、横向沉降曲线，从而分析隧道施工的纵、横向影响范围和程度。此外，量测数据应能够互相验证表1.2.3必测项目量测断面间距和每断面测点数量围岩级别断面间距（m）每断面测点数量净空变化拱顶下沉Ⅴ~Ⅵ5~101~2条基线1~3点Ⅳ10~301~2条基线1点Ⅲ30~501条基线1点注：洞口及浅埋地段断面间距取小值。1.2.4必测项目，各测点应距开挖面2m的范围内尽快安设，并应在每次开挖后12h内取得初读数，且在下一循环开挖前必须完成。选测项目测点埋设时间根据实际需要进行。测点应牢固可靠、易于识别，并注意保护。拱顶下沉和地表下沉量测基点应与洞内或洞外水准基点联测，每15～20d应校核一次。必测项目各测点应尽早进行埋设，以便能够测到围岩的初期变形，选测项目测点埋设时，应根据现场实际需要确定。同时应注意，拱顶下沉和地表下沉量测基点应与洞内或洞外水准基点建立联系，每15～20d校核一次，以保证测试数据的准确性。1.2.5隧道浅埋地段地表下沉测点宜与洞内净空变化和拱顶下沉测点布置在同一横断面内，并应符合下列要求：1地表下沉监测范围横向应延伸至隧道中线两侧（1～2）（B/2+H+H0），纵向应在掌子面前后（1～2）（H+H0）（B为隧道开挖宽度，H为隧道开挖高度，H0为隧道埋深）。测点间距宜为2～5m，并应根据地质条件和环境条件进行调整；2地表下沉监测应在隧道开挖时开始，二次衬砌全部施作完毕，且下沉基本停止时为止；3地表下沉量测频率应与拱顶下沉和净空变化的量测频率相同。1.2.6 隧道衬砌沉降缝两侧底板不均匀沉降观测、洞口段与洞口过渡段不均匀沉降观测应尽早开展，并根据沉降速率变化选择监测频率，一般情况下应7～15d进行一次。洞内沉降缝每侧宜布设4个以上观测点；洞口布点视过渡段的情况而定，应根据洞口沉降监测结果确定道床施作时间。1.2.7当隧道施工可能影响到地表建筑物安全时，应进行地表及建筑物沉降及倾斜观测。应结合工程影响实际情况和业主设计相关要求确定安全合理的控制标准。当隧道施工可能影响到地表建筑物安全时，应在隧道施工前和隧道施工结束后，对建筑物的沉降和倾斜等情况进行观测，并对建筑物工作状况进行调查，做好记录和签认1.2.8当隧道下穿时速不大于160km/h的既有线时，应加强对即有线轨面及轨距监测。1.2.9量测项目量测频率应根据位移速度和量测断面距开挖面距离确定，应按表1.2.9—1和表1.2.9—2确定。当按表1.2.9—1和表1.2.9—2选择量测频率出现较大差异时，应按量测频率较高的作为实施的量测频率。量测频率应根据位移速率和距开挖面距离两个因素决定，在选择时测频率时，如二者之间有差异，为保证施工安全，应取量测频率较高的作为实施的量测频率。表1.2.9—1量测频率（按位移速度）位移速度（mm/d）量测频率≥52～3次/d1~51次/d0.5~11次/2~3d0.2~0.51次/3d＜0.21次/3d～7d表1.2.9—2量测频率（按距开挖面距离）量测断面距开挖面距离（m）量测频率（0~1）B2次/d（1~2）B1次/d（2~5）B1次/2~3d＞5B1次/3d～7d注：B——隧道最大开挖宽度。1.2.10各项量测作业均应持续到变形基本稳定后15~20d结束。对于膨胀性和挤压性围岩，位移没有减小趋势时，应延长量测时间。为掌握围岩稳定时间的长短，防止二次衬砌施作过程中出现异常情况，量测作业应持续到变形基本稳定后15～20d方可结束，对于膨胀性和挤压性围岩，其受力状况比较复杂，因此其位移长期没有减小趋势时，应延长量测时间。1.3量测数据整理与反馈1.3.1量测数据整理、分析与反馈应符合下列要求：1每次量测后应及时进行数据整理和数据分析，并绘制量测数据时态曲线和距开挖面关系图；地表下沉值应绘制测值沿隧道纵向和横向的变化量和变化速率曲线；2对初期的时态曲线应进行回归分析，预测可能出现的最大值和变化速度；3数据异常时，应及时分析原因，及时制订对策。现场量测所取得的原始数据，可能会有一定的离散性，其中包含着测量误差甚至测试错误。不经过数学处理的量测数据难以直接利用。数学处理的目的是：1将同一量测断面的各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确定量测数据的可靠性，去掉测试错误的数据。2通过数学处理和分析探求围岩和支护系统受力、变形的规律，从而判定围岩的稳定性和支护结构的承载能力和安全性。 回归分析是目前时测数据数学处理的主要方法，通过量测数据回归分析可以预测最终位移值和位移速率。目前常采用以下函数作为回归函数：对数函数指数函数其它函数式中：U——某一时刻变形值（mm）；A、B——回归系数；t——量测时间；t0——测点初读数距开挖时的时间（d）；3在监测过程中，发现数据异常时，应分析原因，制订对策。1.3.2应根据量测数据处理结果，调整和优化施工方案和工艺，有必要时，应及时向相关单位提出变更设计建议。量测数据及回归分析结果为施工决策提供了依据，在施工过程中，应根据量测数据处理结果，调整和优化施工方案及工艺，如有必要，应及时向有关单位提出变更设计建议。1.4量测管理基准1.4.1围岩稳定性的综合判别，应根据量测结果按下列指标进行：1根据最大位移判断实测最大位移值不应大于隧道的极限位移，并按表1.4.1位移管理等级进行施工。为了确保围岩和初期支护变形不侵入二次衬砌空间，一般情况下，宜将隧道的设计预留变形量作为极限位移进行控制，设计预留变形量应根据监测结果不断修正。表1.4.1变形管理等级管理等级管理位移（mm）施工状态ⅢU＜U0/3可正常施工ⅡU0/3≤U≤2U0/3应加强支护ⅠU＞(2U0/3)应采取特殊措施注：U——实测位移值；U0——隧道的极限位移。2根据位移变化速率判断：净空变化速率持续大于1.0mm/d时，围岩处于急剧变形状态，应加强初期支护系统；净空变化速率持续在0.2～1.0mm/d时，应加强观察，做好加固围岩的准备；当净空变化速率小于0.2mm/d时，围岩达到基本稳定。在高地应力、岩溶地层和挤压性围岩等不良地质中，应根据具体情况制订判断标准，防止结构突然失稳或破坏。3根据位移速率变化趋势来判断：当围岩位移速率不断下降时，围岩趋于稳定状态； 当围岩位移速率保持不变时，围岩不稳定，应加强支护；当围岩位移速率不断上升时，围岩进入危险状态，必须立即停止掘进，采取措施。4根据初期支护所受的应力、应变、压力来判别：初期支护承受的应力、应变、压力实测值与允许值之比≥0.8时，围岩不稳定，应加强支护；初期支护承受的应力、应变、压力实测值与允许值之比小于0.8时，围岩处于稳定状态。围岩稳定性判断的方法很多，主要有理论分析法、数值计算和经验类比方法等。采用监控量测的结果进行判断是直观和有效的方法，在施工中给予高度重视。1根据最大位移值来判断在隧道开挖过程中，如果隧道的实测最大位移超过极限位移，隧道很可能发生失稳破坏。事实上，由于隧道及地下工程地质条件、环境条件、开挖方式、支护形式复杂多变，极限位移的精确确定是十分困难的，因此采用实测最大位移和极限位移比较就难以操作。一般情况下，设计图纸或有关规范给出了隧道初期支护的预留变形量，为了确保围岩和初期支护不侵入二次衬砌空间，并保证二次衬砌以后，隧道建筑限界准确，可将隧道的设计预留变形量作为极限位移进行控制。同时，设计预留变形量应根据前期的监测成果，在施工过程中不断修正。表11.4.1变形等级管理表中以2/3极限位移作为施工管理控制标准的上限，是从预留补强空间，确保施工安全角度考虑的。2根据位移变化速率判断通过国内下坑、金家岩、大瑶山、军都山、云台山、五指山、圆梁山等几十座隧道的位移观测表明：变形速率是由大变小的递减过程，变形时程曲线可分为三个阶段：（1）变形急剧增长阶段：变形速率大于1.0mm/d时；（2）变形缓慢增长阶段：变形速率1～0.2mm/d时；（3）基本稳定阶段：变形速率小于0.2mm/d时。上述变形速率标准是针对一般隧道净空变形和拱顶下沉量测，对于高地应力、岩溶、膨胀性、挤压性围岩等，应根据具体情况制订专门标准进行判定。3根据位移速率变化趋势来判断由于岩体的流变特性，岩体破坏前变形时程曲线可分为三个阶段：（1）基本稳定区：主要标志为位移速率逐渐下降，即：＜0，围岩处于稳定状态。（2）过渡区：位移速率保持不变，即＝0，表明围岩向不稳定状态发展，需发出警告，加强支护系统。（3）破坏区：位移速率逐渐增大，即＞0，表明围岩进入危险状态，必须立即停止施工，采取有效手段，控制其变形。1.4.2施工中应建立监测资料档案：1现场监控量测计划；2现场监控量测说明；3测点（实际）布置图；4监测原始记录及汇总表，量测数据分析、处理方法、结果及信息反馈情况。监控量测资料是从一个侧面反映了施工实际情况，是竣工文件中不可缺少的部分，因此监控量测计划、说明、布置图、原始记录、汇总表、数据分析、处理方法和结果及信息反馈情况，均应纳入竣工文件。 附录：乌鞘岭隧道9#斜井及正洞监控量测数据分析及其对支护施工的指导一、监控量测项目在9#斜井及正洞的施工中将监控量测作为施工管理的一个有效的手段，预报破坏和变形等未来的动态，综合判断结构的稳定性及可靠性，确保了安全、工期和科学的指导施工。9#斜井井身及井下正洞范围位于乌鞘岭隧道F7、F6之间，为志留系的板岩夹千枚岩地段围岩软弱，其中板岩属中厚层，板状结构，千枚岩为绢云母千枚岩，板岩与千枚岩呈互层状；二者受构造影响严重，揉皱强烈，产状多变，节理很发育，岩层破碎，且有囊状、窝状地下水，板岩为主时易出现坍塌、掉块和局部涌水，千枚岩为主时，围岩松散，施工除有剥落、掉块现象外，并伴有较大变形和坍塌。该段隧道埋深约1000m左右，地应力条件十分复杂，属高地应力地区。施工前期施工工艺、工序、地质、监测等综合情况确定了以A类量测的控制方式对围岩变形监测进行安全预报、指导施工，由于变形大，规律性差，在施工进入正洞后，受断面、地质、水文、开口、横通道开挖、避车避人洞室、支护结构形式等综合影响，变形进一步加大，对净空要求极高的情况下，只进行变形监测已不能满足施工要求，必须对围岩应力和钢拱架支护应力进行测试，以获得更为准确的围岩内部应力的变化情况，以此来保证满足足够的支护效果，确保把变形控制在一定范围，预留变形量更加经济合理，后期净空侵限处理减少等，因此在进入正洞施工后增加了以测试初期支护与围岩间的接触压力以及初期支护的钢拱架内力进行测试以验证结构稳定和安全的B类量测项目，作为辅助项目的监控量测工作（只在正洞施工的前期全面控制围岩大变形的综合试验阶段中进行）。二监测仪器及设置1、A类监控量测：1）、水平收敛监测采用坑道周边数显收敛仪，该仪器操作简单，使用和携带方便，精度高，快速施工要下对施工干扰较小；2）、拱顶下沉监测采用精密水准仪、钢尺、塔尺，采用精密水准仪进行拱顶下沉监测，精度高，同时可以使用测得的数据和隧道施工高程测量数据结合起来进行分析和相互验证。2、B类监控量测：1）、围岩压力选用大量程的钢弦式压力盒和VW-1型频率接收仪；2）、钢拱架内力的监测采用应变片或光纤传感器。3、基础工作1）、A类监控量测：①测点的设置、间距、数量见附表1。②测点设置横断面图见附图1。 量测间距、测点数量表围岩级别断面间距(m)每断面测点数量水平收敛量测拱顶下沉量测Ⅴ、Ⅵ5～102条基线1点Ⅳ20～301条基线1点附表1：量测间距、测点数量表③测点埋设时间和读数初期支护地段设点必须及时，净空收敛、拱顶下沉量测要在初喷混凝土后或在每次开挖后12小时内取得初读数，且在下一循环开挖前必须完成。衬砌地段要在衬砌脱模后24小时内进行设点，并进行初始读数。当天监测数据当天完成整理，并填入该点连续观察时间-收敛曲线图中。监测现场必须进行完成初期计算，发现收敛异常立即上报，以便立即采取安全应急措施。每周在每日日报分析的基础上全面分析一次，及时调整工序或工艺，指导施工；每月利用某些测点已经完善的数据进行回归分析，及时调整预留变形量，预测后续工作安全预防重点，修正支护结构，同时对已施工地段进行安全评价，确保施工结构和施工作业全程安全可控。2）、B类监控量测：①测点的设置、间距、数量钢支撑轴力测点布置见附图2。 附图2：钢支撑轴力测点布置图②围岩压力监测测点布置见附图3。附图3：围岩压力监测测点布置图③测点埋设时间及读数设置7组，前期每天观察一次，5日后每2天观察一次；每组数据收集完成后立即进行分析，受工序控制，每组的各点设置时间不同，因此每组的初始观察时间也不同，但必须在该点设置后12小时内进行观察记录。根据不同支护结构状态下的应力变化结合初期支护的收敛变化，及时修正结构参数，确定出科学合理的结构形式和有效强度，以满足快速施工要求和安全。 三、前期施工及变形情况1、斜井井身前期施工及变形情况斜井井身板岩与千枚岩相互交错，变化快，揉皱强烈，节理很发育，岩层破碎，囊状、窝状水现象较多，掉块多，变形较大和坍塌，Ⅴ级围岩占82%。斜井井身净空断面为5.5×4.8m，直墙，二次衬砌采用间隔式捆腰法，台阶法施工，每300～350m设置回车道，回车道中部设置调头洞室，同时调头洞室要满足车辆调头、安放变压设备或排水泵站或大型施工机具或安全应急材料等。开工初期设计支护钢拱架为Ⅰ12.5，围岩软弱，在工期的压力下，初支喷混凝土还未达到有效强度，就进行下一循环放炮，二次影响扰动大，初支阶段累计变形较大，开裂情况较多。单点最大累计收敛为486.53mm；平均最终累积收敛达242.56mm。会车道及洞室位置变形更大，单点最大累计收敛为608.98mm；平均最终累积收敛达453.25mm。在变形大变形速率快的情况下，但变形规律并不明显，由于变形的处理、加固和多次小型跨塌的影响，施工进度缓慢，工滞后，人力物力投入大，窝工多。施工前5个月月平均月进度仅为131m。2、正洞前期施工及变形情况进入正洞施工，在围岩软弱和受力复杂的井底车场等综合因素的影响下，多次出现大变形，主要表现为支护内移，最大内移1.2m左右，千枚岩为主的地段收敛变形达500～700mm，局部地段变形速率达50～80mm/d；在板岩为主的地段收敛变形达300mm。板岩、千枚岩互层地段，拱架严重扭曲，边墙及拱部侵限，变形严重。进入正洞的前5个观测点平均12天内平均收敛214.288mm，平均累计收敛956.34mm。从变形曲线看，在上断面开挖到初期支护、开挖下断面和开挖仰拱三个时间段，为三个高值点，变形的速率较大，下半断面开挖时达到峰值点，下半断面开挖前的平均变形速率大于开挖后的平均速率，也大于仰拱开挖后的平均速率，呈递减趋势，仰拱开挖填充后变形速率急剧降低。围岩和水文对变形值的影响，千枚岩含量越高变形越大；同时变形与千枚岩地段的含水量有极大的关系，水量越大，变形越大；但在千枚岩含量有较大变化的次生断裂或分支断裂带地段，变形与千枚岩含量无关，变形与千枚岩含量较高地段同样大，甚至更高，该地段对变形的影响范围在15～20m。各施工工序对变形收敛值的影响情况为，开挖到拱架架立，一般变形在50～100mm；下半断面开挖当日变形达到峰值。仰拱开挖后变形速率急剧降低。下断面开挖前一般在40～60mm/d；下断面开挖时50～100mm/d；下断面开挖后至仰拱开挖前30～50mm/d；仰拱开挖时30～60mm/d；仰拱开挖后由20～30mm/d逐步递减到两周后至10mm/d，20天后一般情况可在5mm/d以下。施工方法采用正短台阶法，初期支护参数如下：地质初期支护钢架单侧预留变形量mm质情二次衬砌湿喷混凝土mm锚杆（管）钢筋网长度m间距m位置千枚岩为主、板岩千枚岩互层25φ32mm锚管4.5m1.0拱、墙I201榀/0.8m12550cm钢砼 围岩属于Ⅴ级，软弱，坍塌次数频繁，而衬侵限情况较多，变形无明显规律，变形预留量不易确定，掌子面不稳定，初期支护喷射混凝土量大，喷射时间长，大变形的引起了已施工段的22.8%需要拆换，二次补喷混凝土工作也较大，二衬部分地段也出现了开列现象，由于进度推进缓慢，井底车场正洞段底板封闭有所延后，拆换安全隐患多，使正洞施工进度严重滞后，前两个月月平均进度只为42.32m。四、监测数据分析指导施工情况1、斜井井身段1）、斜井为临时辅助坑道，满足结构安全和运输通行要求即可，净空要求不高，因此把施工监测重点放在安全预警上，以保证结构安全和施工安全为基础，指导施工，达到加快施工进度，确保工期为目的。2）、每日监测数据的处理分析以斜井量测点196～214点的水平收敛为例，详细的记录当日收敛的收敛值和速率。点号里程距掌子面(m)初设时间累计时间（d）收敛值(mm)累计收敛(mm)时间间隔(d)收敛速率(mm/d)评定备注196斜06+22201　23.50.94174.833.00.31　198斜06+02181　23.51.67168.653.00.56　199斜05+92171　21.01.33235.391.01.33　210斜04+8261　6.09.63145.251.09.63四级212斜04+6241　3.011.0580.471.011.05二级213斜04+5231　2.012.6644.151.012.66二级214斜04+4221　1.022.7822.781.022.78一级同时根据监测日报表绘制时间收敛散点图（见附图4：时间-位移曲线散点图），根据散点图的上升、下降进行比对，即收敛加速度的正负决定该点施工段的隧道初支结构是否安全，对掌子面距离影响范围，以把握是否需要进行处理，并与掌子面的地质、水文等情况综合分析，以预测和指导下一步开挖、初支等施工作业，确保施工安全和施工进度。 附图4：时间-位移曲线散点图根据日收敛值及变形速率的变化进行预测预报，共分为四个警报等级，“一级”为速率≥15mm/d，必须立即加强支护；“二级”为10mm/d≤速率＜15mm/d，急需加强支护；“三级”为5mm/d≤速率＜10mm/d，必要加强支护；“四级”为2mm/d≤速率＜5mm/d，加强观察。该控制标准只适用与斜井井身正常施工段中，特殊情况下，如会车道、调头和变压洞室等受力复杂，断面加大的地段允许变形量和速率有一定的放大，一般在正常基础上放大15%进行控制。斜井井身段共设置收敛观测点共计231组，其中156组数据观察日期达到55天，最高为126天，全平均观察日为43天。通过施工监测预报，有效的预防了可能发生的多起垮塌安全事故，由于斜井井身为辅助坑道，处置坍塌、变形、拆换事项不列入设计，总体符合保证净空、安全、运输要求即可，施工单位自行处置。但是为了确保安全满足和作为运输通道的有效净空，提高施工速度，根据监测数据综合分析，施工中根据施工部位和变形大小的不同而采取了不同的支护方式，斜井井身正常断面施工段，开工之初设计初期支护钢拱架为Ⅰ12.5，单点最大累计收敛为486.53mm；平均最终累积收敛达242.56mm，在小断面辅助坑道中已经影响到快速施工的安全和施工进度，立即将Ⅰ12.5改为Ⅰ16，收敛速率明显有所减少，累积收敛也相应的减少了20%，根据改后综合监测得到，单点最大累计收敛为358.01mm；平均最终累积收敛达208.51mm；而会车道及调头洞和变压洞室段，采用Ⅰ16后的变形仍然较大，变形速率加速，持续时间较长，初期支护开列严重，会车道及洞室位置变形更大，单点最大累计收敛为608.98mm，因此根据实际情况，将Ⅰ16改为Ⅰ18，效果明显，对开列的拟制起到了良好的作用，同时也有效的预防了由于洞室的大变形和开列对斜井正常井身段产生滚动影响效应，变更后的监测数据显示，平均最终累积收敛达352.78mm单点最大累计收敛为511.328mm。 斜井井身段在施工中还遇到了两次大的软弱并富水地段，坍塌量大，最高处达7m，处理中采用了设置双层网筋，双层钢拱架，先喷并预留注浆孔，后进行水泥浆灌注回填的措施，将处理后的预期变形控制在允许范围内，确保了安全。由于严格坚持施工监测实施组织进行监测工作，为下步施工正洞提供了一定的技术和数据储备，完全起到了安全预报和指导施工的作用，施工进度明显提高，斜井井身完工的后7个月平均进度均在200m/月以上，满足了工期要求。2、正洞施工阶段1）、进入正洞初期总体地质、变形、控制情况正洞施工对隧道平面、纵面、横面的各净空尺寸要求极高，在大变形的千枚岩为主的地段必须严格控制初期支护的变形范围，最大预留变形量估计、有效控制变形、确保工期，以满足隧道施工和设计的要求，必须严格监控量测，以数据说话，加强或改变支护形式、预报安全信息全面指导施工变得极其重要。进入正洞施工的开始阶段，由于断面变大，并且处于井底车场影响范围，变形进一步变大，开列严重，并影响到了二次衬砌，斜井井底车场与正洞交叉处的二次衬砌也出现了开裂，变形规律性差，出现不对称性变形，在采用了两种支护结构后仍然未得到有效控制，为了为下一步施工正洞、横通道开口段和避车、会车等洞室段部分打下一个良好的基础，全面掌握围岩在大断面情况下的变形规律和围岩内部应力及初期支护结构的应力状态，制订出一个科学合理的支护结构，以保证安全和工期，就在进行监控量测的基础上加上了B类监控量测项目，是监测数据更加全面和科学化，为最终有效控制变形起到了重要的作用。施工前期为确保施工安全，根据日收敛值及变形速率的变化进行预测预报，共分为四个警报等级，“一级”为速率≥25mm/d，必须立即加强支护；“二级”为15mm/d≤速率＜25mm/d，急需加强支护；“三级”为10mm/d≤速率＜15mm/d，必要加强支护；“四级”为2mm/d≤速率＜10mm/d，加强观察。随着试验的进一步发展，有针对性的改变了支护结构，对收敛数据的控制标准也适时进行修改，确定出合理的初期支护参数和预留变形量。进入井底正洞施开口部分正洞地段，由于紧靠井底车场，同时井底车场A、B两通道距离60m，结构受力复杂，群洞效应明显，变形大、开裂掉块严重，开挖后前5天平均累积变形就达到200～400mm，变形持续时间长达45天还收敛不明显,最大累积变形达到647.21～987.56mm，通过中线定位相对变形观测确定在开口处的变形不对称，开口侧较大,占全部变形量的75%,支护采用钢架Ⅰ18,间距为@0.8m,挂双层钢筋网,喷混凝土厚度为25cm,另设置锚杆、注浆、临时仰拱、临时横称、及时铺底、及时二次衬砌等系列措施，但收效很小，开裂仍然发展很快，二次衬砌后地10天后开始出现裂纹，井底车场与正洞开口处的第一环二次衬砌最后破坏，导致拆换。开口处的大变形综合影响原因较多，由于位与开口结构受力复杂、围岩软弱，工期紧，初期支护未达到有效结构支护应力的状态时间就进行了下一个施工循环的放炮等工作、工字钢的内侧结构面光滑使喷射混凝土与之的黏结不易密实和牢固、钢拱架间距小，易出现喷射混凝土不密实等因素。2）、采用网构钢架结构施工情况由于前期整个监控量测数据数量和时间长度都不够，不能进行回归分析，同时影响因素较多，因此只能采用控制日收敛变形量和分析变形加速与否来进行净空、安全控制指导施工，在这种情况下对原设计支护结构参数进行了改进，采用网构钢拱架。网构钢架支护参数表如下：超前网构架网构筋网片喷砼系统锚杆 上断面φ42＠=25cm,L=4~6m25×25cmφ25＠67cm,拱墙φ8，25×25单层C20砼，25cmφ42注浆，＠=80cm,L=4（拱）/6（墙）m该种结构具有喷射混凝土时容易喷射密实，混凝土与钢筋黏结完全，受力良好，后期强度大等优点。共设置了11榀网构钢架，通过监测显示，开挖后前5天平均累积变形就达到450.78～875.46mm，在未施工至下半断面时,由于变形太大而无法控制，拱架全部扭成麻花状而不得不全部进行拆换。数据和实际效果证明该地质状态下不适合使用网构钢拱架作为初期支护结构。3）、四种新支护结构试验的监测分析情况采用网构方案取消，为了有效的解决大变形对施工的影响，在原设计支护参数的基础上进行了加强，及将I18钢拱架改为I20，并喷射钢钎维混凝土或者采用H175型钢拱架，喷射钢钎维混凝土，如变形情况得不到有效改善还在这基础上设置锚索和锚管等措施。同时开始进行B类监测，全面测试围岩与钢架之间的应力关系，以获得抵御变形和围岩应力释放足够的支护数据。①第一种支护状态的变形监测数据情况支护参数表编号里程超前工字钢网片喷砼系统锚杆柔性锚杆一YDK175+405~+440上断面φ42＠=25cm,L=4~6mI20,＠=67cm拱墙φ8，25×25单层C20钢纤维砼，25cmφ42注浆，＠=80cm,L=4（拱）/6（墙）m设有柔性锚杆在YDK175+405~440段埋设置了7组监测点收敛测线，分别位于YDK175+405、+410、+415、+420、+425、+430、+435里程，以水平收敛为例各测线历时曲线见附图5：附图5：收敛变形历时曲线图荷载压力数据表（单位MPa）里程项目拱顶右拱腰右拱脚右墙腰右墙脚左拱腰左拱脚左墙腰左墙脚 YDK175＋410初支围压0.5990.3070.2280.2440.3110.4650.3570.4550.383二衬压力0.0180.0480.0120.023-0.0640.0740.061-其收敛情况为当上断面开挖后，侧墙收敛速率在40~50mm/d左右，而在下断面开挖及接腿过程中，侧边墙收敛速度上升10~20%左右，达到了50~60mm/d。锚索张拉后的第3天，边墙收敛速度有较大幅度下降，在20mm/d左右。根据监测经验同比，普通隧道仰拱开挖时侧边墙收敛值占累计收敛值的40~50%左右，仰拱完成后，边墙收敛速度可降至5mm/d以下。②第二种支护状态的变形监测数据情况支护参数表编号里程超前工字钢网片喷砼系统锚杆柔性锚杆二YDK175+440~+458上断面φ42＠=25cm,L=4~6mH175,＠=67cm拱墙φ8，25×25单层C30钢纤维砼，25cmφ32注浆，＠=80cm,L=4（拱）/6（墙）m设有柔性锚杆设置范围为YDK175+440～458，共设有4组收敛测线，分别位于YDK175+440、+445、+450、+455里程，以水平收敛为例各测线历时曲线见附图6。附图6：收敛变形历时曲线图荷载压力数据表（单位MPa）里程项目拱顶右拱腰右拱脚右墙腰右墙脚左拱腰左拱脚左墙腰左墙脚YDK175＋450二衬压力0.0430.0330.0460.022-0.2190.0310.032-监测所得收敛数据分析情况为，YDK175+460处千枚岩强烈柔皱并产生坍塌的影响，+450、+455点累计收敛明显增大，达到近600mm左右；距+460千枚岩强烈柔皱处较远的前二条测线收敛值基本上在450mm左右，与第一中支护结构累计收敛值相近似。同时从收敛曲线中可看出，+440和+445收敛测点上、下断面开挖时，其侧边墙收敛速度均为40～50mm/d，小于第一中支护结构段上下断面开挖时的侧边墙收敛速度50～60mm/d。 用H175做拱架时，初支结构受力要更均匀一些，在全断面初支完成的后期，侧边墙收敛变形速度基本上稳定在1～3mm/d之间，亦比第一中支护结构段的1～5mm要小一些。+450和+455收敛点上收敛值在600mm左右，上下断面开挖时其侧边墙收敛速度均在60mm/d左右，在初支成环完成后，其变形速度仍在4mm/d左右，亦即该二测线尽管累计收敛值较大，但在后期，其亦出现收敛的趋势。预测其最大累计收敛值不会超过650mm。通过比较，该两种支护结构累计收敛值在450~500mm之间变化，其拟制收敛的效果基本相同。③采用第三种护状态的变形监测数据情况支护参数编号里程超前工字钢网片喷砼系统锚杆柔性锚杆三YDK175+458~+467上断面φ42＠=25cm,L=4~6mH175,＠=80cm拱墙φ8，25×25单层C30钢纤维砼，25cmφ32注浆，＠=80cm,L=4（拱）/6（墙）m设有柔性锚杆设置里程为YDK175+458~467，共设有2组收敛测点，位于YDK175+460、+465里程，以水平收敛为例各测线历时曲线见附图7。附图7：收敛测线变形历时曲线图荷载压力数据表（单位MPa）里程项目拱顶右拱腰右拱脚右墙腰右墙脚左拱腰左拱脚左墙腰左墙脚YDK175＋465初支围压0.537坏0.0410.027-坏0.5250.739-收敛数据分析情况为，+460点附近存在着一个较强烈的千枚岩柔皱区段，有较大量的浸润性渗水，左拱部在开挖中发生坍塌，支护后仍有少量坍塌。而+465围岩条件相对较好。地质条件差异较大，使得该二组收敛测点累计收敛相差较大。从图中可知，靠近千枚岩强烈柔皱区段的+460累计收敛达到600mm，而远离千枚岩强烈柔皱区的+465累计收敛不到300mm。同二种支护结构的比较情况为，第二种支护结构同第三种支护结构 在类似地质条件下的历时曲线对比曲线图见附图8。附图8：类似地质条件下的水平收敛历时曲线对比图对比靠近千枚岩强烈柔皱区段的第二中支护结构段+455与第三种支护结构段+460历时曲线可知：+460处上下断面开挖时，其边墙收敛速度高达50~100mm/d，而+455处仅为60mm/d，即工作面上千枚岩含量愈多，柔皱愈强烈，则边墙变形愈大；二者累计变形均在600mm左右，位于同一数量级上。仅因为+460处有二道钢管横支撑，其累计变形量稍小。第三种支护中+465测点，由于远离千枚岩强烈柔皱区，累计收敛值不足300m，地质情况如第二种支护的+445相似，对比可知：同样在上下断面开挖过程中，+465处收敛速度达到50~60mm/d，而第二实验段中的+455收敛速度为40~50mm/d，表明将钢支撑间距拉大后对支护效果是有影响的，但影响明较小。同时在地质条件相对较好地段（如+465、+445段），第三种支护段边墙累计收敛要远小于第二种支护，前者为286.89mm，后者却高达458.91mm。这是因为在第三种支护架设了双层横向钢管支撑的原因。在侧边墙锚索及上断面二道横向钢管支撑的作用下，+465处收敛速度降低，甚至出现负增长，从而使得+465里程处水平累计收敛值要小于第二种支护段类似地质条件处累计收敛值。表明架设横向钢管支撑有利于边墙的稳定。该段+460处，由于高地应力的作用，拱顶上升成尖状，拱部H175钢支撑发生上下折叠。④第四种支护状态的变形监测数据情况支护参数编号里程超前工字钢网片喷砼系统锚杆柔性锚杆四YDK175+467~+476上断面φ42＠=25cm,L=4~6mI20,＠=80cm拱墙φ8，25×25单层C20普通砼，25+10cmφ32注浆，＠=80cm,L=4（拱）/6（墙）m无柔性锚杆设置里程为YDK175+467~476，设置了1组收敛测点，里程位于YDK175+470，将该测点历时曲线与第三种支护结构段类似地质条件下的+465处收敛历时曲线对比图见附图9。 附图9：第四、三支护结构在类似地质条件下收敛历时曲线对比图荷载压力数据表（单位MPa）里程项目拱顶右拱腰右拱脚右墙腰右墙脚左拱腰左拱脚左墙腰左墙脚YDK175＋475初支围压0.7220.0620.1530.126-0.0370.0510.084-二衬压力0.1020.0910.0120.117-0.1090.0440.133-收敛数据分析情况为，本支护形式由于设置监测点的时段正在进行仰拱填充，7天累计收敛值就为338.09mm。从与第三种结构的比较中发现，本支护结构段+470上下断面开挖时，其边墙收敛速度平均在50cm/d左右，与第三支护段中+465上下断面开挖时边墙收敛速度相差不大，表明隧道在未成环支护时，边墙收敛速度大小主要是由地层条件而决定的。在钢管+锚索施工后，第三支护结构段+465处边墙收敛速度有二次降低；而第四支护结构段+470处由于无钢管+锚索支护，并采用I20作为钢拱架支护，使得该里程隧道结构成环支护后（7天），边墙没有减缓的趋势，仍以30mm/d的速度发展。而架设锚索支护的第三种结构段+465，由于锚索的约束作用，在第初支完成后7天时，水平收敛速度减缓至20mm/d，在第8天后，边墙收敛速度为负值，出现负增长，在随后的时间内，边墙收敛速度在10mm/d以内。从而表明锚索能减缓隧道侧边墙的收敛速度，使得围岩应力较均匀地释放，并在一定程度上能抑制侧边墙的位移。第三、四实种支护结构段初支除有无打设锚索的区别外，还存在着用H175与I20作为钢拱架的区别。同时已说明了锚索在千枚岩地层中所发挥的重要作用，现将第四种结构段+470与第一重结构段+410、+430边墙收敛历时曲线进行对比。第二种支护段初支钢拱架均为I20，但第四种支护段无锚索，而第一种支护段有锚索。水平收敛历时曲线对比图附图10。 附图10：第四、一种支护结构在类似地质条件下收敛历时曲线对比图从图9中可知，第四种支护结构段边墙收敛速度要远大于第一种结构段，+470里程处边墙收敛值在7天的时间内达到了338.09mm，而第一支护结构段+410、+430里程处边墙收敛值在7天的时间仅为243.95mm，相差近100mm，反映出了锚索可减少边墙累计收敛变形近100mm。在监测的前7天的时间内，结构还未产生较大的位移，未架设钢管横向支撑，隧道边墙收敛减少完全是由于锚索所发挥的作用所至。在监测第7天后，第一重支护结构段+410、+430处边墙收敛速度减缓至15mm/d以下，而+470处边墙收敛速度却大于30mm/d。再一次表明锚索对减缓或减少千枚岩高地应力区隧道边墙位移有所帮助，有利于千枚岩高地应力地层的施工安全。⑤监测数据分析的结果根据类似地质情况采用的不同支护结构时的收敛速率、累计收敛结合围岩应力和钢拱架应力的变化进行了综合分析，从测试结果看，说明了围岩的地质结构上表现出强度低、稳定性差、易变形的特点，进一步证实软弱围岩的变形有一个发展过程，随应力的释放塑性变形区逐渐扩大，远远超出了一般软岩的塑性区，收敛达不到稳定，继续发展形成大变形。同时变形并没有表现出典型的高地应力现象，但从变形的持续发展来看，存在着复杂的应力状态。也为采取加强支护措施，特别是H175工字钢、长锚杆、锚索等的应用提供了依据。⑥形成的成果与措施首先施工工艺上采用超短台阶法，加强支护，以抵抗早期的围岩压力；仰拱及时封闭成环，使受力处于一个均匀的状态；二次衬砌紧跟，利用二衬的强度和刚度承担部分围岩的压力。同时遵循弱爆破、强支护、快封闭、勤量测、及时二衬的原则，上断面开挖高度4.45～4.7m，下断面4.35m，捡底高度1.8～2.05m；上下断面台阶长度5～8m，下断面与仰拱间距小于15m。上下断面同步开挖，循环进尺0.5～1.3m（1～2榀钢支撑，围岩有水破碎时循环进尺缩短到0.5m），超前支护每循环进行一次；捡底及仰拱循环进尺2.0～3.0m，仰拱回填与仰拱同步进行。下断面距衬砌工作面50m。新的支护参数，倾向于第三种支护结构形式，如下表：地质情况初期支护钢架单侧预留变形量cm二次衬砌锚杆（管）钢筋网 湿喷混凝土cm长度m间距m位置千枚岩为主、板岩千枚岩互层25φ32mm锚管拱4m墙6m0.8拱、边墙H1751榀/0.8m3550cm钢砼板岩为主25φ22mm锚管拱4m墙6m1.0拱、边墙H1751榀/m2550cm钢砼采用新的支护结构和措施后后监测数据显示，千枚岩含量较高，有水，次生断裂或分支断裂带地段：累积收敛在400mm以内，关键工序变形速率60mm/d。板岩为主无水地段：累积收敛小于200mm，关键工序变形速率平均值小于30mm/d。洞室口部等特殊断面地段：累积收敛600mm以内，关键工序变形速率平均值小于60mm/d。⑦确立最大预留变形量正洞施工四个月后，系列监控良测数据比较完善和有了足够的时间长度，一些监测点位已稳定，就利用水平收敛和拱顶下沉分别采用一元非线性回归方法对隧道围岩收敛数据进行整理、分析。从大量的收敛-时间曲线图分布得出，变形在开始时段位移增长速度较快，以后逐渐减速，直至基本稳定，并趋于某一固定值，即收敛逐渐稳定。由于位移-时间曲线与指数函数曲线相似，因而选择指数函数进行回归分析，用来预估围岩变形的最终值，即施工时的预留变形量，并评价其准确度。即：u=ae-b/t；将实测值与回归曲线上的对应值进行比较，计算剩余标准离差，评价其回归精度。将实测值与回归计算值进行比较，大多数相差较小，说明回归函数选择合适，同时也说明具体施工监测中观测误差小。根据回归分析得出，围岩变形最终值（即t趋向于∞时）以千枚岩为主、板岩千枚岩互层的地质段为u=695.42mm，即围岩的最终变形量为700mm，以板岩为主地质地段u=487.56mm，即围岩的最终变形量为500mm。因此将预留变形量调整到70cm～50cm，避免了因初期支护侵限引起返工处理或预留变形量过大，造成二次扩挖、或回填及二次衬砌混凝土量增加。⑧根据应力监测和收敛数据反分析情况通过收敛反分析验证在该段地层中间距5～10m布置一组监测点，每个断面取拱顶下沉、轨上2.5m、轨上4m进行变形监测，实测的水平收敛在180mm～610mm左右，部分断面超过了预留变形量，说明围岩应力较大，同时也使围岩初始地应力得到了释放。 通过应力监测数据反分析，得到千枚岩夹板岩地层水平方向的初始地应力在14.3～23.7Mpa之间,竖直方向的初始地应力在13.6～20.1Mpa之间，侧压力系数在1.05～1.28之间。计算得出稳定系数在1.5和2.43之间，由二次衬砌模注混凝土与初期支护一起共同提供的支护阻力大于保持围岩稳定所需要提供的支护抗力，隧道体系可以满足稳定要求。五、评价通过综合的监测数据分析，采取了最终合理的支护结构、合理预留变形量，在正洞施工3个月后，经监测数据显示，变形得到了有效的抑制，二次衬砌也未出现裂纹现象，既保证了施工安全、又为隧道结构安全提供了科学的数据依据，施工速度得到的大大提高，平均月施工进度达到综合105m，工期得到了保证，同时减少了初期支护在施工过程中因变形引起的系列整治，起到了一定的经济作用。施工监控量测工作，仪器设施投入不大，测量方法和计算简单，值得大力推广和应用。但是乌鞘岭隧道出现的大变形，原因是多方面的，在深埋和复杂的应力状态作用下，处于构造挤压剪切带的隧道和各辅助洞室开挖后，软弱围岩产生的缓慢塑性变形。变形产生的机理不完全能用施工监测的数据进行解释，乌鞘岭长大隧道的变形是一个新的、综合的课题，还值得进一步的研究、探讨。