软弱围岩变形及其控制技术.ppt

关宝树关于“软弱围岩变形及其控制技术”的讲座,一、基本要求,从理论上说，在软弱软岩中，隧道设计、施工的基本要求是：把开挖后的围岩变形（松弛）控制在容许值范围之内。因此必须明确以下三个问题。1）坑道开挖后的围岩变形的实态，或者说，坑道开挖围岩是如何变形的？变形的量值有多大？2）不同的围岩条件，坑道开挖后的各种变形的容许值是多少？3）用什么技术方法和对策来控制这些变形的发展？,二、坑道开挖后围岩是如何变形的？,坑道开挖后在无支护条件下，仅仅依靠围岩自身的支护效应，其变形实态可以通过理论分析、实地量测予以确认。特别是要确认在无支护条件下坑道各种变形的量值。当量值超过容许值时，就必须采取各种有效的技术对策予以控制，而且必须控制在容许值范围之内。根据三维计算结果，坑道开挖后的变形，基本上可以用图1的三维形态表示。,即：隧道开挖后隧道的变形可分为以下三种实态：掌子面前方的先行位移掌子面挤出位移掌子面后方的位移这三种位移是同时发生的。在软弱围岩条件下，支护的主要目的就是要抑制这些位移的发展，也就是抑制由这些位移引起的围岩松弛。因此，对设计、施工来说就是要搞清楚这三种位移（变形）的产生条件和发展规律，并通过什么手段来控制其发展。,2.1掌子面前方的先行位移,众所周知，掌子面前方围岩先行位移的概念，可以两个量值表示，即掌子面处的先行位移值和掌子面前方发生先行位移达的范围（图2）。实际上先行位移是随掌子面的推进而发生的。先行位移的最大值是在掌子面处。在一般的围岩条件下，其值约占总位移的2030左右，围岩条件越差，其值也越大。掌子面前方的先行位移，涉及的范围与围岩条件有关，一般在隧道跨经的1.01.5倍左右。,因此，在一般围岩条件下，先行位移可以任其发生，不加控制。但在软弱围岩条件下，其最大值，例如超过全位移的30以上，甚至达到50或更大时，如不加控制，则会成为掌子面拱顶部分坍塌以及发生大变形的主因。这也就是我们采用各种超前预支护的主要原因。,2.2掌子面挤出位移,在实际开挖过程中，我们虽然发现了掌子面的挤出现象，但没有予以很大的关注。掌子面挤出位移是评价掌子面稳定性的重要指标。图3说明了掌子面挤出位移的基本概念。当掌子面挤出位移超过一定量值时，掌子面将崩塌，这不言而喻的。掌子面挤出位移，可以用其最大值评价.因此，当预计掌子面挤出位移过大的场合就必须采取控制掌子面挤出位移的技术对策。这也是我们采用留核心土方法的主要目的之一。,2.3 掌子面后方的位移,目前我们采取的初期支护，主要是控制掌子面后方位移的技术对策。掌子面后方位移的动态特点是初始阶段的位移速度比较大，而且量值也比较大。因此，控制初期位移速度的发展是非常重要的。这也是判定围岩好坏的一个重要指标。控制了初期位移速度的发展，也就控制了最终位移值。因此，在实地量测中，取得初期位移速度这个重要参数是非常重要的。其次是控制位移的收敛时间（距离）。在一般地质条件下，位移在距掌子面12D处，基本上就收敛了。但在软弱围岩中，这个距离会长一些，甚至在很长时间（距离）不收敛。,2.4 示例说明,下面我们引用浏阳河隧道的一个计算结果，说明上述位移的特征。该计算结果采用FLAC3D有限差分数值模拟软件进行了、级围岩的大断面隧道的模拟计算。计算条件：隧道断面：开挖宽度约15m，开挖高度约13.5m。开挖面积达170m2。初期支护参数：厚20cm的钢纤维喷混凝土、开挖进尺1.0m。计算结果汇总列于表1及图4。,例如，从这个计算结果中可以看出：1、在开挖断面积达170m2的隧道，级围岩，埋深50m的场合，掌子面先行位移（拱顶下沉）已经达到最终位移值的45，其范围约在1D左右。因此必须控制采用超前支护控制掌子面的先行位移。从掌子面挤出位移看，其值约为37.6mm，是在容许值之内，可以不采用控制掌子面挤出位移的对策。2、对级围岩而言，在埋深50m的条件下，因掌子面挤出位移已达到96.8mm，除采取超前支护控制掌子面前方的先行位移外，还必须采取对策控制掌子面的挤出位移。但其力度比级围岩要小些。（掌子面挤出位移，日本的经验控制值是80mm）3、掌子面先行位移的影响范围大致是隧道的开挖宽度或高度的11.5倍，因此超前支护的长度，原则上应超过开挖宽度，即采用1015m左右，在台阶法开挖中，可以适当缩短，但也不宜过短。4、控制掌子面挤出位移的对策，在一般情况下，可以采用留核心土的方法，当预计挤出位移超过150mm（无依据）以上时，就应该采取掌子面锚杆的对策。因此。在软弱围岩隧道设计时，最好通过解析方法求出可能发生的各种位移的量值。而后根据容许值来选择相应的变形控制技术。,三、如何确定隧道开挖后的容许变形值？,坑道开挖后的容许变形值，是指采用各种支护手段后的容许变形值。根据上述的变形实态，容许值应该包括：1)掌子面先行位移最大值2)挤出位移最大值3)开挖后的初始位移速度及拱顶下沉量、净空收敛值及脚部下沉量的收敛值4)位移收敛距离这里要说明2个问题。确定容许位移值的基本原则容许变形值是针对全位移而言的，因此要了解全位移的概念。,确定容许位移值的基本原则是：容许围岩变形，但变形必须控制在不造成围岩松弛的范围内。众所周知隧道开挖后必然会引起各种变形的发生，但如果仅仅是弹性变形，是容许的，即使发生塑性变形，只要不造成围岩松弛，也是容许的，容许这些变形的发生，也就是利用了围岩自身的支护效应。但如果变形超过这个范围，围岩会发生松弛，松弛的后果就可能出现各种预料得到的和预料不到的问题。,确定容许位移值的基本原则,容许围岩变形，但变形必须控制在不造成围岩松弛的范围内。众所周知隧道开挖后必然会引起各种变形的发生，但如果仅仅是弹性变形，是容许的，即使发生塑性变形，只要不造成围岩松弛，也是容许的，容许这些变形的发生，也就是利用了围岩自身的支护效应。但如果变形超过这个范围，围岩会发生松弛，松弛的后果就可能出现各种预料得到的和预料不到的问题。,全位移值的概念,一般说，围岩的全位移量，包括掌子面到达前的围岩（先行位移）和掌子面通过到量测开始间的位移（初始位移）以及掌子面通过后的位移（量测位移），如图5所示。全位移值，也就是坑道开挖后在无支护条件下的最大可能的变形值。,也就是说，支护设置后必须把全位移值控制在容许变形值范围之内。因此，必须建立全位移值与量测位移值之间的关系，才能够根据量测位移来控制全位移值。从图5 可以看出，目前我们量测到的位移仅仅是全位移值的一部分，如何从量测位移转换为全位移值是目前量测中要解决的问题之一。也是理论上、应用上要解决的一个问题。由图可知全位移值先行位移值初始位移值量测位移值容许位移值全位移值/k（K：安全系数）由此可知，要决定容许值，首先必须知道先行位移值和初始位移值是多少。一般说这两个位移值，我们目前的量测方法，是无法量测到的。因此，只能通过大量的量测数据的统计分析加以确定，但离散性也是很大的。这是日本采取的主要方法。另一种方法，就是采用理论解析方法予以确定。虽然可以预计出全位移值，但其可信性，比用统计方法更离散。最后就是用经验的方法，也许比较现实。但经验方法也要有统计数据和理论解析的支持，这是一些规范、指南中采用的方法。比较可靠的方法是实地量测，这也是目前量测,三、控制变形的对策,控制变形的对策主要包括：维护掌子面稳定的对策和保护周边环境的对策两个方面。控制掌子面稳定对策 拱顶稳定 掌子面挤出位移 脚部下沉 掌子面前方先行位移 掌子面后方位移保护周边环境对策 地下水 地表面下沉 近接结构物影响,四、主要控制变形对策,根据表3-1，主要说明下述控制对策的特征及其应用1）控制先行位移的技术超前支护；2）控制掌子面挤出位移的技术掌子面补强；3）控制脚部下沉的技术脚部补强；,31 超前支护,开挖前对需要采取拱顶稳定对策及抑制地表面下沉、净空位移对策的围岩，采取的防护和强化掌子面前方围岩的对策，称为超前支护。此工法适用于开挖土砂围岩和岩堆地段、断层破碎带等场合和隧道接近铁道、道路、其它结构物等施工的场合。超前支护大体上可以按构造分类，分为利用隧道纵向刚性的梁构造和利用横向刚性的拱形构造两大类（图3-1）。梁构造可分为采用钢管、钢棒系材料的工法和高压喷射改良围岩的工法2种。同时，过去在岩堆地段和断层破碎带等不良围岩中，多把开挖断面分割为小断面进行开挖，但最近由于机械大型化和新材料及新工法的实用化，亦可采用超前支护与一般区间采用同样的施工机械、支护材料及断面的施工事例逐渐增多。超前支护的分类列于表32。由于超前支护材料、使用机械、设备、地质条件及一次打设长度等，各具特色。为此选定超前支护时，要选定适合地质条件和周边环境条件，而且经济的工法。,表3-2 超前支护的种类和特征,1）短超前支护（小导管）,短超前支护是在开挖前沿拱顶外周斜向打设小于5m的钢筋、钢管等，确保掌子面稳定的工法。其类型大体上有表33所示的三种。,表33 短超前支护的种类,我们通常采用的小导管是短超前支护的一种类型。小导管是在开挖前向掌子面前方的拱部，斜向打入长5m以内的钢棒、钢管等，打设范围是隧道中线左右各60，计120左右，每一次掘进后打设。但视崩落规模和位置，范围和间距可以调整。锚杆的锚固可用砂浆充填，但孔壁不能自稳的场合可采用自钻后充填式的锚杆。在固结度低的砂质围岩等，也可采用单管和铁插板，用打击力打入，确保拱顶稳定的方法。小导管按充填方法有如下的不同方式。充填式、非充填式小导管（图32）沿掌子面上半断面的拱部外周以3060cm间隔斜向打入钢筋、钢管等，以增加拱顶的抗剪强度防止前方围岩松弛的工法。充填式是向孔内充填砂浆，插入头部加工成圆锥状的异形棒钢是最一般的方法。非充填式是用摩擦锚固式的钢管膨胀型锚管作为小导管的工法，具有使裂隙咬合，压密围岩的效果。,注浆式小导管（图33）与充填式小导管同样，打设中空锚杆和钢管的同时用压力注入超速凝的水泥浆和尿烷等，提高拱顶稳定性的工法。施工时视掌子面状况，能够容易地设定锚杆的打设根数和注浆量、注浆压力等，是比较有效率的工法。注浆式小导管有钻孔后插入注浆式锚杆进行注浆的方法和孔壁不能自稳的场合采用钻孔和注浆用同一锚杆的自钻式工法。此工法一般作为隧道洞口段（或者埋深小的区间）防止拱顶崩塌、崩落的对策，多在对策的初期阶段采用。在想提高拱顶及掌子面稳定性的场合也多与掌子面喷混凝土和掌子面锚杆并用。,由于开挖前向前方围岩斜向打设小导管，可提高拱顶附近围岩的抗剪强度，防止前方围岩的松弛。此工法一般可作为拱顶崩落的对策，在对策的初期阶段采用。根据掌子面观察结果，认为拱顶有小规模崩落的场合，采用此工法是有效果的。多适用于节理、层理、片理等不连续面多的中硬岩、软岩等。因为锚杆的刚性和长度都比较小，在松弛区域大、或掌子面前方松弛的场合、涌水多，充填、锚固困难的场合，以及锚杆间不能确保围岩一体性的场合是不适用的。本工法因为采用通常的设备就可以施工，机械设备的适用范围广，对施工循环影响比较小。除小导管以外，日本在许多隧道中，广泛地采用了不同类型的短超前支护。,压入式短钢管超前支护（图34）压入式短钢管超前支护，是在隧道拱顶附近的地质是软弱的场合，作为掌子面稳定对策而采用的，把48.6mm、长23m的钢管以200300mm间隔，用钻孔台车的钻机压入的工法。,钢管钢背板超前支护钢管钢背板压入打击工法是在隧道拱顶附近的地质是软弱的场合作为掌子面稳定对策而采用的，如图35、照片31所示，把装备有轻型钢背板的65mm的钢管，搭载在钻孔台车的导向槽上，用钻机的压入力和打击力打设到掌子面前方的工法。钢管的目的是使钢背板形成一个连续的拱形构造，从而起到导向的效果、提高超前支护刚性的效果及固结钢管外侧围岩的效果。钢背板比注浆式的改良体的刚性大，能够确实地形成拱形构造和使周边围岩固结的作用。,图36是采用钢管钢背板工法区间（埋深7.5m）的地表面下沉分布。,插板法这是日本在城市土砂围岩的浅埋隧道中，广泛采用的一种方法。施工证实，这是一个超挖少，围岩没有松弛的、可以用于任意断面形状的开挖方法。在土质隧道施工中，插板法可以根据地质、埋深、地表结构物等进行设计。设计出适合周边环境和能够正确推进的插板和稳定机构。其推进千斤顶的推力是10t/台，可以人工操作、连续作业。此法一直到目前，在城市矿山法隧道施工中应用插板法是与盾构法类似的工法。盾构法是用盾构机推进的，插板法则是用一种特殊构造的插板，用千斤顶压入围岩中的，在插板的防护下，一边开挖，一边支护、衬砌的方法。但与盾构法比较，设备简单、造价低。插板法的概况示于图38。,2）中、长超前支护中、长钢管超前支护沿开挖断面的外周向掌子面前方的围岩，呈拱形配置长512m的钢管，起到掌子面稳定对策、地表面下沉对策的效果的工法。一般说，超前支护的钢管多采用100140mm、钢管壁厚为611mm，打设角度是410打设范围取以拱顶为中心约120左右。搭接长度为3.5m（图314）。但视围岩条件和地表结构物的位置关系，角度更有效果的配置。此工法有使用专用机械设置的方法和用钻孔台车施工的方法。能够用钻孔台车施工的工法有扩宽开挖断面，使钢管插入角小的扩宽工法和以10左右角度打设钢管的无扩宽工法。此无扩宽方式，因开挖线内侧的端末管是采用易于切断的塑料管和有切槽的钢管，使开挖成为可能。为此，与扩宽方式比较，能够抑制开挖数量和喷射混凝土数量。但其反面，是钢管距开挖面的距离大，在切出区间，事实上超前长度几乎处于不能确保的状态，围岩有可能剥落等，采用时要加以注意。钢管周围的围岩用压力压注水泥浆和化学浆液，使钢管和压注材料成为一个改良体，来补强围岩。一般说，压注材料对粘性土主要是填充钢管周边的空隙，多采用水泥系材料，对砂质土和砾石土主要是向钢管间的围岩进行渗透压注以改良围岩，多采用化学浆液等材料。为提高拱顶和掌子面稳定性的场合，也可向掌子面喷混凝土和打掌子面锚杆。,长钢管的刚性大，有梁的效果和钢管间的围岩因注浆有改良围岩效果，因此超前支护的效果高。对前述的小导管以防止拱顶崩落和小规模崩塌为主的工法来说，此工法可提高拱顶的稳定性外，也能够期待抑制地表面下沉和松弛的效果。注浆材料与注入式小导管相同，应根据围岩、涌水状况和注浆材料的特性等选定。本工法作为拱顶稳定对策是一个可靠性高的工法，注入式小导管不能对应的场合，可以采用。在全断面开挖中，由于掌子面暴露的面积大，当需要采用超前支护稳定掌子面时多采用长钢管超前支护。,日本规定的长钢管超前支护的参数如下：钢管直径：.（76.3114.3mm）设置范围：（）设置角度：（1）纵断方向注浆长度：12.5（5.517.5m）搭接长度：.（1.01.75m）超前残余长度：.（.）设置间距：（36）标准设计断面示于图315。,本工法比前述的小导管，是规模比较大的对策，适用于不连续面非常发育的围岩或者强度小的软岩、破碎带和土砂围岩、埋深小的洞口段和河谷段，需要抑制地表面下沉的场合等广泛范围的地质条件。本工法可采用隧道用凿岩台车，也可采用图3-16的专用机进行施工，不需要特殊的作业人员，但1个施工循环中需要的时间较长。由于安全性高，可提高开挖效率，比在长区间采用小导管工法，无论是工期还是工费都是有利的。,水平喷射注浆方式水平喷射注浆方式是中等长度超前支护的主要方式，日本规定的标准参数如下：喷射改良体直径：600（600800mm）设置范围：120（120180）设置角度：5（510）纵断方向改良长度：10（6.013.0m）搭接长度：1.0（1.03.0m）超前残余长度：4.0（3.04.0）设置间距：600（400600）标准设计断面示于图317。,目前，由于技术的发展，水平旋喷注浆工法也有向更长的方向发展，如采用从专用机械的钻头前端进行喷射、搅拌，在掌子面前方的隧道外周形成一个连续的1015m长，具有单轴抗压强度512N/mm2的柱状的改良体，来抑制地表面下沉（图3-19）根据地质条件，造成的直径从30cm到1.5m左右，考虑从洞内的施工性，一般取60cm。根据围岩条件造成直径是不同的，因为也有不能形成圆形的改良体的情况，施工时事前要进行试验施工，决定改良体的规格。为了在隧道纵向和横向都能够形成一个强度均匀的拱形构造，改良体，基本上要联接在一起。打设间隔要在改良体直径以下。打设角度，从施工性看多取5左右，打设范围以拱顶为中心取120180范围。与超前支护比较因为具有隧道横向拱的效果，有向更大范围打设的趋势。适应地质条件，因高压喷射能够切割的范围是有限的，因此以土砂围岩为主体。此工法因是向未开挖的围岩喷射流体搅拌，形成固体前围岩会有暂时的不稳定。因此，掘进速度和施工步骤要结合围岩条件，注意不要出现先行位移等。,管棚法管棚法是在隧道开挖前沿隧道外周用钻机设置水平的钢管而后在钢管内外充填砂浆的工法。是抑制洞口、拱顶稳定和先行位移、地表面下沉及保护周边环境的一种方法。采用的钢管比一般钢管直径大，控制地表面下沉的效果很高（图320）。一般采用的钢管直径约84mm，施工长度约30m，施工范围在拱部120左右，打设间隔约30cm。,此工法多用于在隧道正上方有道路、铁道、建筑物等作为防止地表面塌陷的对策。此工法需要设置反力壁等比较大的临时设备，施工速度也比较慢，要很好地考虑施工条件、隧道的工期等选定。近年为了长距离施工，也有采用1000mm以上的大口径钢管的事例，而方向控制采用小口径的掘进机进行。钢管外侧的压注如不充分，就不能充分发挥其效果，要加以注意。钢支撑要确实地支持钢管，同时也要抑制钢支撑的下沉。此工法钢管施工中的下沉可能比隧道施工中的下沉还大，因此在施工管理上，管棚施工时一定要把对围岩的影响控制在最小范围内。过去都是在城市及其周边的住宅区等建筑物、道路和铁道等交通设施、地中结构物等重要结构物的正下方，从两端用钻机插入钢管的管棚工法，但近年由于特殊钻头的开发，可以采用双重管在隧道洞内插入长钢管的管棚工法（如AGF工法等），作为隧道洞口段的控制对策被广泛采用。管棚工法因是插入比较大的钢管，对抑制地表面下沉是最可靠的工法，适用范围比较广泛，如填土、岩堆、垆坶等各种未固结围岩。,一般说，管棚工法的施工范围，多在洞外设置基地，而后以图321所示的管棚前端到终端再加上松弛范围（35m）的区间。管棚的配置形状如图322所示的各种形状，要根据地形、围岩性质及地表面或地中的结构物等位置关系选定。管棚的配置间隔应考虑以下情况决定。地层性质（凝聚力、粒度、强度、裂隙、地下水）；荷载（埋深、上覆荷载）；水平钻孔的施工精度（孔弯曲程度）；隧道开挖方法（留核心土、支护间隔）。,32、掌子面及脚部的围岩补强,开挖过后对易于产生掌子面不稳定和脚部下沉的围岩，应对掌子面及脚部的围岩进行补强。隧道开挖时，在掌子面和周边围岩的稳定性有问题的围岩中，因围岩的承载力和刚性不足，支护的脚部会产生下沉。由此也会使松弛区域扩大、影响到拱顶附近，使作用荷载增加，隧道周边发生较大变形，而导致隧道稳定性显著降低。对此，要进行以稳定支护脚部围岩为目的的脚部围岩补强。脚部围岩补强有以减少接地压力为目的的对策（加肋钢支撑等）和以增强脚部承载力为目的的脚部补强（脚部锚杆、水平锚管等）。目前，加肋钢支撑，在埋深小，松弛荷载作用，承载力不足的隧道采用较多。,1）掌子面补强（掌子面锚杆、掌子面喷混凝土）掌子面喷混凝土以防止小崩落和岩块落下为目的，开挖后向掌子面喷射厚510cm的混凝土，由于防止了掌子面初期的崩塌和抑制了松弛，而提高了掌子面的稳定。特别是，洞口段和埋深小的地点，掌子面多数是不稳定的，一般适用于掌子面喷混凝土（图323）。掌子面喷混凝土的施工，开挖后要尽早进行，对防止初期崩落和约束掌子面是有效果的。围岩差的场合，因开挖，掌子面会挤出，应避免无支护状态放置掌子面。施工时，即使掌子面是稳定的，在开挖作业长时间停止的场合，为防止停止期间的掌子面劣化和围岩松弛，采用掌子面喷混凝土也是有效果的。,掌子面锚杆有一次打设长度5m以下短锚杆和5m以上的长锚杆。前者以防止小崩落和岩块掉落为主，后者主要是抑制先行位移为主。在接近重要结构物的场合也是有效的（图324）。,长掌子面锚杆的长度是1020m，在孔壁能够自稳的场合，采用能够接续的FRP锚杆。但是需要掌子面锚杆的围岩多数的孔壁是不能自稳的，因此可采用直径80mm左右的FRP管用钻孔台车打设双重管钻孔进行施工。由于锚杆的组合效果和围岩补强效果（抗剪强度）等，提高了掌子面的稳定性、抑制了掌子面的挤出和松弛区域的扩大。本工法在只用掌子面喷混凝土不能确保掌子面稳定性的场合，可以并用，其次也可与拱顶稳定对策并用。因此，在认为掌子面有挤出的膨胀性围岩、不连续面非常发育的或强度小的软岩、破碎带和土砂围岩等掌子面自稳性低的围岩中采用。长掌子面锚杆的效果和适用性基本上是相同的，但因能够约束掌子面前方先行位移和挤出位移，提高稳定性的效果比较高。施工设备基本上可以采用通常的设备，但进行周边围岩改良的场合需要采用简易的注浆设备。此外，长掌子面锚杆（FRP管双重管钻孔类型）需要专用的钻杆。但是，不管那种都不需要特殊的作业人员。施工循环时间，与长度和根数有关，打设作业时间比较长，特别是长掌子面锚杆，1根的打设时间长。长掌子面锚杆，为减少根数和打设作业的次数，在长区间内施工时要进行充分的研究。,表35 玻璃纤维锚杆的规格（日本）,3）长掌子面锚杆是在掌子面进行长1020m的钻孔，主要打设玻璃纤维锚杆的工法（图3-26）.前面所述的锚杆是针对掌子面表层崩塌在12m的，本工法以约束掌子面前方围岩，在开挖前抑制围岩的先行位移及抑制更大规模的崩塌为目的的。本工法锚杆插入后进行注浆，多采用后充填方式。施工可用通常的台车进行，但考虑孔的弯曲等，事前应考虑钻孔精度设定钻孔长度。根据日本的研究结果，掌子面锚杆的应用打设根数如下。掌子面锚杆多在变形系数200MPa以下及埋深40m以下的围岩中采用围岩条件与打设根数无关；锚杆的平均打设密度是0.51根/m2，与围岩条件及锚杆材质无关；,3）改变掌子面的形状,英国最近在几座铁路和公路隧道中。为了提高掌子面稳定性和作业人员的安全，采用倾斜的掌子面进行开挖，取得了良好的稳定效果。其施工步骤示于图18。,图18斜掌子面的施工步骤,图19是不同形状掌子面的解析结果一例。塑性区的比较 位移分布的比较,4）脚部补强隧道开挖中，在掌子面和周边围岩的稳定有问题的围岩中，也会出现围岩承载力和刚性不足，支护脚部周边出现下沉的情况。伴随此现象，会出现松弛区域扩大、造成拱顶作用荷载增加，围岩出现大变形等隧道稳定性显著降低的情况。对此必须对初期支护的脚部围岩进行补强。图327是采取稳定上部脚部的对策（临时仰拱、扩大带肋支撑等）和增强脚部承载力的脚部补强（脚部补强锚杆、脚部支持钢管等）的施工例。,（1）上半断面脚部稳定对策临时仰拱临时仰拱是以开挖过程拆除为前提的，在上半断面和侧导坑等的底部设置作为支护构件的仰拱。临时仰拱，在地表面下沉大，围岩承载力不足的场合和净空位移大，位移速度增加的膨胀性围岩中采用的工法。临时仰拱是能够形成早期闭合的壳体构造、管状构造，抑制了拱顶下沉、净空位移，作为隧道构造能够获得暂时稳定为目的的工法。此工法，能够根据量测结果及掌子面状况施工，具有比较高的效果，但上半断面的临时仰拱，在下半断面施工时，要拆除，很费事，作业效率也低。此外，拆除临时仰拱时会产生很大变形，事前要仔细进行研究。如图328所示，在掌子面附近的上半断面的底部喷射混凝土使断面早期闭合的方法。本工法有在上半断面设临时仰拱和在辅助台阶的全断面法中在仰拱部喷射混凝土早期闭合的方法。仰拱部，根据情况可与钢支撑或横撑并用。分割隧道断面使之早期闭合，防止下沉和变形，由此产生的抑制松弛的效果，提高了拱顶、掌子面的稳定性。其次，也有防止因涌水造成的作业地面的泥泞和脚部围岩的劣化的效果。早期闭合的效果是很大的，为使应力传递好，仰拱应具有适当的曲率。本工法用通常设备可以施工是比较简便的工法，机械设备的适用范围也广，采用比较多。但是，掌子面的开挖、喷射作业和下半断面开挖时的上半断面临时仰拱拆除等，对施工循环时间有影响。,临时仰拱是以开挖过程拆除为前提的，多在上半断面和侧壁导坑等底部设置支护构件。临时仰拱多在地表面下沉大、围岩承载力不足的场合、和净空位移速度大的膨胀性围岩中采用。临时仰拱因能够早期闭合形成壳体构造，可以作为抑制隧道净空位移的暂时的构造而发挥作用。在膨胀性围岩中因施做临时仰拱能够把净空位移速度降低1/31/5左右。,扩大脚部的方法为扩大上半断面钢支撑脚部的支持面积，可采用带肋钢支撑和加厚脚部喷混凝土的方法。图330是带肋钢支撑例。带肋钢支撑有底部水平（类型1）和具有角度（类型2）的2种类型。图330带肋钢支撑例由于扩大了上半断面的支持面积，补足了脚部围岩的承载力，具有防止下沉抑制松弛的效果，从而提高了掌子面的稳定性，本工法，作为脚部稳定对策是一个很简便的工法，但要采用带肋钢支撑。本工法因可用通常设备施工，机械设备的适用范围也广，对施工循环时间影响也小，因此采用比较多。支护脚部扩宽也可采用脚部喷射补强混凝土的方法，除扩大支持面积外，在纵向形成一个连续的梁。如图331所示。脚部补强混凝土，是在上半断面脚部以1m左右的宽度，连续喷射混凝土，扩大支持面积，抑制直接下沉的同时，也具有隧道纵向梁的效果。也可以用于洞内脚部下沉大的应急对策。,（2）脚部补强脚部补强工法有：向支护脚部围岩注浆、设置锚杆和桩等补强以及防止下半断面开挖时围岩崩塌等工法。其分类示于表36。,表36 脚部补强法,由于进行脚部补强，使集中在脚部 荷载分散到周边围岩，同时提高了脚部围岩的强度和变形特性，能够抑制围岩的破坏和变形。此外，也有抑制剪切变形和抵抗水平力的效果。脚部补强效果示于表37和图332。,图332脚部补强效果概念图,表37 脚部补强的效果,采用脚部补强工法时，首先应决定适合围岩条件的施工方法（钻孔和注浆方法、施工机械等）、施工模式（打设长度和打设间隔等）及注浆（注浆用的钢管直径、方法等）。构筑脚部补强方法的适用地质条件列于表38。,表38 按钻孔、注浆方法决定的构筑脚部补强方法的地质条件,脚部补强的对策，不管哪一种，都是针对上半断面的方法。因支持脚部的地基承载力不足引起很大下沉的场合采用的。适用于围岩强度小的软岩、破碎带和土砂围岩。抑制地表面下沉的场合采用的。,本工法，在锚杆的场合，可采用通常设备，在锚固桩的场合要采用专用的打设机械。对施工循环时间的影响，因在掌子面附近早期施工，影响大些。此工法把集中在脚部的荷载传递、分散到周边围岩，同时也提高了脚部围岩的强度和变形特性，就能够抑制围岩的破坏和变形。此外，也有抑制剪切变形和抵抗水平力的效果。但是，采用此工法时，由于施工过程的机械振动和钻孔水等的影响，会导致脚部周边围岩泥泞化，同时也会使围岩松弛。因此，施工时要考虑施工机械发生的振动和施工时的临时排水设施，而不使周边围岩发生泥泞化的措施。采用直线型锚杆或锚固桩的事例示于图334。,由于钻孔技术的发展，日本在埋深为0.15D1.8D、凝灰质的堆积物的地质条件下，采用了弯曲钻机设置弯曲形脚部钢管桩（图335）控制钢支撑的下沉的技术，其效果极佳。与超前支护一样，在隧道开挖的应力释放前进行补强是最有效的。因此作为一项新技术，采用曲线钻孔机械，以弯曲钢管作为套管，在预计掌子面的后面钻设下一次钢支撑的支持桩的方法（图332）。,脚部注浆、水平旋喷注浆是向支护脚部附近的围岩注浆补强，分散支护设置地点的荷载和注浆承载力及防止下半断面开挖时围岩崩落的工法、上半断面脚部围岩注入能够设定胶凝时间的超微粒子水泥浆和尿烷系药液，对围岩改良的工法。有从掌子面改良前方围岩的方法和开挖后改良脚部围岩的方法。但为发挥开挖过后的效果，前者是比较有效的。脚部围岩改良效果是补足地基承载力不足，抑制因下沉引起的松弛。此外，下半断面开挖时也有提高侧壁围岩稳定性的效果。在砂质围岩中，因涌水脚部围岩可能降低的场合，本工法是有效的。本工法的设备只需要简易的注浆设备，但钻孔、注浆作业对施工循环时间有一定影响。,水平钢管是在隧道脚部附近的地质软弱场合抑制下沉的对策。水平锚管是水平或向下打设的6576mm，长2.755.0m的钢管，能够抑制下沉的工法。适用于围岩刚性比钢管刚性低的围岩的地点。水平锚管是在隧道周边没有支持层，不能获得锚管拉拔力的围岩中，也是替代锚杆的一种方法。承载力极端小的场合也可采用水平打设钢管钢背板工法。日本近期又开发出高承载力的脚部支持钢管工法。即在普通钢管上加工一些深约8mm的凹形槽，来提高充填材与钢管的附着力，进一步提高了控制下沉的效果。照片35是高承载力钢管系统概貌。,最近日本在东北新干线的4座隧道中，采用水平钢管和斜锚管来控制拱脚下沉，也有相当的效果。水平钢管的直径约6576mm，长度2.755.5m。图337是水平钢管的详图。总而言之，日本及国外对控制拱脚下沉的技术，极为重视。在隧道施工中，特别是在特殊地质、地形条件下，采用台阶法施工时，已经成为不可缺少的技术手段。我们的经验也充分证实了这一点。,33、加强初期支护的对策,在“先支后挖”的场合，除了用超前预支护控制掌子面挤出位移和掌子面前方的先行位移的同时，也要加强对掌子面后方变形的控制。控制掌子面后方变形的基本方法仍然是用加强的初期支护的方法。目前，加强初期支护有两种做法，一种是加大喷混凝土的厚度、加密钢架间距或者缩小锚杆间距；另外一种做法是改变喷混凝土的性能、提高钢架的规格和采用抗拔力大的锚杆。我们目前主要采用前一种做法。国外则主要采用后一种做法。显然，后一种做法是符合技术发展的要求的。,下面举例说明在大断面隧道施工中，加强初期支护的事例。日本第2东名高速公路隧道是按三车道设计的，其开挖断面积最大达200m2。鉴于大断面隧道如果仍然采用一般隧道的支护结构，必然会加大开挖断面积、从而延长工期和增加成本。为了解决这个问题，日本从修建第2东名高速公路起，就开始研究对策。研究和实践获得如下的成果。,1）喷混凝土的高强度化主要研究高强度喷混凝土和钢纤维喷混凝土。,表311 高强度喷混凝土的规格（MPa）,2）高承载力锚杆在清水进行了表312的试验施工。从试验施工结果看，第1组的施工循环、成本最理想。第3组最差。因此，把第1组作为标准组合。表312 高承载力锚杆的试验施工组合,3）高规格钢支撑采用了与过去钢材有相同延伸率的，抗拉强度590N/mm2、破断延伸率17以上的高规格钢支撑。钢支撑的规格列于表313。,4）二次衬砌 同样地，二次衬砌也采用高强度混凝土。根据试验，二次衬砌的混凝土的强度等级从18N/mm2提高到30N/mm2。其结果是，采用18N/mm2时的衬砌厚度在BD2级围岩中，为50cm，在D级围岩中为60cm，而采用30N/mm2时相应的厚度分别为40cm和50cm,减少了10cm。,5）施工方法的研究 在总长度83km的隧道中，用台阶法修建了80的隧道。台阶法已经成为修建大断面隧道的主流方法。另外一种方法就是中央导坑超前开挖法。因此，第二东名高速公路隧道施工取得了以下结果。净空断面积：约150m2开挖断面积：最大200m2采用高强喷混凝土：比采用普通喷混凝土的厚度，减少30；锚杆采用高强锚杆（设计承载力28kN)，锚杆数量减少30；采用高规格钢支撑（HH154）；二次衬砌采用高强喷混凝土，设计厚度减少10cm不设变形富余量。,1）喷混凝土初期支护技术的发展的重要方面是喷混凝土技术的发展。因此，在加强初期支护时，也主要是加强喷混凝土的功能，具体地说，就是加强喷混凝土的初期强度和初期刚性。众所周知，喷混凝土的强度和刚性是可以改变的。也就是说，我们可以根据开挖后围岩变形的实态，来改变喷混凝土的强度和刚性，来控制其变化。对控制掌子面后方变形的基本要求是：控制初期变形速度。一般说在“先支后挖”场合，初期变形速度是比较快的，如果能够控制其变形速度，就可以控制最终的变形值。一般说初期变形速度是指开挖后1天的变形值。因此对喷混凝土1天的初期强度就提出了不同的要求。喷混凝土的刚性，喷射过后是不大的，而隧道发生的净空位移则是在短时间发生的。两者的关系，即隧道掘进速度和喷混凝土的硬化速度（刚性增进速度）的关系，决定了喷混凝土赋予围岩的支护反力。根据日本学者的研究，伴随掌子面掘进的围岩变形，是随掘进速度和喷混凝土的刚性增进速度而变的。图338充分说明了这一点。,因此，在“先支后挖”的场合，最好采用3小时初期强度能够达到10MPa以上的喷混凝土。其次，当需要增加喷混凝土厚度的场合，应采用不增加厚度的纤维喷混凝土。日本在这方面已经获得不少成果，如在北陆新干线鱼津2号隧道进行的短时间高刚性喷混凝土的施工试验就是一例。,（1）短时间高刚性喷混凝土的目标值短时间高刚性喷混凝土的性能，以材龄3小时的刚性达到1520MPa以上为目标值。目标值是按单轴抗压强度1520MPa设定的。理由如下：此目标性能是以5m宽度的小断面隧道。一天掘进510m速度确定的；随着掌子面推进的净空位移的增加，其支护反力的增加机理的概念示于图60。在此图中，对通常喷混凝土和短时间高刚性喷混凝土的两种情况进行了对比。普通喷混凝土的场合，例如材龄23天才能够发挥其刚性效果，而为了补足最终的刚性不足，要加厚喷混凝土，与刚性增进速度配合的掘进速度一天约1m左右，掘进速度很低。掘进速度过快的场合，围岩的松弛范围也将过大，会损伤支护的健全性。因而在强大地压条件下采用的多重支护方法就是能够追随围岩变形而让支护刚性分阶段增进的方法。在同样地压条件下的短时间高刚性喷混凝土，例如在材龄36小时就能够发挥其刚性的效果，在一般厚度时，即使一天以510m的速度掘进，也能够发挥其刚性的效果。基于上述概念，设定短时间高刚性喷混凝土的目标值是材龄3小时为1520MPa。,施工试验中的喷混凝土强度的试验结果如下。（a）初期强度（10分钟强度）作为性能目标，主要着重材龄3小时的强度特性和弹性系数，但作为参考值，对10分钟、1小时、3小时材龄的强度进行拉拔试验。表318是拉拔试验得到的拉拔强度的结果。（）内的数值是乘以系数4的抗压强度的换算值。,表318 喷射后初期阶段的拉拔试验的拉拔强度由表可见，材龄10分钟的换算抗压强度达到14MPa以上，说明是瞬结性很好的喷混凝土。,（b）材龄3小时28天的强度和刚性根据施工现场制作的大阪喷射取样的试件进行的抗压强度试验结果列于表319。弹性系数的结果列于表320。,表319 喷混凝土的取样试件的强度特性,（c）长期材龄的抗压强度长期材龄的抗压强度如表321所示，没有出现劣化的征兆。,2）锚杆一般说，在采用超前预支护的场合，如注浆小导管、长钢管超前支护等，在其设置范围内的系统锚杆是可以取消的，因为其作用已经为超前支护所代替。但侧壁范围的锚杆，不仅不能取消，甚至还要加强。因为在“先支后挖”的围岩条件下，多数是侧压力比较大，而且需要控制拱脚下沉。因此，适当加长锚杆或改用水平锚杆都是有效果的。特别是在大变形条件下，采用长锚杆（612m）是很有效果的。在浅埋隧道或隧道洞口段，因为开挖易于引起隧道上部围岩的整体下沉，在这种场合，锚杆也起不到支护的作用，也可以取消，这已经为实践所证实。实际上，为了控制掌子面后方的变形，拱部系统锚杆也可以用大直径的斜向锚杆代替，其支护作用与我们的注浆小导管类似。日本在北陆新干线峰山隧道的预计发生大变形区间，曾试验采用钢管锚固体代替锚杆的方法，对控制变形获得一定效果。,峰山隧道以块状泥岩为主，围岩强度低而且具有膨胀性，预计可能发生大变形。因此，为了控制隧道的变形，采取了早期闭合的短台阶开挖方法。并确定以下原则：把500mm以内的变形控制在变形富余量以内；基本上采用短台阶开挖方法，并以刚性支护为主；采取具有刚性和承载力大的支护结构。基本构思是提高锚杆的刚度和韧性。其支护构造示于图342。此构造的蕊材采用钢管（直径：76mm；壁厚：4.2mm；材质：STK400）。此外，从隧道净空侧打入异形棒钢（直径：22mm；长度：1.5m）。用注浆使之成为一体。钢管的配置示于照片37。沿纵向向掌子面倾斜45配置。,根据实地拉拔试验的结果，图343表示出钢管单体、异形棒钢单体和两者复合构造的拉拔荷载与位移的关系。其刚性和承载力按钢管单体、复合构造和异形棒钢的顺序减少，而异