1談談隧道開挖后的變形控制中的幾個問題隧道開挖后，由于初始地應力場的應力釋放，其結果必然引起圍巖發生各種形態的變形，如拱頂下沉、兩側圍巖擠入、底部鼓起以及掌子面擠出等，而變形的必然后果，就是造成圍巖的松弛，而當圍巖的變形或松弛超過一定范圍時，就會造成崩塌或不穩定。因此，隧道的設計和施工的目的：一句話來概括：就是千方百計地把把隧道開挖后的圍巖變形或松弛，控制在容許的范圍之內。這就是我們設計施工的基本理念和目的。為了實現這個理念和目的，就必須解決 2 個問題。一個容許變形值問題，一個是控制技術問題。要解決容許變形值問題，就必須了解和認識隧道開挖后的變形實態。一、隧道變形的種類1 1 概述研究控制技術，首先就要了解和認識隧道開挖后產生的變形形態及影響變形的各種因素。一般說隧道開挖后的變形，是各種各樣的，也是極為復雜的。把圍巖視為連續介質的場合，可分 3 種情況進行研究。1）一般圍巖條件下深埋隧道的變形實態；2）一般圍巖條件下淺埋隧道的變形實態；3）特殊圍巖條件下隧道的變形實態；1 2 一般圍巖條件下深埋隧道的變形實態一般圍巖條件下隧道的變形，大體上可以分為以下幾種。1）掌子面前方的先行變形（位移） ；2）掌子面變形（位移） ，包括掌子面擠出位移及掌子面位移；3）掌子面后方變形（位移） 。二、隧道變形的力學特征及其控制要點21 概述認識和掌握圍巖在開挖后是如何變形及其變形過程、變形動態是非常重要的。2 2 一般圍巖條件下深埋隧道開挖后變形的基本規律為了說明方便起見，首先用 2 個計算例加以說明。設初始地應力場的水平方向和垂直方向的分力分別為 px 和 py。例 1：靜水壓荷載下的圓形隧道pxp y10kgf/cm 2，E 1000kgf/cm 2，1/3例 2：承受 2 方向不同荷載的半圓形隧道px（1/2）p y5kgf/cm 2，E1000kgf/cm 2，1/3圖 3 及 4 分別表示隧道壁面（r=a）及周邊（r 1.5a 、2a、3a）的位移的計算結果（隧道寬度取 D2a） 。 2圖 1 圓形隧道的周邊位移狀態（拱頂下沉）圖 2 半圓形隧道的周邊位移狀態（拱頂下沉）從圖 1、2 可知，在計算條件下，從掌子面前方到掌子面后方一定范圍內的拱頂下沉分布規律，大致如下。1） 隧道開挖后在掌子面前方一定范圍內（2a5a ）產生了下沉，我們稱之為“先行位移” ；2） 在掌子面處，產生一定量的“初始位移” ，此值與地質條件關系密切，約為最終位移值的 2030左右，這個位移是開挖后瞬間發生的；3） 在掌子面后方，隨掌子面的推進，產生不斷增大的位移，其特點是初期的位移速度很大，而后增長的速度逐漸減緩，并趨于穩定。4）圍巖性質（初始地應力場、圍巖物性等）和施工方法是決定變形動態的主要因素，對隧道變形有一定影響。由上述各圖可知，隧道開挖后隧道的變形可分為掌子面前方的先行位移、掌子面擠出位移及掌子面后方的位移三種。這三種位移是同時發生的。在復雜地形、地質條件下，支護的主要目的就是要抑制這些位移的發展，也就是抑制由這些位移引起的圍巖松弛。因此，對設計、施工來說就是要搞清楚這三種位移（變形）的產生條件和發展規律，并通過什么手段來控制其發展。在一般圍巖條件下隧道開挖后的變形實態可用圖 5 表示。Comment l1: 掌子面正前方預加固Comment l2: 取得參數的手段？3圖 5 隧道開挖后的變形實態在一般圍巖條件下掌子面前方圍巖的先行位移，是在開挖后瞬間發生的，先行位移的最大值是在掌子面處，其值約占總發生位移的 2030左右，掌子面前方的先行位移，涉及的范圍也比較小（約為 1D左右） ，只有在圍巖比較差的場合 ，如級圍巖才需要加以控制。因此，在一般圍巖條件下，主要是用初期支護控制掌子面后方位移的發展。掌子面后方位移的動態特點是初始位移發生的比較快，而且量值也比較大，即初期位移速度比較大。因此，控制初期位移速度的發展是非常重要的。這也是判定圍巖好壞的一個重要指標。控制了初期位移速度的發展，也就控制了最終位移值。因此，在實地量測中，取得初始位移值和初期位移速度兩個重要參數是非常重要的。2 3一般圍巖條件下淺埋隧道開挖后變形的基本規律下面首先根據日本在 9座土砂圍巖中的淺埋隧道中，對隧道開挖后引起的地表面下沉現象的認識加以說明。一般說，根據掌子面的進展，可把地表面下沉現象分為表 1幾類。 表 1 地表和地中的下沉現象地表 地中典型現象 崩塌 典型現象 崩塌1前方隆起或前方相對隆起（L-1m）2橫向開裂3前方下沉 3前方下沉和相對隆起4下沉持續增大 5局部崩塌6下沉加速（3mL3m） 6下沉加速和相對下沉7崩塌 8崩塌9下沉收斂(1mL) 9下沉收斂10相對下沉減小11縱向開裂一般說，隧道開挖后，地表面下沉與洞內的變形之間是相關的，表 1列出了之間的相關關系，是很重要的。圖 6是一個地表面下沉量測的事例4圖 6 地表面下沉量測事例圖 7 是一個地表面下沉和洞內下沉的相關關系例。圖 7 地表面下沉與洞內下沉的相關關系例從基本規律上看，兩者（洞內及地表面）是一致的，也大體上分為掌子面前方的地表面下沉、掌子面位置正上方的地表面下沉及掌子面后方的地表面下沉。不同的是量值和涉及的發生范圍。在地表面下沉的研究中，地表面下沉的橫斷面分布是重要的，但更為重要的是地表面下沉縱向的分布。掌子面前方的地表面下沉涉及的范圍要比洞內的掌子面前方位移的范圍要大，而且，在掌子面到達前，在地表面可能發生與隧道軸線正交的橫向開裂。此開裂部位大致在離掌子面 0.5 D1.0D 范圍內。圖 8 表示地表面下沉的等值線。圖 8 地表面下沉的等值線分布5因此，控制地表面下沉，除從地表面采取對策外，基本上是從洞內采取控制掌子面前方先行位移及掌子面后方位移的對策。在淺埋的土質隧道中，當地表面下沉與對應的拱腳下沉相等或小于時，會造成拱頂上部圍巖整體下沉的現象（圖 9） 。圖 9 整體下沉現象2 4 特殊的圍巖條件的隧道變形實態這里指的特殊圍巖包括，例如膨脹性圍巖、擠入性圍巖等會出現大大超過容許值的變形的圍巖。也包括特殊的地形、地質構造的條件下，會出現地形偏壓和構造偏壓等產生不對稱的變形形態的圍巖。1） 特殊圍巖條件下的大變形這里所謂的圍巖大變形，都與圍巖的物性有直接的關系，具有膨脹性、擠入性、流變特性的圍巖，均有產生大變形的物性條件。因此，研究大變形，首先要從圍巖的物性分析著手。這是不言而喻的。例如，日本把土壓超過圍巖強度，而產生大變形的圍巖，定義為擠入性圍巖（Squeezing Ground） 。此外把超過 100mm（擠入性圍巖的單軸抗壓強度為5MPa，極限應變為 2.0，開挖半徑為 5.0m，可能量測的位移是總位移值的 50條件下的凈空位移值）的位移定義為大變形。隧道開挖后產生大變形的動態與一般圍巖條件下的動態，大同小異。其基本特點就是：掌子面前方的先行位移值大，一般說都超過 2030的數值，有的可達 4060 ；初始位移速度也大，一般會超過 20mm/d，或者更大；變形收斂的時間長，甚至不收斂。因此，在可能發生這種大變形的隧道，開挖前就要采取對應的控制對策和開挖后采取對應的控制掌子面后方位移的對策。同時，為確保穩定后的凈空斷面不侵入設計斷面，要適當加大預留變形量。2）偏壓隧道的變形產生偏壓的原因有二：一是地質構造產生的；一是地形產生的。但不管何種原因產生的偏壓變形的特點是變形的不對稱性。三、影響隧道變形的基本因素影響隧道變形的基本因素有兩大類。即：客觀因素和外部因素。3 1 客觀因素（內在因素）如前所述，影響隧道開挖后變形的兩個客觀因素就是初始地應力場和圍巖的力學特性及構造特性。1） 初始地應力場初始地應力場指未被開挖擾動的原始地應力場。對初始地應力場的認識可以歸納如下。隧道初始地應力場是由重力應力場和構造應力場構成。6以目前的認識和技術水平看，初始地應力場，多數認為按彈性的、重力的、靜態的應力場考慮。在埋深較淺，或者埋深很大的條件下，可以不考慮構造應力場的影響。決定初始地應力場的關鍵是設定合理的側壓力系數。因為地應力場的垂直應力分量，基本上都按上覆埋深的重量考慮。而水平側壓力的大小則主要決定于側壓力系數。從側壓力系數看，初始地應力場存在三種情況。即：側壓力系數小于 1，等于 1 及小于 1 三種情況。這三種情況的變形模式是完全不同的，其模式的概念示于圖 10。圖 10 不同側壓力系數條件下坑道變形模式概念圖因此，在設計、施工過程中，必須掌握初始地應力場的側壓力系數的變化，以便針對不同的變形模式采取不同的控制措施。一般說，側壓力系數 值，理論上是由下式決定的。即：/1-式中 ：圍巖的波松比，其值在 00.5 之間變化。 （側壓力系數的確定方法）按此式決定的側壓力系數，最大是 1。即，初始地應力場相當與靜水應力狀態。但在實際隧道工程中， 大于 1 的情況是很多的。因此，側壓力系數，基本上不能根據理論式（1）確定，而需要根據實地量測的反分析或者統計數據等確定。例如日本“山嶺隧道設計施工標準” （2008 年版）建議按以下條件推定側壓力系數。H50m 的場合 0.015H0.25H50m 的場合 1.0式中 H：埋深（m）其關系示于圖 11、圖 12 和 13 是根據量測數據統計的側壓力系數與埋深的關系。由圖可知，側壓力系數可能在 0.42,0 之間變化。較大的場合，多在 1.0 左右。7圖 11 初始側壓系數 Ko 與埋深 H 的關系圖 12 始側壓系數 Ko 與埋深 H 的關系8圖 13 初始側壓系數 Ko 與埋深 H 的關系因此，初始地應力場的研究中，對側壓力系數的研究也是非常重要的。實際上由于地殼運動的結果形成了各種形態的地質構造,如層狀、塊狀、斷層、褶皺等，在這種情況下,圍巖的初始地應力場也有所變化。例如在背斜構造中，由于巖層成拱狀分布,使上覆巖層重量向兩翼傳遞,而直接處在背斜軸下面的巖層則受到較小的應力，其垂直應力的變化，可能如圖 14 所示；而在被斷裂分割的地質構造條件下，下窄上寬的楔形圍巖移動時,受到兩側巖塊的夾制，因而使應力減小，反之,下寬上窄的巖塊,則受到附加荷載的作用，其垂直應力分布可能如圖 15 所示、處于正斷層和逆斷層的條件下，水平應力會有很大差異，如圖 16 所示。在不均質的層狀圍巖中，對垂直應力的分布也有很大影響（圖17）等等。總之，大量的實測資料表明,地質構造形態改變了重力應力場的初始狀態,這在實際工作中有時是不容忽視的。圖 14 背斜對初始應力的影響 圖 17 不均質層狀圍巖對初始應力的影響9圖 16 斷層對初始應力的影響 圖 15 斷裂分割的塊狀構造對初始應力的影響構造運動的結果也會使地形發生變化，如圖 18 所示,這種地形的變化,當然對初始地應力場有很大影響,該圖表示考慮地形影響后,初始地應力場主應力大小及其方向的變化。在埋深較小的情況下,這種影響是不容忽視的。圖 18 地形對自重應力場的影響由于構造應力場的不確定性,很難用函數形式表達。它在整個初始地應力場中的作用只能通過某些量測數據加以分析。已發表的一些成果表明：（a）地質構造形態不僅改變了重力應力場,而且除以各種構造形態獲得釋放外，還以各種形式積蓄在圍巖內,這種殘余構造應力將對地下工程產生重大影響。（b）構造應力場在不深的地方已普遍存在,而且最大構造應力的方向,多近似為水平,其值常常大于重力應力場中的水平應力分量,甚至也大于垂直應力分量，這與重力應力場有很大不同。位于片巖中的陶恩隧道實地量測的初始地應力場（圖 19）就是一個例證。圖 19 隧道的初始地應力場圖 20 表明,埋深較小時,水平應力和垂直應力的比值很大。隨著埋深的增加,趨于減小。從我國現階段積累起來的淺層(埋深小于 500m)實測資料看,側壓力系數 小于 0.8 者約占27.5%。在 0.81.25 之間者約占 42.3%,大于 1.25 者約占 30.2%。這說明，在一定埋深的條件下，初始地應力場的水平應力大于 1 的情況，占主導地位。圖 20 是根據大量實測數據統計的初始應力與深度的關系。10a 垂直應力與深度的關系 b 水平應力與深度的關系圖 20 初始應力的實測統計根據圖 20 的統計數據，Hoek 認為：深度超過 1000m 以后，垂直應力基本上可以用 p2.6H 表示；小于 1000m 深度時，水平應力一般比垂直應力大，在 500m 左右，平均大 1.5 倍。更淺的情況，其比值更大；1000m 以上的情況水平應力與垂直應力的趨于大致相等。(c)構造應力場很不均勻,它的參數無論在空間上、時間上都有很大變化,特別是它的主應力軸的方向和絕對值變化很大。（d）用分析方法求解初始地應力場,由于明顯的原因(構造的、力學形態的、量測技術上的等）,常常會導致極大的偏差。因此,在理論分析中, 常把初始地應力場按靜水應力場來處理。在某些重要的工程中,多采取實地量測的方法來判斷主應力的大小及其方向的變化規律。初始地應力場是決定隧道穩定性和破壞形態的基本因素，因此，在隧道的設計施工中，掌握初始地應力場是極為重要的。（2 ） 地質體（圍巖）力學的（強度、變形） 、構造的（不連