隧道岩溶专项施工方案.doc

中渡隧道岩溶预报、处治、监测专项施工方案

1 工程概况
中渡隧道进口进程DK451＋603，出口里程DK452＋327，全长724m。进口位于直线上，出口位于半径为5500m的右偏曲线上。纵坡为单面上坡，坡度为1.5‰。
中渡隧道位于中渡镇西侧，隶属峰丛地貌，地形起伏大，高程170～285m，相对高差5～115m，山体陡峻，自然坡度10°～40°。基岩裸露，坡面植被多为灌木。
主要地质为灰岩、白云质灰岩，其岩性为：浅灰、灰、灰白、深灰色，厚层～巨厚层状，隐晶质结构，块状构造，质坚硬。垂直节理发育，节理大多微张，延伸远，连通性好，内充填黄褐色黏土，方解石脉发育，岩体表面溶蚀现象发育，多发育小溶孔，山坡缓坡外多发育溶蚀峰林。地表岩体完整性较好，进出口段岩体较破碎。
水文地质特征：隧道区地表水以第四系孔隙水为主，主要由大气降水补给，富存于第四系孔隙之中，水量微弱，向洛江排泄；地下水以基岩裂隙水、岩溶管道水为主，主要由大气降水补给，水量微弱，沿基岩裂隙及岩溶管道向下排泄，最终向洛江排泄。
2 隧道不良地质——岩溶
2.1岩溶：隧道段内下伏基岩为灰岩，厚～巨厚层状，基岩表面发育小溶洞、溶沟及小溶槽。DK451＋914～DK451＋934段内右侧30～60m范围内发育一岩溶洼地，该洼地长轴约30m，短轴约15m，与基岩裂隙连通，为大气降水补给岩溶水的主要通道；DK452＋012右侧240～270m范围内发育一岩溶洼地，该洼地长轴约70m，短轴约30m，与基岩裂隙连通，为大气降水补给岩溶水的主要通道
2.2隧道进出口端发现多个岩溶形态，分述如下：DK451+610右侧40cm左右斜坡脚处发现一地下溶洞，该溶洞出水量大，供中渡镇约3000人使用，日出水量为1025m3/d，最小水量为840 m3/d；DK451+600右侧60m处有一溶洞，约3×1.5m见方，深约1.5m，水位稳定，水质较清，见鱼游动，雨季时水质浑浊。据访问，该地区下暴雨时，该处有水涌出，且溢出地面；DK451+685右侧200m处，为一小溶洞，隧道出口DK452+370右120m，为一溶洞，洞口呈近半圆形，底宽3m，高2m，后向S65E斜坡呈15度向下延伸，长约10m，宽约1-3m，高约2.5m，洞底为一水井，水井呈矩形，长约3m，宽约1-1.5m，水深1-2m，未见流动，仅供一住户使用，据调查，暴雨水位上升约为1m，枯水期无水，井底沿S50W（洞外）为一小溶隙；DK452+370右280m坡脚低洼处，为一消水溶洞，洞口呈正方形，边长1m，井口为灰岩，井深约8m，水位深0.5m。未见明显流动。
隧道穿过的山体为巨厚层状灰岩，产状倾向SE（线路左侧），倾角约30°～45°，地表岩溶形态发育，下部岩溶通道较发达，为大气降水向洛江等山下低洼处渗流提供了良好的渠道。从隧道山体进、出口之间溶洞水的径流条件分析，其线路标高以上基本无水平向浅部较大的岩溶管道相联通，即以垂直岩溶发育为主，总体看来，隧道区属岩溶强烈发育区。
3 岩溶隧道可能出现的问题分析
由于岩溶发育的控制因素错综复杂，发育的形态千姿百态，以及岩溶发育的不均衡性和不规则性，给岩溶隧道的设计施工带来一系列困难，特别是施工阶段的突水、突泥对施工安全和进度造成很大威胁。总结分析国内外隧道施工岩溶问题可分为三大类：
第一类：隧道施工中的突水、突泥问题；
第二类：隧道施工中顶板溶洞充填物陷落冒顶；
第三类：隧道施工中底板塌陷。
4 岩溶预报
4.1岩溶隧道超前地质预报的原则：
“内外兼顾，内为重；长短结合，短为重；直间并用，直为重；综合集成、长期预报”。以此确保岩溶隧道的施工安全。
4.2地面（洞外）地质调查法
这种方法的主要工作内容如下：
4.2.1弄清楚隧道线路经过地区可溶岩(灰岩、盐岩)，特别是强溶岩(纯灰岩、白云岩、盐岩)的地层层位、展布范围及所处的岩溶水动力分带。
4.2.2查明隧道线路经过地区及其邻近地区，在可溶岩特别是强溶岩中分布规模较大断层的产状及其与地表隧道轴线的相互关系;特别注意那些两条或两条以上断层交汇的位置(它们是侵蚀性地下水的有利通道)。
4.2.3查明可溶岩与非可溶岩接触界面的位置及其与地表隧道轴线的相互关系。
4.2.4结合上述有利于岩溶发育的岩层层位和构造位置，在大小封闭的洼地内，寻找大型溶洞或暗河的入口。
4.2.5根据断层产状或可溶岩与非可溶岩界面的产状，用地面地质界面法和投射公式，求得可能出现的大型溶洞、暗河与隧道的相互关系。
4.2.6查明暗河入口和出口的位置及标高，并结合可能成为暗河通道的较大断层或较紧闭背斜褶皱核部的位置、产状，推断暗河的大致通道，确定能否与隧道相遇或与隧道的大概位置关系。
4.2.7依据岩溶发育的分带性和隧道相对标高和季节变化，判断那些可能与隧道相遇溶洞、暗河的含水量;或推断那些不与隧道相遇的有水溶洞或暗河对隧道施工的影响程度。
4.2.8搞清隧道所在位置所属的构造体系和地表具体的构造行迹。
通过以上方法定性确定岩溶的空间分布，但此方法预报岩溶的精度远远满足不了隧道施工的具体要求，仅对具体预报的解释有指导意义。
4.3洞内掌子面岩溶探测方法
隧道掌子面的岩溶探测方法和地面（洞外）探测方法相比具有如下特点：
4.3.1可看到出露的岩体，与地面相比具有更多的已知条件；
4.3.2由于掌子面空间小，且要探测前方地质情况，因而，许多物探方法现场布置收到限制；如电极难以布置，地面的各种装置不能排布；线框大小受限，许多依靠线性的连续测量方法不能使用。
4.3.3掌子面通畅的干扰因素包括：各种电缆引起电性的干扰噪音、各种风钻、隧道施工机械的震动噪音等；
4.3.4预报的目的了解掌子面前方一定范围的岩溶地质情况，地面物探的许多方法是测试地下半无限空间场的分量，当需测试掌子面前方地质情况时失效。因此，能用掌子面预报的方法较少。
由于掌子面超前地质预报相对地面超前预报有许多的有优点，已知条件较多，精度相对较高。因此它是目前隧道施工超前地质预报的主要方法。
4.4长距离超前地质预报
长距离超前地质预报包括：隧道地震预报(TSP、VSP、TRT)、隧道电性预报、水平超前钻探等。
4.5短距离超前地质预报
地质雷达法、BEAM法、水平声波剖面法、陆地声纳法、红外探水法、超前平行导坑(隧道)法、水平钻速法、充电法、自然电位法、隧道及井巷电磁导弹超前预报技术、掌子面地质编录预测法。
掌子面超前地质预报常用方法
方法
内容
掌子面超前地质预报常用方法
TSP法
VSP
地质雷达
陆地声纳法
超前钻孔
地质编录
勘探范围
200m
100m
＜30m
＜30m
200m
10m（粗略）
勘探布置
掌子面50m
掌子面30～50m
掌子面
掌子面
掌子面
掌子面
勘探时间
1.5hrs
1.5hrs
1hrs
1.5hrs
240hrs
0.5hrs
解释人员
现场人员
专业人员
专业人员
专业人员
地质专业
地质专业
解释精度
精度高
精度高
精度高
精度高
精度高
精度较差
局限性
多解性
多解性
多解性
多解性
效率低、难度大
地质专业技术要求高
费用预算
200元/M
200元/M
300元/M
200元/M
1000元/M
50元/M
岩土力学信息
好（纵横波）
好（纵横波）
非直接类比
好（纵横波）
好
好
5 岩溶处治
5.1《铁路隧道设计规范》规定
穿越溶岩、洞穴的隧道，应根据空穴大小、填充情况及其与隧道的关系、地下水情况，采取下列处理措施：
5.1.1对空穴水的处理应因地制宜，采用截、堵、排结合的综合治理措施；
5.1.2干、小的空穴，开采取堵塞封闭；有水且空穴较大，不宜堵塞封闭时，可根据具体情况，采取梁、拱跨越；
5.1.3当空穴岩壁强度不够或不稳定，可能影响隧道结构安全时，应采取支顶、锚固、注浆等措施。
5.2《铁路隧道施工规范》规定
5.2.1岩溶地区隧道的施工，可采用下列技术措施进行处理：
5.2.1.1可采用暗管、涵洞、小型过桥或泄水洞等排水方法，将溶洞积水或暗河水排走。
5.2.1.2当不能排水，或由于溶洞规模大且溶洞填充物为含水量较大的岩溶泥时，可采用封堵的方法。当溶洞在隧道底部时可采用旋喷，在边墙及拱部时可采用注浆、管棚等，形成堵水墙（边墙）和防水帷幕（拱部）。
5.2.1.3对于停止发育、跨径较小，且无水的中、小型溶洞，可根据其与隧道相交的位置及其填充情况，采用干砌片石、浆砌片石或低等级混凝土进行填充。
5.2.1.4溶洞仅在隧道底部且较大较深，或者填充物松软不能承载结构物时，可采用梁或拱跨越，梁的两端或拱的拱座应置于稳固可靠的岩层上，必要时可用混凝土和石砌体加固。
5.2.2岩溶地区隧道开挖应符合以下要求：
5.2.2.1开挖方法宜采用台阶法。在Ⅱ、Ⅳ级围岩条件下，且溶洞尽穿过隧道底部一小部分断面时，可采用全断面一次性开挖。
5.2.2.2爆破开挖时，应采用超前钻孔探测。
5.2.2.3当隧道只有一侧遇到溶洞时，应先开挖该侧，待支护完成后再开挖另一侧。
5.2.3岩溶地区隧道支护和衬砌应根据溶洞情况予以加强。
5.3铁路规范规定的岩溶隧道的处治原则可总结为：“绕、截、排、堵、越与分部开挖，加强支护相结合”。
5.3.1绕：施工“绕”
施工中若遇到特大和一时难以处理的溶洞，为使工程不陷入停顿，可以增加出口作业面或用迂回导坑绕过溶洞区，一面继续进行施工，一面进行溶洞处理。
5.3.2截：“拦截地表水”
根据勘测资料和施工现场观测,当地表自然沟床,汇水洼地发现有溶穴、落水洞、漏斗、竖井等为隧道地下水补给来源，补给量随季节变化，则采用拦截地表水。如为自然沟槽，采用在溶穴、落水洞、漏斗、地表陷穴四周施作浆砌片石排水沟。如地表为一溶蚀封闭洼地，则可采用截水沟，泄水暗管，泄水暗管将水引到隧道渗泄区以外。
5.3.3排：“引排地下水”
当隧道掘进遇到溶洞有流水时，宜排不宜堵，首先应查明水源，涌水量，流向及与隧道位置的关系，采取以排为主，截引相结合的措施常年流量大的采用开凿泄水将水排除洞外，流量小的可采用拦截引排将水引入隧道排水沟内，排出洞外。
常年流量大的岩溶地下水，即隧道排水沟无法正常完全排走的水，隧道可设平行导坑排水。地下水出露在平导一侧，比较好处理，可自平导凿泄露水洞，将水引入平行导坑排走。当地下水出露在平行导坑的另一侧，则需将水排引到平行导坑一侧，再由平行导坑开凿至正洞的泄水洞将水引入平导排出至洞外。下面介绍地下水出露在平行导坑的另一侧排水情况：
当地下水出露在平导另一侧，拱顶上部，或隧道拱顶以上时,可在拱顶以上设渡槽，横跨隧道，将水引至平导一侧由泄水洞排至平导。渡槽两端置于拱顶以上的岩帮上，然后用竖向暗沟，将水引至泄水洞，再引入平导，排出洞外。
当地下水出露在平导另一侧，拱顶至隧底标高，可采用竖向间沟或在隧道衬砌范围外用浆砌片石拦水墙拦截地下水，当地下水出露较高时用间沟，出露较低时用拦水墙，然后用暗沟或暗管将水引至平导一侧，再由泄水洞排往平导排至洞外。
当隧道未设平行导坑时，其在隧道部位的处理方法，基本同有平行导坑，但泄水洞要选择适当位置将水排除至洞外。
一般涌水即利用隧道排水沟能正常泄排走的水。在隧道施工中常遇到的是一般涌水。仍以引排为主，其处理方法是：涌水在隧道顶上部出露的，采用在衬砌范围以外，拱部设渡槽和墙部竖向暗沟，将水引至墙脚外侧，在衬砌边墙脚留一暗洞或理设钢管将水引入隧道排水沟，当涌水出露在边墙部位，在边墙衬砌以外可设竖向盲沟或暗沟、将水引至边墙脚外侧，在边墙衬砌时，墙脚留一暗洞或理管将水引入隧道排水沟排出洞外。
5.3.4堵
5.3.4.1对已停止发育，径跨不大，无水或渗水较小量，可根据其与隧道相交的位置及其充填情况，采用浆砌石或砼回填封闭，并辅以适当的引排水。隧道防水堵水措施主要有三种方法：
第一，衬砌堵水：利用复合式衬砌或防渗混凝土防水；
第二、注浆堵漏：在衬砌背后注浆；
第三、超前预注浆堵水：在掌子面前方未掘进地段超前预注浆，利用浆液结石堵塞岩溶裂隙及通道达到暂时堵水的目的，赢得衬砌封闭的时间。
溶槽位于隧道拱部，横穿隧道且有水，但溶槽不大，有部分充填物。采用浆砌石回填封堵拱顶，其宽度至拱脚外2m，并在涌水侧，作竖向暗沟或盲沟，将水引入隧道排水沟。
溶洞位于隧道中部或一侧，仍采用浆砌石封闭，渗水引入隧道隧道排水沟。
5.3.4.2隧道穿过溶洞,下部为充填物,拱部以上空洞,可采用加强衬砌,拱顶以上设浆砌片石,浆砌片石以上设干砌片石封闭.如空洞过高,可视岩石破碎程度,对空穴岩壁可进行适当喷锚加固。下图为轿顶山隧道K58+167～K58+177一段,隧道洞身穿过溶洞充填物,充填物干燥紧密,拱顶为空洞的处理实例.衬砌改为Ⅰ类围岩,曲墙有仰拱,拱部增设钢轨骨架。
5.3.5越
当溶洞较深时,不宜采用堵填封闭的方法,可采用梁、拱跨越，但梁端或拱座要置于稳固可靠的基岩上，必要时用圬工加固。
隧道在不同部位遇到溶洞的跨越措施：
5.3.5.1当隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞，可加深该侧的边墙基础通过；
5.3.5.2当隧道底部遇有较大溶洞并有流水时,可在隧底以下砌筑浆砌片石支墙,支承隧道结构,并在支墙内套设涵管引排洞水。
5.3.5.3当隧道边墙部位遇到较大，较深的溶洞，不宜加深边墙基础时，可在边墙部位或隧底以下筑拱跨过。
5.3.5.4当隧道中部及底部预有深狭的溶洞时，可加强两边墙的基础。并根据情况设置桥台架梁通过。
5.3.5.5溶洞上大下小。并有部分充填物时。可将隧道顶部的充填物清楚。然后在隧道底部标高以下设置钢筋混凝土横梁及纵梁。横梁两端嵌入岩层。
5.3.5.6隧道穿过大溶洞，情况较为复杂时。可根据情况，以边墙梁及行车梁通过。
当隧道道边墙悬空时，设钢筋砼或钢轨托梁通过，隧道底部以钢筋砼梁通过，易于施工，质量可靠。
6 岩溶监控量测及信息化施工技术
6.1概述
隧道施工过程中使用各总类型的仪表和工具，对围岩和支护、衬砌的力学行为以及它们之间的力学关系进行量测和观察，并对其稳定性进行评价，统称为监控量测。
6.1.1隧道监控量测的必要性：
6.1.1.1隧道工程作为工程建筑物，受力特点与地面工程有较大的差别。
6.1.1.2隧道在开挖支护成形运营的过程中，自始自终都存在受力状态变化这一特性。
6.1.2施工监控量测的目的和任务
6.1.2.1通过监控量测了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化，判断围岩的稳定性、支护、衬砌的可靠性；
6.1.2.2用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把监测结果反馈设计，指导施工，为修改施工方法，调整围岩级别、变更支护设计参数提供依据；
6.1.2.3通过监控量测对施工中可能出现的事故和险情进行预报，以便及时采取措施，防患于未然；
6.1.2.4通过监控量测，判断初期支护稳定性，确定二次衬砌合理的施作时间；
6.1.2.5通过监控量测了解该工程条件下所表现、反映出来的一些地下工程规律和特点，为今后类似工程或该施工方法的发展提供借签，依据和知道作用。
6.1.3监测一反馈一调整模型（信息化施工）
由于岩溶地质条件的复杂性，岩溶发育的不规则性、复杂性，岩溶围岩的力学物性参数取直的困难，因此，一般数值分析结果并没有太大的实际意义。以监控量测和超前地质预报等为基础的信息化设计与施工时解决隧道施工期复杂岩溶地质问题的唯一有效手段，也所研究岩溶围岩力学特性的十分有效的方法。数值模拟方法与信息反分析法相结合，才具有真正应用上的实际意义，但至今为止，在国内现有文献中还没有利用信息化设计与施工的方法来综合研究具有复杂岩溶发育的隧道围岩的力学特性的报道，因此，信息化设计与施工在实际工程实践中应用效果是不理想的，特别是研究复杂岩溶围岩的稳定性问题。岩溶区隧道掘进要实现快速、经济、合理，必须设计与施工的高度统一、协调，必须重视地质、围岩变形等信息的采集，要充分利用收集到的信息进行分析和反分析、数值模拟与反分析法的充分结合。
通过对现场岩体位移与应力的监测反馈信息，直接利用现场监测信息进行数值反演分析，得到岩体的初始地应力与初始物理力学参数，为下以阶段的数值的数值预测分析提供可靠的前提条件，或为设计与施工提供具体定量参数。
6.2监控量测方法
1
洞内、外观察
现场观察、数码相机、罗盘仪

2
拱顶下沉
水准仪、钢挂尺或全站仪

3
净空变化
收敛计、全站仪

4
地表沉降
水准仪、铟钢尺或全站仪
隧道浅埋段

序号
监控量测项目
常用量测仪器
1
围岩压力
压力盒
2
钢架内力
钢筋计、应变计
3
喷混凝土内力
混凝土应变计
4
二次衬砌内力
混凝土应变计、钢筋计
5
初期支护与二次衬砌间接触压力
压力盒
6
锚杆轴力
钢筋计
7
围岩内部位移
多点位移计
8
隧底隆起
水准计、锢钢尺或全站仪
9
爆破振动
振动传感器、记录仪
10
孔隙水压力
水压计
12
水量
三角堰、流量计
13
纵向位移
多点位移计、全站仪
6.2.1必测项目之一——洞口、外观察
6.2.1.1施工过程中应进行洞口、外观察。洞内观察可分开挖工作面观察和已施工地段观察两部分。
6.2.1.2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、数码成像，填写开挖工作面地质状况记录表，并与勘察资料进行对比。
已施工地段观察，应记录喷射混凝土、锚杆、钢架变形和二次初砌等的工作状态。
6.2.1.3洞外观察重点应在洞口段和洞身浅埋段，记录在表开裂、地表变形、边坡及仰坡稳定状态，地表水渗漏情况等，同时还应对地面建（构）筑物进行观察。
6.2.2必测项目之二——周边收敛量测
隧道围岩周边各点趋向隧道中心的变形称为收敛。所谓周边收敛量测主要是隧道内壁面两点连线方向的距离的变形量的量测。收敛值为两次量测的距离之差。
6.2.2.1量测目的：
收敛量测是隧道施工监控量测的重要项目。周边位移是隧道围岩应力状态变化量直观的反映，通过周边位移量测可以达到以下目的。
1）、判断隧道空间的稳定性；
2）、根据变位速度判断围岩稳定程度和二次衬砌施作的合理时机；
3）、指导现场的施工。
6.2.2.2量测仪器：
目前隧道施工中常用的收敛计为机械式的收敛计和数量式收敛计。例：QJ-85型坑道周边收敛计；JSS30A型数显收敛计；SWJ-IV型隧道收敛计。
6.2.2.3测试原理
测试中读得初始数值Xo；间隔时间t后，用同样的方法可读得t时刻的值Xt，则t时刻的周边收敛值Ut即为的两次读数差。即
Ut=Lo-Lt+Xt1-Xto
式中：Lo— 初读数时所用尺孔刻度值；
Lt— 时刻时所用尺孔刻度值；
Xt1—时刻时经温度修正后的读数值，Xt1=Xt+εt
Xto—初读数时经温度修正后的读数值，Xto= Xo+εt
Xt—时刻量测时读数值；
Xo—初始时刻读数值；
εt——温度修正值；εt=α（To-T）L
α—钢尺线膨胀系列；
To—签定钢尺的标准温度，To=20℃
T—每次量测时的平均气温；
L—钢尺长度。
6.2.3必测项目之三——拱顶下沉量测
埋深较浅、固结程度底的地层，水平成层的场合，这项量测比收敛量测更为重要。
6.2.3.1量测目的：量测数据是确认围岩的稳定性，判断支护效果，指导施工工序，预防拱顶崩塌，保证施工质量和安全的最基本的资料。
6.2.3.2量测仪器：精密水准仪
6.2.3.3量测原理：第一次读数后视点读数为A1，前视读数为B1；第二次后视点读数为A2，前视读数为B2。拱顶变位计算方法如下：
1）、差值计算法：钢尺和标尺均正位（即读数上小下大）。
后视读数差 A= A2- A1
前视读数差 B= B2- B1
拱顶变位值 C=B-A C＞0 拱顶上移；C＜0 拱顶下沉。
2）、水准计算法：通过计算前后两次拱顶测点的高程差来求拱顶的变位值。钢尺读数上小下大，标尺读数下小上大，标尺基准点标高假定为KO。
第一次拱顶标高 Kd1=KO+A1+B1
第二次拱顶标高 Kd2=KO+A2+B2
拱顶变位值 C= Kd2- Kd1= A2- A1+ B2- B1
C＞0 拱顶上移；C＜0 拱顶下沉
6.2.4选测项目之一——围岩内部位移量测
6.2.4.1隧道围岩内部位移量测的主要目的是：
1）、了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围。
2）、判断开挖后围岩的松动区、强度下降区以及弹性区的范围。
3）、根据实测结果优化锚杆参数，指导施工。
5.2.4.2量测仪器：多点位移计
5.2.4.3测量原理
6.2.5选测项目之二——锚杆轴力量测
6.2.5.1量测目的
1）了解锚杆实际工作状态及轴向力的大小。
2）结合位移量测，判断围岩发展趋势，分析围岩内强度下降区的界限。
3）修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果
6.2.5.2量测方法和仪器
锚杆的轴向力测定按其量测原理可分为电测式和机械式两类。
其中电源式又可分为电阻应变式和钢弦式。
电阻应变式和机械式是通过量测锚杆不同深度处的应变（或变形），然后按有关计算方法转求应力。
钢弦式是通过测定不同深度处传感器受力后的钢弦振动频率变化，转求应力，其工作原理见本章的弦测法原理。
6.2.6选测项目之三——围岩压力及两层支护间压力量测
隧道开挖后，围岩要向净空方向变形，而支护结构要阻止这种变形，这样就会产生围岩作用与支护结构上的围岩压力。围岩压力量测，通常情况下是指围岩与支护或喷层与二次衬砌混凝土间的接触压力的测试。
6.2.6.1目的：了解围岩压力的量值分布状态；判断围岩和支护的稳定性，分析二次衬砌的稳定性和安全度。
6.2.6.2量测仪器与原理
接触压力量测仪器根据测试原理和测力计结构不同分为液压式测力计和电源式测力计。
弦测法原理：在传感器中有一根张紧的钢弦，当传感器受外力作用时，弦的内应力发生变化，随着弦的内应力改变，自振频率也相当地发生变化，弦的张力越大，自振频率越高，反之，自振频率越底。
6.2.7选测项目之四——钢支撑应力量测
一般在Ⅳ、Ⅴ级围岩中常采用型钢支撑；Ⅳ级围岩中常采用格栅支撑。通过对钢支撑的应力量测，可知钢支撑的实际工作状态，从钢支撑的性能曲线上可以确定在此压力作用下钢支撑所具有的安全系数，视具体情况确定是否需要采用加固措施。
6.2.7.1量测目的：
1）了解钢支撑应力的大小，为钢支撑选型与设计提供依据。
2）根据钢支撑的受力状态，判断隧道空间和支护结构的稳定性。
3）了解钢支撑的实际工作状态，保证隧道施工安全。
6.2.7.2量测元件：
目前使用较普通的型钢支撑应力量测多采用钢弦式表面应变计，格栅支撑应力量测多采用钢弦式钢筋应力计。
6.2.8选测项目之四——混凝土应力量测
混凝土应力量测包括喷射混凝土和二次衬砌摸筑混凝土应力量测。其目的是了解混凝土层的变形特性以及混凝土的应力的大小，判断喷射混凝土层的稳定状况；判断支护结构长期使用的可靠性以及安全程度；检验二次衬砌设计的合理性，积累资料。
6.3监控量测数据分析及信息反馈
6.3.1监控量测控制基准
6.3.1.1位移控制基准应根据测点距开挖面的距离，由初期支护极限相对位移按下表要求确定：
位移控制基准
类别
距开挖面1B（U.B）
距开挖面2B（U2B）
距开挖面较远
允许值
65％Uo
90Uo
100％Uo
注：B为隧道开挖宽度，Uo为极限相对位移值。
6.3.1.2根据位移控制基准，可按表4.5.4分为三个管理等级。
6.3.1.3地表沉降控制基准应根据地层稳定性、周围建（构）筑物的安全要求分别确定，取最小值。
位移管理等级
管理等级
距开挖面1B
距开挖面2B
Ⅲ
U< U1B /3
U< U2B /3
Ⅱ
U1B /3≤U≤2U1B /3
U2B /3≤U≤2U2B /3
Ⅰ
U>2U1B /3
U>2U2B /3
注：U为实测位移值
钢架内力、喷混凝土内力、二衬内力、围岩压力（换算成内力）、初支与二衬接触压力、锚杆轴力控制基准应满足《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）的相关规定
《铁路隧道设计规范》：
6.3.2采用分部开挖法施工的隧道应每分部分分别建立位移控制基准，同时应考虑各部分的相互影响。
6.3.3围岩与支护结构的稳定性应根据控制基准，结合时态曲线形态判别。
6.3.4一般情况下，二次衬砌的施做应该在满足下列要求时进行：
6.3.4.1隧道水平净空变化速度及拱顶或底板垂直位移速度明显下降；
6.3.4.2隧道位移相对值已达到总相对位移量的90％以上；
6.3.5监控量测数据分析处理
《铁路隧道设计规范》：
6.6监控量测数据分析处理
6.6.1.监控量测数据的分析处理应包括数据校核、数据整理及数据分析；
6.6.2.每次观测后应立即对观测数据进行校核，如有异常应及时补测；
6.6.3.每次观测后应及时对观测数据进行整理，包括观测数据计算、填表制图、误差处理等。
6.6.4监控量测数据的分析应包括以下主要内容：
6.6.4.1根据量测值绘制时态曲线；
6.6.4.2选择回归曲线，预测最终值，并与控制基准进行比较；
6.6.4.3对支护及围岩状态、工法、工序进行评价；
6.6.4.4及时反馈评价结论，并提出相对工程对策建议；
6.6.5监控量测数据可采用指数模型、对数模型、双曲线模型、分段函数经验公式等进行分析，并预测最终值
6.6.6监控量测信息反馈及工程对策
《铁路隧道设计规范》：
隧道设计
监控量测实施细则
隧道施工
监控量测
环境及工程安全性评价
环境及安全是否满足要求
调整设计参数，提出变更设计建议
报监理、业主、设计单位
变更设计
叛变基准
判断基准
判断基准
判断基准

判断基准

《铁路隧道设计规范》：
工程安全性评价分级及相应应对措施
管理等级
应对措施
Ⅲ
正常施工
Ⅱ
综合评价设计施工措施，加强监控量测，必要时采取相应工程对策
Ⅰ
暂停施工，采取相应工程对策
位移（应力）是否超过Ⅲ级管
监控量测结果

监控量测结果
否

位移（应力）是否超过Ⅲ级管
是 安全
位移（应力）是否超过Ⅲ级管
监控量测结果
监控量测结果
否 不安全

监控量测结果

6.6.7工程对策主要包括下列内容：
6.6.7.1一般措施
1）稳定开挖工作面措施；
2）调整开挖方法；
3）调整初期支护强度和刚度并及时支护；
4）降低爆破振动影响；
5）围岩与支护结构间回填注浆。
6.6.7.2辅助施工措施
1）地层预处理，包括注浆加固、降水、冻结等方法；
2）超前支护，包括超前锚杆（管）、管棚、超出前插板、水平高压旋喷法、预切槽法等。
6.7岩溶隧道监控量测及反馈施工特点
6.7.1围岩的变形特征
岩体：（rockmass）是指在地质历史过程中形成的，由岩单元（或称岩块）和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
岩体=岩石+结构面+环境
岩体结构类型划分表（引自《岩土工程勘察规范》GB50021-94.1995）
岩体结构类型
岩体地质类型
主要结构体形状
结构面发育情况
岩土工程特征
可能发生的岩土问题
整体状结构
均质、巨块状岩浆岩，变质岩、民有厚层沉积岩、正变质岩
巨块状
以原生生构造节理为主，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于1.5m，一般不超过1-2组，无危险结构面组成的落石掉块
整体性强度高，岩体稳定性，可视为均质弹性中向性体
不稳定结构体的局部滑动或坍塌，深埋洞室的岩爆。

块状结构
厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩
块状柱状
只具有少量贯穿性较好的节理裂隙，裂隙结构面间距0.7-1.5m。一般为2-3组。有少量分离体

整体强度较高，结构面互相牵制，岩体基本稳定。接近弹性各向同性体
层状结构
多韵律的薄层及中厚岩层状沉积岩
层状板状透视镜
有层理、片里、节理常有层间错动
接近均一的各向异性体，其变形及强度的特征受层面及岩层组合控制，可视为弹塑性体，稳定性差。
不稳定结构体可能产生滑塌，特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形
碎裂状结构
构造影响严重的破碎岩层
碎块状
断层、断层破碎带、片理、层理及层间结构面较发育，裂隙结构层间距：0.25-0.5m，一般在3组以上，由许多分离体形成
完整性破坏，整体强度很低，并受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质，稳定性差。

易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳
散体状结构
构造影响剧烈的断层破碎带、强风化带、全风化带
碎屑状颗粒状
断层破碎带交叉，构造及风化裂隙集，结构面积组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分岩块。
完整性遭到极大的破坏，稳定性差，岩体属性接近松散介质。
易引起规模较大的岩体失稳，地下水加剧岩体失稳
6.7.1整体状和块状岩体围岩
这类岩体本身具有很高的力学强度和抗变形能力，其主要结构面是节理，很少有断层，含有少量的裂隙水。在力学同性上可视为均质。各向同性、连续的线弹性介质，应力应变呈近似直线关系。这类围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有岩煽、脆性开型及块体滑移等。
6.7.2层状岩体围岩
这类岩体常呈软硬岩层相间的互层形式出现。岩体中的结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。层状岩体围岩的变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等因素控制，其破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。不同产状围岩的变形破坏形式如图所示，在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生的下沉弯曲、开裂。当岩层面较薄时，如不及时支撑，任其发展，则将逐层折断塌落，最终形成图（a）所示的三角形塌落体。在倾斜层状围岩中，常表现为沿倾斜放向一侧岩层弯曲塌落，另一例边墙岩块滑移等破坏形式、形成不对称的塌落拱。这时将出现偏压现象图（b）。在直立层状围岩中，当天然应力比值系数1/3时，洞顶由于受拉应力作用，使之发生沿层面纵向拉裂，在自重作用下岩柱易被拉断塌落。侧培则因压力平行于层面，常发生纵向弯折内鼓，进而危及洞顶安全图（c）。但当洞轴线与岩层走向有一交角时，围岩稳定性会大大改善。经验表明，当这一角交大于20度时，洞室边培不易失稳。这类岩体的变形破坏常可用弹性梁弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。
6.7.2.1碎裂状岩体围岩
碎裂岩体是指断层、裕曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。这类围岩的变形破坏形式常变现为塌方和滑动（图）。破坏规模和特征主要取决于岩体的破碎程度和含泥多少。在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，由于变形时岩块相互镶合挤压，错动时产生较大阻力，因而不易大规模塌方。相反，当围岩中含泥量很高时，由于岩块间不散刚性接触则易产生大规模塌方或塑性挤入，如不及时支护，将愈演愈烈。这类围岩的变形破坏。可用松散介质极限平衡理论来分析。
6.7.2.2散体状岩体围岩
散体状岩体是指强烈构造破碎、强烈风化的岩体或新近堆积的土体。这类围岩常表现为弹塑性、塑性或流变性，其变形破坏形式以拱形冒落为主。当围岩结构均匀时，冒落拱形状较为规则（图（a））。但当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，则常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式（图）。
6.7.3岩溶隧道监控量测特点
6.7.3.1支护段的安全监控。除了按现有规范规定进行安全监控外，对有溶洞或有暗河影响的位置坐特殊监控方案，加强安全监测。
6.7.3.2为施工提供信息化监控数据，反馈指导施工。
6.7.4岩溶隧道量测反馈施工特点
由于溶洞与隧道位置的几何关系的复杂性，岩体 力学参数的不确定性，故建议反分析手段采用数值分析手段。反馈施工的步骤如下：
6.7.4.1地质力学模型建立
6.7.4.2通过对没有岩溶影响的断面量测数据反分析围岩的岩体力学参数。
6.7.4.3通过超前预报手段理清溶洞的几何参数与力学参数。
6.7.4.4根据反分析得到的围岩的岩体力学参数、溶洞的几何参数与力学参数，运用数值分析的手段确定未施工段的加固方案。
7、岩溶隧道施工的简要评述
7.1地质条件的复杂性。不确定性
7.2人类的认识水平（勘测、设计、施工、预报）
7.3解决手段（施工单位）
7.3.1建立完善的项目管理体制（预报管理体制、监控管理体制、反馈管理体制）
7.3.2工（人员）：地质预报员（地质工程专业与物探专业），岩溶处治加固人员（地质工程专业、隧道专业、桥梁专业），监控人员（测量、隧道专业），反馈施工人员（地质工程专业、隧道专业、工程力学专业）。
7.3.3料、机：地质预报仪器（物探、钻进等），岩溶处治工具，监控仪器，反馈施工（反分析软件等）。
7.3.4严格按规定方案、规范规定施工，保证施工质量（执行）。
7.3.5做好突发地质灾害防治预案，定期进行演习。
7.3.6建立专家咨询制度：
岩溶成因是基础、岩溶预报是关键、岩溶处治是重点、监控量测保安全、反馈施工降成本。
岩溶隧道超前地质预报的原则“内外兼顾，内为重；长短结合，短为重；直间并用，直为重；综合集成、长期预报”。以此确保岩溶隧道的施工安全。
岩溶隧道的处治原则：绕、截、排、堵、越与分部开挖，加强支护相结合的原则
岩溶隧道监控与反馈施工：以围岩变形为基础，加强量测，确保支护段安全；注重反馈施工，使支护参数合理化。
8 岩溶隧道注意事项
8.1监理完善的项目管理体制（预报管理体制、监控管理体制、反馈施工管理体制）
8.2工：地质预报人员（地质工程专业与物探专业），岩溶处治加固人员（地质工程专业、隧道专业、桥梁专业），监控人员（测量、隧道专业），反馈施工人员（地质工程专业、隧道专业、工程力学专业）
8.3料、机：地质预报一起（物探、钻机等），岩溶处治机具，监控仪器，反馈施工（反分析软件等）。
8.4严格按既定方案、规范规定施工，保证施工质量（执行）。
8.5做好突发地质灾害防治预案，定期进行演习。
8.6建立专家咨询制度：
岩溶成因是基础、岩溶预报是关键、岩溶处治是重点、监控量测保安全、反馈施工降成本。
岩溶隧道超前地质预报的原则“内外兼顾，内为重；长短结合，短为重；直间并用，直为重；综合集成、长期预报”，以此确保岩溶隧道的施工安全。
岩溶隧道的处治原则：绕、截、排、堵、越与分部开挖，加强支护相结合的原则
岩溶隧道监控与反馈施工：以围岩变形为基础，加强量测，确保支护段安全；注重反馈施工，使支护参数合理化。

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