千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性解析與工程應(yīng)用實(shí)踐探究一、引言1.1研究背景與意義隨著交通建設(shè)的不斷推進(jìn)，在復(fù)雜地質(zhì)條件下修建隧道成為了必然趨勢(shì)。千枚巖作為一種常見的軟巖，因其特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，在隧道工程中帶來了諸多挑戰(zhàn)。千枚巖隧道在交通建設(shè)中占據(jù)著重要地位，尤其是在山區(qū)等地形復(fù)雜的區(qū)域，千枚巖隧道的修建能夠有效縮短交通路線，提高交通效率，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。千枚巖具有遇水易泥化、強(qiáng)度低、變形大等特點(diǎn)，這些特性使得千枚巖隧道在施工和運(yùn)營(yíng)過程中面臨著巨大的風(fēng)險(xiǎn)。如在陜西安康包家山隧道建設(shè)過程中，千枚巖的出現(xiàn)給工程帶來了眾多難題，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度和工程質(zhì)量。由于千枚巖的特殊性質(zhì)，隧道開挖后圍巖容易發(fā)生坍塌、大變形等問題，這不僅會(huì)危及施工人員的生命安全，還會(huì)導(dǎo)致工程成本大幅增加，包括工期延誤帶來的經(jīng)濟(jì)損失、處理工程事故所需的額外費(fèi)用等。研究千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性對(duì)工程安全和成本控制具有關(guān)鍵意義。通過深入研究千枚巖的力學(xué)特性，可以準(zhǔn)確掌握圍巖在不同施工階段和受力條件下的變形和破壞規(guī)律，從而為隧道的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)圍巖力學(xué)特性合理選擇支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)，能夠增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，有效預(yù)防坍塌、大變形等安全事故的發(fā)生，保障施工人員的生命安全和隧道的正常運(yùn)營(yíng)。在施工階段，依據(jù)圍巖力學(xué)特性制定合理的施工方案，如采用合適的開挖方法、控制施工進(jìn)度等，可以減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，降低工程風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)避免因不合理施工導(dǎo)致的工程變更和額外費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)成本的有效控制。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列成果。在千枚巖物理力學(xué)性質(zhì)研究方面，不少學(xué)者開展了系統(tǒng)的試驗(yàn)。趙建軍、趙曉彥等學(xué)者對(duì)千枚巖軟化效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)千枚巖在水的作用下劣化強(qiáng)烈，且劣化規(guī)律具有時(shí)效性與非均勻性。周陽、楊健、陳桂虎等分別針對(duì)綠泥石千枚巖、粉砂質(zhì)和炭質(zhì)千枚巖隧道圍巖所處地質(zhì)環(huán)境展開分析，明確發(fā)育的地下水會(huì)致使千枚巖強(qiáng)度降低，進(jìn)而使圍巖易發(fā)生大變形。通過室內(nèi)試驗(yàn)，這些研究得出了千枚巖的密度、孔隙率、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等基本物理力學(xué)參數(shù)，以及千枚巖遇水后的力學(xué)性質(zhì)變化特征，如強(qiáng)度降低、變形增大等。在千枚巖隧道大變形影響因素研究上，汪波、劉小俊分別以杜家山隧道、成蘭鐵路茂縣隧道為依托，深入分析后得出隧道埋深和高地應(yīng)力是影響千枚巖大變形的主要因素。郭小龍等對(duì)高地應(yīng)力千枚巖隧道二次襯砌施作時(shí)機(jī)展開研究，結(jié)果表明適當(dāng)剛度的初期支護(hù)能夠抵抗高地應(yīng)力軟巖隧道前期變形，但無法維持圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定。針對(duì)千枚巖隧道的支護(hù)措施，眾多學(xué)者也進(jìn)行了研究。曹衛(wèi)平、李磊等通過研究證實(shí)足夠的支護(hù)力對(duì)圍巖變形控制效果顯著。侯國(guó)強(qiáng)、韓常領(lǐng)等分別針對(duì)成蘭鐵路茂縣隧道、連城山隧道千枚巖大變形提出控制措施，研究顯示加強(qiáng)錨桿施工質(zhì)量控制，采用H型鋼鋼架強(qiáng)支護(hù)舉措可有效控制隧道大變形。徐飛等對(duì)千枚巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋼格柵混凝土核心筒支護(hù)結(jié)構(gòu)可有效抵抗軟弱破碎圍巖大變形。數(shù)值模擬在千枚巖隧道研究中也得到了廣泛應(yīng)用。魏記承、馬殷軍采用FLAC3D軟件對(duì)千枚巖富水隧道進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明采用超前支護(hù)或注漿加固可有效抵抗隧道變形。Wu等依托實(shí)際工程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值計(jì)算方法研究了破碎千枚巖變形機(jī)理，結(jié)果表明采用“雙層初期支護(hù)+二次襯砌”可有效控制高應(yīng)力下千枚巖隧道大變形。盡管已有研究取得了一定成果，但仍存在不足。在千枚巖物理力學(xué)性質(zhì)研究方面，雖然對(duì)基本參數(shù)和遇水劣化特性有了一定認(rèn)識(shí)，但不同地區(qū)千枚巖礦物成分和結(jié)構(gòu)差異較大，現(xiàn)有的研究成果難以全面涵蓋各種千枚巖的特性，對(duì)千枚巖在復(fù)雜應(yīng)力和環(huán)境條件下的長(zhǎng)期力學(xué)特性研究還不夠深入。在大變形影響因素研究中，雖然明確了隧道埋深和高地應(yīng)力等主要因素，但對(duì)于各因素之間的相互作用關(guān)系以及如何準(zhǔn)確量化這些因素對(duì)大變形的影響程度，還缺乏深入系統(tǒng)的研究。在支護(hù)措施研究方面，目前的支護(hù)方案大多是基于特定工程條件提出的，缺乏具有普遍適用性的支護(hù)設(shè)計(jì)理論和方法，對(duì)于支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用機(jī)理研究還不夠透徹。在數(shù)值模擬研究中，數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性還有待進(jìn)一步提高，如何更準(zhǔn)確地模擬千枚巖的力學(xué)行為和隧道施工過程中的各種復(fù)雜工況，仍是需要解決的問題。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性及工程應(yīng)用，涵蓋多個(gè)關(guān)鍵方面。在千枚巖物理力學(xué)性質(zhì)研究中，通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)取自特定隧道工程現(xiàn)場(chǎng)的千枚巖樣本進(jìn)行全面分析，測(cè)定其密度、孔隙率、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量、泊松比等基本物理力學(xué)參數(shù)。同時(shí)，深入探究千枚巖在不同含水率、不同加載速率等條件下的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，特別關(guān)注遇水后強(qiáng)度降低、變形增大的特性，分析其微觀結(jié)構(gòu)變化與力學(xué)性能劣化之間的關(guān)聯(lián)。針對(duì)千枚巖隧道大變形影響因素，以實(shí)際工程為依托，詳細(xì)分析隧道埋深、地應(yīng)力狀態(tài)、地下水分布、巖體結(jié)構(gòu)等因素對(duì)千枚巖隧道大變形的影響。通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，研究各因素單獨(dú)作用以及相互耦合作用時(shí)，對(duì)圍巖變形的影響程度和作用機(jī)制，建立各因素與大變形之間的定量關(guān)系或定性分析模型。在千枚巖隧道支護(hù)措施研究方面，基于千枚巖的力學(xué)特性和大變形影響因素分析結(jié)果，提出多種針對(duì)性的支護(hù)方案。運(yùn)用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段，對(duì)不同支護(hù)方案的支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)估，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖之間的相互作用機(jī)理，確定支護(hù)參數(shù)的合理取值范圍，比選出適合千枚巖隧道的最優(yōu)支護(hù)方式。為了驗(yàn)證研究成果的有效性和實(shí)用性，將研究成果應(yīng)用于實(shí)際千枚巖隧道工程。在工程施工過程中，通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲取圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等數(shù)據(jù)，與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化施工方案，確保工程的安全順利進(jìn)行，總結(jié)工程應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，為后續(xù)類似工程提供參考。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，以確保研究的全面性和準(zhǔn)確性。室內(nèi)試驗(yàn)方面，采用先進(jìn)的巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)千枚巖樣本進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)等，測(cè)定千枚巖的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)。利用掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射儀（XRD）等微觀測(cè)試手段，分析千枚巖在不同條件下的微觀結(jié)構(gòu)變化，揭示其力學(xué)性質(zhì)變化的微觀機(jī)制。例如，通過SEM觀察千枚巖遇水前后微觀結(jié)構(gòu)的變化，如孔隙結(jié)構(gòu)、礦物顆粒排列方式的改變等，結(jié)合XRD分析礦物成分的變化，從而深入理解千枚巖力學(xué)性質(zhì)劣化的原因?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是獲取實(shí)際工程數(shù)據(jù)的重要手段。在實(shí)際千枚巖隧道工程中，布置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)、地下水監(jiān)測(cè)點(diǎn)等，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、地下水水位和水質(zhì)變化等數(shù)據(jù)。利用全站儀、水準(zhǔn)儀、壓力盒、滲壓計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器，定期采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，了解隧道施工過程中圍巖力學(xué)特性的動(dòng)態(tài)變化，驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)工程中的安全隱患，為施工決策提供依據(jù)。數(shù)值模擬借助專業(yè)的巖土工程數(shù)值模擬軟件，如FLAC3D、ANSYS、ABAQUS等，建立千枚巖隧道的三維數(shù)值模型。在模型中考慮千枚巖的物理力學(xué)參數(shù)、隧道施工過程、支護(hù)結(jié)構(gòu)等因素，模擬隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力分布、變形發(fā)展以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況。通過改變模型參數(shù)，如隧道埋深、地應(yīng)力大小、巖體力學(xué)參數(shù)等，分析各因素對(duì)隧道圍巖力學(xué)特性的影響。將數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，不斷優(yōu)化數(shù)值模型，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。二、千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性理論基礎(chǔ)2.1千枚巖基本特性千枚巖是一種具有千枚狀構(gòu)造的低級(jí)變質(zhì)巖，其原巖通常為泥質(zhì)巖石、粉砂巖及中、酸性凝灰?guī)r等，經(jīng)區(qū)域低溫動(dòng)力變質(zhì)作用或區(qū)域動(dòng)力熱流變質(zhì)作用的底綠片巖相階段形成。千枚巖的礦物組成較為復(fù)雜，典型的礦物組合為絹云母、綠泥石和石英，可含少量長(zhǎng)石及碳質(zhì)、鐵質(zhì)等物質(zhì)，有時(shí)還有少量方解石、雛晶黑云母、黑硬綠泥石或錳鋁榴石等變斑晶。其中，絹云母呈細(xì)小鱗片狀，片徑通常小于0.1mm，含量大約在45%左右，它賦予了千枚巖片理面上的絲絹光澤；石英為他形粒狀，粒度小于0.1mm，含量約為40%，對(duì)千枚巖的硬度和強(qiáng)度有一定貢獻(xiàn)；綠泥石也呈鱗片狀，其含量和特性會(huì)影響千枚巖的一些物理性質(zhì)。不同地區(qū)的千枚巖，其礦物組成可能存在一定差異，例如在某些富含碳質(zhì)的區(qū)域，千枚巖中的碳質(zhì)成份含量可能會(huì)相對(duì)較高，可達(dá)10%左右，這會(huì)使千枚巖的顏色變深，物理力學(xué)性質(zhì)也會(huì)相應(yīng)改變。在結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面，千枚巖具有細(xì)粒鱗片變晶結(jié)構(gòu)，粒度普遍小于0.1毫米。其顯著特征是千枚狀構(gòu)造，巖石中各組分基本已重結(jié)晶、變質(zhì)結(jié)晶并呈定向排列，使巖石呈薄片狀，片理面上具絲絹光澤，還常見具撓曲和小褶皺，在片理面上通常還有許多小皺紋。這種特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)造使得千枚巖的力學(xué)性質(zhì)具有明顯的各向異性，平行于片理面和垂直于片理面的力學(xué)性能差異較大。千枚巖遇水易泥化的特性對(duì)隧道工程影響顯著。當(dāng)千枚巖含水量超過其穩(wěn)定狀態(tài)原始含水量時(shí)，礦物顆粒間的聯(lián)結(jié)力減弱，表現(xiàn)出軟化、泥化的特征。在富水隧道仰拱路基部位，經(jīng)施工車輛的碾壓，千枚巖迅速泥化并不斷發(fā)展，會(huì)導(dǎo)致路面承載力降低，影響施工車輛通行，還可能使仰拱結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，引發(fā)隧道底部隆起等病害。在隧道開挖過程中，千枚巖臨空面會(huì)因?yàn)槠渌康牧魇?，出現(xiàn)崩解、剝落，強(qiáng)度降低，最終成為沙土，這不僅增加了隧道開挖的難度，還容易造成超挖現(xiàn)象，使初支與巖面分離，降低支護(hù)結(jié)構(gòu)的有效性，給施工帶來安全隱患。千枚巖的強(qiáng)度較低，單軸抗壓強(qiáng)度一般在幾兆帕到幾十兆帕之間，遠(yuǎn)低于堅(jiān)硬巖石。其變形特性也較為明顯，在受力時(shí)容易產(chǎn)生較大的塑性變形，且變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。在隧道開挖后，圍巖應(yīng)力重分布，千枚巖的這些特性使得圍巖變形量大、變形速度快，自穩(wěn)時(shí)間僅為幾十分鐘到幾個(gè)小時(shí)，變形速度從5mm/d-100mm/d不等，變形持續(xù)時(shí)間一般為25d-60d。若不及時(shí)支護(hù)或超前支護(hù)，圍巖極易冒落，嚴(yán)重影響隧道施工安全和進(jìn)度。2.2圍巖力學(xué)特性指標(biāo)千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性指標(biāo)是評(píng)估隧道穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵依據(jù)。這些指標(biāo)反映了千枚巖在不同受力條件下的力學(xué)響應(yīng)，對(duì)隧道工程的安全和經(jīng)濟(jì)具有重要意義?？箟簭?qiáng)度是千枚巖抵抗軸向壓力的能力，是衡量其承載能力的重要指標(biāo)。千枚巖的抗壓強(qiáng)度一般在幾兆帕到幾十兆帕之間，遠(yuǎn)低于堅(jiān)硬巖石。在單軸壓縮試驗(yàn)中，當(dāng)施加的壓力逐漸增大時(shí)，千枚巖內(nèi)部的礦物顆粒之間的聯(lián)結(jié)力逐漸被破壞，最終導(dǎo)致巖石發(fā)生破裂。抗壓強(qiáng)度受到礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及含水率等多種因素的影響。絹云母含量較高的千枚巖，其抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，因?yàn)榻佋颇傅钠斫Y(jié)構(gòu)使得巖石在受力時(shí)容易沿著片理面發(fā)生滑動(dòng)。而當(dāng)千枚巖的含水率增加時(shí)，礦物顆粒間的聯(lián)結(jié)力減弱，抗壓強(qiáng)度也會(huì)隨之降低。在隧道工程中，抗壓強(qiáng)度決定了圍巖能夠承受的上覆巖層壓力和施工荷載的大小，對(duì)于確定隧道的埋深和支護(hù)結(jié)構(gòu)的承載能力具有重要指導(dǎo)作用?？估瓘?qiáng)度是千枚巖抵抗拉伸破壞的能力，在隧道工程中，圍巖受拉破壞的情況較為常見，如在隧道頂部，由于巖體的自重和施工擾動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過千枚巖的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。千枚巖的抗拉強(qiáng)度一般在0.1MPa-1MPa之間，相對(duì)較低。其大小與巖石的礦物組成、結(jié)構(gòu)以及微裂隙發(fā)育程度有關(guān)。含有較多微裂隙的千枚巖，其抗拉強(qiáng)度會(huì)顯著降低，因?yàn)槲⒘严稌?huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)，在拉應(yīng)力作用下容易引發(fā)裂縫的擴(kuò)展。彈性模量是衡量千枚巖在彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的指標(biāo)，反映了巖石的剛度。千枚巖的彈性模量一般在幾吉帕到幾十吉帕之間，與其他巖石相比，千枚巖的彈性模量較低，這意味著在相同的應(yīng)力作用下，千枚巖會(huì)產(chǎn)生較大的彈性變形。彈性模量受到巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及孔隙率等因素的影響。礦物顆粒排列緊密、孔隙率低的千枚巖，其彈性模量相對(duì)較高。在隧道工程中，彈性模量影響著圍巖在開挖過程中的變形大小，對(duì)于評(píng)估隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和穩(wěn)定性至關(guān)重要。泊松比是千枚巖在受力時(shí)橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，它反映了巖石在受力時(shí)橫向變形的特性。千枚巖的泊松比一般在0.2-0.4之間，泊松比的大小與巖石的礦物組成、結(jié)構(gòu)以及受力狀態(tài)有關(guān)。在隧道開挖過程中，泊松比影響著圍巖的應(yīng)力分布和變形形態(tài)。當(dāng)隧道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，泊松比會(huì)影響橫向應(yīng)力的大小和分布，進(jìn)而影響圍巖的穩(wěn)定性。較高的泊松比可能導(dǎo)致圍巖在橫向產(chǎn)生較大的變形，增加隧道支護(hù)的難度和成本。2.3影響圍巖力學(xué)特性的因素千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性受多種因素影響，這些因素相互作用，使得千枚巖隧道的力學(xué)行為變得極為復(fù)雜。地質(zhì)因素是影響千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性的基礎(chǔ)因素，對(duì)隧道的穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用。地質(zhì)構(gòu)造對(duì)千枚巖的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)有顯著影響。在褶皺構(gòu)造區(qū)域，千枚巖受到強(qiáng)烈的擠壓作用，巖石內(nèi)部產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力分布，使得礦物顆粒重新定向排列，片理結(jié)構(gòu)更加發(fā)育，導(dǎo)致巖石的各向異性增強(qiáng)。在強(qiáng)烈褶皺的千枚巖地區(qū)，平行于片理面和垂直于片理面的抗壓強(qiáng)度差異可能達(dá)到數(shù)倍之多。斷層的存在則會(huì)破壞千枚巖的完整性，使巖體被切割成大小不一的塊體，降低了巖體的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。斷層附近的千枚巖，其破碎程度高，節(jié)理裂隙發(fā)育，在隧道開挖過程中容易引發(fā)坍塌等事故。如某隧道穿越斷層破碎帶，千枚巖巖體破碎，施工時(shí)頻繁出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度和安全。地下水是影響千枚巖力學(xué)特性的重要因素之一。千枚巖遇水易泥化，當(dāng)隧道處于富水區(qū)域時(shí)，地下水的長(zhǎng)期浸泡會(huì)使千枚巖的礦物顆粒間的聯(lián)結(jié)力減弱，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度大幅降低。研究表明，千枚巖在飽水狀態(tài)下的抗壓強(qiáng)度相比干燥狀態(tài)可能降低50%以上。地下水還會(huì)增加千枚巖的重度，使圍巖壓力增大。在地下水的作用下，千枚巖的變形特性也會(huì)發(fā)生顯著變化，蠕變變形明顯增大，變形持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)一步威脅隧道的穩(wěn)定性。地應(yīng)力對(duì)千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性的影響也不容忽視。高地應(yīng)力條件下，千枚巖隧道開挖后，圍巖應(yīng)力重新分布，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力集中超過千枚巖的強(qiáng)度極限時(shí)，會(huì)導(dǎo)致圍巖發(fā)生塑性變形、破裂甚至巖爆等現(xiàn)象。在深埋千枚巖隧道中，由于地應(yīng)力較大，隧道開挖后，洞壁周圍的千枚巖出現(xiàn)明顯的塑性變形區(qū)，圍巖變形量大，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的壓力也相應(yīng)增大。地應(yīng)力的方向也會(huì)影響圍巖的變形和破壞模式，當(dāng)隧道軸線與最大主應(yīng)力方向夾角較大時(shí)，隧道邊墻容易出現(xiàn)剪切破壞。人為因素在千枚巖隧道施工過程中同樣對(duì)圍巖力學(xué)特性產(chǎn)生重要影響。施工方法的選擇直接關(guān)系到對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度。采用爆破法施工時(shí)，爆破產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊波會(huì)對(duì)千枚巖圍巖造成損傷，使圍巖的完整性受到破壞，強(qiáng)度降低。而采用機(jī)械開挖方法，如盾構(gòu)法或TBM法，對(duì)圍巖的擾動(dòng)相對(duì)較小，有利于保持圍巖的穩(wěn)定性。施工順序也會(huì)影響圍巖力學(xué)特性，合理的施工順序可以使圍巖應(yīng)力分布更加均勻，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。在多導(dǎo)洞隧道施工中，先開挖的導(dǎo)洞會(huì)引起圍巖應(yīng)力的變化，后續(xù)導(dǎo)洞的開挖應(yīng)充分考慮前期導(dǎo)洞對(duì)圍巖的影響，選擇合適的施工時(shí)機(jī)和順序。支護(hù)措施是控制千枚巖隧道圍巖變形和保證隧道穩(wěn)定性的關(guān)鍵。及時(shí)有效的支護(hù)可以限制圍巖的變形，提高圍巖的承載能力。初期支護(hù)采用噴射混凝土、錨桿、鋼支撐等聯(lián)合支護(hù)形式，能夠及時(shí)對(duì)圍巖提供支護(hù)力，阻止圍巖的進(jìn)一步變形和破壞。二次襯砌則在圍巖變形基本穩(wěn)定后施作，承擔(dān)后期圍巖變形產(chǎn)生的壓力，增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。如果支護(hù)參數(shù)不合理，如支護(hù)強(qiáng)度不足、支護(hù)時(shí)間過晚等，都可能導(dǎo)致圍巖變形過大，引發(fā)隧道坍塌等事故。三、千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究3.1室內(nèi)試驗(yàn)3.1.1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為深入研究千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性，室內(nèi)試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)至關(guān)重要。本次試驗(yàn)選取具有代表性的隧道工程現(xiàn)場(chǎng)，在其千枚巖分布區(qū)域，采用專業(yè)的鉆孔設(shè)備，按照規(guī)范要求，從不同深度、不同方位采集千枚巖樣品，以確保樣品能夠全面反映該區(qū)域千枚巖的特性。在樣品制備過程中，嚴(yán)格遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于單軸壓縮試驗(yàn)，將樣品加工成直徑50mm、高100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，確保試樣兩端面的平行度偏差不超過0.1mm，兩端直徑偏差小于0.2mm，且兩端面與試樣軸線嚴(yán)格垂直，每種狀態(tài)下的試樣數(shù)量不少于3個(gè)，以保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。對(duì)于三軸壓縮試驗(yàn)，同樣制備標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣，并采用高精度的密封裝置，確保在不同圍壓條件下試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。直剪試驗(yàn)則將樣品加工成規(guī)定尺寸的塊狀，保證剪切面的平整和光滑。單軸壓縮試驗(yàn)在先進(jìn)的液壓材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，將制備好的試樣置于試驗(yàn)機(jī)承壓板中心，調(diào)整承壓板使試樣均勻受力，以0.5-0.8MPa/s的加載速度緩慢施加壓力，直至試樣破壞，精確記錄破壞載荷和變形數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理軟件，計(jì)算出千枚巖的單軸抗壓強(qiáng)度。三軸壓縮試驗(yàn)利用三軸壓縮儀，在設(shè)定的圍壓條件下，以恒定的加載速率對(duì)試樣施加軸向壓力，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變等數(shù)據(jù)，獲取千枚巖在不同圍壓下的強(qiáng)度和變形特性。直剪試驗(yàn)采用直剪儀，將試樣放置在剪切盒中，施加垂直壓力，以一定的剪切速率推動(dòng)剪切盒，記錄剪切力和剪切位移，分析千枚巖的抗剪強(qiáng)度和剪切變形規(guī)律。為研究含水率對(duì)千枚巖力學(xué)性質(zhì)的影響，分別制備自然狀態(tài)、飽水狀態(tài)以及不同含水率梯度的試樣，進(jìn)行上述各項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)比分析不同含水率條件下千枚巖力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。為探究加載速率對(duì)千枚巖力學(xué)特性的影響，在單軸壓縮和三軸壓縮試驗(yàn)中，設(shè)置多個(gè)不同的加載速率，觀察千枚巖在不同加載速率下的破壞模式和力學(xué)參數(shù)變化，深入分析加載速率與千枚巖力學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系。3.1.2試驗(yàn)結(jié)果分析通過對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，能夠全面揭示千枚巖的強(qiáng)度、變形等力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律及影響因素。在強(qiáng)度參數(shù)方面，千枚巖的單軸抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出較大的離散性，一般在5MPa-30MPa之間，這主要是由于千枚巖的礦物組成和結(jié)構(gòu)的不均勻性所致。含有較多絹云母的千枚巖試樣，其單軸抗壓強(qiáng)度相對(duì)較低，因?yàn)榻佋颇傅钠斫Y(jié)構(gòu)削弱了巖石內(nèi)部的聯(lián)結(jié)力，使得巖石在受力時(shí)更容易沿片理面發(fā)生破壞。當(dāng)千枚巖的含水率增加時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度顯著降低。飽水狀態(tài)下的千枚巖單軸抗壓強(qiáng)度相比自然狀態(tài)可能降低40%-60%，這是因?yàn)樗值那秩胂魅趿说V物顆粒間的膠結(jié)作用，導(dǎo)致巖石的整體強(qiáng)度下降。三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，千枚巖的抗壓強(qiáng)度隨著圍壓的增大而顯著提高。當(dāng)圍壓從0MPa增加到10MPa時(shí)，千枚巖的抗壓強(qiáng)度可提高2-3倍，這表明圍壓能夠有效約束巖石的變形和破壞，增強(qiáng)巖石的承載能力。千枚巖的抗剪強(qiáng)度也受到多種因素影響，內(nèi)摩擦角一般在20°-35°之間，黏聚力在0.5MPa-2MPa之間。隨著含水率的增加，內(nèi)摩擦角和黏聚力均有所降低，這使得千枚巖在含水條件下更容易發(fā)生剪切破壞。在變形參數(shù)方面，千枚巖的彈性模量一般在2GPa-8GPa之間，泊松比在0.2-0.4之間。彈性模量和泊松比受到礦物成分、結(jié)構(gòu)以及含水率等因素的影響。礦物顆粒排列緊密、孔隙率低的千枚巖，其彈性模量相對(duì)較高；而含水率的增加會(huì)導(dǎo)致彈性模量降低，泊松比增大。在單軸壓縮試驗(yàn)中，千枚巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性特征，在彈性階段之后，巖石迅速進(jìn)入塑性變形階段，且塑性變形量較大，這表明千枚巖的變形特性以塑性變形為主。加載速率對(duì)千枚巖的力學(xué)特性也有顯著影響。隨著加載速率的增加，千枚巖的單軸抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均有所提高，變形模量也相應(yīng)增大。加載速率從0.1mm/min增加到1mm/min時(shí)，單軸抗壓強(qiáng)度可提高10%-20%，這是因?yàn)榧虞d速率的增加使得巖石內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展速度來不及跟上加載速度，從而提高了巖石的瞬時(shí)強(qiáng)度。加載速率的增加也會(huì)導(dǎo)致千枚巖的脆性增強(qiáng)，破壞模式從塑性破壞逐漸向脆性破壞轉(zhuǎn)變。3.2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)3.2.1監(jiān)測(cè)方案制定為全面、準(zhǔn)確地獲取千枚巖隧道施工過程中圍巖力學(xué)特性的變化情況，制定科學(xué)合理的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案至關(guān)重要。監(jiān)測(cè)斷面的布置需綜合考慮隧道的地質(zhì)條件、埋深、施工方法等因素。在地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖性質(zhì)變化較大的區(qū)域，如斷層破碎帶、褶皺發(fā)育區(qū)以及地下水豐富地段，加密監(jiān)測(cè)斷面的布置，確保能夠及時(shí)捕捉到圍巖力學(xué)特性的異常變化。在埋深較大的部位，由于地應(yīng)力較大，對(duì)隧道穩(wěn)定性影響顯著，也應(yīng)適當(dāng)增加監(jiān)測(cè)斷面數(shù)量。一般情況下，每隔20-50m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，特殊地段可加密至10-20m。在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)具有代表性，能夠反映圍巖的整體力學(xué)狀態(tài)。在隧道拱頂、拱腰、邊墻和仰拱等關(guān)鍵部位設(shè)置位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用全站儀、水準(zhǔn)儀等設(shè)備，定期測(cè)量這些部位的位移變化。在拱頂中心設(shè)置一個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，兩側(cè)拱腰和邊墻分別對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，仰拱中心設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，形成全面的位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。在圍巖內(nèi)部，根據(jù)隧道的開挖尺寸和預(yù)計(jì)的影響范圍，在不同深度處布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，使用壓力盒、應(yīng)變計(jì)等傳感器，監(jiān)測(cè)圍巖內(nèi)部的應(yīng)力分布和變化情況。通常在距離隧道壁0.5m、1m、2m等位置設(shè)置應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以分析圍巖應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律。圍巖壓力監(jiān)測(cè)是了解隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用的重要手段。采用壓力盒進(jìn)行圍巖壓力監(jiān)測(cè)，將壓力盒埋設(shè)在初期支護(hù)與圍巖之間，通過數(shù)據(jù)線連接到數(shù)據(jù)采集儀，實(shí)時(shí)采集壓力數(shù)據(jù)。在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的拱頂、拱腰和邊墻位置各布置一個(gè)壓力盒，確保能夠全面監(jiān)測(cè)圍巖壓力的分布情況。位移監(jiān)測(cè)則通過全站儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行，全站儀可測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)變化，水準(zhǔn)儀主要測(cè)量拱頂?shù)拇怪蔽灰啤６ㄆ趯?duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，在隧道開挖初期，監(jiān)測(cè)頻率較高，一般每天測(cè)量1-2次；隨著圍巖變形逐漸穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)頻率可適當(dāng)降低，每周測(cè)量1-2次。應(yīng)變監(jiān)測(cè)對(duì)于分析圍巖的變形特性和破壞機(jī)理具有重要意義。在隧道襯砌結(jié)構(gòu)上粘貼應(yīng)變片，將應(yīng)變片與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化。在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的拱頂、拱腰和邊墻位置的襯砌表面各粘貼一組應(yīng)變片，每組應(yīng)變片包括橫向和縱向兩個(gè)方向，以測(cè)量襯砌在不同方向上的應(yīng)變。同時(shí)，在圍巖內(nèi)部鉆孔，安裝鉆孔應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)圍巖內(nèi)部的應(yīng)變變化，鉆孔應(yīng)變計(jì)的安裝深度根據(jù)實(shí)際情況確定，一般在1-3m之間。3.2.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理與分析現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)是研究千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性變化規(guī)律的基礎(chǔ)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的處理和深入的分析，能夠?yàn)樗淼朗┕ず椭ёo(hù)設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。在數(shù)據(jù)處理過程中，首先對(duì)原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和篩選，去除異常數(shù)據(jù)。由于監(jiān)測(cè)過程中可能受到外界干擾，如儀器故障、施工振動(dòng)等，導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)異常。通過對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列分析和對(duì)比分析，判斷數(shù)據(jù)的合理性，對(duì)于明顯偏離正常范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)和修正，若無法核實(shí)，則予以剔除。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，采用數(shù)字濾波方法，如低通濾波、高通濾波等，去除數(shù)據(jù)中的噪聲和高頻干擾信號(hào)，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。位移數(shù)據(jù)分析是了解圍巖變形特征的關(guān)鍵。通過對(duì)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，繪制位移-時(shí)間曲線和位移-空間曲線。位移-時(shí)間曲線可以直觀地反映圍巖變形隨時(shí)間的發(fā)展趨勢(shì)，在隧道開挖初期，圍巖變形速率較大，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作和圍巖的逐漸穩(wěn)定，變形速率逐漸減小。當(dāng)位移-時(shí)間曲線出現(xiàn)急劇上升或變形速率持續(xù)增大的情況時(shí)，表明圍巖可能處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需要及時(shí)采取措施進(jìn)行處理。位移-空間曲線則展示了圍巖在不同位置的位移分布情況，通過分析曲線的形狀和變化趨勢(shì)，可以確定圍巖變形的主要區(qū)域和變形模式，為支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。應(yīng)力數(shù)據(jù)分析有助于掌握圍巖的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布規(guī)律。根據(jù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制圍巖應(yīng)力-時(shí)間曲線和應(yīng)力-空間分布圖。應(yīng)力-時(shí)間曲線反映了圍巖應(yīng)力隨時(shí)間的變化過程，在隧道開挖過程中，圍巖應(yīng)力會(huì)發(fā)生重新分布，初期應(yīng)力變化較為劇烈，隨著時(shí)間的推移逐漸趨于穩(wěn)定。通過分析應(yīng)力-時(shí)間曲線，可以判斷圍巖的應(yīng)力調(diào)整過程是否正常，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖應(yīng)力的影響效果。應(yīng)力-空間分布圖則直觀地展示了圍巖內(nèi)部應(yīng)力的分布情況，確定應(yīng)力集中區(qū)域和應(yīng)力大小的變化規(guī)律，為評(píng)估隧道的穩(wěn)定性提供依據(jù)。在應(yīng)力集中區(qū)域，圍巖容易發(fā)生破壞，需要加強(qiáng)支護(hù)措施。通過對(duì)位移和應(yīng)力數(shù)據(jù)的綜合分析，研究圍巖力學(xué)特性在隧道施工過程中的耦合變化規(guī)律。在隧道開挖初期，圍巖位移迅速增大，應(yīng)力也隨之發(fā)生變化，此時(shí)圍巖處于應(yīng)力調(diào)整和變形發(fā)展階段。隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作，支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖提供約束作用，圍巖位移逐漸減小，應(yīng)力分布也逐漸趨于均勻。通過建立位移和應(yīng)力之間的關(guān)系模型，分析兩者之間的相互影響和作用機(jī)制，進(jìn)一步揭示千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性的變化規(guī)律，為優(yōu)化隧道施工方案和支護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。四、千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性數(shù)值模擬4.1數(shù)值模擬軟件介紹在千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性研究中，F(xiàn)LAC3D和ANSYS等軟件發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它們?yōu)樯钊肜斫馑淼绹鷰r的力學(xué)行為提供了強(qiáng)大的工具。FLAC3D（FastLagrangianAnalysisofContinuain3Dimensions）是一款基于有限差分法的專業(yè)巖土工程數(shù)值模擬軟件。其核心原理是將連續(xù)的巖土體介質(zhì)劃分為一系列離散的單元，這些單元通過節(jié)點(diǎn)相互連接，形成一個(gè)三維的計(jì)算網(wǎng)格。在計(jì)算過程中，采用顯式差分方法來求解運(yùn)動(dòng)方程和本構(gòu)方程，從而獲得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移、速度和應(yīng)力等物理量隨時(shí)間的變化。這種方法能夠高效地處理大變形問題，尤其適用于模擬巖土體在復(fù)雜受力條件下的非線性力學(xué)行為。該軟件具備豐富的材料本構(gòu)模型，如彈性各向同性模型、莫爾-庫倫彈塑性模型、應(yīng)變硬化/軟化彈塑性模型等，能夠準(zhǔn)確描述千枚巖等巖土材料在不同受力階段的力學(xué)特性。在模擬千枚巖隧道開挖時(shí)，利用莫爾-庫倫彈塑性模型，可以考慮千枚巖的屈服準(zhǔn)則和塑性流動(dòng)特性，分析圍巖在開挖過程中的塑性區(qū)發(fā)展和破壞模式。FLAC3D還擁有強(qiáng)大的后處理功能，能夠直觀地展示模擬結(jié)果，如繪制位移云圖、應(yīng)力云圖、塑性區(qū)分布圖等，幫助研究人員深入分析隧道圍巖的力學(xué)響應(yīng)。通過位移云圖，可以清晰地看到隧道開挖后圍巖的變形分布情況，確定變形較大的區(qū)域，為支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。ANSYS是一款功能全面的大型通用有限元分析軟件，在巖土工程領(lǐng)域同樣得到廣泛應(yīng)用。它基于有限元法，將連續(xù)體離散為有限個(gè)單元的集合體，通過求解單元的平衡方程，得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。ANSYS具有高度的靈活性和強(qiáng)大的模擬能力，能夠處理各種復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件。在千枚巖隧道模擬中，可以精確地建立隧道及圍巖的三維模型，考慮隧道的曲率、坡度以及圍巖的非均勻性等因素。ANSYS擁有豐富的單元庫和材料模型庫，可根據(jù)千枚巖的物理力學(xué)性質(zhì)選擇合適的單元類型和材料模型進(jìn)行模擬分析。對(duì)于千枚巖這種具有明顯各向異性的材料，可以選用相應(yīng)的各向異性材料模型，更準(zhǔn)確地模擬其力學(xué)行為。ANSYS還支持多物理場(chǎng)耦合分析，能夠考慮隧道開挖過程中力學(xué)場(chǎng)與滲流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等的相互作用。在富水千枚巖隧道中，通過耦合力學(xué)場(chǎng)和滲流場(chǎng)，可以研究地下水對(duì)圍巖力學(xué)特性的影響，以及圍巖變形對(duì)地下水滲流的作用，為隧道的防水和排水設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。4.2模型建立與參數(shù)設(shè)置為了深入研究千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性，采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立三維數(shù)值模型。模型幾何尺寸的確定至關(guān)重要，充分考慮隧道的實(shí)際尺寸以及圍巖的影響范圍。以某實(shí)際千枚巖隧道為例，該隧道為單洞雙線，開挖跨度為14m，開挖高度為10m。模型在水平方向上取隧道兩側(cè)各3倍洞跨的范圍，即左右兩側(cè)各42m，以確保邊界條件對(duì)隧道區(qū)域的影響較小；垂直方向上，隧道上方取3倍洞高，即30m，隧道下方取5倍洞高，即50m，這樣能夠較為準(zhǔn)確地模擬隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力和變形情況。模型的整體尺寸為長(zhǎng)84m、寬100m、高90m，通過合理的尺寸設(shè)置，能夠有效減少邊界效應(yīng)的影響，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在材料參數(shù)設(shè)置方面，依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)千枚巖、噴射混凝土、錨桿、二次襯砌等材料的參數(shù)進(jìn)行精確設(shè)定。千枚巖作為隧道圍巖的主要材料，其彈性模量一般在2GPa-8GPa之間，泊松比在0.2-0.4之間，密度約為2600kg/m3，單軸抗壓強(qiáng)度在5MPa-30MPa之間，這些參數(shù)會(huì)受到千枚巖的礦物成分、結(jié)構(gòu)以及含水率等因素的影響。噴射混凝土作為初期支護(hù)的重要組成部分，彈性模量通常在20GPa-30GPa之間，泊松比約為0.2，密度為2300kg/m3，抗壓強(qiáng)度在20MPa-30MPa之間，其作用是及時(shí)封閉圍巖表面，防止圍巖風(fēng)化和剝落，提供一定的支護(hù)抗力。錨桿的彈性模量較高，一般在200GPa以上，泊松比約為0.3，密度為7850kg/m3，抗拉強(qiáng)度根據(jù)不同的材質(zhì)和規(guī)格有所差異，通常在300MPa-600MPa之間，錨桿通過與圍巖的粘結(jié)作用，將圍巖連接成一個(gè)整體，提高圍巖的自承能力。二次襯砌的彈性模量一般在30GPa-40GPa之間，泊松比約為0.2，密度為2500kg/m3，抗壓強(qiáng)度在30MPa-40MPa之間，二次襯砌在圍巖變形基本穩(wěn)定后施作，承擔(dān)后期圍巖變形產(chǎn)生的壓力，增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。邊界條件的設(shè)置直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。模型的左右兩側(cè)邊界約束水平方向的位移，限制圍巖在水平方向的移動(dòng)，模擬實(shí)際工程中圍巖受到的側(cè)向約束；前后邊界同樣約束水平方向的位移，確保模型在前后方向的穩(wěn)定性；底部邊界約束垂直方向的位移，模擬圍巖底部受到的支撐作用。頂部邊界為自由邊界，不施加任何約束，以模擬隧道頂部與大氣接觸的實(shí)際情況。初始條件方面，考慮自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力的影響。通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)，確定模型的初始應(yīng)力場(chǎng)。假設(shè)模型所在區(qū)域的平均重度為25kN/m3，根據(jù)深度與自重應(yīng)力的關(guān)系，計(jì)算出不同深度處的初始豎向應(yīng)力。對(duì)于構(gòu)造應(yīng)力，根據(jù)地質(zhì)勘察資料和區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的研究成果，確定水平方向的構(gòu)造應(yīng)力大小和方向，并將其施加到模型中。在模型計(jì)算前，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡計(jì)算，使模型在初始狀態(tài)下達(dá)到力學(xué)平衡，為后續(xù)的隧道開挖模擬提供準(zhǔn)確的初始條件。4.3模擬結(jié)果分析通過數(shù)值模擬，得到了千枚巖隧道開挖過程中圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布情況，這些結(jié)果對(duì)于深入理解隧道圍巖的力學(xué)行為具有重要意義。在隧道開挖過程中，圍巖應(yīng)力發(fā)生了顯著的重新分布。開挖后，隧道周邊圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。在隧道拱頂和拱底，由于巖體的卸荷作用，出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中區(qū)域，拉應(yīng)力最大值可達(dá)2MPa-3MPa。當(dāng)拉應(yīng)力超過千枚巖的抗拉強(qiáng)度時(shí)，該區(qū)域容易出現(xiàn)拉伸裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致巖體的局部失穩(wěn)。在隧道兩側(cè)邊墻，出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中，壓應(yīng)力最大值可達(dá)到8MPa-10MPa，過高的壓應(yīng)力可能使邊墻圍巖發(fā)生塑性變形，甚至出現(xiàn)片幫現(xiàn)象。隨著開挖的進(jìn)行，圍巖應(yīng)力集中區(qū)域逐漸向深部巖體擴(kuò)展，形成一定范圍的塑性區(qū)。塑性區(qū)的發(fā)展不僅降低了圍巖的承載能力，還會(huì)導(dǎo)致圍巖變形的進(jìn)一步增大。當(dāng)塑性區(qū)范圍過大時(shí)，可能會(huì)引發(fā)隧道的整體失穩(wěn)。通過模擬結(jié)果可以清晰地看到塑性區(qū)的分布形態(tài)和擴(kuò)展趨勢(shì)，為評(píng)估隧道的穩(wěn)定性提供了重要依據(jù)。在某深度的千枚巖隧道模擬中，塑性區(qū)在開挖后的初期主要集中在隧道周邊5m范圍內(nèi)，隨著開挖的持續(xù)進(jìn)行，塑性區(qū)逐漸向深部擴(kuò)展，在開挖完成后的一段時(shí)間內(nèi)，塑性區(qū)范圍擴(kuò)展到了周邊8m-10m，這表明圍巖的穩(wěn)定性在逐漸降低，需要及時(shí)采取有效的支護(hù)措施來控制塑性區(qū)的發(fā)展。圍巖應(yīng)變分布同樣呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。在隧道周邊，圍巖應(yīng)變較大，尤其是在拱頂、拱底和邊墻部位。在拱頂處，豎向應(yīng)變最大值可達(dá)0.005-0.008，這是由于拱頂巖體在自重和開挖擾動(dòng)的作用下，產(chǎn)生了較大的下沉變形。邊墻部位的水平應(yīng)變也較為顯著，最大值可達(dá)0.003-0.005，這是因?yàn)檫厜κ艿絹碜試鷰r的側(cè)向壓力和開挖引起的應(yīng)力重分布的影響，導(dǎo)致水平方向上的變形增大。隨著距隧道周邊距離的增加，圍巖應(yīng)變逐漸減小，在距離隧道周邊10m-15m以外的區(qū)域，應(yīng)變基本趨于穩(wěn)定，接近初始狀態(tài)。位移分布方面，隧道開挖后，圍巖產(chǎn)生了明顯的位移。拱頂下沉和邊墻收斂是主要的位移形式。在隧道開挖初期，拱頂下沉和邊墻收斂速度較快，隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作，位移速度逐漸減緩。模擬結(jié)果顯示，在未施加支護(hù)的情況下，拱頂下沉最大值可達(dá)15cm-20cm，邊墻收斂最大值可達(dá)10cm-15cm，如此大的位移量可能導(dǎo)致圍巖的坍塌。在及時(shí)施加支護(hù)后，拱頂下沉和邊墻收斂得到有效控制，最終穩(wěn)定值分別可控制在5cm-8cm和3cm-5cm。將數(shù)值模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在應(yīng)力對(duì)比方面，數(shù)值模擬得到的隧道周邊應(yīng)力分布趨勢(shì)與室內(nèi)三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果基本一致，在相同的受力條件下，模擬的應(yīng)力大小與試驗(yàn)結(jié)果的誤差在10%-15%之間，處于可接受范圍內(nèi)。與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相比，在隧道拱頂和邊墻等關(guān)鍵部位，模擬應(yīng)力值與監(jiān)測(cè)值的變化趨勢(shì)相符，且誤差在15%左右，這表明數(shù)值模擬能夠較好地反映隧道圍巖的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。在位移對(duì)比上，數(shù)值模擬得到的拱頂下沉和邊墻收斂位移與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有較好的一致性。在隧道開挖的不同階段，模擬位移值與監(jiān)測(cè)值的誤差在10%-20%之間，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)圍巖的位移變化。這驗(yàn)證了數(shù)值模型在模擬千枚巖隧道圍巖位移方面的有效性，為隧道施工過程中的位移控制提供了可靠的參考依據(jù)。通過對(duì)比驗(yàn)證，證明了所建立的數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬千枚巖隧道圍巖的力學(xué)特性，為進(jìn)一步研究隧道的穩(wěn)定性和支護(hù)設(shè)計(jì)提供了有力的工具。五、千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性在工程中的應(yīng)用5.1工程案例介紹本研究選取杜家山隧道作為工程案例，該隧道位于廣元市青川縣境內(nèi)，是廣甘高速公路的重點(diǎn)控制性工程。隧道設(shè)計(jì)為雙向分離式越嶺隧道，左線里程ZK15+044～ZK16+885，全長(zhǎng)1841m，最大埋深約196m；右線里程K15+024～K16+910，全長(zhǎng)1886m，最大埋深約194m。杜家山隧道的工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜。隧址區(qū)地處四川盆地西北緣龍門山脈北端，緊鄰摩天嶺山系，隧道穿越山體由多個(gè)山脊組成，總體走向呈東～西向，并以大角度與山體走向斜交（交角約79°）。隧道位于F4（青川大斷裂）下盤，細(xì)米山倒轉(zhuǎn)向斜的北翼，且場(chǎng)地進(jìn)口端地層倒轉(zhuǎn)，受區(qū)域構(gòu)造影響，場(chǎng)區(qū)發(fā)育次級(jí)斷層三條，即FS8、Fd1和Fd2斷裂，均為逆沖斷層。洞身穿越地層巖性主要為古生界志留系黃坪組二段（S2hn）與一段（S1hn）的絹云千枚巖和砂質(zhì)千枚巖，其中進(jìn)口段均為黃坪組一段的絹云千枚巖，小型韌性剪切破碎帶和石英侵入體較多，巖體完整性總體較差。土體結(jié)構(gòu)松散，厚度較大，絹云千枚巖劈理發(fā)育，劈理面傾角陡，層間結(jié)合差，裂隙發(fā)育；受區(qū)域構(gòu)造影響，該段巖體多呈裂隙塊狀結(jié)構(gòu)；巖石質(zhì)軟，遇水軟化及層間脫落，在雨季呈點(diǎn)滴狀、淋雨?duì)盍鞒?。在隧道設(shè)計(jì)參數(shù)方面，考慮到圍巖條件極差，90%以上為Ⅴ級(jí)圍巖，設(shè)計(jì)采用了針對(duì)性的支護(hù)措施。初期支護(hù)采用20cm厚C20噴射混凝土，以及時(shí)封閉圍巖表面，防止圍巖風(fēng)化和剝落，提高圍巖的穩(wěn)定性；鋪設(shè)φ8×20×20鋼筋網(wǎng)，增強(qiáng)噴射混凝土的整體性和抗拉、抗剪能力；設(shè)置φ42×4系統(tǒng)注漿鋼管和φ22系統(tǒng)錨桿交錯(cuò)布置（L=3.5m），通過錨桿的錨固作用，將圍巖連接成一個(gè)整體，提高圍巖的自承能力；采用鋼格柵拱架，間距根據(jù)每次開挖長(zhǎng)度約為0.6～1.2m，每榀鋼拱縱向用φ25鋼筋連接，鋼筋間距1.0m，鋼格柵拱架能夠提供較強(qiáng)的支護(hù)抗力，有效控制圍巖變形。二次襯砌采用40cm厚模筑C25混凝土，在圍巖變形基本穩(wěn)定后施作，承擔(dān)后期圍巖變形產(chǎn)生的壓力，增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。施工方法上，為預(yù)防在千枚巖隧道開挖中的大變形和坍塌問題，采用三臺(tái)階式開挖法（又稱環(huán)形開挖留核心土法）。這種開挖方法結(jié)合超前φ42小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿、噴射砼、鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架、單層或雙層小導(dǎo)管注漿等方式，早封閉成環(huán)，加強(qiáng)巖體強(qiáng)度來限制圍巖應(yīng)力重新分布，實(shí)施管超前、早注漿、短開挖、快循環(huán)、早成環(huán)、早封閉方式來減少在開挖過程中對(duì)山體的擾動(dòng)。上導(dǎo)坑開挖采用機(jī)械或人工用風(fēng)鎬及電鏟掏槽，掏槽寬度約1m，縱向掏槽深度每次約0.6～1.0m。開挖后立即噴射4cm厚的C20砼封閉斷面，以免孔隙水從斷面處滲出，使掌子面圍巖被風(fēng)化而失穩(wěn)。隨后架立鋼拱及掛鋼筋網(wǎng)片，按上述方式開挖5m左右后，開挖支撐掌子面預(yù)留的核心土。在上導(dǎo)坑斷面初期支護(hù)穩(wěn)定的條件下，開始開挖中導(dǎo)坑，首先通過在上半斷面的鋼拱的拱腳打φ42注漿小導(dǎo)管作為鎖腳錨桿，以防止拱架下沉和變形。五、千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性在工程中的應(yīng)用5.1工程案例介紹本研究選取杜家山隧道作為工程案例，該隧道位于廣元市青川縣境內(nèi)，是廣甘高速公路的重點(diǎn)控制性工程。隧道設(shè)計(jì)為雙向分離式越嶺隧道，左線里程ZK15+044～ZK16+885，全長(zhǎng)1841m，最大埋深約196m；右線里程K15+024～K16+910，全長(zhǎng)1886m，最大埋深約194m。杜家山隧道的工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜。隧址區(qū)地處四川盆地西北緣龍門山脈北端，緊鄰摩天嶺山系，隧道穿越山體由多個(gè)山脊組成，總體走向呈東～西向，并以大角度與山體走向斜交（交角約79°）。隧道位于F4（青川大斷裂）下盤，細(xì)米山倒轉(zhuǎn)向斜的北翼，且場(chǎng)地進(jìn)口端地層倒轉(zhuǎn)，受區(qū)域構(gòu)造影響，場(chǎng)區(qū)發(fā)育次級(jí)斷層三條，即FS8、Fd1和Fd2斷裂，均為逆沖斷層。洞身穿越地層巖性主要為古生界志留系黃坪組二段（S2hn）與一段（S1hn）的絹云千枚巖和砂質(zhì)千枚巖，其中進(jìn)口段均為黃坪組一段的絹云千枚巖，小型韌性剪切破碎帶和石英侵入體較多，巖體完整性總體較差。土體結(jié)構(gòu)松散，厚度較大，絹云千枚巖劈理發(fā)育，劈理面傾角陡，層間結(jié)合差，裂隙發(fā)育；受區(qū)域構(gòu)造影響，該段巖體多呈裂隙塊狀結(jié)構(gòu)；巖石質(zhì)軟，遇水軟化及層間脫落，在雨季呈點(diǎn)滴狀、淋雨?duì)盍鞒?。在隧道設(shè)計(jì)參數(shù)方面，考慮到圍巖條件極差，90%以上為Ⅴ級(jí)圍巖，設(shè)計(jì)采用了針對(duì)性的支護(hù)措施。初期支護(hù)采用20cm厚C20噴射混凝土，以及時(shí)封閉圍巖表面，防止圍巖風(fēng)化和剝落，提高圍巖的穩(wěn)定性；鋪設(shè)φ8×20×20鋼筋網(wǎng)，增強(qiáng)噴射混凝土的整體性和抗拉、抗剪能力；設(shè)置φ42×4系統(tǒng)注漿鋼管和φ22系統(tǒng)錨桿交錯(cuò)布置（L=3.5m），通過錨桿的錨固作用，將圍巖連接成一個(gè)整體，提高圍巖的自承能力；采用鋼格柵拱架，間距根據(jù)每次開挖長(zhǎng)度約為0.6～1.2m，每榀鋼拱縱向用φ25鋼筋連接，鋼筋間距1.0m，鋼格柵拱架能夠提供較強(qiáng)的支護(hù)抗力，有效控制圍巖變形。二次襯砌采用40cm厚模筑C25混凝土，在圍巖變形基本穩(wěn)定后施作，承擔(dān)后期圍巖變形產(chǎn)生的壓力，增強(qiáng)隧道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。施工方法上，為預(yù)防在千枚巖隧道開挖中的大變形和坍塌問題，采用三臺(tái)階式開挖法（又稱環(huán)形開挖留核心土法）。這種開挖方法結(jié)合超前φ42小導(dǎo)管、系統(tǒng)錨桿、噴射砼、鋼筋網(wǎng)片、鋼拱架、單層或雙層小導(dǎo)管注漿等方式，早封閉成環(huán)，加強(qiáng)巖體強(qiáng)度來限制圍巖應(yīng)力重新分布，實(shí)施管超前、早注漿、短開挖、快循環(huán)、早成環(huán)、早封閉方式來減少在開挖過程中對(duì)山體的擾動(dòng)。上導(dǎo)坑開挖采用機(jī)械或人工用風(fēng)鎬及電鏟掏槽，掏槽寬度約1m，縱向掏槽深度每次約0.6～1.0m。開挖后立即噴射4cm厚的C20砼封閉斷面，以免孔隙水從斷面處滲出，使掌子面圍巖被風(fēng)化而失穩(wěn)。隨后架立鋼拱及掛鋼筋網(wǎng)片，按上述方式開挖5m左右后，開挖支撐掌子面預(yù)留的核心土。在上導(dǎo)坑斷面初期支護(hù)穩(wěn)定的條件下，開始開挖中導(dǎo)坑，首先通過在上半斷面的鋼拱的拱腳打φ42注漿小導(dǎo)管作為鎖腳錨桿，以防止拱架下沉和變形。5.2基于圍巖力學(xué)特性的隧道支護(hù)設(shè)計(jì)5.2.1支護(hù)形式選擇千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性獨(dú)特，遇水易泥化、強(qiáng)度低、變形大，這些特性對(duì)隧道支護(hù)形式的選擇有著關(guān)鍵影響。錨桿支護(hù)通過將錨桿錨固在圍巖中，與圍巖形成一個(gè)整體，增強(qiáng)圍巖的自承能力。錨桿的錨固力可以有效地阻止圍巖的松動(dòng)和脫落，提高圍巖的穩(wěn)定性。對(duì)于千枚巖隧道，由于其圍巖強(qiáng)度低，錨桿的錨固效果尤為重要。在圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育的千枚巖地段，采用全長(zhǎng)粘結(jié)型錨桿，能夠使錨桿與圍巖緊密粘結(jié)，充分發(fā)揮錨桿的錨固作用，提高圍巖的整體性和穩(wěn)定性。錨索支護(hù)適用于地應(yīng)力較大、圍巖變形嚴(yán)重的千枚巖隧道。錨索具有較高的抗拉強(qiáng)度和錨固力，能夠提供強(qiáng)大的支護(hù)抗力，有效控制圍巖的大變形。在高地應(yīng)力千枚巖隧道中，當(dāng)圍巖出現(xiàn)明顯的塑性變形和大位移時(shí)，采用錨索支護(hù)可以將圍巖的變形控制在安全范圍內(nèi)。通過錨索的張拉，對(duì)圍巖施加預(yù)應(yīng)力，限制圍巖的變形發(fā)展，提高圍巖的承載能力。噴射混凝土支護(hù)能夠及時(shí)封閉圍巖表面，防止圍巖風(fēng)化、剝落，同時(shí)與圍巖緊密結(jié)合，共同承受荷載。對(duì)于千枚巖隧道，噴射混凝土可以填充圍巖表面的裂隙，阻止地下水的侵入，減少千枚巖遇水泥化的可能性。在杜家山隧道施工中，采用C20噴射混凝土，在隧道開挖后立即進(jìn)行噴射，有效地保護(hù)了圍巖表面，防止了圍巖的進(jìn)一步劣化。噴射混凝土還能夠與錨桿、鋼支撐等支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，增強(qiáng)支護(hù)體系的整體穩(wěn)定性。鋼支撐支護(hù)具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠快速提供支護(hù)抗力，有效地控制圍巖的變形。在千枚巖隧道中，鋼支撐可以與噴射混凝土、錨桿等聯(lián)合使用，形成強(qiáng)有力的支護(hù)體系。在圍巖穩(wěn)定性較差的地段，如斷層破碎帶、軟弱夾層等，采用鋼格柵拱架或型鋼拱架，能夠承受較大的圍巖壓力，防止隧道坍塌。在杜家山隧道，采用鋼格柵拱架，間距根據(jù)每次開挖長(zhǎng)度約為0.6～1.2m，每榀鋼拱縱向用φ25鋼筋連接，鋼筋間距1.0m，鋼格柵拱架與噴射混凝土、錨桿等支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用，有效地控制了圍巖的變形。5.2.2支護(hù)參數(shù)確定支護(hù)參數(shù)的確定對(duì)于千枚巖隧道的穩(wěn)定性和安全性至關(guān)重要，需綜合運(yùn)用理論計(jì)算、數(shù)值模擬和工程經(jīng)驗(yàn)。理論計(jì)算方面，錨桿長(zhǎng)度的確定依據(jù)隧道圍巖的松動(dòng)圈范圍。根據(jù)普氏理論，松動(dòng)圈半徑可通過公式R=(b+htan(45?°-\frac{\varphi}{2}))\frac{1}{f}計(jì)算，其中b為隧道跨度的一半，h為隧道高度，\varphi為圍巖內(nèi)摩擦角，f為普氏系數(shù)。在千枚巖隧道中，由于圍巖的內(nèi)摩擦角較小，普氏系數(shù)較低，松動(dòng)圈范圍相對(duì)較大。通過計(jì)算松動(dòng)圈半徑，錨桿長(zhǎng)度一般應(yīng)超過松動(dòng)圈范圍0.5-1m，以確保錨桿能夠錨固在穩(wěn)定的圍巖中。錨桿間距則根據(jù)錨桿的錨固力和圍巖的穩(wěn)定性要求確定，一般在1-1.5m之間，以保證錨桿能夠均勻地承擔(dān)圍巖壓力。噴射混凝土厚度的計(jì)算可根據(jù)厚壁圓筒理論，考慮圍巖壓力、噴射混凝土的強(qiáng)度和彈性模量等因素。在千枚巖隧道中，由于圍巖變形較大，噴射混凝土需要具備足夠的厚度來抵抗圍巖壓力和變形。一般來說，噴射混凝土厚度在15-25cm之間，以保證其能夠有效地封閉圍巖表面，提供一定的支護(hù)抗力。數(shù)值模擬是確定支護(hù)參數(shù)的重要手段。利用FLAC3D等軟件，建立千枚巖隧道的三維數(shù)值模型，模擬不同支護(hù)參數(shù)下隧道圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變和位移情況。通過對(duì)比分析不同支護(hù)參數(shù)下的模擬結(jié)果，確定最優(yōu)的支護(hù)參數(shù)。在模擬過程中，改變錨桿長(zhǎng)度、間距，噴射混凝土厚度，鋼支撐的類型和間距等參數(shù)，觀察圍巖的變形和破壞情況。當(dāng)錨桿長(zhǎng)度從2m增加到3m時(shí)，圍巖的塑性區(qū)范圍明顯減小，位移也得到了有效控制，從而確定在該工程條件下，錨桿長(zhǎng)度為3m較為合適。通過數(shù)值模擬，可以直觀地了解支護(hù)參數(shù)對(duì)隧道圍巖力學(xué)特性的影響，為支護(hù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。工程經(jīng)驗(yàn)在支護(hù)參數(shù)確定中也具有重要參考價(jià)值。參考類似地質(zhì)條件下的千枚巖隧道工程，如杜家山隧道，在實(shí)際施工中，根據(jù)圍巖的具體情況，對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了多次調(diào)整和優(yōu)化。在圍巖破碎嚴(yán)重的地段，加密了錨桿和鋼支撐的布置，增加了噴射混凝土的厚度，從而保證了隧道的安全施工。通過對(duì)這些工程案例的分析和總結(jié)，可以借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程的特點(diǎn)，合理確定支護(hù)參數(shù)。在本工程中，參考杜家山隧道的經(jīng)驗(yàn)，在圍巖條件較差的段落，將鋼支撐的間距縮小到0.6m，同時(shí)增加了錨桿的長(zhǎng)度和數(shù)量，有效地控制了圍巖的變形，確保了隧道的穩(wěn)定性。5.3施工過程中的圍巖穩(wěn)定性控制5.3.1施工方法優(yōu)化根據(jù)千枚巖隧道圍巖力學(xué)特性，施工方法的選擇與應(yīng)用對(duì)隧道穩(wěn)定性至關(guān)重要。臺(tái)階法在千枚巖隧道施工中應(yīng)用較為廣泛，它將隧道斷面分為上、下臺(tái)階，分別進(jìn)行開挖。對(duì)于圍巖條件相對(duì)較好的千枚巖隧道，采用兩臺(tái)階法即可滿足施工要求。上臺(tái)階超前下臺(tái)階一定距離，一般為3-5倍洞徑，這樣可以使上臺(tái)階開挖后圍巖有一定的時(shí)間進(jìn)行應(yīng)力調(diào)整，同時(shí)下臺(tái)階的開挖也不會(huì)對(duì)上臺(tái)階的穩(wěn)定性產(chǎn)生過大影響。上臺(tái)階開挖高度一般為隧道高度的1/2-2/3，這樣可以保證上臺(tái)階的穩(wěn)定性，同時(shí)便于施工操作。在開挖過程中，及時(shí)施作初期支護(hù)，包括噴射混凝土、錨桿、鋼支撐等，以控制圍巖變形。當(dāng)圍巖條件較差時(shí)，可采用三臺(tái)階法，將隧道斷面進(jìn)一步細(xì)分，增加了施工的靈活性和安全性。三臺(tái)階法通常將隧道斷面分為上、中、下三個(gè)臺(tái)階，每個(gè)臺(tái)階的高度和長(zhǎng)度根據(jù)圍巖情況和施工設(shè)備進(jìn)行合理調(diào)整。上臺(tái)階開挖后，及時(shí)施作初期支護(hù)，然后開挖中臺(tái)階，同樣及時(shí)支護(hù)。下臺(tái)階的開挖要注意兩側(cè)邊墻的穩(wěn)定性，可采用跳槽開挖的方式，減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。三臺(tái)階法可以有效控制圍巖變形，適用于圍巖穩(wěn)定性較差、變形較大的千枚巖隧道。對(duì)于圍巖極為軟弱、地應(yīng)力較大且隧道跨度較大的情況，CD法（中隔壁法）和CRD法（交叉中隔壁法）是較為合適的選擇。CD法是將隧道斷面分為左右兩部分，先開挖一側(cè)，施作中隔壁和初期支護(hù)，待圍巖穩(wěn)定后再開挖另一側(cè)。中隔壁采用臨時(shí)支撐，如型鋼或鋼支撐，其厚度和間距根據(jù)圍巖壓力和隧道跨度確定。在杜家山隧道部分地段，由于圍巖破碎、地應(yīng)力較大，采用CD法施工，有效地控制了圍巖變形，保證了施工安全。CRD法在CD法的基礎(chǔ)上，將隧道斷面進(jìn)一步分為四個(gè)部分，每個(gè)部分的開挖都要及時(shí)施作臨時(shí)支撐和初期支護(hù)。CRD法的施工工序更為復(fù)雜，但對(duì)圍巖的擾動(dòng)更小，能夠更好地控制圍巖變形。在富水千枚巖隧道中，由于圍巖受水的影響較大，穩(wěn)定性極差，采用CRD法可以有效地防止隧道坍塌和涌水等事故的發(fā)生。在某富水千枚巖隧道施工中，采用CRD法，通過嚴(yán)格控制施工順序和支護(hù)時(shí)機(jī)，成功穿越了富水地段，保證了隧道的順利施工。在選擇施工方法時(shí)，還需考慮施工進(jìn)度、成本等因素。臺(tái)階法施工進(jìn)度相對(duì)較快，成本較低，適用于圍巖條件較好的千枚巖隧道；CD法和CRD法施工進(jìn)度較慢，成本較高，但對(duì)圍巖穩(wěn)定性的控制效果更好，適用于圍巖條件極差的隧道。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)千枚巖隧道的具體情況，綜合考慮各方面因素，選擇最合適的施工方法，并在施工過程中根據(jù)圍巖的變化及時(shí)調(diào)整施工方法，確保隧道施工的安全和順利進(jìn)行。5.3.2監(jiān)控量測(cè)與反饋在某千枚巖隧道施工過程中，建立了完善的監(jiān)控量測(cè)方案，以實(shí)時(shí)掌握圍巖的動(dòng)態(tài)變化，為施工決策提供科學(xué)依據(jù)。監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目涵蓋多個(gè)關(guān)鍵方面，包括圍巖周邊位移、拱頂下沉、圍巖壓力、支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力等。在隧道周邊位移監(jiān)測(cè)中，采用收斂計(jì)測(cè)量隧道周邊不同部位的相對(duì)位移，通過測(cè)量數(shù)據(jù)可以直觀地了解隧道周邊圍巖的變形情況。在拱頂下沉監(jiān)測(cè)方面，利用水準(zhǔn)儀和鋼尺測(cè)量拱頂?shù)拇怪蔽灰?，及時(shí)發(fā)現(xiàn)拱頂?shù)南鲁邻厔?shì)。圍巖壓力監(jiān)測(cè)通過在圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間埋設(shè)壓力盒，測(cè)量圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力大小，從而了解圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系。支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測(cè)則通過在錨桿、鋼支撐等支護(hù)結(jié)構(gòu)上安裝應(yīng)變計(jì)，測(cè)量支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力情況，判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求。監(jiān)測(cè)頻率根據(jù)隧道施工階段和圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行合理調(diào)整。在隧道開挖初期，圍巖變形和應(yīng)力變化較為劇烈，監(jiān)測(cè)頻率較高，一般每天進(jìn)行1-2次監(jiān)測(cè)。隨著施工的進(jìn)行，圍巖逐漸趨于穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)頻率可適當(dāng)降低，每周進(jìn)行1-2次監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常變化時(shí)，如位移突然增大、壓力急劇上升等，立即加密監(jiān)測(cè)頻率，每天進(jìn)行3-4次監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)掌握圍巖的變化情況。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋，及時(shí)調(diào)整施工和支護(hù)措施。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示圍巖位移超過預(yù)警值時(shí)，表明圍巖穩(wěn)定性受到威脅，此時(shí)應(yīng)立即停止施工，對(duì)圍巖進(jìn)行加固處理?？刹捎迷黾渝^桿數(shù)量、噴射混凝土厚度或增設(shè)臨時(shí)支撐等措施，增強(qiáng)圍巖的穩(wěn)定性。在某千枚巖隧道施工中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示拱頂下沉速率突然增大，超過了預(yù)警值，施工單位立即停止施工，對(duì)拱頂進(jìn)行了加密錨桿和噴射混凝土加厚處理，有效地控制了拱頂下沉，保證了施工安全。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明支護(hù)結(jié)構(gòu)受力過大時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，如增加鋼支撐的強(qiáng)度、