一種高地應力軟弱圍巖隧道開挖施工方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于隧道開挖施工技術領域，尤其是涉及一種高地應力軟弱圍巖隧道開挖 施工方法。
【背景技術】
[0002] 隧道開挖勢必引發圍巖原始應力的重新分布，整個圍巖應力重分布的力學行為可 以概化為如下過程：經"平衡"、"松弛"與"松散、坍塌"三個階段后，達到新的平衡。"松弛" 和"松散"在描述應力重分布過程是兩個完全不同的概念，在這兩個過程中圍巖荷載的表現 形式也是不同的。"松弛"階段產生的荷載被稱為"形變壓力"，此時圍巖應力水平的降低與 圍巖變形共存，從巖體力學角度分析，該階段的圍巖仍可認為處于連續介質或似連續介質 的性態；"松散、對塌"階段產生的荷載被稱為"松散壓力"，它是在圍巖變形增長到一定程度 后，巖塊與原巖分離而導致的坍塌或巖塊的自重應力對支護產生作用。
[0003] 國內外學者曾對軟巖隧道（也稱為軟弱圍巖隧道）施工后產生大變形的類型進行 過系統的研究，并從不同的角度對大變形的類型進行分類，下面對大變形隧道按其變形機 理的分類進行說明。軟巖大變形隧道按其變形機理可分為松散型、膨脹型和擠壓型三個類 型，誘發這三種類型的隧道大變形的前提條件相差較大，大變形發生后表現出來的變形特 征也是各不相同的。
[0004] 其中，松散型大變形出現在硬巖（包括巖塊強度Re > 30MPa的破碎巖體、層狀巖 體和塊狀巖體等）隧道和低地應力的淺埋隧道中，圍巖松弛過程較短，前期變形量較小，在 沒能及時提供足夠的支護反力時，圍巖變形發展到一定程度后便會松散或坍塌，由此產生 的圍巖松散壓力直接作用在支護結構上，在變形時態曲線呈現向上反彎或"跳躍"的性態。 [0005] 膨脹型大變形隧道的變形機理簡單的說就是軟巖內的膨脹性礦物成分在水或者 力的作用下體積增大，不斷侵入隧道凈空的現象。當在含膨脹性礦物的地層中開挖隧道時， 巖石遇水或吸濕之后產生膨脹，其量值可能遠大于巖石的彈塑性及碎脹變形量之和，由此 產生的膨脹性變形壓力成為誘發軟巖隧道支護破壞的一個重要原因。隧道開挖后，圍巖遇 水作用會發生物理化學反應，引起體積膨脹和力學性能的變化，在隧道周邊圍巖形成了遇 水膨脹區和穩定區兩個不同的區域。遇水膨脹區圍巖的天然裂隙結構、應力調整引起的圍 巖裂隙為軟巖及膨脹性礦物提供了吸水通道，加劇了圍巖的膨脹變形，最終產生大變形，導 致隧道結構體的破壞。
[0006] "擠壓型大變形"發生于圍巖松弛階段，其變形機理與"松散型大變形"和"膨脹型 大變形"相差較大，并且變形過程極為復雜，國內外大量的專家與學者對這一課題進行了大 量的研究，但擠壓型軟巖大變形隧道的修建仍是世界性難題。
[0007] 其中，具有高應力背景的軟弱圍巖變形稱為"擠壓型"變形，即高應力條件的軟弱 圍巖變形為擠壓型大變形。
[0008] 國際巖石力學學會（簡稱ISRM) "隧道擠壓性巖石專業委員會"對圍巖擠壓性作 了如下定義："擠壓型"是指圍巖具有時效的大變形；其變形具有明顯的優勢部位和方向， 可發生在施工階段，也可能會延續較長時間。變形的本質是巖體內的剪應力超限而引起的 剪切蠕動，這些變形主要可以歸納為以下幾種特點：第一、變形的速度快；第二、變形量大； 第三、變形持續的時間長；第四、變形有明顯的優勢部位和方向。目前，擠壓型大變形隧道比 較認可的破壞機理有如下三種：完全剪切破壞、彎曲破壞和剪力及滑動張裂破壞。
[0009] 軟巖（即軟弱圍巖）發生塑性變形的概率非常高，常引起隧道的凈空變小，影響正 常的隧道施工和使用。由于軟弱圍巖本身的地質性質結構松散，并且穩定性極差，這就決定 了它在隧道建設中必然會產生一定程度的變形。由于軟弱圍巖穩定性較差的原因，在隧道 開挖后，使原有的地應力平衡遭到了破壞，從而導致圍巖發生變形。在施工的過程中，如果 選用的方法不當，不但會引起工程建設初期支護結構的變形，甚至會引起隧道的塌方等安 全事故。
[0010] 圍巖變形是隧道設計的基本準則之一，也是評價隧道圍巖穩定性的重要指標。 在較高地應力（> 25MPa)水平下發生顯著變形的中、高強工程巖體稱為高地應力軟巖 (highstressed soft rock，簡稱H型）。隧道開挖后的高地應力軟巖隧道大變形大致經歷 三個階段：a.彈性變形階段；b.彈性變形和塑行變形共存階段；c.以蠕變為主，蠕變、塑性 變形共存，同時伴隨圍巖損傷、斷裂、擠出及膨脹耦合作用階段，大量研究表明軟弱圍巖以 塑性變形和蠕變變形為主。
[0011] 為充分發揮圍巖自承作用，容許初期支護和圍巖有一定的變形，而將設計開挖線 作適當擴大的預留量，稱之為隧道預留變形量。預留變形量是指從隧道初期支護施工開始， 到隧道周邊位移基本穩定時，周邊位移的累計值。
[0012] 由于軟巖具有顯著流變性、圍巖強度低的特點，同時高地應力作用下，上述特點更 加明顯，從而使隧道變形量極大、變形發展快。一旦施工控制不當或預留變形量不夠，極易 發生支護開裂、侵限問題。因此確定高地應力軟巖隧道的預留變形量就尤其重要，同時也是 極其困難的。
[0013] 對鐵路而言，隧道開挖施工主要考慮預留變形量、施工誤差和允許超挖，施工誤差 和允許超挖一般基于施工單位經驗確定取值范圍；隧道預留變形量的確定則相對復雜。目 前對于高地應力與極高地應力條件下的軟巖大變形隧道，沒有成熟的理論成果來確定隧道 預留變形量，而采用工程類比法時，該類隧道地質條件極其復雜，圍巖性質千差萬別，地應 力條件不同，導致難以取得理想效果。
【發明內容】
[0014] 本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種高地應力 軟弱圍巖隧道開挖施工方法，其方法步驟簡單、設計合理且施工方便、使用效果好，根據高 地應力軟弱圍巖的擠壓型大變形分級結果確定隧道開挖預留變形量，能簡便、快速完成隧 道開挖施工過程且施工過程安全、可靠。
[0015] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種高地應力軟弱圍巖隧道開 挖施工方法，其特征在于：沿隧道縱向延伸方向，由后向前分多個節段對所施工軟弱圍巖隧 道進行開挖施工；多個所述節段的開挖施工方法均相同；對所施工軟弱圍巖隧道中任一節 段進行開挖施工時，包括以下步驟：
[0016] 步驟一、巖體強度與圍巖內部最大地應力測試：對當前所施工節段進行開挖施工 之前，對當前所施工節段圍巖的巖體強度Rb和圍巖內部的最大地應力〇_分別進行測試；
[0017] 步驟二、圍巖的擠壓型大變形等級確定：根據步驟一中測試得出的巖體強度Rb和 最大地應力，計算得出當前所施工節段圍巖的強度應力比
再根據計算得出的強 度應力比
對當前所施工節段圍巖的擠壓型大變形等級進行確定；所述擠壓型大變形 等級包括四個等級，且四個等級由低至高分別為無大變形、輕微大變形、中等大變形和嚴重 大變形；
[0018] 對當前所施工節段圍巖的擠壓型大變形等級進行確定時，當
說明 當前所施工節段圍巖的擠壓型大變形等級為無大變形；
，說明當前 所施工節段圍巖的擠壓型大變形等級為輕微大變形；當
時，說明當前所 施工節段圍巖的擠壓型大變形等級為中等大變形；當
時，說明當前所施工節段 圍巖的擠壓型大變形等級為嚴重大變形；
[0019] 步驟三、隧道預留變形量確定：根據步驟二中所確定的當前所施工節段圍巖的擠 壓型大變形等級，對當前所施工節段的預留變形量進行確定；所確定的預留變形量包括隧 道拱部預留變形量CJP隧洞邊墻預留變形量C 2;其中，隧道拱部預留變形量C 1= 50mm~ 530mm，隧洞邊墻預留變形量
并且，當前所施工節段圍巖 的擠壓型大變形等級越高，隧道拱部預留變形量C1、隧洞邊墻預留變形量CjP △ C的取值 均越大；
[0020] 步驟四、隧道開挖施工：根據步驟三中所確定的當前所施工節段的預留變形量，且 沿隧道縱向延伸方向，由后向前對當前所施工節段進行開挖施工；
[0021] 步驟五、下一節段開挖施工：按照步驟一至步驟四中所述的方法，對所施工軟弱圍 巖隧道的下一節段進行開挖施工；
[0022] 步驟六、多次重復步驟五，直至完成所施工軟弱圍巖隧道的全部開挖施工過程。
[0023] 上述一種高地應力軟弱圍巖隧道開挖施工方法，其特征是：每個所述節段的長度 為 50m ~200m。
[0024] 上述一種高地應力軟弱圍巖隧道開挖施工方法，其特征是：步驟一中對當前所施 工節段圍巖的巖體強度Rb進行測試時，通過對現場所取巖樣進行室內試驗，測試得出當前 所施工節段的圍巖基本力學參數，并根據測試得出的圍巖基本力學參數對巖體強度Rb進 行計算；當前所施工節段圍巖的巖體強度Rb為巖體單軸抗壓強度。
[0025] 上述一種高地應力軟弱圍巖隧道開挖施工方法，其特征是：對巖體強度Rb進行計 算時，根據莫爾-庫侖強度準則或霍克-布朗強度準則進行計算。
[0026] 上述一種高地應力軟弱圍巖隧道開挖施工方法，其特征是：步驟一中對圍巖內部 的最大地應力σ _進行測試時，采用水壓致裂法進行測試。
[0027] 上述一種高地應力軟弱圍巖隧道開挖施工方法，其特征是：步驟三中進行隧道預 留變形量確定時，當當前所施工節段圍巖的擠壓型大變形等級為嚴重大變形時，隧道拱部 預留變形量C1=