三、“复杂地质”的范围
而具有上述表现的地质条件，根据日本最近修订的 隧道工程技术规范（山岭隧道篇）的规定有： • 膨胀性围岩的隧道； • 高压、大量涌水的隧道； • 未固结围岩的隧道； • 高热、温泉、有害气体的隧道；
并要求在设计中，应根据各自的围岩条件，研究安全、 经济的对策。
我国特殊岩土和不良地质地段隧道施工的原则 我国铁路隧道施工规范，也规定了特殊岩土和不良地质 地段隧道施工的原则，这些隧道包括以下围岩条件下的 隧道。 •富水软弱破碎围岩； •岩溶； •风积砂及含水砂层； •膨胀岩； •瓦斯； •挤压性围岩等。 此外，高或极高初始地应力场条件下的地质条件， 也常常具有上述的复杂地质特性。
例如日本饭山隧道在上半断面开挖时，先设臵了 4.0m×10根、6.0m×6根、@1.00m的锚杆，H-200@1.00m钢支 撑,喷射厚25cm的混凝土 （金属网5×150×150mm），变形到 一定程度后，又设臵了3.0m×4根@1.00m锚杆,H-125@1.00m钢 支撑和喷射12.5cm的混凝土。下半断面开挖设臵了4.0m×16 根@1.00m锚杆。变形富余量一次支护设20cm，二次支护设 20cm。支护结构示于图11。
2、必须控制底鼓的发生和发展，防止围岩过度松弛
隧道开挖的围岩动态， 大致如图7所示。 在复杂地质条件下， 坑道开挖后的动态，通常 是两侧向洞内挤入，大多 数的量测数据也充分地说 明了这一点。两侧挤入， 导致拱顶大量下沉。这是 一种情况。此时加强侧壁 的支护是关键。另外一种 情况是底部鼓起。底部鼓 起是导致隧道整体崩塌的 前兆。底部鼓起意味着底 部围岩丧失了承载力（支 承力），因此加强底部是 关键。
图12土压测定例（锅立山隧道）
图13埋深和净空位移（饭山隧道）
表5是多重支护位移的解析结果。
表5
先行位移 值 214mm 一次支护位 移值 55mm
坑壁位移的解析结果
二次支护位 移值 5mm 一次支护累计位 移值 （60mm） 合计
274mm
二次支护的位移值只有5mm，说明支护的 健全度是很高的，多重支护的二次支护完全处 于弹性状态。
图14表示两种情况的坑壁 位移值的比较。在多重支护 中因没有进行再开挖，比反 覆扩挖· 支护的先行位移值的 总合小，能够抑止围岩的劣 化。 标准的多重支护法的支护 模式可以参照前面的图11。 一次支护采用高规格的200H 钢支撑和喷混凝土厚度25cm 并掺以钢纤维，锚杆在上半 断面设L＝4m×10根，L＝ 6m×6根，下半断面设 L=4m×16根，总计32根。二 次支护采用150H钢支撑和 15cm的喷混凝土，没有设锚 杆。锚杆间距都采用1.0m。 变形富余要充分，一次支护 的变形富余设20cm，二次支 护设15cm，。必要时也可设 臵三次支护。
从围岩分级看，不包括在围岩分级范围的； 从施工方法看，必须采用辅助工法的； 从设计角度出发，不能采用标准设计的；
都可界定为复杂地质条件。
二、“复杂地质”的表现（特性）
不管地质条件如何复杂，只要出现以下力 学现象的地质条件，也都可视为“复杂地质” 条件。 • 掌子面失稳； • 底鼓现象严重； • 长时间的持续变形；或变形不收敛； • 初期支护严重变异。
图2 掌子面崩塌地过程示意图
超前支护
除了从掌子面本身想办法外， 另一个重要措施，就是超前支护。 从图4可以一目了然地说明超前 支护的意义和作用。 超前支护的目的就是要控制掌 子面前方可能出现的崩塌，这种 崩塌因地质条件可能是各种各样 的。但不管是什么样，只要能够 恢复掌子面的支护作用和控制了 前方围岩的松弛，就可以继续开 挖。 超前支护有两种。一种是向 掌子面正面打锚杆或者喷混凝土， 增强掌子面的支护作用，谓之正 面支档。一种是沿掌子面轮廓向 前方一定距离预先修筑各式各样 的壳体，谓之超前预支护。
图12是锅立山隧道土压的历时变 化。此区间膨胀压显著，为了对抗很 大的土压在掌子面设臵了管片，采用 不容许坑壁大量变形的施工方法。土 压几乎形成静水压作用，其值超过 3MPa，与此处埋深150m的全埋深压相 当。也就是说，衬砌承受着最大、全 埋深土压的作用。 图13是饭山隧道调查坑道的埋深 与净空位移动关系。埋深100m附近， 隧道净空位移比较小，设计上几乎可 以不考虑。超过100m后净空位移急剧 增大，呈现膨胀性隧道的样子。同样 的现象在许多膨胀压隧道中都得到证 实。埋深100m的土压，如围岩密度 （γ）取2.0g/cm3，则为2MPa，围岩 强度也大致是2MPa，则围压强度比在 1左右，是膨胀压发生的分歧点。此 值与在泥质围岩中统计分析的结果是 一致的。在图3中，可以看出埋深超 过100m的净空位移是相当离散的，预 计还有强度以外的因素有关。
测
图6掌子面前方量测方法示意图
曲线表明：随着掌子面的进展，前方补 强部分的深度是 15～ 5m的场合，掌子面 挤出和掌子面的变形响应在发展，从弹 性范围慢慢进入弹塑性范围。净空位移 曲线的初期趋势，是特别快的向稳定方 向发展。例如补强长度在 5m以下的场合， 出现 10cm量级的挤出，比初期阶段的测 定值大4倍以上。
图7 隧道开挖的围岩动态
如果采用解析方法计算，在不同 的初始地应力场条件下，得到的塑 性区边界示于图8和图9。
图8表明：λ=0.5（λ：侧压力系 数）时,塑性区基本上出现在侧壁, 呈月牙形,λ=0.3时,则变成图示的 耳形,也集中在侧璧范围λ=0.2时, 又变成向围岩深部扩展的 X 型。不 管何种情况,在坑道侧壁,塑性区域 显著集中 , 这一点对研究坑道破坏 有很重要的意义。 图9表示马蹄形坑道的计算结果。 当λ=l时 , 塑性区主要在距洞蜜等 距离的范围内产生 , 洞壁两侧略大 些。当λ=0.25时,塑性区主要在洞 壁范围内, λ=0.1 时,则呈X型。
复杂地质条件下的隧道设计与施工
报告人：仇文革 教授
西南交通大学
2004.12.16
报告主要内容
• • • • “复杂地质”条件的界定 “复杂地质”的表现（特性） “复杂地质”的范围 “复杂地质”隧道的设计施工原 则 • 结束语
一、“复杂地质”条件的界定
“ 复杂地质”一词，最近一段时期，出现频 率颇高。
图10 锚杆布置与塑性区
3、尽可能地在短时间内闭合断面
在复杂地质条件下，另一个原则，就是尽可能地在短时间内闭合断面。包括分 部开挖断面的临时闭合。如上台阶的临时闭合、各种导洞的临时闭合等。施工中 虽然大家都认识到临时闭合的重要性，但常常却做不到这一点。 这里我们强调的是时间因素。因为开挖后的围岩动态的发展与时间密切相关。 在开挖和时间中,应该考虑的事项有： · 从开挖到设臵支护的时间； · 从导坑开挖到整个断面闭合的时间； · 二次衬砌的施设时间等。 这里主要说明仰拱闭合时间的影响。 为了缩短闭合时间，采用微台阶法是一个重要措施。微台阶法实质上是全 断面法的变种。其目的就是缩短断面的闭合时间。 在Massenberg和Schwaikheim隧道中,从掌子面到环体闭合的时间,约为3~4周 。在法兰克福的地铁中,这一时间减少到9个小时,使地表下沉得以减小。在墨尼黑 地铁中,采用了闭合时间几乎为零的施工方法,使地表下沉进一步减少。 其次，就是打锁脚锚杆（管）、底部锚杆（管）。从我们的实践看，长的锁脚 锚管比长锚杆更为有效。注浆、扩大拱脚等也是一个方法。 最后，初期支护的断面闭合也是非常重要的。不管是采用喷混凝土，还是格栅 、钢支撑，一定要使之闭合，这样做虽然对后续作业有一定影响，也要这样做。 作为支护结构，闭合与不闭合，对控制周边围岩的位移和松弛，具有不可忽视的 影响。其承载力可有数量级之差。 应该说，在复杂地质条件下，所谓的快速施工，实质上就体现在大幅度的缩短 断面闭合时间上。
图11
多重支护结构图示
这里要解决定 2个问题：一个问题是二次支护的设臵时期。根据解析 分析，一次支护在二次支护设臵位臵只要出现屈服就可以，这个距离大 约在距掌子面3.5D左右。此时二次支护中的应力可以大幅度地降低。从 量测结果看，二次支护距掌子面1.0D设臵时，二次支护的净空位移值在 很短时间内就达到50mm，喷混凝土的应力也处在很大数值内。而在3.5D 距离设臵时，二次支护的净空位移值为19mm，应力也保持在非常富余的 状态。根据以上的研究，认为二次支护自距掌子面3.5D的左右设臵是合 适的。 一个问题是变形富余量的设臵。饭山隧道根据施工的实际情况，变形 富余量按35cm设臵，一次支护容许变形20cm，二次支护容许15cm。实际 是，一次支护屈服时的位移值约为15～20cm，而二次支护只有1.9cm。 此外，饭山隧道的喷混凝土采用的是高强喷混凝土。喷混凝土的设计 强度为 21MPa，有的还掺入钢纤维。起拱线附近的锚杆均采用长 6.0m 的 高抗拔力的锚杆（锁脚锚杆）。为了控制掌子面的挤入和变形，在掌子 面正面打了22根锚杆。 从日本发生膨胀压现象的情况看，在42座隧道中，有26座是在新第三 纪泥岩中开挖的，掌子面前方围岩发生“膨胀压”现象非常显著。
4、采用促使变形收敛的措施和方法
在某些地质条件下，坑道周边围岩的位移持续发展，较长时间内不收敛的事例， 屡屡出现。这是复杂地质条件的一个重要力学特征。 最近日本在东海道新干线的饭山隧道（长22.2km）的大变形地段采用多重支护 方法进行施工，取得了成功。 饭山隧道通过的是新第三纪的泥岩处于背斜破碎带、裂隙发育，有膨胀性，属 膨胀性围岩。采用微台阶法施工。一次支护采用钢纤维喷混凝土，根据量测结果 采用拉拔力18t的锚杆加强，一次支护损伤后，在其内侧实施二次支护。仰拱加设 底撑（H－125），使二次支护闭合。辅助工法采用超前注浆锚杆并在正面设 22根 锚杆。即采用多重支护的方法。 多重支护的基本观点如下。 · 容许一次支护损伤，设定比通常大的变形富余量。为了设臵二次支护，开挖断 面要考虑设臵二次支护的富余； · 进行二次支护，并形成闭合结构，能够控制变形的进一步发展，提高支护的安 全性； · 二次支护应在一次支护变形到一定程度后进行实施； · 一次支护变形小的场合，可以不进行二次支护。