1.3　富水软弱地层隧道开挖研究现状

1.3.1　富水软弱地层中隧道施工技术研究

西南交通大学关宝树等通过研究表明：隧道工程所穿越地层地质条件、水文地质条件以及施工过程选取的支护参数和施工工序等方面对隧道施工过程中围岩支护结构稳定性有重要影响。隧道整个开挖施工过程中围岩应力、应变等在时间和空间上具有不可逆转性，不同的掘进方法会产生不同的结构受力形式和围岩变形，这对于破碎围岩隧道尤为明显。因此，穿过特定地层的隧道能否顺利地施工关键在于是否选择了一个合适的开挖方法。

针对富水地层中隧道的施工首先应选择恰当的地层加固与止水方法，在这方面国内外进行了大量的研究。近年来工程界针对富水隧道采用何种防排水型式进行了多方面的试验研究，对于富水隧道修建过程中水治理的方法和原则有了新的认识和理念，总结出“以堵为主、限量排放，堵排结合”的治理原则，即：先通过注浆的方式对隧道前方一定范围内围岩进行注浆加固，切断地下水流向隧道的通道，但受工艺及不可避免裂缝影响，仍由一部分水会渗透到衬砌背后，若不及时排放，日积月累仍会对衬砌产生很大水压力；此时通过衬砌背后布设排水系统将渗入衬砌背后的水通过隧道内侧排水沟排走，从而减小作用在衬砌背后的地下水压力，由于是适量排放，采用这一原则并不会破坏原有的地下水系统。目前，这种方法在多个富水隧道中均得到较好的应用。

在实际应用方面，陈成宗根据大瑶山隧道九号断层地质构造、岩体结构、水文地质状况等方面全面阐述了除利用超前平行导坑、掌子面钻孔进行排水降压外，并施作管棚，于洞周进行超前半封闭浅孔预注装堵水加固围岩等超前支护技术；张松针对关山隧道富水破碎地段提出采用正台阶顶留核心土法，利用超前管棚、超前注浆小导管均是加固富水破碎围岩，并采用控制爆破与非钻爆开挖的手段以尽量减少对围岩的扰动，得到了满意的施工效果；黄石勇对宁武高速公路（宁德段）西山角隧道、紫云一号隧道、紫云二号隧道（单洞长8495m）隧道中穿越3个断层时采取的先拱后墙法、马口跳槽开挖法等，针对1处涌水处理方案施工范例，总结了采用注装法的具体过程；栗晋华通过注浆来改良软弱破碎岩体、封堵地下水及侵蚀性离子，是当前长大隧道施工中解决地下水、断层等不良地质最被广泛应用的技术之一。

1.3.2　隧道开挖对地层变形的影响

目前对隧道施工地层变形的研究主要集中在地表移动和变形的机理、影响因素、地表移动和变形计算等方面。

地表移动可以分为地表沉降和水平位移[1]两个部分。地表变形主要指不均匀地表沉降和不均匀水平位移所形成的地表倾斜和水平变形，以及地表的曲率变形。一方面，隧道施工中，实际开挖的岩土体体积与竣工隧道体积之间存在差值，形成了地层损失，隧道周围土体在弥补地层损失中，发生移动，引起地表沉降。另一方面，在含水地层中进行隧道施工时，可能引起周围土体内部孔隙水压力的变化，使地层发生排水固结引起地表沉降。地表移动和变形的大小不仅与隧道的埋深、断面尺寸、施工方法、支护方式有关，而且受地层条件的影响。

在隧道施工引起的地表移动和变形中，地表沉降的大小和分布最受关注。对于隧道施工引起的地表沉降问题的研究，最早起源于对煤矿等矿山巷道上方地表沉降现象的分析。对于这种沉降现象的分析步骤如下：首先对地表沉降槽的形状进行观察，然后将沉降槽的曲线形态以数学形式加以表现，最后逐步对地表沉降分布、最大沉降量等进行理论和经验上的推断。根据煤矿地区巷道开挖地表下沉的实测结果，Martos[2]提出隧道开挖所引起的地表沉降槽可由误差函数近似表示。

1969年，在大量隧道开挖施工引起地表沉降的实测资料的基础上，Peck[3]系统地提出了地层损失的概念和估算隧道开挖地表下沉的实用方法，也即著名的Peck公式。此后，Peck本人及其他不少学者和工程技术人员做了大量工作，使之成为目前应用最为广泛的预计隧道施工地表沉降的方法。Peck认为，在不排水的情况下，隧道开挖所形成的沉降槽的体积应等于地层损失的体积。假定地层损失在整个隧道长度上均匀分布，隧道施工所产生的地表沉降横向分布近似为一正态分布曲线，由此，提出了如下地表沉降分布的预计公式：

式中　S（x）——距离隧道中心轴线为x处的地表沉降值；

Vi——施工引起的隧道单位长度地层损失；

Smax——隧道中心线处地表最大沉降量；

i——地表沉降槽宽度系数；

Z——地面至隧道中心深度；

φ——内摩擦角。

在公式（1.3-1）和公式（1.3-2）中，需要确定Vi和i两个参数，这些参数与隧道开挖深度、断面尺寸、地层条件以及施工条件紧密相关，Peak、Cording等学者对参数的取值做了大量的研究[4]，并给出了经验取值。

英国是世界上最早修建地铁的国家，对地铁等城市隧道施工地表沉降问题研究较多。OReilly，New[5-6]等针对不同的地层，研究了不同施工方法引起的地表沉降；在大量实测资料的基础上，提出了实际沉降槽宽度、地层损失和地表沉降的预计公式；根据单孔隧道地表沉降结果，按照叠加原理，得出了开挖双孔隧道引起的地表沉降计算公式。Attewell等还通过假定横向地表沉降为一正态分布形式，纵向分布为二次抛物线形态，得出了隧道施工引起的三维地表运动公式。Kimura和Mair[7]等还通过离心模型试验对伦敦几种地层中隧道施工所产生的地表沉降预计参数进行了探讨。按照体积不变的假定，可以得到地表水平位移的计算公式。土体固结引起的地表沉降问题的研究也进行了许多，并且进行了长期的实测。这些预计公式经过大量的实测结果验证，在地表移动和变形预计中获得了广泛应用，取得了较好的效果。

日本在软土地层中进行隧道建设的经验比较丰富，许多学者对隧道施工所引起的地表沉降问题非常关注，进行了深入的研究。Fujita[8]提出了盾构隧道地表沉降预计方法。在软土地层条件下，软土的固结沉降占有相当大的比重。藤田[9]进行了软土地层中不同盾构施工方法对地层的影响研究。

我国对隧道施工所引起的沉降问题也进行了大量的研究，同济大学自20世纪70年代起，便开始了隧道施工地表沉降的实测和理论研究工作。在现场实测结果分析和理论研究的基础上，对Peck公式进行了修正，提出了考虑土体受到扰动后固结沉降的地表沉降计算公式[10]。在上述研究中，对隧道开挖后地表沉降槽的形状，采用一定的曲线形式表示，并根据地表沉降实测结果或已有资料，确定曲线的特征参数。

波兰学者J.Litwiniszyn[11]出了随机介质理论，该理论把岩土体视为一种随机介质，将开挖岩土体引起的地表下沉视为随机过程。开挖dξdζdη微元体，所产生的线沉降和隧道开挖地层横截面沉降分别为：

随机介质理论自提出以来，经过我国学者刘宝琛[12]等人的发展，其理论已逐步完善。由于常见的城市隧道一般距离地表不深，大都处于表土或风化岩层中，这些介质能被较好地视为随机介质，因而利用随机介质理论预计城市隧道施工所引起的地表移动和变形的方法也有实际的应用。

计算机的问世为数值分析提供了强有力的工具。因为地表沉降影响因素较多，任何简单实用的计算方法均无法反映众多因素的综合影响。而借助于计算机，可以较全面地考虑影响地表移动及变形的各主要因素，较为准确地预计隧道施工引起的地表移动及变形，并提出有效的控制地面沉降的方法。常用的预计地表位移和变形的数值分析方法主要是有限单元法。

采用有限单元法计算隧道施工引起的地表沉降时，将沉降视为力学过程，不仅能计算出地表的移动和变形，而且可以得到地层内部的应力与变形状况。根据地层条件，可以将地层假定为弹性、弹塑性或者黏弹塑性等不同类型的介质。

弹性介质有限元方法适用于地层和施工条件较好的情况。日本大阪地区曾采用弹性有限元法对隧道开挖施工引起的地面沉降进行了估算，取得了较为满意的效果；日本学者总结弹性有限元的计算结果，根据地表沉降实测资料加以修正，提出估算地表沉降的实用公式[13]。由于隧道施工过程中，周围土体受到较大扰动，采用弹性介质有限元方法常常使估算值偏小，因此通常需要将土体视为弹塑性介质进行非线性分析。目前已经开发出各种成熟的二维及三维线性与非线性有限元程序，能够考虑不同类型的土的本构关系和各种施工因素，在隧道施工引起的地表移动与变形的分析中获得应用。有限元法的结果强烈地依赖施工阶段的模拟、本构方程的选择以及土体参数的正确估计，同时实际操作时可能会缺乏现场和岩土勘测资料，因而有时也存在不可操作性和结果的不确定性。

在现场实测、理论分析的基础上，为了对隧道施工引起的地表变形特征、影响地表变形的因素等进行探讨，许多学者还通过模型试验方法对这一课题进行研究。这些模型试验方法主要有相似材料模型试验、离心模型试验等，这些方面也有很多成果。

1.3.3　隧道开挖对建筑物的影响

目前隧道开挖对建筑物的影响研究通常有两种主要方法：第一种是两阶段分析法，把隧道开挖对建筑物的影响分为两个阶段，第一阶段分析隧道开挖引起的地表移动及变形，第二阶段把地表的变形施加到建筑物上，分析建筑物的内力变化。此方法分析较为简便，但没有考虑结构梁效应对沉降槽的弱化作用，使得计算结果偏于保守。第二种是整体分析法，把隧道周围土体、建筑物基础以及上部结构视为一个整体，利用接触来考虑相互之间的连接问题，一般要通过有限元方法来计算。

MrouehH、JenckO[14-16]等分别采用了三维有限元法和有限差分法对盾构隧道施工及周边建筑进行了数值模拟，研究了建筑物自重和刚度对地表位移的影响，结果表明有建筑存在的区域，地表沉降有明显的变化。

在评价隧道对地表建筑物影响的研究中，Chungsik[17]介绍了一种预测隧道开挖引起的地表变形和评价开挖对邻近建筑物影响的系统TURISK，并将其应用到韩国大邱地铁2号线中。

Richard[18]提出了碾压梁模型，分析了深部开挖引起地面三维框架结构的变形，并对建筑物的破坏作出评估，同时考虑了建筑物的类型不同以及梁、柱和门窗位置的不同。

我国学者在隧道开挖对建筑物的影响研究方面也做了大量的工作。施成华[19]等应用随机介质理论对桐油山连拱隧道浅埋段开挖施工引起的纵横向地表移动和变形进行分析，推导了复杂隧道开挖横断面的简化计算公式，根据中导洞开挖后的地表量测数据分析获得地表移动基本参数，然后采用比例法获取计算开挖隧道正洞时所需的地表移动参数，最后应用随机介质方法对隧道正洞开挖后的纵横向地表移动和变形分布进行了预测，并据此判断隧道开挖对地表住宅楼的影响和破坏程度。

杨海朋[20]运用FLAC3D分析软件建立了浅埋隧道的数值计算模型，研究不同因素对浅埋隧道性状和地表沉降的影响，重点研究了围岩性质、开挖和支护方法、开挖进尺、隧道上覆土厚度、开挖孔径和地层条件对围岩的影响，同时还研究了浅埋隧道和上部建筑物的相互作用，分析了偏移距、隧道埋深、上部建筑基础形式以及基础与隧道的位置关系等因素的影响，讨论了多种因素对隧道和上部建筑物相互作用的影响。

俞凯[21]进行了隧道开挖诱发的建筑物内力变化的动态跟踪，研究了偏移距S和埋深H两个参数变化所造成的建筑物的内力变化，结果表明，建筑物和基础的存在对地表变形会产生影响，表现为约束水平位移，影响沉降槽曲线；隧道开挖所造成的差异沉降会影响建筑物的内力，面向隧道侧和背向隧道侧变化不同；隧道中心与结构中心的偏移距S及埋深H的变化对建筑物的内力变化有重要影响，但影响程度有所不同，并且弯矩和剪力的响应也不同。

郭军等[22]探讨了偏移距、隧道埋深等施工因素对邻近建筑物的影响，认为基础的差异沉降和倾斜随偏移距的增加经历由小到大再由大到小的转变；而随隧道埋深的增加，基础差异沉降和倾斜均减小。

刘海燕[23]以隧道上部已有的独立基础框架结构作为研究对象，以理论分析、模型试验、数值模拟为研究手段，对隧道开挖所引起的相关问题进行研究：对地层扰动机理进行分析，计算了框架结构在不均匀沉降下的附加内力，将地基基础上部结构的共同作用理论运用到隧道开挖对建筑结构影响的分析中，提出隧道地基上部结构的共同作用问题；进行隧道开挖对地面建筑结构影响的模型试验，得出了地层沉降槽曲线、地层沉降随时间的变化曲线、上部结构因隧道开挖所引起的附加应变状况；利用ANSYS软件建立二维力学模型，分析了建筑物在隧道开挖条件下的损害形式，并提出地层及建筑物的保护措施。在结构的不利位置处，附加内力可能超过结构的极限承载力，充分表明了隧道开挖对建筑物的影响是不可忽略的。

滕红军[24]在满足施工与建筑物安全的前提下，围绕隧道开挖对周围环境影响问题进行研究，重点包括隧道开挖对地层造成的沉降以及在沉降作用对上部建筑物的影响、建筑物的安全风险分析流程，并对施工阶段的风险控制措施进行了探讨。

1.3.4　爆破振动对邻近建筑物的影响

在隧道采用矿山法施工时，炸药爆炸所释放的能量有一部分会转化为地震波，地震波在传播过程中引起介质的振动，并传至地表，在一定程度上会对邻近建筑物产生影响，严重时还会危害建筑物的安全。

我国学者在爆破地震波对周边建筑物的影响领域开展了一些研究，取得了如下主要成果：

赵以贤[25]应用有限元方法分析了在爆炸载荷作用下地下拱形结构的应力场。谭忠盛等[26]在分析复线隧道施工爆破对既有隧道的影响因素的基础上，论述了采用有限元法分析爆破振动效应的原理及方法，并结合株六铁路复线关寨隧道的施工爆破进行实例分析，得出各振动参数时间历程。结果表明，数值法能较全面地反映爆破振动全过程的变化规律。

刘国华等[27]基于爆破动力分析和加权双剪强度准则，提出了邻近爆破安全评估和爆破方案优选方法。由于隧道的形状、岩性及其初始应力状态的不同，结构不同部位的动态响应有较大的差别，应分别评价其危险性。借助爆破荷载作用下隧道的动力分析，不仅可以得到隧道的动态响应历程和频谱特征，而且为动静应力场联合分析和安全性判断提供了依据。工程实例应用表明，根据上述理论和分析方法所制定的控制爆破方案能够取得良好的效果。

毕继红等[28]运用有限元的基本理论，采用ANSYS软件对既有隧道受邻近隧道爆破振动影响进行研究，分别就不同围岩类型、不同隧道间距情况下既有隧道的振动进行了分析。结果表明：既有隧道迎爆面边墙的振速最大；围岩越稳固，振速越小；当间距小于1倍的隧道直径时，隧道衬砌的振速会超过允许值；围岩的振速与至爆源距离的关系是非线性的。

彭道富等[29]根据实测资料，运用统计回归方法，进行近距离爆破对隧道周边振动场分布影响的分析，得出结论：最大振动速度出现在隧道迎爆侧的墙壁和拱部，墙脚点振动速度较小，背爆侧振动相对较轻；爆源越近，迎爆侧与背爆侧振动反差越大。比例距离越大，隧道周边的振动峰值速度分布越趋于均匀；爆破夹制作用越大，邻近隧道产生的爆破振动越大；岩体越坚硬完整，振动峰值衰减越慢。提出增加起爆段别，减小单段爆炸药量，增加空孔，改善临空面，减小夹制作用等降低爆破振动的措施。

刘世波[30]等结合铁路施工中的爆破振动监测，提出：隧道、路基爆破施工环境越来越复杂，爆区附近居民对爆破振动等危害的反应越发强烈，在相同条件下隧道爆破振动比路基大。

陈泽观等[31]采用IDTS3850爆破振动记录仪进行现场监测，利用速度频率判据对房屋安全性进行判断；同时对经验公式进行回归分析，得出适宜该场地爆破地震波传播公式，以便在实际中根据房屋保护要求，给出石方爆破的允许段药量。

付士根等[32]分析了爆破振动地震效应原理，指出了爆破振动速度是导致建（构）筑物结构破坏的一个重要物理量，它可使建筑物的正常工作受到影响。同时研究了如何合理确定爆破地震质点振动速度，使预报更为准确，以及论述了控制爆破振动强度、减小振动效应的措施。

综上所述，关于隧道施工对地表建筑物的影响，国内外许多专家学者和工程技术人员做了大量研究，取得了相应的研究成果，但由于问题的复杂性，目前研究尚存在以下问题：

隧道施工与地层、基础及上部结构之间存在复杂的动态联系，目前对其机理认识尚不够深入，不能满足工程上定量化的控制需求。

在隧道暗挖法施工过程中，常通过控制地表及建筑物的沉降来确保地表建筑物的安全。但不同结构形式、不同高度的建筑物对隧道施工造成的地表移动和变形的响应是不同的，关于这方面的研究目前报道很少。

对于浅埋大跨隧道，通常使用部分断面开挖，不同施工步序对地表的移动和变形以及建筑物的变形有着不同的影响，这方面研究较少。

如何确定合理的各类监测项目控制标准是一个尚未妥善解决的问题。一方面，很多工程中采用的控制指标值是由专家根据经验规定，可能缺乏理论依据；另一方面，对于监控项目，在工程施工中除了要控制其总量不能超过控制标准外，还需关注其变化速率。