高地应力软弱围岩隧道开挖预留变形量确定方法

摘要

本发明公开了一种高地应力软弱围岩隧道开挖预留变形量确定方法，包括步骤：一、试验段开挖：沿隧道纵向延伸方向由后向前对所施工软弱围岩隧道的试验段进行开挖；开挖过程中，由后向前对开挖形成的隧道洞进行初期支护，并获得隧道洞的初期支护结构；二、变形监测：对试验段内N个隧道监测断面上的拱顶沉降值和水平净空收敛值分别进行监测，并获得分别与N个所述隧道监测断面对应的N组变形监测数据；三、基于保证率的预留变形量范围确定：所确定预留变形量范围包括隧道拱部预留变形量范围和隧道边墙预留变形量范围；四、预留变形量确定。本发明方法步骤简单、实现方便且投入成本低、使用效果好，能有效解决高地应力软弱围岩隧道的预留变形量确定难题。

说明书

技术领域

本发明属于隧道开挖施工技术领域，尤其是涉及一种高地应力软弱围岩 隧道开挖预留变形量确定方法。

背景技术

隧道开挖势必引发围岩原始应力的重新分布，整个围岩应力重分布的 力学行为可以概化为如下过程：经“平衡”、“松弛”与“松散、坍塌” 三个阶段后，达到新的平衡。“松弛”和“松散”在描述应力重分布过程 是两个完全不同的概念，在这两个过程中围岩荷载的表现形式也是不同 的。“松弛”阶段产生的荷载被称为“形变压力”，此时围岩应力水平的 降低与围岩变形共存，从岩体力学角度分析，该阶段的围岩仍可认为处于 连续介质或似连续介质的性态；“松散、坍塌”阶段产生的荷载被称为“松 散压力”，它是在围岩变形增长到一定程度后，岩块与原岩分离而导致的 坍塌或岩块的自重应力对支护产生作用。

国内外学者曾对软岩隧道(也称为软弱围岩隧道)施工后产生大变形 的类型进行过系统的研究，并从不同的角度对大变形的类型进行分类，下 面对大变形隧道按其变形机理的分类进行说明。软岩大变形隧道按其变形 机理可分为松散型、膨胀型和挤压型三个类型，诱发这三种类型的隧道大 变形的前提条件相差较大，大变形发生后表现出来的变形特征也是各不相 同的。

其中，松散型大变形出现在硬岩(包括岩块强度Rc＞30MPa的破碎岩 体、层状岩体和块状岩体等)隧道和低地应力的浅埋隧道中，围岩松弛过 程较短，前期变形量较小，在没能及时提供足够的支护反力时，围岩变形 发展到一定程度后便会松散或坍塌，由此产生的围岩松散压力直接作用在 支护结构上，在变形时态曲线呈现向上反弯或“跳跃”的性态。

膨胀型大变形隧道的变形机理简单的说就是软岩内的膨胀性矿物成 分在水或者力的作用下体积增大，不断侵入隧道净空的现象。当在含膨胀 性矿物的地层中开挖隧道时，岩石遇水或吸湿之后产生膨胀，其量值可能 远大于岩石的弹塑性及碎胀变形量之和，由此产生的膨胀性变形压力成为 诱发软岩隧道支护破坏的一个重要原因。隧道开挖后，围岩遇水作用会发 生物理化学反应，引起体积膨胀和力学性能的变化，在隧道周边围岩形成 了遇水膨胀区和稳定区两个不同的区域。遇水膨胀区围岩的天然裂隙结 构、应力调整引起的围岩裂隙为软岩及膨胀性矿物提供了吸水通道，加剧 了围岩的膨胀变形，最终产生大变形，导致隧道结构体的破坏。

“挤压型大变形”发生于围岩松弛阶段，其变形机理与“松散型大变 形”和“膨胀型大变形”相差较大，并且变形过程极为复杂，国内外大量 的专家与学者对这一课题进行了大量的研究，但挤压型软岩大变形隧道的 修建仍是世界性难题。

其中，具有高应力背景的软弱围岩变形称为“挤压型”变形，即高应 力条件的软弱围岩变形为挤压型大变形。

国际岩石力学学会(简称ISRM)“隧道挤压性岩石专业委员会”对围 岩挤压性作了如下定义：“挤压型”是指围岩具有时效的大变形；其变形 具有明显的优势部位和方向，可发生在施工阶段，也可能会延续较长时间。 变形的本质是岩体内的剪应力超限而引起的剪切蠕动，这些变形主要可以 归纳为以下几种特点：第一、变形的速度快；第二、变形量大；第三、变 形持续的时间长；第四、变形有明显的优势部位和方向。目前，挤压型大 变形隧道比较认可的破坏机理有如下三种：完全剪切破坏、弯曲破坏和剪 力及滑动张裂破坏。

软岩(即软弱围岩)发生塑性变形的概率非常高，常引起隧道的净空 变小，影响正常的隧道施工和使用。由于软弱围岩本身的地质性质结构松 散，并且稳定性极差，这就决定了它在隧道建设中必然会产生一定程度的 变形。由于软弱围岩稳定性较差的原因，在隧道开挖后，使原有的地应力 平衡遭到了破坏，从而导致围岩发生变形。在施工的过程中，如果选用的 方法不当，不但会引起工程建设初期支护结构的变形，甚至会引起隧道的 塌方等安全事故。

围岩变形是隧道设计的基本准则之一，也是评价隧道围岩稳定性的重 要指标。在较高地应力(＞25MPa)水平下发生显著变形的中、高强工程 岩体称为高地应力软岩(highstressedsoftrock，简称H型)。隧道开 挖后的高地应力软岩隧道大变形大致经历三个阶段：a.弹性变形阶段；b. 弹性变形和塑行变形共存阶段；c.以蠕变为主，蠕变、塑性变形共存，同 时伴随围岩损伤、断裂、挤出及膨胀耦合作用阶段，大量研究表明软弱围 岩以塑性变形和蠕变变形为主。

为充分发挥围岩自承作用，容许初期支护和围岩有一定的变形，而将 设计开挖线作适当扩大的预留量，称之为隧道预留变形量。预留变形量是 指从隧道初期支护施工开始，到隧道周边位移基本稳定时，周边位移的累 计值。

由于软岩具有显著流变性、围岩强度低的特点，同时高地应力作用下， 上述特点更加明显，从而使隧道变形量极大、变形发展快。一旦施工控制 不当或预留变形量不够，极易发生支护开裂、侵限问题。因此确定高地应 力软岩隧道的预留变形量就尤其重要，同时也是极其困难的。

对铁路而言，隧道施工主要考虑预留变形量、施工误差和允许超挖， 施工误差和允许超挖一般基于施工单位经验确定取值范围；隧道预留变形 量的确定则相对复杂。目前对于高地应力与极高地应力条件下的软岩大变 形隧道，没有成熟的理论成果来确定隧道预留变形量，而采用工程类比法 时，该类隧道地质条件极其复杂，围岩性质千差万别，地应力条件不同， 导致难以取得理想效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种高地应力软弱围岩隧道开挖预留变形量确定方法，其方法步骤简单、实 现方便且投入成本低、使用效果好，能有效解决高地应力软弱围岩隧道的 预留变形量确定难题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高地应力软弱围 岩隧道开挖预留变形量确定方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、试验段开挖：沿隧道纵向延伸方向，由后向前对所施工软弱 围岩隧道的试验段进行开挖；开挖过程中，由后向前对开挖形成的隧道洞 进行初期支护，并获得隧道洞的初期支护结构；

所施工软弱围岩隧道为高地应力软岩隧道且其分为所述试验段和位 于所述试验段前侧的后续施工段；

步骤二、变形监测：对所述试验段内N个隧道监测断面上的拱顶沉降 值和水平净空收敛值分别进行监测，并获得分别与N个所述隧道监测断面 对应的N组变形监测数据；每组所述变形监测数据均包括监测得到的一个 所述隧道监测断面上初期支护结构的拱顶沉降值和水平净空收敛值；

其中，N为正整数且N≥100；N个所述隧道监测断面沿所施工软弱 围岩隧道的纵向延伸方向由后向前进行布设，每个所述隧道监测断面均为 所施工软弱围岩隧道的一个隧道横断面；

步骤三、基于保证率的预留变形量范围确定：所确定的预留变形量范 围包括隧道拱部预留变形量范围和隧道边墙预留变形量范围；其中，隧道 拱部预留变形量范围记作C_1m～C_1M，隧道边墙预留变形量范围记作C_2m～C_2M； C_1m为拱部预留变形量最小值，C_1M为拱部预留变形量最大值，C_2m为隧道边 墙预留变形量最小值，C_2M为隧道边墙预留变形量最大值，C_1m、C_1M、C_2m和 C_2M的单位均为mm且其数值均为正整数；

其中，对C_1m进行确定时，根据步骤二中N组所述变形监测数据中的N 个所述拱顶沉降值，并结合公式L₁₁≥L_m(1)和L₁₂＜L_m(2)进行确定；公 式(1)和(2)中，L_m为预先设定的保证率阈值且L_m＝88％～92％；L₁₁为隧道拱 部预留变形量为C_1m时的保证率，且N₁₁为N个所述拱顶沉降 值中小于C_1m的所有拱顶沉降值的总数量；L₁₂为隧道拱部预留变形量为C_1m’ 时的保证率，且N₁₂为N个所述拱顶沉降值中小于C_1m’的所 有拱顶沉降值的总数量，C_1m’＝C_1m-1mm；

对C_1M进行确定时，根据步骤二中N组所述变形监测数据中的N个所述 拱顶沉降值，并结合公式L₁₃≥100％(3)和L₁₄＜100％(4)进行确定；公式 (3)中，L₁₃为隧道拱部预留变形量为C_1M时的保证率，且N₁₃为N个所述拱顶沉降值中小于C_1M的所有拱顶沉降值的总数量；公式(4)中， L₁₄为隧道拱部预留变形量为C_1M’时的保证率，且N₁₄为N个 所述拱顶沉降值中小于C_1M’的所有拱顶沉降值的总数量，C_1M’＝C_1M-1mm；

对C_2m进行确定时，根据步骤二中N组所述变形监测数据中的N个所述 水平净空收敛值，并结合公式L₂₁≥L_m(5)和L₂₂＜L_m(6)进行确定；公式 (5)和(6)中，L_m为预先设定的保证率阈值且L_m＝88％～92％；L₂₁为隧道边墙 预留变形量为C_2m时的保证率，且N₂₁为N个所述水平净空 收敛值中小于C_2m的所有水平净空收敛值的总数量；L₂₂为隧道边墙预留变 形量为C_2m’时的保证率，且N₂₂为N个所述水平净空收敛 值中小于C_2m’的所有水平净空收敛值的总数量，C_2m’＝C_2m-1mm；

对C_2M进行确定时，根据步骤二中N组所述变形监测数据中的N个所述 水平净空收敛值，并结合公式L₂₃≥100％(7)和L₂₄＜100％(8)进行确定； 公式(7)中，L₂₃为隧道边墙预留变形量为C_2M时的保证率，且N₂₃为N个所述水平净空收敛值中小于C_1M的所有水平净空收敛值的总数 量；公式(8)中，L₂₄为隧道边墙预留变形量为C_2M’时的保证率，且 N₂₄为N个所述水平净空收敛值中小于C_1M’的所有水平净 空收敛值的总数量，C_1M’＝C_1M-1mm；

步骤四、预留变形量确定：根据步骤三中所确定的隧道拱部预留变形 量范围，对所施工软弱围岩隧道的隧道拱部预留变形量C₁进行确定，其中 C₁＝C_1m～C_1M；同时，根据步骤三中所确定的隧道边墙预留变形量范围，对所 施工软弱围岩隧道的隧道边墙预留变形量C₂进行确定，其中C₂＝C_2m～C_2M。

上述高地应力软弱围岩隧道开挖预留变形量确定方法，其特征是：步 骤三中所述的L_m＝90％。

上述高地应力软弱围岩隧道开挖预留变形量确定方法，其特征是：步 骤四中预留变形量确定后，根据所确定的隧道拱部预留变形量C₁进行确 定，其中C₁＝C_1m～C_1M；同时，根据步骤三中所确定的隧道拱部预留变形量 C₁和隧道边墙预留变形量C₂，且沿隧道纵向延伸方向，由后向前对所述后 续施工段进行开挖施工。

上述高地应力软弱围岩隧道开挖预留变形量确定方法，其特征是：步 骤四中对所施工软弱围岩隧道的隧道拱部预留变形量C₁进行确定时，根据 公式(9)进行确定；对所施工软弱围岩隧道的隧道边墙 预留变形量C₂进行确定时，根据公式(10)进行确 定。

上述高地应力软弱围岩隧道开挖预留变形量确定方法，其特征是：步 骤一中所述试验段的长度不小于200m。

上述高地应力软弱围岩隧道开挖预留变形量确定方法，其特征是：步 骤二中前后相邻两个所述隧道监测断面之间的间距为2m～5m。

上述高地应力软弱围岩隧道开挖预留变形量确定方法，其特征是：步 骤二中进行变形监测之前，且步骤一中由后向前对所施工软弱围岩隧道的 试验段进行开挖过程中，由后向前在已施工完成的初期支护结构上布设N 组变形监测点；N组所述变形监测点沿所施工软弱围岩隧道的纵向延伸方 向由后向前进行布设，N组所述变形监测点分别布设在所施工软弱围岩隧 道的N个隧道横断面上，且每组所述变形监测点所处的隧道横断面均为一 个所述隧道监测断面；

所述初期支护结构包括一个布设在隧道洞拱部的拱部初期支护结构 和两个分别布设在隧道洞的左右两侧边墙上的边墙初期支护结构；

N组所述变形监测点的结构均相同，每组所述变形监测点均包括拱顶 下沉观测点和两个水平净空收敛观测点，两个所述水平净空收敛观测点呈 对称布设且二者分别布设在两个所述边墙初期支护结构上；所述拱顶下沉 观测点的数量为一个或三个，当拱顶下沉观测点的数量为一个时，该拱顶 下沉观测点布设在所述拱部初期支护结构的中部；当拱顶下沉观测点的数 量为三个时，三个所述拱顶下沉观测点分别布设在所述拱部初期支护结构 的左侧、中部和右侧；

步骤二中进行变形监测时，利用所布设的N组所述变形监测点，对各 隧道监测断面上的拱顶沉降值和水平净空收敛值分别进行监测；其中，当 拱顶下沉观测点的数量为一个时，所述拱顶沉降值为利用该拱顶下沉观测 点测得的拱顶沉降数据；当拱顶下沉观测点的数量为三个时，所述拱顶沉 降值为利用三个所述拱顶下沉观测点测得的拱顶沉降数据的平均值或利 用三个所述拱顶下沉观测点测得的拱顶沉降数据中的最大值。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、方法步骤简单、设计合理且投入成本低。

2、设计合理且实现方便，根据现场监测到的变形监测数据，并采用 基于保证率确定预留变形量的方法，对隧道开挖预留变形量进行确定。其 中，保证率为隧道初期支护变形量(即变形监测数据)小于给定值的隧道 监测断面数量占隧道监测断面总数量的比例，其中变形监测数据包括拱顶 沉降数据和周边收敛数据，这样所确定的预留变形量更符合工程实际。

实际施工时，只需在试验段内进行隧道变形监测，并根据变形监测结 果进行分析即可，简便、快速且准确确定隧道开挖变形量。

3、使用效果好、实用价值高且推广应用前景广泛，能有效解决高地 应力软弱围岩隧道的预留变形量确定难题，能有效适用至高地应力与极高 地应力条件下的软岩大变形隧道的预留变形量确定中，所确定的预留变形 量合理，能有效解决隧道预留变形量不够、隧道超挖等问题，能有效保证 隧道施工安全，并能大幅度降低施工成本。

综上所述，本发明方法步骤简单、实现方便且投入成本低、使用效果 好，能有效解决高地应力软弱围岩隧道的预留变形量确定难题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的方法流程框图。

图2为本发明变形监测点的布设位置示意图。

附图标记说明:

1—隧道洞；2—初期支护结构；3—拱顶下沉观测点；

4—水平净空收敛观测点。

具体实施方式

如图1所示的一种高地应力软弱围岩隧道开挖预留变形量确定方法， 包括以下步骤：

步骤一、试验段开挖：沿隧道纵向延伸方向，由后向前对所施工软弱 围岩隧道的试验段进行开挖；开挖过程中，由后向前对开挖形成的隧道洞 1进行初期支护，并获得隧道洞1的初期支护结构2，详见图2；

所施工软弱围岩隧道为高地应力软岩隧道且其分为所述试验段和位 于所述试验段前侧的后续施工段；

步骤二、变形监测：对所述试验段内N个隧道监测断面上的拱顶沉降 值和水平净空收敛值分别进行监测，并获得分别与N个所述隧道监测断面 对应的N组变形监测数据；每组所述变形监测数据均包括监测得到的一个 所述隧道监测断面上初期支护结构2的拱顶沉降值和水平净空收敛值；

其中，N为正整数且N≥100；N个所述隧道监测断面沿所施工软弱 围岩隧道的纵向延伸方向由后向前进行布设，每个所述隧道监测断面均为 所施工软弱围岩隧道的一个隧道横断面；

步骤三、基于保证率的预留变形量范围确定：所确定的预留变形量范 围包括隧道拱部预留变形量范围和隧道边墙预留变形量范围；其中，隧道 拱部预留变形量范围记作C_1m～C_1M，隧道边墙预留变形量范围记作C_2m～C_2M； C_1m为拱部预留变形量最小值，C_1M为拱部预留变形量最大值，C_2m为隧道边 墙预留变形量最小值，C_2M为隧道边墙预留变形量最大值，C_1m、C_1M、C_2m和 C_2M的单位均为mm且其数值均为正整数；

其中，对C_1m进行确定时，根据步骤二中N组所述变形监测数据中的N 个所述拱顶沉降值，并结合公式L₁₁≥L_m(1)和L₁₂＜L_m(2)进行确定；公 式(1)和(2)中，L_m为预先设定的保证率阈值且L_m＝88％～92％；L₁₁为隧道拱 部预留变形量为C_1m时的保证率，且N₁₁为N个所述拱顶沉降 值中小于C_1m的所有拱顶沉降值的总数量；L₁₂为隧道拱部预留变形量为C_1m’ 时的保证率，且N₁₂为N个所述拱顶沉降值中小于C_1m’的所 有拱顶沉降值的总数量，C_1m’＝C_1m-1mm；

对C_1M进行确定时，根据步骤二中N组所述变形监测数据中的N个所述 拱顶沉降值，并结合公式L₁₃≥100％(3)和L₁₄＜100％(4)进行确定；公式 (3)中，L₁₃为隧道拱部预留变形量为C_1M时的保证率，且N₁₃为N个所述拱顶沉降值中小于C_1M的所有拱顶沉降值的总数量；公式(4)中， L₁₄为隧道拱部预留变形量为C_1M’时的保证率，且N₁₄为N个 所述拱顶沉降值中小于C_1M’的所有拱顶沉降值的总数量，C_1M’＝C_1M-1mm；

对C_2m进行确定时，根据步骤二中N组所述变形监测数据中的N个所述 水平净空收敛值，并结合公式L₂₁≥L_m(5)和L₂₂＜L_m(6)进行确定；公式 (5)和(6)中，L_m为预先设定的保证率阈值且L_m＝88％～92％；L₂₁为隧道边墙 预留变形量为C_2m时的保证率，且N₂₁为N个所述水平净空 收敛值中小于C_2m的所有水平净空收敛值的总数量；L₂₂为隧道边墙预留变 形量为C_2m’时的保证率，且N₂₂为N个所述水平净空收敛 值中小于C_2m’的所有水平净空收敛值的总数量，C_2m’＝C_2m-1mm；

对C_2M进行确定时，根据步骤二中N组所述变形监测数据中的N个所述 水平净空收敛值，并结合公式L₂₃≥100％(7)和L₂₄＜100％(8)进行确定； 公式(7)中，L₂₃为隧道边墙预留变形量为C_2M时的保证率，且N₂₃为N个所述水平净空收敛值中小于C_2M的所有水平净空收敛值的总数 量；公式(8)中，L₂₄为隧道边墙预留变形量为C_2M’时的保证率，且 N₂₄为N个所述水平净空收敛值中小于C_2M’的所有水平净 空收敛值的总数量，C_2M’＝C_2M-1mm；

步骤四、预留变形量确定：根据步骤三中所确定的隧道拱部预留变形 量范围，对所施工软弱围岩隧道的隧道拱部预留变形量C₁进行确定，其中 C₁＝C_1m～C_1M；同时，根据步骤三中所确定的隧道边墙预留变形量范围，对所 施工软弱围岩隧道的隧道边墙预留变形量C₂进行确定，其中C₂＝C_2m～C_2M。

其中，步骤三中所述的N₁₁也可以表述为N个所述隧道监测断面中拱顶 沉降值小于C_1m的所有隧道监测断面的数量，N₁₂也可以表述为N个所述隧 道监测断面中拱顶沉降值小于C_1m’的所有隧道监测断面的数量；N₁₃也可 以表述为N个所述隧道监测断面中拱顶沉降值小于C_1M的所有隧道监测断 面的数量，N₁₄也可以表述为N个所述隧道监测断面中拱顶沉降值小于C_1M’ 的所有隧道监测断面的数量。相应地，N₂₁也可以表述为N个所述隧道监测 断面中水平净空收敛值小于C_2m的所有隧道监测断面的数量，N₂₂也可以表 述为N个所述隧道监测断面中水平净空收敛值小于C_2m’的所有隧道监测断 面的数量，N₂₃也可以表述为N个所述隧道监测断面中水平净空收敛值小于 C_2M的所有隧道监测断面的数量，N₂₄也可以表述为N个所述隧道监测断面 中水平净空收敛值小于C_2M’的所有隧道监测断面的数量。

本实施例中，步骤三中所述的L_m＝90％。

实际使用时，可根据具体需要，对L_m的取值大小进行相应调整。

本实施例中，步骤四中预留变形量确定后，根据所确定的隧道拱部预 留变形量C₁进行确定，其中C₁＝C_1m～C_1M；同时，根据步骤三中所确定的隧 道拱部预留变形量C₁和隧道边墙预留变形量C₂，且沿隧道纵向延伸方向， 由后向前对所述后续施工段进行开挖施工。

并且，步骤四中对所施工软弱围岩隧道的隧道拱部预留变形量C₁进行 确定时，根据公式(9)进行确定；对所施工软弱围岩隧 道的隧道边墙预留变形量C₂进行确定时，根据公式(10)进行确定。

实际施工时，可根据具体需要，对C₁和C₂的取值大小进行相应调整。

本实施例中，所施工软弱围岩隧道的长度大于1000m。

本实施例中，步骤一中所述试验段的长度不小于200m。

并且，步骤二中前后相邻两个所述隧道监测断面之间的间距为2m～ 5m。

本实施例中，步骤二中进行变形监测之前，且步骤一中由后向前对所 施工软弱围岩隧道的试验段进行开挖过程中，由后向前在已施工完成的初 期支护结构2上布设N组变形监测点；N组所述变形监测点沿所施工软弱 围岩隧道的纵向延伸方向由后向前进行布设，N组所述变形监测点分别布 设在所施工软弱围岩隧道的N个隧道横断面上，且每组所述变形监测点所 处的隧道横断面均为一个所述隧道监测断面。

所述初期支护结构2包括一个布设在隧道洞1拱部的拱部初期支护结 构和两个分别布设在隧道洞1的左右两侧边墙上的边墙初期支护结构。

N组所述变形监测点的结构均相同。如图2所示，每组所述变形监测 点均包括拱顶下沉观测点3和两个水平净空收敛观测点4，两个所述水平 净空收敛观测点4呈对称布设且二者分别布设在两个所述边墙初期支护结 构上；所述拱顶下沉观测点3的数量为一个或三个，当拱顶下沉观测点3 的数量为一个时，该拱顶下沉观测点3布设在所述拱部初期支护结构的中 部；当拱顶下沉观测点3的数量为三个时，三个所述拱顶下沉观测点3分 别布设在所述拱部初期支护结构的左侧、中部和右侧；

步骤二中进行变形监测时，利用所布设的N组所述变形监测点，对各 隧道监测断面上的拱顶沉降值和水平净空收敛值分别进行监测；其中，当 拱顶下沉观测点3的数量为一个时，所述拱顶沉降值为利用该拱顶下沉观 测点3测得的拱顶沉降数据；当拱顶下沉观测点3的数量为三个时，所述 拱顶沉降值为利用三个所述拱顶下沉观测点3测得的拱顶沉降数据的平均 值或利用三个所述拱顶下沉观测点3测得的拱顶沉降数据中的最大值。

本实施例中，所述拱顶下沉观测点3的数量为一个。

实际施工时，当所述拱顶下沉观测点3的数量为三个时，所述拱顶沉 降值为利用三个所述拱顶下沉观测点3测得的拱顶沉降数据中的最大值。

实际使用时，两个所述水平净空收敛观测点4布设在同一水平线上。 本实施例中，两个所述水平净空收敛观测点4分别布设在两个所述边墙初 期支护结构的中部。

本实施例中，利用所述拱顶下沉观测点3测得的拱顶沉降数据和利用 两个所述水平净空收敛观测点4测得的水平净空收敛数据，均为采用全站 仪测得的位移数据。并且，所述全站仪为ZT80-2MR全站仪，采用ZT80-2MR 全站仪进行无接触测量，测量精度为0.1mm。

实际使用时，利用所述拱顶下沉观测点3测得的拱顶沉降数据，也可 以为采用水准仪测得的沉降数据；利用两个所述水平净空收敛观测点4测 得的水平净空收敛数据，也可以为利用收敛仪测得的两个所述水平净空收 敛观测点之间的水平距离变化数据。其中，水平净空收敛也称为周边收敛。

步骤三中所述C_1m＝d₁mm，C_1M＝d₂mm，C_2m＝d₃mm，C_2M＝d₄mm，由于C_1m、C_1M、 C_2m和C_2M的数值均为正整数，因而d₁、d₂、d₃和d₄均为正整数。

本实施例中，根据步骤三中所确定的隧道拱部预留变形量C₁和隧道边 墙预留变形量C₂，且沿隧道纵向延伸方向，由后向前对所述后续施工段进 行开挖施工时，由于隧道预留变形量为将设计开挖线作适当扩大的预留 量。因而，对所述后续施工段进行开挖施工时，根据步骤三中所确定的隧 道拱部预留变形量C₁和隧道边墙预留变形量C₂，对预先设计的隧道拱部开 挖轮廓线和隧道左右两侧边墙开挖轮廓线分别向外扩大。

实际施工时，所述高地应力软岩隧道为位于高地应力岩层的软岩隧 道。其中，高地应力是一个相对的概念，是相对围岩强度(即围岩岩体强 度)而言的。也就是说，当围岩强度与围岩内部的最大地应力的比值(即 强度应力比)达到某一水平时才可能发生软岩大变形。研究表明，当强度 应力比小于0.3～0.5时，即能产生比正常隧道大一倍以上的变形。因此， 以围岩强度与最大地应力的比值(即强度应力比)作为大变形分级的一个 评价依据是合理可行的。其中，岩体强度记作Rb；此处，岩体强度为岩体 单轴抗压强度。围岩内部的最大地应力记作σ_max，也称为最大主应力。

本实施例中，所述高地应力软岩隧道是指围岩的强度应力比小于0.3 的软岩隧道。

并且，所施工的软弱围岩隧道为位于青海省门源县且全长为6550双 延米(双延米指隧道双洞每延米)的大梁隧道地处海拔3600至4200米的 大梁中高山区，轨面最高高程为3607.4米；正常涌水量为1.53万方，最 大涌水量4.58万方；洞身经过砂岩、板岩及F5断层破碎带。

大梁隧道的地层岩性主要为板岩夹砂岩，板岩呈灰白色、灰色及灰黑 色，板状构造，薄层状，主要矿物为石英、长石、绿泥石等，局部可见黑 褐色颗粒，节理发育，表层多风化呈碎片状、砂砾状；砂岩青灰色、浅黄 色，砂质结构，层状构造，成份以石英、长石等为主，岩质坚硬，节理较 发育，岩层产状：N45°～80°W/18°～60°N，风化层层厚大于10m。大梁隧 道位于祁连山地槽北祁连褶皱带内，该带为地壳厚度高度变异地带，地质 构造复杂，新构造运动强烈，且经历了多期次构造活动，褶皱、断裂发育。 工程区发育1条断层，发育1个向斜。大梁隧道的水文地质特征如下:地 表水:隧道洞身地表支沟冰雪覆盖，夏季有冰雪融水、雨水汇聚。地表水 对隧道工程无直接影响；隧道区地下水类型主要有第四系潜水、基岩裂隙 水和构造裂隙水。

本实施例中，N＝121。

实际施工时，可根据具体需要，对N的取值大小进行相应调整。

并且，121个所述隧道监测断面的变形监测数据，详见表2：

表2隧道监测断面变形监测数据表

为对隧道拱顶沉降进行分析，对表2中变形监测数据中的拱顶沉降值 进行区段划分，详见表3：

表3拱顶沉降值分析表

由表3能看出：隧道拱顶沉降最大值为528.2mm，隧道拱顶沉降最小 值为46.2mm，隧道拱顶沉降平均值为399.4mm；隧道拱顶沉降值在300mm 以下的隧道监测断面数量占隧道监测断面总数量的7.4％，隧道拱顶沉降值 在300mm～400mm的隧道监测断面数量占隧道监测断面总数量的22.3％，隧 道拱顶沉降值在400mm～500mm的隧道监测断面数量占隧道监测断面总数 量的65.3％，隧道拱顶沉降值在500mm以上的隧道监测断面数量占隧道监 测断面总数量的5.0％。拱顶沉降值主要集中在300mm～500mm之间，且其 隧道监测断面数量占隧道监测断面总数量的87.6％，隧道拱顶沉降最大值 与隧道拱顶沉降最小值的差异较大，隧道拱顶沉降最大值是隧道拱顶沉降 最小值的11倍。

相应地，为对隧道周边收敛进行分析，对表2中变形监测数据中的周 边收敛值进行区段划分，详见表4：

表4周边收敛值分析表

周边收敛值(mm) ＜300 300～400 400～500 ＞500 最小值 最大值 平均值 隧道监测断面数量 9 27 67 16 40.2 546.5 412.9 所占比例(％) 7.4 22.3 55.4 14.9 / / /

由表4能看出：隧道周边收敛最大值为546.5mm，隧道周边收敛最小 值为40.2mm，隧道周边收敛平均值为412.9mm；隧道周边收敛值在300mm 以下的隧道监测断面数量占隧道监测断面总数量的7.4％，隧道周边收敛值 在300mm～400mm的隧道监测断面数量占隧道监测断面总数量的22.3％，隧 道周边收敛值在400mm～500mm的隧道监测断面数量占隧道监测断面总数 量的55.4％，隧道周边收敛值500mm以上的隧道监测断面数量占隧道监测 断面总数量的14.9％。隧道周边收敛值主要集中在300mm～500mm之间，且 其隧道监测断面数量占隧道监测断面总数量的77.7％，隧道周边收敛最大 值与隧道周边收敛最小值的差异较大，隧道周边收敛最大值是隧道周边收 敛最小值的14倍。

现行《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)规定，不同围岩级别的 隧道在确定开挖断面时，除应满足隧道建筑限界要求外，还必须考虑围岩 的变形量，该量值与支护情况、施工方法、隧道宽度、埋置深度以及围岩 等级密切相关，需采用工程类比法确定；规范中明确说明，对于具有显著 流变、原岩地应力较大的特殊围岩，应根据施工中量测数据反馈分析确定。

由于隧道的预留变形量受多种因素的影响，尽管隧道的开挖跨度、支 护形式以及施工方法均已确定，但因软岩的特殊性以及施工水平的区别， 现场所测数据存在一定程度的不确定性。尤其在极高地应力环境下围岩条 件复杂，隧道初期支护变形不确定，因此所得的现场实测数据也存在一定 程度的偏差。综合考虑上述因素并结合实用性，本实施例中，采用基于保 证率确定预留变形量范围的方法，其中保证率为隧道初期支护变形量(即 变形监测数据)小于给定值的隧道监测断面数量占隧道监测断面总数量的 比例，其中变形监测数据包括拱顶沉降数据和周边收敛数据，这样所确定 的预留变形量更符合工程实际。

本实施例中，以保证率大于90％作为预留变形合适的评判标准，即 L_m＝90％。同时通过分析拱顶沉降值较周边收敛值偏大，为了减少隧道开挖 量，可分别制定隧道拱部预留变形量和隧道边墙预留变形量。

并且，隧道拱部预留变形量和隧道边墙预留变形量均与保证率存在一 定的相关关系。

本实施例中，根据表2中记录的变形监测数据，且按照步骤三中所述 的保证率的计算方法，计算得出隧道拱部预留变形量为470mm、500mm和 530mm时的保证率分别为90％、95％和100％。在兼顾较高保证率的同时，结 合现场所测数据的离散结果，确定隧道拱部预留变形量C₁为500mm。

并且，隧道边墙预留变形量为260mm、265mm和275mm时的保证率分 别为90％、95％和100％。在兼顾较高保证率的同时，结合现场所测数据的 离散结果，确定对于极高地应力条件下的炭质板岩Ⅴ级围岩隧道，隧道隧 道边墙预留变形量C₁为270mm。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是 根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构 变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。