隧道开挖后的位移动态与隧道变形控制措施.doc

4. 隧道开挖后的位移动态与隧道变形控制措施4.1 隧道开挖后的位移动态隧道开挖后可能引起的位移或变形主要包括：拱顶下沉、隧道两侧拱腰向隧道方向的水平位移、地表沉降与开裂、支护开裂、土体塌落和钢拱架变形等等。隧道开挖引起围岩的变形破坏通常是从洞室周边开始的，而后逐步向围岩内部发展。围岩变形破坏的形式和特点，除与岩体内的初始应力状态、开挖断面形态以及开挖工法有关外，主要取决于围岩的岩性与结构。坚硬块状围岩的变形破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移；层状岩体的变形破坏形式主要有沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等；碎裂岩体的变形破坏形式常表现为崩塌和滑动；松软岩体与土质隧道的变形破坏形式以拱形冒落为主。隧道开挖引起的地层位移动态主要可以分为以下几个阶段：1）隧道开挖阶段隧道开挖破坏了地层的原始应力平衡状态，隧道周边的地层应力将会由水平方向与竖直方向的主应力，转化为隧道径向与法向的主应力，大小主应力方向将会发生变化，同时还将伴随着地层剪切应力的出现。隧道开挖后，周边地层将会临时处于无支护的临空状态，隧道周边地层将出现向隧道方向位移的趋势（拱顶下沉与周边收敛变形），如果在隧道开挖断面范围内存在地质破碎带或地层断面，甚至可能引起地层的坍塌。但由于此阶段时间相对较短，相应的地层位移可能并不明显，尤其是在地层条件较好的情况下。2）施加初期支护阶段隧道开挖后，应在尽可能短的时间内施加初期支护，并尽早施作仰拱，将初期支护封闭成环，达到“强支护”的目的。目前的暗挖隧道都采用新奥法施工理念，新奥法的核心思想就是要充分利用围岩的自承能力，围岩压力主要由钢拱架、钢筋网与喷射混凝土组成的初期支护承担，围岩压力与初期支护反力之间的相互作用将会使它们达到变形协调、共同受力的目的，并最终趋于稳定。对于浅埋隧道，一般认为隧道上方地层无法形成自然塌落拱，同时拱腰侧土压力相对较小，隧道开挖并施加初期支护后的地层位移主要集中在拱肩与拱顶部位，地层位移将从隧道上方开始，逐步向地表延伸。相应的地层位移主要集中在拱顶下沉、地表沉降与开裂、以及土体塌落等方面。就一般的土质隧道而言，据实测资料表明，隧道地表沉降与拱顶下沉变形主要集中在隧道开挖后，仰拱封闭成环以前；一般而言，隧道开挖后的13天地层位移相对较大，仰拱开挖时也将引起比较明显的地层位移，待仰拱施作完成后，地层位移基本趋于稳定。但由于初期支护与围岩的协调变形需要经历一个相对较长的时间（见图一），此阶段是地层位移充分发展并逐步趋于稳定的过程，这个阶段的地层位移占到总位移量的80%以上。对于深埋隧道，一般认为隧道开挖后将会在隧道上方形成自然塌落拱，拱顶压力相对较小，两侧拱腰压力相对较大，隧道开挖并施加初期支护后的位移主要体现在拱腰处的水平位移，因此，地层位移将最先出现在拱腰（拱脚）处，随着位移趋势的加大，沿（与水平面夹角）方向逐步向地表发展。同时，由于隧道上方塌落拱的存在，隧道开挖引起的上方地层竖向位移趋势相对较小。相对于浅埋隧道，深埋隧道开挖引起的地层位移更小，但初期支护施作后的地层位移在总位移中的比例更大。另外，对于高应力软岩地段隧道，隧道开挖并施加初期支护后，由于软岩在高应力作用下的流变性，将可能导致隧道出现大变形，此时应采用“先柔后刚，先放后抗”的原则采取支护措施，并采用“应力控制技术”作为软岩地段隧道控制技术的重点。3）二衬施作阶段二次衬砌主要作为隧道结构的安全储备，而不是地层荷载的主要承担者。由于二次衬砌是在初期支护变形趋于稳定后才施作的，因此可以认为二次衬砌施作后，地层位移将不再发生变化。对于大断面隧道，为了尽量缩小开挖断面，减少围岩的应力松弛，一般需要在开挖过程中施加临时支撑，达到“强支护”的目的，如CD法（中隔墙）、CRD法（交叉中隔墙）、双侧壁导坑法、PBA（桩洞法）等等，因此在二次衬砌施作时，就需要先拆除临时支撑，此时也有可能再次引起比较明显的地层位移。4.2 隧道变形控制措施隧道的变形在很大程度上取决于所选择的施工工法，而施工工法的选择应以控制围岩的应力松弛，保护周边环境为出发点，最大程度地减小地层位移。在城市轨道交通工程中，运用最多的隧道开挖工法是盾构法与浅埋暗挖法。对于浅埋暗挖法，其施工的地下洞室具有埋深浅、地层岩性差（通常为第四纪软弱地层）、存在地下水、周围环境复杂等特点。为了最大程度地减小隧道开挖引起的地层位移，采用浅埋暗挖法设计、施工时，应同时采用多种辅助工法，超前支护，改善加固围岩，调动部分围岩的自承能力；并采用不同的开挖方法及时支护、封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系；在施工过程中应合理运用监控量测、信息反馈和优化设计，实现不塌方、少沉降、安全施工等，并形成多种综合配套技术。除盾构法以外，无论是浅埋暗挖法还是矿山法，都是沿用了“新奥法”基本原理：初期支护按承担全部基本荷载设计，二次模筑衬砌作为安全储备；初期支护和二次衬砌共同承担特殊荷载。“新奥法”的核心思想是充分利用围岩的自承能力，对其理解不够是造成实际施工控制困难的一大主要原因，主要体现在二次衬砌施作时机的把握上。“新奥法”强调围岩既是生产支护荷载的主体，又是承受岩层荷载的结构，支护围岩作为整体相互作用，共同承担围岩压力，围岩压力是变形压力和松动压力的组合，大部分压力（特别是变形压力）由围岩自身承担，只有少部分转移到支护结构上。初期支护施作后，随着时间的推移，围岩的变形越来越大，但变形速率越来越小，围岩压力也越来越小，同时初期支护承担的围岩压力则越来越大（图1），通过监控量测，发现围岩变形趋于基本稳定或总变形量达到某一特定值后，一般认为围岩的自承能力已经得到了最大程度的发挥，应立即施作二次衬砌。实际工程中，监控量测数据不能真正反应围岩的变形特性，二次衬砌施作时机不当，导致围岩应力过分释放或位移突变，不符合“新奥法”的核心思想，是引起隧道过分变形或局部坍塌的一大主要原因。图1 新奥法支护围岩共同作用原理图由以上分析可见，要控制隧道开挖引起的地层位移，首先要选择合适的工法，减小开挖断面，缩短进尺，在充分利用围岩自承能力的同时，还要控制围岩应力的过分释放；其次，选择合适的辅助工法，超前支护，改善加固围岩，调动部分围岩的自承能力；最后，确保监控量测数据真正反应围岩的变形特性，准确把握二次衬砌施作时机。