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。
①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1～3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。
②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。