地下工程施工

1隧道工法合理性判别原则及其应用2对于山岭隧道建设而言，通过近两个世纪的探索，形成了多种设计理论和工法，如新奥法、浅埋暗挖法、矿山法等，这些设计理论和工法在隧道建设实践中发挥了十分重要的作用；但在具体实践中也出现过一些问题甚至血的教训。宝贵的经验：隧道结构设计、施工及养护全过程必须与周围相关环境共同作用符合力学规律（特别是结构强度、稳定、刚度等），合理施工与养护工艺是保障隧道结构强度、稳定、刚度等的基础（特别是施工与养护过程中每步骤或使用过程中每时段，隧道围岩和支护系统都必须满足三维力学平衡、三维力与变形协调和三维变形协调与稳定），如果某个过程不符合力学规律就容易造成失效事故。3由于隧道建设过程中存在地质条件多样性和复杂性、隧道设计理论统一性和适用性问题、隧道受力独立性问题、隧道支护平衡稳定性问题、隧道合理施工与初期支护顺序有关问题、隧道量测参数和精度选择问题、当隧道遇到边仰坡、岩溶区、瓦斯富集地层、软弱破碎围岩等地段时，就会面临一系列特殊问题等等。这样就不是一个简单的隧道工法选择问题，而是一个隧道工法突破选择和创新融合的问题，其核心就是隧道围岩与支护共同作用任何过程要达到稳定平衡，确保隧道“基本维持围岩原始状态”，达到“充分发挥围岩自承作用”的目的。4在隧道建设过程中，众多隧道工法在具体隧道建设实践中也同样存在应用合理性判别问题。围绕隧道结构设计、施工及养护全过程必须与周围相关环境共同作用符合力学规律，回答隧道灾害的发生机理、隧道设计理论统一性和适用性、隧道受力独立性、隧道支护平衡稳定性问题、特殊问题的治理措施、隧道施工合理方法判别原则等问题来展开。即设计阶段就充分考虑施工与养护问题，达到“道术合一”的境界。通过熟悉这些内容，可以进一步提高设计、施工及养护人员（管理、技术、工人）理解隧道结构与周围相关环境共同作用符合力学规律，合理工艺保证的重要性，达到熟练快速有效应用设计理论和工法，确保隧道工程质量和效益。5首先这些设计理论和工法，都是一种手段，在当前我国生产力水平条件下，其核心就是“基本维持围岩原始状态”和“预防和严控特殊地质隧道局部失稳引发整体失稳”，达到“充分发挥围岩自承作用”的目的并且“保持平衡稳定性”，在这一点上各种设计理论和工法是一致的。“支护原理的正确运用”是确保隧道围岩稳定的前提，“基本维持围岩原始状态”与“预防和严控特殊地质隧道局部失稳引发整体失稳”和“能量最小原理”三者是相辅相成的.“能量最小原理”是直接判断施工经济性优劣的原则；“基本维持围岩原始状态”和“预防和严控特殊地质隧道局部失稳引发整体失稳”是应遵循的技术原则；“保持平衡稳定性”是工程质量的保证。因此在隧道建设实践中并不介意采用什么理论和工法，关键是建设过程中要遵循隧道工法合理性判别原则。6一般而言，山岭隧道工程建设应该综合研究隧道区域与围岩工程地质、水文地质情况（确定选址和形成基本条件），设计（合理选择断面形状以适应于原岩应力场、正确设计支护方法有利于围岩稳定和自撑作用），施工（合理选择开挖断面大小、形式、顺序并与支护顺序、时机相匹配以防止围岩失稳、良好机械与人工开挖或爆破开挖是一种切割工具而不是丢炸弹），量测（掌握和控制围岩动态以防止支护结构、围岩破坏与失稳），即有机结合工程地质、设计原理、施工过程、稳定性监测等知识，充分发挥工程师的综合判断能力，而不应过分依赖于“精确的”数值计算结果。因此，在遵循现行设计、施工规范的基础上，还必须掌握以上隧道设计、施工新理念（特别是地下水丰富，围岩稳定性差的情况），才能更好实施隧道工程又好又快地建设7隧道围岩变形与支护平衡1.1隧道围岩变形与支护的机理分析隧道开挖前是处于三维应力状态的，隧道开挖后形成了新的空间，出现了临空面，围岩向洞内移动，应力进行重新调整，从而形成了二次应力。如果围岩的强度高于二次应力，则围岩是稳定的；如果围岩的强度低于二次应力，则必须进行支护，以保证围岩的稳定。8如果不对围岩进行适时支护，围岩就会发生破坏，围岩的破坏是从围岩表面开始的，逐渐向深部开展，依次形成塑性软化区、塑性强化区和弹性区，如图。塑性强化区和弹性区是围岩承载的主体，塑性软化区是我们要支护的对象。我们通过对软化区进行支护，一方面可以提高其强度，有利于其自身的稳定，另一方面软化区围岩再对塑性强化区的围岩实施作用，增大了强化区围压，使强化区围岩的承载力得到提高。所以通过支护或加固软化区围岩，可以提高强化区围岩的强度，围岩的自承能力得以充分发挥，实现深部围岩的稳定，并使其成为主要承载区。9除了对浅部（软化区）围岩的加固措施外，在矿山法施工隧道时一般采用光面爆破进行开挖，目的是减轻爆破对围岩的震动，尽可能保持其原始状态。在稳定性差的围岩中施工隧道时，常采用支护方法，使破碎围岩在隧道开挖前即得到强化。浅部支护、光面爆破和支护等措施都是工程施工中常用的技术手段，其目的都是在施工时尽可能“基本维持围岩原始状态”，保持原有强度，从而保证围岩的稳定。101.2隧道围岩的平衡稳定问题控制理论指出“一般地说，任何一个力学系统、物理系统以及工程技术中的某些系统都有运动（平衡）稳定性的问题”。由于工程结构存在各种干扰作用，因此在实际问题中“稳定”运动（平衡）是可能长期实现的，而“不稳定”运动（平衡）是不能长期实现的。在结构平衡概念中介绍球体平衡稳定性指出，当球体处于图1.2状态时，外界给予少许干扰后球体偏离原始位置但无法自行恢复到原始状态，则处于不稳定平衡状态；反之，当球体处于图1.3状态时，外界给予少许干扰后球体偏离原始位置并能自行恢复原始状态，则处于稳定平衡状态。11隧道工程实践中如何应用平衡概念呢？如果周围相关环境处于稳定平衡状态，则隧道工程建设就较容易；如果周围相关环境处于不稳定平衡状态，则隧道工程建设就较难甚至非常难，这时采用绕避不稳定平衡体或往里靠延长隧道使之处于稳定平衡状态，否则只能采用工程措施使隧道与周围相关环境共同作用符合力学规律（特别是施工与养护过程中每步骤或使用过程中每时段，隧道围岩和支护系统都必须满足三维力学平衡、三维力与变形协调和三维变形协调与稳定）。121.3洞室围岩稳定经典历史工程实例并非隧道开挖就会引起围岩破坏.事实证明，许多已建的地下洞室开挖后，即使没有任何支护也保持了长期的稳定，这充分说明了围岩有一定的自承能力。从地道战时开挖的地道、龙游石窟、黄土高原窑洞等大量历史地下工程建设实例中（图1.4~图1.8），不难看出，只要选择合适的围岩环境、采取适当的开挖工艺和开挖顺序、选取合适的开挖断面，就能保持地下洞室的安全与稳定。13重庆钓鱼城蒙古军攻城地道位于钓鱼城奇胜门以北约150m处的山体中，纵横交错的地道宽约1.5m、高约1.0m，连接钓鱼城内外，主要由主通道、支道、竖井组成。专家发现，地道剖面呈倒“凸”字形（图1.5），这种形状既节约工时和人力物力，还可以最大化地隐藏伏兵。地下凹进去的一部分可做排水之用，而两边的土台可用做士兵休息的地方。14龙游石窟共7个石窟，个个石窟紧挨着，排列工整，每个石窟均有石阶通向洞底（图1.6），石窟内的石柱根据洞的大小1到4根不等（图1.7），其布局符合力学原理；洞与洞之间的间隔，有些仅50厘米；令人惊异的是，这7个石窟的布局竟呈北斗七星的形状。在这7个石窟周边1公里范围内，类似的石窟共有24个，而沿衢江北岸还分布着更多的石窟。显然，这是一个庞大的石窟群。各石窟均在岩体完整的厚层砂岩中开挖形成，其形状和布置均依据完整性好的厚层砂岩的分布而确定。15黄土高原的黄土质地均一、层理不显、富含钙质、具有一定的胶结力、不易崩塌。那些黄土高原自然直立的悬崖和土柱，即使经过风吹雨打，也能长期不倒、不塌。黄土的这些特点，正是建造窑洞的优势（如图1.8），因此在黄土高原上修建的窑洞能保持其自身的长久稳定。16通过对地道、龙游石窟、黄土高原窑洞等实例的分析可以看出，隧道结构设计、施工及养护全过程必须与周围相关环境共同作用符合力学规律（特别是结构强度、稳定、刚度等），合理施工与养护工艺是保障隧道结构强度、稳定、刚度等的基础（特别是施工过程每一步隧道围岩和支护系统都必须满足三维力学平衡、三维力与变形协调和三维变形稳定）。地道、龙游石窟、黄土高原窑洞等经典历史工程是隧道建造中“支护原理的正确运用”、“充分发挥围岩的自承能力和基本维持围岩的原始状态”、“预防和严控特殊地质隧道局部失稳引发整体失稳问题”、“开挖能量最小原理”、“隧道受力独立性”等的最好例证。17隧道支护原理及其应用2.1隧道支护原理以前介绍新奥法、浅埋暗挖法、矿山法等隧道设计理论和工法时，都是着重介绍各种隧道设计理论和工法的适用性和差异性（图2.1），而较少介绍各种隧道设计理论和工法的内在联系和统一性（图2.2），其实各种隧道设计理论和工法存在统一性，如围岩与支护系统共同作用理论是许多工法的共同理论基础，根据围岩实际情况进行设计与施工的理念对任何施工设计理论、工法都具有指导意义，这种统一性在实际应用中显得更重要。18以不同的设计理论为基础的各种隧道工法，其核心都是一致的，即隧道围岩与支护共同作用要达到足够强大，形成稳定平衡体系，实现“基本维持围岩原始状态”，从而达到“充分发挥围岩的自承能力”的目的。支护原理是以现有设计理论为基础并结合各种工法的优点，阐述了隧道围岩极限自承力Pmax、支护抗力T和围岩原始内力P0三者之间的力学关系，真实反映隧道“围岩－衬砌”结构体系在开挖与支护（含支护）过程中的互动过程和相互作用。支护原理解释了各种设计理论及其工法的统一性和适用性问题，便于实际应用。一些设计理论及其工法其实包含了支护原理的部分内容，但没有做出系统的表述，因此产生了一些分歧和理解上的差异，影响了合理理论和工法在工程中的应用。建立支护原理的完整理论体系将有助于解决隧道设计计算方法的合理选用和施工方案的合理制定。19隧道施工开挖形成新的临空面，导致洞周围岩在径向上产生应力释放，而远离隧道地层的应力状态并不发生变化。不失一般性，考虑均匀初始地应力场，用P0表示初始地应力，如图2.1所示。从静力学的原理可知，P0由“围岩－支护”结构体系的承载力来平衡。定义支护力F等于“围岩－支护”结构体系的承载力，即：F=T+Pmax(2.1)式中：F为支护力；T为支护抗力；Pmax为围岩极限自承能力。20因此隧道支护力不只是支护结构对围岩的作用力，它是由围岩结构的极限自承能力和支护结构直接对围岩提供的支护抗力共同组成的。围岩结构的自承能力可以通过支护措施和通过采取合理开挖措施得到维持。当支护力大于使围岩发生过大变形或破坏的力时，隧道围岩是处于稳定平衡的，称之为隧道支护原理。根据围岩稳定的一般原理，地应力是使围岩发生变形和破坏的根本动力，使围岩失稳的“力源”，因此，隧道支护原理可进一步表述为：支护力F要始终保持大于隧道施工前保持原始岩体稳定平衡的原始内力P，使围岩处于稳定平衡状态，即FP(2.2)21隧道在开挖前处于三维应力状态，围岩本身所具有的极限自承能力是大于原始内力的，围岩处于稳定平衡状态。隧道开挖后，由于临空面的出现，围岩的应力状态发生了调整，径向应力降低，重力、水作用力、膨胀力、构造应力和工程偏应力等使围岩向隧道断面内移动，与此同时围岩内部结构趋于恶化，导致围岩极限自承能力降低。开挖的过程就是对围岩加载的过程，围岩发挥的自承力是二次应力状态所决定的，是导致围岩移动和破坏的载荷的反作用力。围岩的极限自承能力是围岩发挥自承力的上限值，它既是空间的函数，也是时间的函数。22对于围岩好的情况，隧道开挖后围岩发生了变形，极限承载能力下降，经过一段时间后围岩内部结构调整完毕，变形收敛，围岩极限承载能力虽然发生了下降但还是大于P0，支护力也大于P0，即FP0，围岩处于稳定平衡状态。对于围岩差的隧道，开挖后围岩处于加速变形阶段，在较短时间内围岩极限自承能力就急剧下降并小于P0，如果来不及施加支护，支护力等于极限自承能力，支护力也小于P0，即FP0，围岩处于稳定平衡状态。23更具有广泛意义的是处于这两种极端