矿山法隧道设计概论

矿山法隧道设计概论

目录

一、前言 ....................................................................................................................... 1 二、什么是“新奥法原理” ....................................................................................... 1

1、新奥法的提出与命名 ...................................................................................... 2 2、新奥法的基本要点 .......................................................................................... 2 3、新奥法与地铁建设中矿山法隧道的关系 ...................................................... 2 三、设计计算理论 ....................................................................................................... 4

1、荷载结构法 ...................................................................................................... 4 2、地层结构法 ...................................................................................................... 7 四、深埋隧道与浅埋隧道的分界值判定 ................................................................... 8 五、浅埋隧道荷载的计算方法 ................................................................................... 9 六、矿山法隧道设计中应注意的几个问题 ............................................................. 12

1、围岩级别的修正问题 .................................................................................... 12 2、隧道内交叉口部位的加强问题 .................................................................... 15 3、关于小净距隧道问题 .................................................................................... 15 4、锚杆的长度、间距及垫板问题 .................................................................... 17 七、地层变位的原因 ................................................................................................. 20 八、隧道施工对邻近建筑物的保护措施 ................................................................. 20

1、降水法 ............................................................................................................ 20 2、注浆加固法 .................................................................................................... 20 3、冻结法 ............................................................................................................ 21 4、基础托换桩 .................................................................................................... 21 5、隔离墙法 ........................................................................................................ 21 九、隧道与建筑物邻近程度的判断 ......................................................................... 21

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一、前言

今天有幸参加建设总部组织的这次关于矿山法隧道设计与施工的技术交流会，十分高兴。这给我提供了一次很好的学习机会。因为在座的各位都是具有丰富的设计、施工实践经验的同志。而建设总部更是藏龙卧虎之地，他们之中有很多“老地铁”，他们对矿山法隧道的设计与施工知根知底，其技术水平可以说已达到了很高的境界。

由于今天在座的各位对矿山法隧道的设计与施工都偏重于实际应用，所以对于一些深奥的设计理论和一些繁琐的公式推导不作为本次讨论的重点。我下面要说的内容偏重于个人的实践经验，希望能起到抛砖引玉的效果。

矿山法隧道设计问题，是一个大题目，单靠这一、两个小时的时间想把它讲出个子丑寅卯来是很难的。因此，咱们采取既速成又适用的办法来解决这个矛盾。

下面以解答问题的形式，来研讨矿山法隧道的设计问题，但愿大家能够接受。记得上个世纪六十年代我刚参加工作，去请教我们单位隧道研究室的科研人员，什么是“新奥法原理”这个问题。一位研究隧道掘进的说：“隧道隧道，出碴进料。”另一位研究爆破的说：“隧道隧道，打眼放炮。”我听了一头雾水，心想这是哪儿跟哪儿呀？不过，也不能怪他们。那个年代社会上正在批判所谓的“白专道路”，设计、研究要求革命化，全体技术人员都被赶到成昆线上的沙木拉达隧道里面去和铁道兵战士、工人同吃、同住、同劳动了。他们说的话，也反映了当时知识分子的一种思想情绪。

扯远了，还是转回来讲。

二、什么是“新奥法原理”

在矿山法隧道设计文件中，经常看到：“本工程是以新奥法原理为指南进行设计的”话语。那么什么是新奥法原理？它的基本要点是什么？就有必要稍作了解。

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1、新奥法的提出与命名

新奥法是新奥地利隧道施工方法的简称，它的概念是奥地利学者拉布西维兹教授于二十世纪50年代提出的。它是以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础、将锚杆和喷射砼组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法。后经奥地利、瑞典、意大利等国的许多实践和理论研究，于二十世纪60年代取得专利权并被正式命名为“新奥法”。 2、新奥法的基本要点

1）开挖作业多利用光面爆破和预裂爆破，并尽量采用大断面或较大的断面开挖，全断面开挖比分部开挖有利，以减少对围岩的扰动；

2）隧道开挖后，尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用； 3）根据围岩特征，采用不同的支护类型参数，及时施作密贴于围岩的柔性喷射砼和锚杆初期支护，以控制围岩的变形和松弛，但初期支护不宜太厚；

4）在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，从而保证隧道结构的稳定；

5）二衬原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑，也就是说初期支护要满足稳定需要，二衬仅作为安全储备；

6）尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中。若为复合式衬砌，二衬厚度也要薄；

7）要用排水的方法降低岩体中水的渗透压力；

8）测定衬砌的应力及围岩的变位，以指导设计变更及施工管理。 3、新奥法与地铁建设中矿山法隧道的关系

新奥法原理适用于传统的矿山法隧道，它要求隧道要有足够的埋深。比如说要在Ⅳ级（也就是原来的Ⅲ类）围岩中开挖一个满足最大净空宽度为5200mm的单线隧道，其覆土厚度要达到10m以上才可以设计与施工。它认为如果埋深不够，则开挖过程中会形不成卸载拱，这样会导致拱顶以上土体的全部重量均由衬砌结构承受，施工稍有不慎就会造成坍塌。

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咱们这一帮子人是在城市这个特定环境条件下搞地铁隧道设计与施工的。所以，传统的矿山法隧道所忌讳的正是我们经常要遇到的。中国人是聪明的，是与时俱进的，早在20多年前的1986年，中铁隧道局进入北京承担北京地铁复兴门折返线工程时，率先就把适合于地铁建设的浅埋暗挖隧道设计与施工技术展示在了世人面前。

浅埋暗挖法隧道是对新奥法原理的发展与创新。浅埋暗挖隧道的20年设计与施工，可以总结出如下几点设计与施工经验。

1）对埋深浅、围岩软弱的情况，首先要改良加固隧道周围地层。其方法有： ①注浆加固隧道周围地层。根据工程的情况和地质条件决定注浆范围，注浆压力及浆液配比，其目的是加固、改善隧道周围地层，提高地层的自稳能力；

②对埋深浅地面有一般基础的楼房或城市交通主干道的，用管棚加固隧道拱部地层。根据不同情况采用长管棚、短管棚或两者联合使用，用以抵抗拱顶地层的下沉量；

③用锚杆加固地层并提高土体的自稳能力。以上不论哪一条在图纸上必须表示明确。

2）根据新奥法原理的基本精神，在设计上要变大洞为小洞，这样可以降低荷载等效高度，减少地面沉降。统称有CD法、CRD法，双侧壁导坑法等。设计单位不论采用何种工法图纸上必须将其节点构造。构件尺寸工程数量表现清楚。

3）从施工工艺上讲要重质量、防坍塌、限沉降，具体措施有7条： ①要高度重视注浆质量，特别是拱部、拱脚及隧道底部的注浆质量要切实做好，这对加固地层，保证施工安全，减少隧道下沉至关重要。俗话说“隧道隧道，穿靴戴帽”意思是说，如果顶部与底部稳固了，隧道安全就有保证了。

②软弱围岩条件下，一定要做到短进尺，每循环进尺控制在0.5m~0.75m范围内，一定要做到短台阶，台阶长度控制在2~3m范围；一定要留核心土，用以稳定掌子面。

③要特别重视格栅钢架的早封闭、早成环，尤其是拱脚除了采用锁脚锚杆或锁脚锚管之外，还要特别注意拱脚悬空的时间不应过长，宜控制在三天以内。拱脚悬空的格栅钢架榀数不应过多，宜控制在三~四榀之内。只有尽快把衬砌封闭成环，才能发挥初期支护防坍塌限沉降的作用。

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④由于初衬承受施工期间的全部荷载，所以要特别重视喷射砼的质量，特别是喷射砼的强度等级及其喷射厚度必须要达到设计图纸的要求。

⑤要重视初衬及二衬背后的回填注浆，初衬成环后的第三天，二衬封闭后的第七天应分别对初衬及二衬拱顶背后进行回填注浆，这对控制地面沉降和隧道结构防水是至关重要的。

⑥要严格防水板的铺设和焊接工艺操作程序，保护好防水板，使它真正的能起到防水作用，这也是控制地面沉降的一个重要环节。

⑦要严格掌握密炮眼，小药量的原则，要严格限制爆破振速，优先采用预裂爆破方法。爆破振速要求在20~25mm/s之内，以减少爆破冲击波对围岩的扰动。

4）在围岩松软、埋深又浅的矿山法隧道施工过程中，要加强监控量测，并及时反馈给设计与施工，让其立即考虑修正支护参数和改变施工步骤。

以上讲的这些，集中起来就是“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，早成环，勤量测，速反馈，防治水，弱爆破，少扰动，控沉降”这36个字。

三、设计计算理论

地下结构物（隧道衬砌属于其中的一种）与地面结构物相比较，有其不同之点。地面结构物在荷载作用下变形是自由的，即不受约束的，而地下结构物则相反。这就使得地下结构处于更为复杂的工作条件下，就是说变形和应力状态较为复杂，这是问题的一个方面。另一方面，却使得地下结构的受力条件比地面结构更为有利，这是因为围岩不仅主动施加外荷载于衬砌上，而且它紧紧地包裹着衬砌限制其自由变形。由于弹性抗力的作用，能使隧道衬砌结构的受力条件得以改善，即变形小而极限承载能力大。

目前对复合式衬砌隧道的计算方法，有“荷载结构法”和“地层结构法”两种理论。 1、荷载结构法

荷载结构法也就是用结构力学的原理对隧道主要承受结构——衬砌进行内

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力分析。

1）设计原理

荷载结构法的设计原理认为，隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，而衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。计算时先按地层的类别计算出地层压力。然后按弹性地基上结构物的计算方法对隧道衬砌内力进行计算。内力求出后再进行结构截面的设计。

2）计算原理

（1）基本未知量与基本方程

取衬砌结构结点的位移为基本未知量。由最小势能原理或变分原理，可得系统整体求解时的平衡方程式：

[K]{}{P} （3-1）

式中：[K]——衬砌结构的整体刚度矩阵，为mxm阶方阵，m为体系结点自

由度的总个数；

{δ}——由衬砌结构结点位移组成的列矩阵，

即{δ}=[δ

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δ2 „δm]T；

{P}——由衬砌结构结点荷载组成的列矩阵，

即{P}=[P1 P2 „Pm]T；

矩阵{P}、[K]和{δ}，可由单元的荷载矩阵{P}e、单元的刚度矩阵[K]e和单元的位移矩阵{δ}e组装而成。因此，在采用有限元方法进行分析时，需先划分

[K]e和单元的荷载矩阵{P}e。

隧道承重结构轴线的形状为弧线时，需用折线单元模拟曲线。划分单元时，只需确定杆件单元长度。杆件厚度d即为承重结构的厚度，而杆件宽度通常取为1（m）。相应的杆件横截面面积A=d×1（m2），抗弯惯性矩为I=1/12×1×d（m4），弹性模量E(KN/m2)取为砼的弹性模量。

（2）单元刚度矩阵的计算

设梁单元在局部坐标系下的结点位移为

,,,,,uuiiijjj，对应

Tfx,y,mi,xj,y,mj的结点力为jii，则有

T 5

fk （3-2）

e式中[k]e为单元在局部坐标系下的刚度矩阵，并有

EAl00[k]eEAl00012EIl36EIl206EIl24EIlEAl00EAl012l3EI6lEI2012EIl3012l3EI6EIl206lEI22EIl006lEI206EIl22EIl0 （3-3） 6lEI24EIl式中：l——梁单元的长度； A——梁的截面面积；

I——梁的惯性矩； E——梁的弹性模量。

对于整体结构而言，由于各单元采用的局部坐标系均不相同，所以在建立整

K体矩阵时，需按式（3-4）将按局部坐标系建立的单元刚度矩阵转换成结构整体坐标系中的单元刚度矩阵[K]e 。

eeKTcossin0T000sincos0000eTKT （3-4）

000cossin0000sincos0000 （3-5） 000式中：[T]——转制矩阵，表达式为：

001000β——局部坐标系与整体坐标系之间的夹角。

（3）地层反力作用模式 地层弹性抗力由下式给出

FnKnUn （3-6） FsKsUs （3-7）

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其中：

KnU0Kn n （3-8）

Un0KnKSKS0Ks （3-9）

KK0ss式中：Fn、Fs——分别为法向和切向弹性抗力；

Kn、Ks——相应的围岩弹性抗力系数；并且K+、K-分别为受压区和受

拉区的弹性抗力系数；通常将受拉区的抗力系数假设为零，即KnKs0

杆件单元确定后，即可确定地层弹簧单元，它只设置在杆件单元的结点上。地层弹簧单元既可沿整个截面设置，也可在部分结点上设置。沿整个截面设置地层弹簧单元时，计算过程中需用迭代法作变形控制分析，以判断出抗力区的确切位置。 2、地层结构法

地层结构法的设计原理，是将隧道衬砌和地层看成是整体共同受力的统一体系，在满足变形协调条件的前提下分别计算衬砌与地层的内力，据此以验算地层的稳定性和进行结构截面设计。由于此法计算相当繁杂，限于时间和篇幅的原因这里就不作深入的介绍了。

总而言之，由于围岩错综复杂的组合变化难以掌握，由于岩土工程问题分析中又是以经验起主导作用的，因而目前对一般的喷锚支护或者复合式衬砌结构设计仍应强调以工程类比法为主，理论分析只是目前地下工程衬砌设计的一种辅助方法。这一原则在锚喷构筑法或者隧道设计规范中均有明文规定。这就要求我们隧道设计的工程技术人员，要不厌其烦、要不怕辛苦的多多深入到工地现场中去，通过现场的实际情况和监控量测的数值，随时修正我们的设计支护参数，这才是确保隧道掘进中安全的必由之路。

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四、深埋隧道与浅埋隧道的分界值判定

浅埋和深埋隧道的分界，按荷载等效高度值（hq），并结合围岩级别、断面形式及跨度、施工方法等因素综合判定。按荷载等效高度的判定公式为：

Hp(2~2.5)hq （4-1）

式中：Hp——浅埋隧道分界深度（m）；

hq——荷载等效高度（m），按下式计算：

hqq （4-2）

q——为按（4-3）式算出的深埋隧道的垂直均布压力（KN/m2）；

qh （4-3）

h0.452s1.

式中：γ——围岩重度（KN/m3）；

s——围岩级别；

ω——宽度影响系数，=1+i(B-5)；

B——隧道宽度（m）；

i——B每增减1m时的围岩压力增减率，以B=5m的围岩垂直均布压

力为准，当B＜5m时，取i=0.2；当B＞5m时，取i=0.1。 在矿山法隧道施工的条件下，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩取Hp=2hq，Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩取Hp=2.5hq。

按上述公式计算的深、浅埋隧道分界值如表4-1所示。

深、浅埋隧道分界深度表 表4-1

隧 道 宽 度 (m) Hp(m) 围 岩 级 别 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Ⅰ Ⅱ Ⅲ 0.5 1.1 2.2 0.7 1.4 2.9 0.9 1.8 3.6 1.0 2.0 4.0 1.1 2.2 4.3 1.2 2.3 4.7 1.3 2.5 5.0 1.4 2.7 5.4 1.4 2.9 5.8 1.5 3.1 6.1 1.6 3.2 6.5 1.7 3.4 6.8 1.8 3.6 7.2 1.9 3.8 7.6 8

Ⅳ Ⅴ Ⅵ 5.4 7.2 9.0 9.9 10.8 11.7 12.6 13.5 14.4 15.3 16.2 17.1 18.0 18.9 10.8 14.4 18.0 19.8 21.6 23.4 25.2 27.0 28.8 30.6 32.4 34.2 36.0 37.8 21.6 28.8 36.0 39.6 43.2 46.8 50.4 54.0 57.6 61.2 64.8 68.4 72.0 75.6 假设H为拱顶到地面的覆土厚度（m），

如果H＞Hp可视为深埋隧道；如果H≤Hp可视为浅埋隧道。

五、浅埋隧道荷载的计算方法

浅埋隧道荷载分下面两种情况分别计算。 1、当H≤hq时，

当隧道埋深（H）小于或等于荷载等效高度（hq）时，属超浅埋隧道，此时可将荷载看为均布垂直压力。

q.H （5-1）

式中：q——垂直均布压力（KN/m2）；

H——隧道埋深，指拱顶到地面的距离（m）。

而侧向均布土压力e，可按均布考虑，其值为

e(H1)tg2(45oc) （5-2） 2Ht2式中：e——侧向均布压力（KN/m2）；

Ht——隧道高度（m）；

φc——围岩计算内摩擦角（ °），其值见表5-1。

各级围岩的物理力学指标 表5-1

弹性抗力 围岩重度γ系数级别 (KN/m) K(MPa/m) Ⅰ Ⅱ Ⅲ 26~28 25~27 23~25 1800~2800 1200~1800 500~1200 ＞33 20~33 6~20 ＜0.2 0.2~0.25 0.25~0.3 3内摩 变形模量泊松比ν E(GPa) (°) ＞60 50~60 39~50 ＞2.1 1.5~2.1 0.7~1.5 擦角φC(MPa) 粘聚力计算摩 擦角φc(°) ＞78 70~78 60~70 9

Ⅳ Ⅴ Ⅵ 20~23 17~20 15~17 200~500 100~200 ＜100 1.3~6 1~2 ＜1 0.3~0.35 0.35~0.45 0.4~0.5 27~39 0.2~0.7 50~60 40~50 30~40 20~27 0.05~0.2 ＜20 ＜0.2 表注：1、选用计算摩擦角时，不再计内摩擦角和粘聚力；

2、表中数值不适合黄土地层。

2、当hq＜H≤Hp时，

当埋深（H）大于荷载等效（hq）而小于或等于浅埋隧道分界深度（Hp）时，为了简化计算，便假定土体破裂面是一条与水平线成β角的斜直线，如图5-1所示。

EFGH岩土体下沉，带动两侧三棱土体FDB、ECA下沉，整个土体ABDC下沉

时，又要受到未扰动岩土体的阻力；AC与BD是假定的破裂面，分析时不考虑内聚力C，并采用了计算摩擦角φc；另一个滑动面FH或EG并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力，若该滑动面的摩擦角为θ，则θ值应小于φc值，无实例资料时，θ可按表5-2采用。

各级围岩的θ值 表5-2

围岩级别 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ θ角 0.9φc Ⅳ Ⅴ Ⅵ （0.7~0.9）φc （0.5~0.7）φc （0.3~0.5）φc 由图5-1看出，隧道上覆岩体EFHG的重力为W，两侧三棱岩体FDB或ECA的重力为W1，未扰动岩体整体滑动土体的阻力为F，当EFHG下沉时，两侧受到的阻力为T或T′，作用于HG面上的垂直压力总值为Q浅：

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Q浅W2TW2Tsin （5-3）

三棱体自重为：

1h （5-4） W1h2tg式中：h——隧道底面到地面的距离（m）；

β——破裂面与水平面的夹角（°）。

根据正弦定理可得：

Tsin(c)W1 （5-5） osin[90(c)]将式(5-4)代入可得：

1Th2 （5-6）

2costgtgc （5-7）

tg[1tg(tgctg)tgc.tg](tg2c1)tgctgtgc （5-8）

tgctg式中：λ——侧压力系数。

得到两侧阻力值T后，将T 代入（5-3）式，则可得出作用在HG面上的垂直压力Q浅。

Q浅W2TsinWh2tg （5-9）

由于GC、HD与EG、FH相比往往较小，而且衬砌与土之间的摩擦角也不同，前面分析时是按θ计，当中间土块下滑时，由EG及FH面传递，考虑到压力偏大对设计的结构偏安全，因此，摩阻力不计隧道部分而只计洞顶部分，即在计算中用H代替h，这样式（5-9）变为：

Q浅WH2tg

由于WBtH，所以

Q浅H(BtHtg) (5-10)

式中：Bt——隧道宽度（m）。

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换算为作用在支护结构上的均布荷载（见图5-2）。

Q浅Hq浅h(1tg) （5-11）

BtBt式中：q浅——作用在隧道支护结构上的均布荷载（KN/m2）。 作用在支护结构两侧的水平侧压力为

e1H (5-12)

e2h六、矿山法隧道设计中应注意的几个问题

1、围岩级别的修正问题

准确判定围岩级别是决策隧道设计的基础，根据岩石的坚硬程度和岩体的完整程度这两个基本指标，铁路隧道设计规范将围岩基本分级定为六个级别。大致情况为：

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Ⅰ级围岩：岩石的单轴饱和抗压强度：Rc＞60MPa，岩块整体厚度H＞1.0m； Ⅱ级围岩：岩石的单轴饱和抗压强度：硬质岩Rc＞30MPa，软质岩Rc≈30MPa，

岩石整体厚度：硬质岩0.5m＜H≤1.0m，软质岩H＞1.0m； Ⅲ级围岩：岩石的单轴饱和抗压强度：硬质岩Rc＞30MPa，软质岩Rc=5~30MPa，

岩石整体厚度：硬质岩H=0.1~0.5m，软质岩0.5m＜H≤1.0m；

Ⅳ级围岩：岩石的单轴饱和抗压强度：硬质岩Rc＞30MPa，

软质岩Rc≈5~30MPa，

岩石整体厚度：硬质岩呈碎石状，软质岩H=0.1~0.5m；

Ⅴ级围岩：软岩岩体破碎至极破碎，土体一般为第四系坚硬、硬塑粘性土，

稍密及以上的碎石土、卵石土、园砾土、角砾土、粉土；

Ⅵ级围岩：岩体呈粉末、泥土状断层带，土体为软塑粘性土、饱和的粉土、

砂类土。

以上的分级，叫做围岩的基本分级。在影响工程岩体稳定性的诸多因素中，岩石坚硬程度和岩体完整程度只反映了岩体质量的基本特征，但它不是影响岩体稳定性的全部重要因素。当隧道围岩存在地下水、高初始应力、不利的软弱结构层面等情况时，其稳定性就要大打折扣。因此，地下水、较高的初始应力以及软弱夹层都是围岩分级的修正因素。

平常设计时，很多年轻同志，只注重将工程地质中的微风化、中风化、强风化岩分别定为Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级，而不管它是硬质岩还是软质岩，更不管水文地质中地下水在岩石中的存在状态对围岩级别的修正问题，这是必须重视的。

（1） 地下水对围岩级别的修正

地下水是影响岩体稳定性的重要因素。水的作用主要表现为溶蚀岩石和结构面中易溶胶结物质，会使岩石软化、疏松，充填物泥化，强度降低。水对围岩级别的影响，不仅与水的赋存状态有关，还与岩石性质和围岩完整性有关。岩石越致密，强度越高，完整性越好，则水的影响越小。反之，水的不利影响越大。地下水状态的分级按表6-1确定，地下水对围岩级别的修正按表6-2进行。

地下水状态的分级 表6-1

级别 Ⅰ 状态 干燥或湿润 L渗水量 min10m＜10 13

Ⅱ Ⅲ 偶有渗水 经常渗水 10~25 25~125 地下水影响对围岩级别的修正 表6-2

岩 地 下 级 别 水 状 态 围 Ⅰ Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅱ Ⅲ Ⅲ Ⅲ Ⅳ Ⅳ Ⅳ Ⅳ Ⅴ Ⅴ Ⅴ Ⅴ Ⅵ Ⅵ Ⅵ — — — Ⅰ Ⅱ Ⅲ （2）初始地应力对围岩级别的修正

在天然状态下存在于岩体内部的应力，称之为初始地应力。围岩初始地应力场的影响，既反映了隧道埋深的影响，也反映了岩石强度的影响。高初始应力是产生岩爆和岩芯饼化的共同条件。一定的初始应力值对不同岩性的岩体稳定性影响程度是不一样的。为此，用岩石单轴饱和抗压强度（Rc）与最大主应力（σ

max

）

的比值，作为评价岩爆和岩芯饼化发生的条件，进而评价初始应力对工程岩体稳定性的指标。初始地应力对围岩级别的修正按表6-3进行。

初始地应力影响对围岩级别的修正 表6-3

围 初 始 地 应 力 状 态 岩 Ⅰ 级 别 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Rc/σmax＜4 Rc/σmax=4~7 Ⅰ Ⅰ Ⅱ Ⅱ Ⅲ或Ⅳ① Ⅳ Ⅲ Ⅳ或Ⅴ② Ⅵ Ⅵ 注：①围岩岩体为较破碎的极硬岩、较完整的硬岩时，定为Ⅲ级；围岩岩体

为完整的较软岩、较完整的软硬互层时，定为Ⅳ级；

②围岩岩体为破碎的极硬岩、较破碎及破碎的硬岩时，定为Ⅳ级；围岩岩体为完整及较完整软岩、较完整及较破碎的较软岩时，定为Ⅴ级。 （3）软弱结构面影响对围岩级别的修正及其他要求

软弱结构面是影响地下工程岩体稳定的一个重要因素，软弱结构面是指成层岩体的泥化层面，一组很发育的裂隙，次生泥化夹层，含断层泥，糜棱岩的小断层等。

①

对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩，当洞轴线与主要断层或软弱夹层的夹角小于30°时，应降低一级；

②

隧道洞深埋藏较浅，应根据围岩受地面的影响情况进行围岩级别修

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正。围岩仅受地表影响时，应较相应围岩降低1-2级；

③

洞口段应将围岩级别降低一级考虑衬砌结构设计，其长度应不小于1倍洞跨；

④ ⑤

围岩级别较低地段应向围岩级别较高地段延伸5~10米；

对Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩，岩石一般受地质构造影响严重，风化破碎，基础易产生沉陷；土质则承载力低，稳定性较差，开挖后易产生隆起等变形，所以均应采用曲墙式带仰拱的衬砌。仰拱的矢跨比，单线一般取1/6~1/8，双线一般取1/10~1/12。

2、隧道内交叉口部位的加强问题

在地铁矿山法隧道设计中，经常会遇到隧道洞身与施工横通道或者消防疏散通道相互交叉的岔洞结构，此处是应力比较集中的地方，受力关系相当复杂，为了保证岔洞结构的安全，有必要对其交叉口段的衬砌结构作加强处理，以保证结构的稳定。其加强段长度如图6-1所示。

3、关于小净距隧道问题

小净距隧道是指隧道之间的中间岩柱厚度小于表6-4建议值的特殊隧道布置形式。

两相邻单线隧道间最小净距建议值 表6-4

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围岩级别 Ⅰ 最小净距（m） 1.0B Ⅱ 1.5B Ⅲ 2.0B Ⅳ 2.5B Ⅴ 3.5B Ⅵ 4.0B 注：B——隧道开挖断面的宽度。

由于影响两相邻隧道间距的因素很多，如围岩的地质条件、隧道断面尺寸、先行隧道的衬砌情况、埋置深度、爆破用药量以及施工方法等，而这些因素的影响又难以定量，因此表列的最小净距建议值，在选用时还需根据经验，通过工程类比、分析确定。

小净距隧道设计时的注意要点：

① 必须是复合式衬砌结构，支护参数应按工程类比、计算分析综合确定； ② 设计时应将中间岩柱的稳定与加固作为设计与施工的重点来考虑； ③ 应考虑相应的施工方法，并提出各种施工方法的具体要求；

④ 应把中间岩柱的稳定、浅埋段地表沉降、爆破振动对相邻洞室的影响作

为监控量测的主要内容；

⑤ 当Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩占小净距隧道总长的80%以上时，最小净距不宜小

于0.3B；

⑥ 当Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩占小净距隧道总长的50%~80%时，最小净距不宜小

于0.5B；

⑦ 当Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩占小净距隧道总长的50%以下时，最小净距不宜小

于0.75B；

⑧ 当最小净距小于0.3B时，宜采用连拱隧道；

⑨ 对最小净距小于6m的中间岩柱，当围岩为Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级时，宜用超前小

导管注浆加固，对Ⅲ级围岩宜用水平对拉锚杆加固，水平对拉锚杆的预加力宜为30~100KN。当最小净距大于6m时，则可用系统锚杆取代； ⑩ 对小净距隧道的爆破振动速度允许临界值，宜取为≤10cm/s。 以上要点仅作参考，不作设计依据。

广州地铁二号线公园前~纪念堂区间隧道，对双线大断面与单线小断面两隧道，净距分别为0.85m、1.6m、4.0m进行了“离心模型试验研究”和“数值模型研究”。计算模拟图中的双线隧道和单线隧道工法均与施工过程相同，双线隧道采用CRD工法，以临时中隔壁为界，远离单线隧道的一侧称之为C部，靠近单线隧道的一侧称之为D部。单线隧道采用台阶法，全断面分上下两个台阶。隧道开

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挖的断面尺寸如图6-2所示，最终结论有三点：

第一点：先开挖小洞后开挖大洞，地面沉降值最大，小洞洞周塑性区和变形值均大于大洞；

第二点：先开挖大洞，最先开挖大洞的D部（靠近小洞的一侧），地面沉降值最小；

第三点：中间岩柱未注浆时，在大洞靠小洞的拱顶处存在塑性区，注浆后塑性区范围大大减小。

研究归研究，在施工过程中为了确保工期，还是先开挖小洞后开挖大洞的，根本没有管它的研究结论（研究单位：同济大学、铁二院、铁十三局 2001.10）。至少此研究成果可供我们作设计参考。 4、锚杆的长度、间距及垫板问题

锚杆分系统锚杆和局部锚杆两大类。系统锚杆主要是对围岩起整体加固作用，使围岩在一定深度范围内形成拱形承载结构，充分发挥围岩岩体抗压强度高的特点，发挥围岩的自承能力，在围岩条件较差时，应采用系统锚杆。一般情况下系统锚杆应沿隧道开挖轮廓线经向布置。其布置形式有梅花型排列和矩形排列两种，如图6-3所示。

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系统锚杆的长度不宜太长，当锚杆长度大于4m时，钻孔和注浆施工均较困

难，有效锚固长度难以保证，并且费用也大。因此锚杆长度单线隧道不宜大于3.0m，双线隧道不宜大于3.5m，三线隧道不宜大于4.0m。

系统锚杆的间距不应大于锚杆长度的1/2，且不宜大于1.5m。在Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩中，锚杆间距宜为0.8~1.2m。这些规定是考虑到有利于相邻锚杆的共同作用。

永久支护的锚杆应为全长粘结型锚杆或预应力注浆锚杆。其他类型的锚杆，如端头锚固型锚杆、摩擦型锚杆是不能作为永久支护的。全长粘结型锚杆是用水泥砂浆或树脂作为填充粘结剂，使锚杆体和孔壁岩体粘结牢固，由此提供的摩擦阻力，阻止岩体位移，并通过安装在孔口上的垫板、螺母对岩壁的约束力来抑制围岩变形和承受围岩的松弛荷载。目前在地铁矿山法隧道中使用最为广泛的就是锚固性能可靠，具有长期锚固效果的全长粘结型锚杆。

以往由于我们国家底子薄、钢产量少，普通砂浆锚杆增加钢垫板难度大，以及工程费用增加多等情况，在设计及施工中大量采用的是无钢垫板的螺纹钢筋砂浆锚杆，实践证明锚杆质量很难保证。因此，在现行的设计规范中均认为，钢垫板是喷射砼与锚杆组成统一支护结构的重要构件。喷射砼虽可起到托板作用，但在先喷后锚的条件下，由于喷射砼与锚杆在其端头处的连接并不牢靠，此种代替作用往往不能得到发挥。实践证明，设钢垫板可明显地提高锚杆与喷射砼的综合支护效果。因此在铁路隧道工程中，规范要求必须推广使用带有钢垫板的锚杆。

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锚杆孔口的垫板应紧贴壁面，未接触部位必须楔紧。锚杆孔口光设垫板，其作用也不大，因此公路隧道设计规范中还要求锚杆的垫板要通过螺母压紧在壁面上。锚杆杆体露出岩面的长度不应大于喷射砼的厚度。这些规定希望设计者能遵照执行。

钢垫板的钢材牌号为：Q235,尺寸不宜小于150mm×150mm，厚度不宜小于6mm。

局部锚杆的主要作用是阻止部分不稳定岩块崩落或滑移，通过锚杆将岩块锚固在稳定的岩体上，有效锚固端必须置于稳定的岩体内，如图6-4所示。

锚杆长度和锚固力的计算参数应根据现场地质调查选定。锚固力T由下式计算：

TWf （6-1）

当单根锚杆锚固力t＜T时，

tT （6-2）

式中：W——滑动岩体的重力；

f——滑动岩体与稳定岩体内的摩擦力； η——锚杆根数。

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七、地层变位的原因

矿山法隧道或盾构法隧道在隧道开挖或盾构掘进的过程中，必然的也是不可避免的会对土层产生扰动，这种扰动导致了土体强度和压缩模量的降低，从而便引起土体长时间内的固结和次固结沉降。当地层变形超过一定范围时，就会危及到隧道周边建筑物和地下管线的安全。

地层变位的因素有以下几种原因：

1、由于土体的开挖破坏了原有地层应力的平衡状态，土体为了建立新的平衡就得进行结构内部的重新调整，这种调整过程是缓慢的，因此反映到地面的沉降也是逐渐的。

2、隧道开挖后地下水的流失使土体的有效应力增加，从而引起土体的固结变形。

3、隧道初衬背后砼喷射的不密实钢格栅成环封闭后又未能及时进行回填注浆，引起了地层损失。

4、在水土压力作用下隧道衬砌变形也会引起小量的地层损失。

八、隧道施工对邻近建筑物的保护措施

1、降水法

降水法是一种稳定土层的施工方法。通过排除地层中的地下水，使地下水位降低，以此来防止在含水砂层中由于从开挖面涌水而发生塌方事故。此法在西安地铁和成都地铁正在大量使用，所有明挖基坑、含水砂层、砂卵石层，饱和软黄土层的区间隧道都普遍采用深井降水。 2、注浆加固法

注浆加固法大致有渗透注浆（土的颗粒直径>0.05mm），劈裂注浆（土的颗粒直径<0.01mm），压密注浆（适用于软土、浆液中含有一定级配的砂粒），喷射注

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浆（高压射流的冲击、扰动、切削、搅拌作用）以及水泥土搅拌桩五大类。注浆加固法的特点是：加固后的土体强度较大，防渗性能会显著提高；加固的范围和深度可以根据需要加以控制；见效快、施工周期短。上海延安东路隧道施工期间对某建筑的地基加固之前的沉降为200mm/d，而注浆加固后的沉降速度为2mm/d。地铁五号线淘区区间邮电新村楼房基础也采用过注浆加固。 3、冻结法

其他方法估计对稳定开挖面土体或建筑物基础土体有困难时，可用冻结施工法。这种方法就是将土体中的水低温冻结形成冻土，冻土具有一定的强度和隔水性能，可以保证开挖的安全。此法在地铁二号线海珠广场~公园前区间使用过。当时用的是盐水冷冻法，也就是把冷却到-20~-30℃的盐水输入到埋设在土层中的双重冷冻管中，使之循环冻结，回收的盐水重新冷却再循环使用。 4、基础托换桩

此法工期长，费用高，但他是解决建筑变形措施最可靠的，并且能用于高层建筑的方法。地铁一号线体育中心~广州东站区间，林和村段的两栋四层桩基础楼房、地铁二号线晓港~江南西站区间美术学院11层住宅楼的托换都是成功的范例。 5、隔离墙法

隔离墙法就在隧道与建筑物之间设置一道屏障，使地基变位被阻挡在影响结构物变位之外，通常就是在隧道与结构物之间施工一道连续墙或排柱桩。隔离墙的宽度和深度要根据隧道的影响范围来确定。但有一个原则就是隔离墙的深度一定要超过土层的扰动区域，进入原状土，若下面有持力层，最好能伸入到持力层。

九、隧道与建筑物邻近程度的判断

邻近程度的划分，首先要对邻近建筑结构物作出调查，调查的内容包括建筑

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结构物的龄期、规模与用途，结构材料及其强度，结构物的基础形式，结构物已有的裂缝和变形，结构物的设计图与竣工图等。 在目前的条件下，邻近程度的判断方法有下面三种：

1、根据现行的有关规范条文的规定进行判断；

2、在隧道半园拱直径两端的垂线与隧道底水平线的交点处，以45°+φ/2（φ是土的内摩擦角）的水平夹角各划一条主动坍塌线，凡在该范围内存在的建筑物均应作为邻近施工处理。

3、随着计算机技术的发展，在计算机的平台上对工程模型进行平面的或三维空间的计算分析预测，根据分析的结果进行判断。

平常，从直观上可用下面的方法对隧道与建筑物的邻近程度作出判断，假设将隧道最大开挖宽度称作是一个洞径“D”，又假设建筑物的基础为浅基础（天然基础、扩大基础、条形基础等）。那么

当建筑物与隧道是左、右平行关系时：

①如果两者的净距小于1.5D洞径时，建筑物的基础需在隧道开挖前进行加固；

②如果两者的净距在1.5D~3D洞径时，建筑物的基础需加强监测，然后根据监测结果再决定是否加固及加固措施；

③如果两者的净距大于3D洞径时，则认为建筑物是安全的。 当建筑物与隧道是上、下重叠关系时

①如果两者的净距小于2D洞径时，建筑物的基础需在隧道开挖前进行加固； ②如果两者的净距在2D~3.5D洞径时，建筑物的基础需加强监测，然后根据监测数据再决定是否加固及加固措施；

③如果两者的净距大于3.5D洞径时，则认为建筑物是安全的。

上面的判断原则只是一个宏观的、定量的东西，这和围岩级别的高低有密切关系，隧道设计人员一定要有随机应变的能力。举例说，地铁三号线石牌桥~体育西路支线区间隧道与林和村~体育西路正线区间隧道有300多米的交叉重叠段，最小净距仅为1.209m。正线隧道在上、支线隧道在下，围岩类别为Ⅳ、Ⅴ类（也就是现行规范的Ⅲ、Ⅱ级），两者又是同时施工。经过情况分析后，其设计要点如下：

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1）支线在正线之下应先行施工，支线与正线开挖掌子面应相距50m以上，爆破振速应控制在20mm/s以内；

2）重叠段支线石体区间二衬需等到正线林体区间隧道初衬通过后再行施工； 3）当支线与正线林体区间之间的距离a≤3m时，支线石体区间初衬完成后采用满堂型钢支架顶撑隧道结构，以待正线林体区间隧道从上部通过。（支线格栅钢架422@0.5m）。

4）当支线与正线之间的距离3m5m时，支线隧道8@0.8m钢筋网； 7）加强监测，信息反馈给施工与设计，让双方心中有底。

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