5.1极硬岩隧道
5.1.1极硬岩隧道工程特点
在工程实践中，常用岩石的饱和单轴抗压强度R来界定岩石的坚硬程度。一般认为，Rc大于60MPa的岩石为坚硬岩。随着隧道埋深的不断增长，时常遇到超高硬度的围岩，如西康铁路秦岭隧道和云南那邦水电站引水隧洞岩石坚硬，为花岗岩和片麻岩，平均抗压强度约150MPa，*高超过325MPa，见图5.1。在钻探工程中，用岩石坚固性系数f来评价极硬岩（岩石坚固性系数f是指岩石抵抗破碎的相对值，一般为岩石的Rc值的十分之一），有学者将f值大于12的岩石称为极硬岩。在我国，极硬岩隧道多出现在引水隧洞、深埋水电站洞室等工程中，如云南那邦水电站引水隧洞围岩平均抗压强度达150MPa，陕西引汉济渭工程*高岩石抗压强度达到240MPa，大部分在160MPa以上。
图5.1抗压强度325MPa花岗岩
极硬岩隧道不同于一般硬岩隧道，围岩整体完整性好，岩石异常坚硬，作业*大难度是掘进困难，作业效率极低。在国内外作业中，坚硬甚至极硬的岩石隧道掘进都是一个难题，常用工法主要为光面爆破工法和TBM工法。光面爆破工法作业存在凿岩困难，炸药雷管消耗高，爆渣破碎不均的问题。TBM工法较适用于Rc在30～120MPa的围岩，当围岩Rc超过180MPa时，易出现TBM刀盘开裂、磨损严重，设备掘进振动大、TBM主轴承及关键部件寿命大幅度缩减的情况。极硬岩TBM掘进岩渣多为细粉状，耗能很大。掘进效率降低和掘进成本提高限制了TBM工法的应用。若围岩Rc大于250MPa时，TBM将难以掘进。
5.1.2极硬岩隧道TBM制造工艺
极硬岩隧道作业的关键是破岩（开挖）。岩石的极限抗拉强度一般远小于极限抗压强度，平均为抗压强度的3%～5%。岩石的极限抗弯强度一般也远小于极限抗压强度，但大于极限抗拉强度，平均为抗压强度的7%～12%。岩石的极限抗剪强度一般也远小于极限抗压强度，等于或略小于极限抗弯强度。隧道TBM作业要充分利用岩石的力学特性，合理设计刀间距，或创造岩石临空面，以剪切或拉裂的形式破岩。
为此，可采用双切削TBM(见图5.2)实现正切与斜切破岩或者采用机械切割和高能流体切割岩层，制造岩体临空面，辅助机械破岩。
图5.2双切削TBM
5.1.3异形极硬岩隧道非钻爆法工艺
有些岩石隧道在作业时不允许采用爆破手段，因此除了使用TBM外，还要研究其他方式。例如，比较短的异形岩石隧道，可以通过组合破岩解决隧道掘进难题。隧道加工工序，见图5.3：
(1)使用悬臂掘进机对隧道掌子面进行预开槽或挖孔，产生第二个临空面，或使用钻孔设备进行钻孔开槽产生临空面；
(2)使用各种劈裂装置依次围绕临空面由近及远进行破岩，并且出渣；
(3)整理洞壁凹凸不平部分。
5.1.4其他极硬岩破岩方式
我们在上册第2章、第3章中介绍了多种破岩方式、各种组合破岩设备，可根据隧道围岩状况、隧道断面大小、隧道长度选择*合理的方案。
图5.3岩石抗压强度超过100MPa的花岗岩隧道
5.2软岩大变形隧道
5.2.1软岩大变形隧道特征
软岩指Rc专30MPa的岩石。软岩燧道对应于燧道围岩分级瓜级中的较软岩(Rc=15～30MPa)燧道和W级中的软质岩石(Rc=5～30MPa)燧道。H级软岩燧道受地质构造影响轻微，节理不发育；层状岩层为厚层，层间结合一般，围岩岩体呈大块砌体结构。围岩开挖后拱部无支护时可产生局部小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易塌落。W级软岩隧道受地质构造影响较重或严重，节理较发育或发育。围岩岩体呈块（石）、碎（石）状镶嵌结构。围岩开挖后拱部无支护时可能产生较大坍塌，侧壁有时失去稳定。典型的软岩隧道见图5.4。
大变形是软岩隧道*明显的特征，当隧道周边围岩受压大于软化临界荷载时，围岩会产生明显的塑性大变形、大地压和难支护现象，见图5.5。大变形概念是相对隧道开挖断面而言的，同时与围岩强度应力比相关，一般认为变形大于隧道断面1.5%～5%时，即为大变形现象。
针对大变形形成机制的不同，可以分为挤压大变形和卸荷大变形，相应的处理措施也不同。挤压大变形隧道通常表现为变形持续时间长、变形有蠕变和流变特征，容易引起初期支护结构变形、扭曲，甚至失效，导致隧道塌方、关门，安全风险极高，部分（极）高地应力隧道的永久衬砌也会因围岩荷载而产生裂缝、漏水、掉块。发生挤压大变形时，高地应力引起的作用力一般以水平方向为主，防治措施主要是适当扩大开挖断面，预留出变形空间，同时适时增加支护结构强度，保证变形后的隧道不失稳，且断面满足设计需求。
卸荷大变形隧道荷载传导快、变形迅速，容易因围岩重力滑移引起掌子面失稳、坍塌、变形。周边岩体松弛解体引起的卸荷大变形主要是松散围岩的重力作用，需提前处理松弛岩体，提升其自身稳定性。另外，地下水会进一步加剧变形发展，隧道作业中应充分考虑地下水影响，采取导水或堵水措施，控制或消除地下水的影响。
5.2.2软岩大变形隧道制造技术
岩体隧道通常采用钻爆法作业。m级软岩隧道通常采用微台阶工法，具备应用凿岩台车的条件，但由于围岩受爆破震动后易坍塌的特点，对钻爆参数的设定及作业工艺要求很高，且工效受限。w级软岩隧道，钻爆法只能在台阶法模式下作业，空间所限，大型机械配置困难，机械化程度低，安全风险高。
为实现软岩隧道的快速安全制造，必然要采取“控变形、防坍塌”的相关作业措施。软岩隧道在开挖前期，掌子面具备一定的稳定能力，可应用敞开式盾构进行作业。作业前，尽可能地探明隧道穿越岩体的真实情况，根据隧道截面形状选择盾构机、铣挖机或铣岩机设备。
实践表明，多数大变形隧道的变形持续时间久，变形破坏有强烈的各向异性，这会在支护结构中产生巨大的弯矩，十分不利于结构稳定。为此，在隧道支护结构设计上进行了摸索和尝试，形成了屈服性支护的概念。屈服性支护是支护结构达到屈服荷载后具备边变形边承载的能力，呈现出高承载、大变形的现象。随着材料技术的发展，形成了u型变形钢拱架、大变形混凝土、纤维混凝土、屈服器、弹性垫层等多种多样的支护结构或构造，见图5.6，转移、降低了地应力，增大了支护结构的可靠度。
图5.6可变形的屈服性支护结构
为应对隧道大变形，在作业实践中形成了多种多样的作业方法，目前已逐步发展成为多种多次的联合支护措施。较为成熟的支护技术主要有：金属支架+锚网喷支护、高强度弧板、注桨加固技术、预应力锚索支护等。根据技术作用目标可以大致分为增强围岩抵抗能力和改善围岩受力等两个方面，实践中多综合应用两种技术，以实现更好的控制效果。
某隧道*大变形达到1.2m，这在隧道作业中很罕见。在作业中，通过认真优化断面，不断调整支护参数，实施长锚杆、锚索、双层拱架及树脂锚杆主动支护等补强措施，同时设置缓冲层及应力释放窗口等控制措施，形成一套大变形分级控制方案及一系列辅助措施，变形控制取得一定成效，保障了作业正常，见图5.7。
开挖断面超挖80cm泡沬板或橡胶
图5.7隧道大变形处理方案
大型专用的隧道掘进设备具有机械化程度高、作业高效、安全防护等特点，执行了大变形隧道“先柔后刚、先让后抗、柔让适度、稳定支护”的应对理念，设计一种能够外置支护结构的马蹄形盾构机（即外马盾构机）实现机械化开挖，初期支护结构紧跟掌子面作业，理论上能够实现大变形隧道的快速、安全、高质量的制造。外马盾构机根据围岩情况搭载不同的开挖设备，并按一定变形量扩挖掌子面，支护结构可为钢拱架类现制支护，也可是管片类的预拼支护，支护结构在盾壳外面，紧跟掌子面闭合，并根据需求及时施作锚索或锚杆，其作业效果示意图见图5.8。
图5.8外马盾构机作业效果示意图
不管是常用的超前支护、喷锚钢架支护、二次衬砌、多层支护等成熟技术，还是尚在完善的钢管混凝土、长锚索、充填弹性构造等新型支护技术，都是针对开挖洞室周边围岩进行作用，作用范围相对有限。而岩石钻孔技术成熟，作用深度可控，一般应用于深部岩土体的改良。可将螺旋钻探技术应用到隧道作业，通过水平螺旋钻机在隧道掌子面钻设一定数量预定深度的水平孔，卸除一部分隧道前方围岩压力，减小隧道开挖后支护结构的承担荷载，有效调节隧道围岩应力和支护结构内力。当围岩硬度相对较高、地应力较大时，在水平钻孔或导洞中放置激振器，通过激振器施加高频率的振动，实现地应力的重分布和消减，降低隧道作业难度。
如果采用TBM法掘进，需要对隧道进行一定程度的扩挖，这样先释放一部分高地应力，减轻初期支护的负荷。扩挖的方式有至少两种。一种方式是接长刀梁的刀盘，见图5.9，刀盘的刀梁端部设计有可拆卸的部分，当遇到变形量较大的地层时，可拆下刀梁端部这个部分，换上能使刀盘直径更大的接长块，起到扩挖的作用。另一种方式是更换刀盘边块，见图5.10，刀盘设计为中间不变的正方形部分和四周的可更换边块部分，通过更换不同尺寸的边块，可以实
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