浅谈隧道施工工法的合理性判别及应用
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇浅谈隧道施工工法的合理性判别及应用范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
[摘要]文章简述隧道施工工法应从围岩自承能力、隧道支护与围岩自承能力关系进行分析，充分发挥围岩的自承能力，应用能量最小原理，维持围岩的原始状态，进行隧道施工工法合理性的选择和判别。
[关键词] 公路隧道施工工法合理性选择
0前言
在隧道施工中首先对围岩的自承能力进行分析，然后进行开挖方法、预加固措施、支护方法的确定。“充分发挥围岩自承能力”是工程建设所期望的。为了发挥围岩自承能力，“基本维持围岩的原始状态”是基础，如何确定合理的隧道施工方案，才能达到有效地维持围岩的原始状态，就成为隧道工程建设所关注的重点问题。
由于目前的隧道施工法较多，各种施工工法的表面存在差异性，如何抓住问题的本质，提出具有普遍适用性的隧道施工方案，进行合理性判别，将有利于指导隧道工程的建设。
1围岩自承能力分析
围岩的自承能力来源于围岩自身强度。施工前岩体处于三维地应力状态，隧道施工后，在岩土体中形成新的空间，导致隧道周边岩土体失去原有的支撑，径向应力降低。围岩向隧道洞内移动，径向应力降低；切向应力随围岩初始应力状态的不同，出现应力升高，或出现应力分异而局部压应力集中及局部可能出现拉应力。总之，隧道开挖导致围岩应力状态趋于恶化。围岩稳定性是围岩强度与二次应力一对矛盾比较的结果。当围岩自身强度高于二次应力，围岩是能够稳定的，因此围岩的自承能力大小取决于围岩强度的高低。此处的围岩强度不是指围岩中岩石块体的强度，而是包含了结构面分布与性质、岩石块体（结构体）强度和工程因素等多方面影响的综合指标。隧道工程中不支护而长期稳定的实例则证明了围岩的自承能力，我国西北地区的窑洞就是一个显见的例证。
如果围岩强度低于二次应力围岩则发生破坏，破坏由表面向深处发展，围岩内应力不断调整，破坏不断发展，在围岩内形成三个区，由围岩表面向深部依次是塑性软化区、塑性强化区和弹性区，如图1所示。
三个区的岩体处于不同的变形阶段，塑性软化区围岩处于峰值后变形阶段，即塑性软化变形阶段，塑性强化区围岩处于峰值前的塑性变形阶段，即塑性强化阶段，弹性区围岩处于弹性变形阶段。
理论研究表明，塑性强化区和弹性区是围岩承载的主体，塑性软化区是支护的对象。强化区和弹性区的切向应力高于原岩应力，软化区应力得到释放，切向应力低于原岩应力。围岩的自承能力与岩体的力学性质密切相关，图2是岩石在较低围压下的力学性质示意图，岩石的两种性质对于围压的自承能力有重要影响，一是随着围压的升高，岩体峰值前和峰值后的承载力都不断增大；二是岩石处于软化变形阶段仍具有承载力。
围岩处于塑性软化变形阶段时，岩石已破碎，围压较低，围岩变形处于非稳定状态，其承载力来源于破裂面的摩擦力及相互嵌固力。软化区的承载力具有双重作用，一是有利于自身的稳定，但必须通过施加支护才能实现软化区围岩的稳定；二是软化区对强化区围岩具有作用力，增大了强化区围压，提高了围岩强度，促进强化区围压进入稳定状态。因此软化区工作状态对强化区的承载力有重要影响。强化区围压较软化区大，围岩结构面处于紧密挤压状态，围岩变形处于稳定状态，是主要的承载区之一。强化区对弹性区围岩具有支撑作用，增大了弹性区围压，提高了岩体屈服强度，促使弹性区的形成。弹性区围压高于软化区、强化区，使得围岩处于弹性工作状态，岩体应力和变形关系服从胡克定律，是主要承载区之一。
由上述分析可见，塑性软化区、强化区和弹性区是相互关联、相互影响、相互作用的整体。塑性强化区和弹性区是承载的主体，但都位于围岩深处，一般不能对其进行支护加固，而塑性软化区是支护的主要对象，通过对浅部（软化区）围岩进行加固或支护，提高其强度，使其达到稳定，浅部（软化区）围岩再对深处（强化区）围岩实施作用，实现深部围岩稳定，并使其成为主要的承载区。
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采用光面爆破的目的是减轻爆破对围岩的震动，尽可能保持原始状态。在稳定性差的围岩条件下，常采用预支护方法，在隧道施工前围岩即得到强化。浅部支护、光面爆破和预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，达到围岩稳定。
新奥法提出保持围岩稳定的关键是充分发挥围岩的自承能力，这一提法是从力学角度提出了保持围岩稳定的思路，揭示了决定围岩稳定性的主要因素是围岩的自承能力。从上述分析可见，围岩自承能力源于围岩强度，因此“基本维持围岩原始状态”，既是保持原有围岩强度，又是发挥围岩自承能力的充分必要条件。
2隧道支护与围岩自承能力关系分析
隧道开挖形成新的临空面，产生应力释放，而的应力状态并不发生变化，隧道开挖释放的应力必须由围岩和支护结构来平衡。当围岩和支护结构能够提供的抗力大于平衡围岩所需要的力时，隧道围岩是稳定的。也就是说，在隧道开挖过程中，始终要求围岩和支护结构能够提供的抗力大于平衡围岩所需。
在具体的隧道工程建设中，当隧道开挖后，围岩不能自稳时，我们就要采用支护，如果需要的支护力比较大，就对我们的衬砌要求比
较高，既费工又费时，所以我们要使支护抗力尽可能的小，并且要保证围岩的稳定。要达到这个目标，就要充分发挥围岩的自承能力，所以无论采用那种工法，都要尽量减小对围岩的扰动。
隧道在开挖前，处于一个三维应力状态，隧道开挖后，在一定时间段内，围岩具有一定的自承能力。如果围岩的极限自承能力大于围岩的原始内力时，围岩本身所具有的承载力足以保持围岩稳定。隧道刚开挖完成，允许围岩发生变形；若人为限制围岩变形，反而必须采用比较大的支护抗力，如图3所示，围岩的极限自承能力是一个降低的过的过程，而围岩的自承力是一个先增长再降低的过程。因此，如果围岩有一定的自承能力，应该允许围岩发生少量的变形，随着围岩的变形增大，围岩的自承能力得到发挥，自承能力呈增大趋势，而需要提供的支护抗力就会相应减小。但围岩变形是有限度的，当围岩变形到达极限点B，围岩压力由形变压力转化为松弛压力，围岩进入松弛状态，围岩的自承力要迅速下降，反而必须提供足够大的支护抗力才能维持围岩的稳定。如果围岩是比较破碎的，开挖后围岩很快就进入松弛压力阶段，围岩的自承力也很小，自承力发挥的过程就很短，所以要求开挖前提高预支护或及时提供足够大的支护抗力，要求初期支护刚度要大。此时支护抗力曲线和支护的刚度曲线的交点C应尽量靠近A点，即支护曲线变陡，刚度大。这样才能发挥围岩的自承力，保证围岩的稳定。
为了更清楚的说明围岩的预支护原理，我们按照围岩的完整程度分为三种情况来进行阐述：
（1）完整围岩
这种完整围岩极限自承能力比较大，可以提供维持围岩稳定所需要的自承力，如图4，即使不采取任何支护措施，围岩也能自稳。这类围岩隧道开挖要允许围岩有一定的变形，则提供的初期支护力可以较小。在许多省道或县道，为了节约建设成本，采用开挖完毛洞或只作少量初喷砼，充分利用围岩的自承能力来维持洞室的稳定，如图5就是很好的实例，另外如龙游石窟、西北黄土高原的窑洞等。
（2）有一定自承能力的围岩
围岩有一定的自承能力，如图6所示，围岩的极限承载力初期大于原始内力P0。隧道开挖后，围岩不会立即松弛垮塌，围岩压力还处于形变压力阶段，随着变形不断增大，围岩的极限承载力呈下降趋势，而围岩的自承力得到发挥，此时支护时机的选择非常重要，从围岩自承能力曲线上不难看出，如果支护过早就不能充分发挥出围岩的自承能力，则需要的支护抗力就比较大；如果支护过迟，围岩压力由形变压力转换为松弛压力，围岩发生松弛，容易引起大面积坍塌，如图7就是某隧道中支护过迟所引起的块体塌落事故。
（3）破碎围岩或自承能力很差的围岩
从图8曲线上也可以看出，这种破碎围岩的自承力很小，洞室开挖后围岩会很快进入松弛状态，所以要求开挖前提供预支护或及时提供足够的支护抗力，才能维持围岩的原始状态，保证围岩的稳定。这类围岩基本没有自稳能力，围岩的极限承载力在洞室开挖后会迅速下降，自承能力发挥的空间很小，隧道开挖后迅速转化为松弛压力，如果不提供预支护或及时采用刚性支护，极容易发生大面积塌方事故，如图9就是某隧道开挖后由于支护不及时或支护刚度不足所发生的破坏。
3、隧道施工工法合理性的选择
每一种隧道施工工法都不是万能的，都有其各自的使用条件，必须根据围岩类别不同选用不同的工法。无论选用怎样的工法，一个共同的目标就是要用最经济的手段保证隧道的稳定，施工工法的选取具体应遵循下面两条原则：
（1）充分发挥围岩的自承能力和基本维持围岩的原始状态
综合运用新奥法、浅埋暗挖法、矿山法等多种工法解决隧道围岩与支护系统共同作用问题，达到稳定平衡和确保隧道结构安全。综观这些工法，如何熟练快速有效应用于隧道工程实践，就应该解决隧道施工合理方法判别原则问题、隧道受力独立性问题、隧道支护平衡稳定性问题、隧道设计理论统一性和适用性问题、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等等
新奥法提出保持围岩稳定的关键是充分发挥围岩的自承能力，这一提法是从力学角度提出了保持围岩稳定的思路，揭示了决定围岩稳定性的主要因素是围岩的自承能力。围岩自承能力源于围岩强度，因此“基本维持围岩原始状态”，既是保持原有围岩强度，又是发挥围岩自承能力的充分必要条件。
各种设计理论和工法之间都存在差异，就新奥法而言，在硬岩隧道与软岩隧道应用新奥法也有本质区别，特别是各种辅助工法独立于各种理论之外，其实各种设计理论和工法存在统一性和适用性，其核心都是隧道围岩与支护共同作用要达到足够大并“保持平衡稳定性”，才能使隧道“基本维持围岩原始状态”，从而达到隧道“充分发挥围岩的自承能力”的目的。在此基础上建立隧道预支护原理，统一各种设计理论和工法的核心思想，归纳为四种情况（即围岩自稳好情况的预支护原理应用、深埋围岩自稳差情况的预支护原理应用、浅埋围岩自稳差情况的预支护原理应用、深埋围岩大变形情况的预支护原理应用），明确其统一性和适用性问题，便于人们理解和应用。
（2）能量最小原理
土质或软弱松散围岩隧道施工中常采用分部施工留核心土工法、CD法（中隔墙法）、双侧壁导坑法（眼镜法）、CRD法（交叉中隔墙法）等工法，这些工法基本无需或只需少量爆破，常采用机械和人工开挖施工，石质隧道一般需要爆破施工。这两种隧道施工过程消耗能量E都可表达为三部分：
式中：E1为破碎隧道断面内岩体与抛掷碎石耗能或机械和人工施工的耗能，是有效耗能；E2为对围岩及预支护结构扰动及保持围岩变形临界稳定的耗能及恢复破坏与变形不稳定围岩的稳定性的耗能；E3为其他耗能，其量值小，一般可忽略不计。
①石质隧道施工中，实施爆破需要解决两个同等重要的问题：一是用最有效的方法将隧道断面内的岩石适度破碎，并将碎石适度抛掷；二是降低爆破对围岩的扰动，最大限度地维持围岩原始状态，以有利于隧道的长期稳定。开挖能量最小原理可表述为：在实现爆破效果良好的前提下，对围岩及预支护结构扰动耗能E2最小的施工开挖方案最优，对围岩扰动最小。
②土质或软弱松散围岩隧道施工中，采用分部施工留核心土等工法，其核心是控制围岩变形，以实现隧道基本维持围岩原始结构状态，否则隧道围岩局部失稳破坏会诱发更大范围围岩失稳破坏。对此种情况，保障隧道建设消耗能量最小的基本要求是防止围岩产生大范围的破坏。当围岩发生破坏后，重新实现围岩稳定性所需要做功将远大于预支护维持围岩稳定所需做的功。因此，直接机械和人工开挖施工隧道，能量消耗主要是施工洞体的能量消耗和预支护结构实施的能量消耗。施工过程中需要解决两个重要的问题，一是降低施工过程对围岩及预支护体系的扰动，最大限度地维持围岩的原始状态及发挥支护结构的效能；二是防止施工过程产生大范围岩土体的失稳。因此，土质或软弱松散围岩隧道，开挖能量最小原理表述为：在实现分部施工及支护结构控制围岩变形良好的前提下，对发生破坏或变形不稳定围岩恢复稳定的耗能E2最小的方案最优，对围岩扰动最小。
4“能量最小原理”在隧道工法中的应用
4．1导坑超前＋扩挖施工法
在大断面隧道施工中，采用钻爆法施工导坑超前或小型掘进机先行施工一个导坑（图10），然后用爆破方法进行扩挖。此时扩挖是在有导坑临空面条件下进行的，爆破临空面大，夹制作用小，爆破耗能少，大大降低了对隧道围岩的扰动。
4．2硬岩光面爆破与预裂爆破
预裂爆破是在隧道施工爆破前，预先沿设计轮廓爆出一条具有一定宽度的裂缝，当主爆区爆破时，裂缝对应力波起到反射作用，减少应力波对围岩的破坏作用。因此轮廓孔爆破时，围岩和断面轮廓线内的岩石对爆破具有相同的夹制作用，爆破对围岩的破坏作用较大，特别是在岩石强度较高的情况下，轮廓孔装药较多，耗能较大，破坏作用更为明显。而光面爆破是先爆破中央部分时对围岩影响较小，后爆破周边时已有临空面对围岩影响也较小。因此在岩体强度较高的情况下，不宜采用预裂爆破而应采用全断面光面爆破。
4．3软弱围岩弱爆破分步施工
在隧道施工中，经常遇到强度低、易风化、破碎的软弱围岩，在隧道围岩稳定性分级中属于稳定性较差的Ⅳ、Ⅴ级围岩，稳定性差，易出现坍塌等工程事故。实践表明，爆破工序对此类围岩的稳定性有重要影响，爆破振动经常是围岩坍塌的诱导原因。因此，应降低爆破振动强度，尽可能减轻对围岩的扰动，最大限度维持围岩的原始状态。
软弱围岩隧道一般采取台阶法施工。上部台阶施工时拱部采用光面爆破，岩石自重有助于拱部岩面沿周边眼的开裂，适当降低炸药消耗，降低耗能，既保证了爆破效果，又有利于降低周边眼起爆对围岩的振动强度。在下台阶施工时，为了及时对围岩支护，需要先施工边墙部分，施工顺序见图11所示。因岩体强度低，此时采用弱爆破即可实现施工，对边墙围岩的扰动较小。
在隧道断面内岩石性质差别显著时，要注意调整施工方案。如果上部岩体软弱而下部岩体坚硬时，下台阶分部施工顺序要相应调整，应采用图12所示的施工顺序。如果按图11所示的施工顺序，下台阶两侧岩体（边墙）水平方向受到较强的夹制作用，由于岩石坚硬，需采用较强的爆破才能破碎岩体，耗能较高，相应对围岩的扰动也较显著。
5结束语
总之，在隧道建设实践中采用施工工法，关键是施工过程中要遵循“能量最小原理”。充分发挥围岩自承作用，基本维持围岩原始状态，通过相应支护，达到隧道结构平衡稳定性。“能量最小原理”是直接判断施工方法优劣的原则，是实现“基本维持围岩原始状态” 的准则，按此原理选择合适的工法，以最经济的手段保证隧道围岩的稳定，指导隧道工程又好又快地建设。
参考文献
[1]《隧道预支护原理与施工技术》朱汉华等编著 人民交通出版社2008年
[2]《公路隧道围岩稳定与支护技术》朱汉华 孔红月 杨建辉编著 科学出版社2006年
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。