隧道施工要点集 1
——关键问题与技术要点 1
第一部分 概述 1
1·基本认识 1
2·目前隧道施工的现状与问题 2
３·施工的基本原则 3
第二部分 了解、认识围岩，大力提高施工阶段地质判释技术的水平 4
施工要点1·施工阶段围岩级别的评定 4
施工要点２ 数码相机摄影及画象处理方法在掌子面地质判释中的应用。 17
施工要点３·高地应力问题 24
施工要点3·水的问题 25
施工要点4·几个特殊的地质问题 27
隧道施工要点集
——关键问题与技术要点
第一部分 概述
1·基本认识
地下结构物是多种多样的，构筑地下结构物的施工技术也是多种多样的。这些施工技术的形成和发展是与地下结构物的施工特性有关。因此，首先要充分了解地下施工的特性。
概括地说，地下施工具有以下特性。
·隐蔽性大；
·作业的循环性强；
·作业空间有限；
·作业的综合性；
·施工是动态的，施工过程的力学动态的变化的，围岩的物理力学性质也是变化的；
·作业环境恶劣；
·作业的风险性大。
各种施工技术必须考虑这些特性，才能够发挥其作用。
地下结构物竣工后，我们只能看到外观的面貌，而其内部及结构物背后的状态是隐蔽的。严格意上说，地下工程就是一个隐蔽工程。我们要求结构物作到“内实外美”，就是说，要把隐蔽的工程作到实处。不留后患。
一般的地下结构物都是纵长的，施工是严格地按照一定的顺序循环作业的。如开挖就是按照钻孔—装药—爆破—通风—出碴的循环，一步一步地循环开挖，直到最后隧道贯通。这种循环性是地下施工最具特色的一点。也是我们组织施工的基本原则。
地下结构物通常都是在地下一定深度修筑的。因此，结构物的尺寸就受到极大。这也就决定了施工空间的尺寸和形状。在有限的空间内进行施工，投入的人力和机械力，都不能够“畅所欲为”，都要考虑有限空间这个特点。因此象地面工程那种大型机械，是很难的地下工程中发挥其作用的，必须采用适合地下工程有限空间的施工机械和施工方法。
地下施工是由多种作业构成的。如开挖、支护、出碴运输、通风及除尘、防水及排水、供电、供风、供水等等作业，缺一不可。每一项作业搞得不好都会影响全局。因此，地下施工的综合性是很强的。这要求我们必须有良好的施工管理和施工组织的经验，才能使工程有序地快速进展。
地下结构的力学动态是极为复杂的，其复杂程度直到目前，还有许多不清楚的地方。我们只能在修筑地下结构物的整个过程中，逐渐地去认识和理解它的力学状态的变化并通过各种手段极力控制和调整结构的力学状态变化。施工过程，从力学角度看，就是控制和调整这个力学变化的过程。施工技术也就是控制和调整这个力学状态的手段和方法。理解这一点是极为重要的。
地下施工的作业环境是比较差的，黑暗、潮湿、粉尘多、在恶劣的地质条件下，还有安全的问题。因此，如何创造一个安全、舒适和工厂化的作业环境，就成为地下施工技术要解决的重要课题。
最后，风险性与隐蔽性是关联的，施工人员必须经常关注隧道施工的风险性。特别是在不良地质条件下，更要有风险意识。
目前，在地下工程，也包括隧道施工中出现的问题，许多是由于对上述的地下施工特性认识不充分或没有认识所造成的。因此，提高对地下施工特性的认识是十分必要的。
2·目前隧道施工的现状与问题
从改革、开放以来，我国铁路、公路、水电站等山岭隧道工程的发展又进入了一个新的时期。到2000年我国已有公路隧道1684座，总长达628km，铁路隧道到1998年底运营隧道约5336座，总长达2565km。这不仅表现在隧道数量的增加，也表现在隧道长度上的突破，如长度超过12km的长梁山隧道、西安－安康线上的长18·6km的秦岭隧道、正在修建的长达18km的终南山公路隧道以及小浪底水电工程中的地下群体的修建上，还突出地表现在施工技术上，如秦岭的1线隧道是采用直径8·8m的全断面掘进机（TBM）修建的，这标志着我国铁路隧道施工技术的进步和成熟。在铁路隧道中，也已不再单纯地依靠钻爆法修建隧道，也采用非钻爆的机械开挖法进行隧道的修建。正在修建和预计修建的长度超过4km以上的公路隧道，包括大断面（3车道或4车道、双联拱隧道等）的公路隧道也不断出现。特别是，在加强铁路、公路建设的新高潮中，不同长度、不同类型的山岭隧道将大量涌现。因此，隧道技术的发展，面临一个新的机遇和挑战。从目前的工程实际出发，在今后很长一段时期内，钻爆法仍然是修建山岭隧道的主流。因此，改造和完善钻爆法及其相关施工技术，仍然是刻不容缓的，必需及时总结经验、适应形势发和要求、不断提高山岭隧道钻爆法的施工技术水平。
从我国近3000km的铁路隧道和近700km的公路隧道看，出现的主要问题集中在以下几个方面：
1·衬砌背后充填不密实，甚至留有空洞；
2·衬砌厚度不足，有的严重不足；
3·衬砌初期开裂普遍存在；
4·防水质量欠佳，渗水、漏水现象时有发生；
5·基底处理不彻底，运营不久出现翻浆冒泥现象屡屡发生。
出现这些问题主要与施工技术和施工管理有关。当然隧道工程中存在的问题是多方面的，有设计、施工方面的、也有业主、监理方面的。有深层次上的问题，也有面上的问题。但总的来看，施工技术和严格的施工管理是关键。因此，这里以施工技术为对象，来阐述施工上的问题和解决途径。
从山岭隧道施工技术的现状和出现的问题出发，为了适应我国山岭隧道隧道工程发展的需要并结合隧道工程技术的发展趋势，目前在山岭隧道钻爆法施工中，必需予以关注的问题是：
1·大力提高施工阶段地质判释技术的水平；
2·隧道施工方法的标准化、模式化，提高施工工厂化程度；
3·控制爆破对遗留岩体的损伤，严格控制超欠挖；
４·完善软弱围岩的地层加固技术，提高和加强软弱围岩的自支护能力；
５·不断完善和提高支护、衬砌等各种作业的技术水平；
６·改善防排水施工工艺，从多方面确保结构的防水功能，满足防水的要求；
７·重视环境，提高施工效率，减少影响，确保施工安全；
８·确保工程质量，特别是隐蔽工程的质量，加强施工阶段的监理和质量检测；
９·加强施工中的灾害预测、预防与控制；
10·不断提高施工管理水平， 从多种角度降低工程成本，提高地下工程可持续发展的效应，使之适应技术发展的需求；
实质上，这几点也就是衡量我们隧道施工水平的重要标志。我们与一些发达国家相比，在技术上的差距，也就在此。
３·施工的基本原则
根据作者的体会，隧道施工的要点，针对目前存在的问题，归纳起来就是４句话：“爱护围岩”、“内实外美”、“重视环境”、和“动态施工”。这也就是隧道施工的四大理念。
所谓爱护围岩有2层含义，一层含义是不损伤或少损伤遗留围岩的固有支护能力，这可以通过采用机械开挖技术和控制爆破技术予以解决。一层含义是通过各种手段和方法增强围岩的自支护能力，如采用支护技术、加固或予加固技术以及各种辅助施工技术等。这些技术形成了隧道施工的核心技术。
所谓“内实外美”，关键是内实。而内实的关键就是要作到“四密实”，即：混凝土密实、喷混凝土密实、喷混凝土与围岩密实、二次衬砌与初期支护密实。这牵涉到混凝土、喷混凝土、回填、支护接触等技术。
所谓“重视环境”，有2层含义，一层含义是指内部环境，即施工作业环境，一层是对外部环境即对周边环境的影响。重视环境是时代的要求，许多环境技术都是因时代的变迁而得到发展，许多基准都是因环境的要求而制定。
打开来看，根据暴露出来的围岩状态，采取对策，是隧道施工的基本原则。这里所谓“动态”是指：隧道施工过程中的地质条件是不断变化的；其力学动态也是不断变化的，因此，施工过程就不可能是一成不变的。我们在施工过程中采用的各种施工方法和技术都是为了适应这种“动态”变化的。因此，隧道施工的各种决策都要在施工阶段的地质技术、施工阶段的量测技术和施工阶段的质量控制技术的基础上进行管理。这也就是动态施工的基本含义。
归根结底，一句话，就是必须不断地提高隧道施工的工厂化技术和施工管理的水平。
本施工要点集，就是根据以上几方面存在的问题、施工的基本原则和作者的经验，分析存在问题的原因和提出解决问题的方法和途径，供现场技术人员参考。
第二部分 了解、认识围岩，大力提高施工阶段地质判释技术的水平
作为隧道施工人员，我们是天天与各种地质现象打交道的。隧道施工，严格地说，就是“与山斗”、“与水斗”、“与地质斗”。因此，了解山与水，认识地质，就成为隧道技术人员的“基本功”。在施工过程中，不可能完全依靠地质人员，来解决地质问题，要把解决问题的“主动权”控制在自己手中。因此，大力提高施工人员的地质素质是极为重要的。前面我们提到，爱护围岩、保护围岩是隧道施工的最重要的原则，而其前提是要充分认识和了解围岩。因此，如何认识和了解围岩，也就成为施工技术人员的重要而迫切的义务。
我们的工程技术人员，由于学校教育的局限性和现场管理的不同，最感到欠缺的是地质知识和经验。而隧道和地下工程又正是天天与地质环境打交道的工程。因此，对工程技术人员来说，必须加强这方面的锻炼，在实际工作中，不断地积累和获取这方面的知识，不断地提高对各种地质现象的判释水平。因此，下面扼要地说明与我们关系密切的几个与地质，也与施工有关的地质问题。
施工要点1·施工阶段围岩级别的评定
在施工中，因围岩级别的变动而变更设计（支护结构参数、施工方法等）的情况是屡见不鲜的。有的隧道，在施工过程中，变更设计达原设计的20%~50%，不仅延误了工期，也提高了施工成本，同时给工程质量也造成一定的影响。造成这种现象的原因是多方面的，但主要是施工前的地质工作不到位、缺乏有效的围岩级别判定的方法，而更为重要的是：我们对施工中的地质工作缺乏足够地认识，也缺乏有效的判释方法和手段。
由于隧道的特性，在最近几年，各国都非常重视施工阶段的地质工作。因为大家认识到：只有开挖暴露出来的地质状态，才能使我们比较客观的、可靠的了解在施工过程中出现的一些现象和问题。才能使我们采取最符合地质状态的施工和支护措施。但如何根据暴露出来的地质状态，来评价围岩的动态，又成为施工中的关键。
在隧道施工中，根据施工前阶段的调查进行的设计，都是属于预设计的性质。其正确性、与实际的符合程度，都有待施工中的检验。因此，在施工过程中，要进行地质调查、掌子面观察及量测、对暴露的围岩进行评价，并将其结果有效地利用于下述目的。
1）确认和修正围岩级别并迅速而合理地反映到施工和施工中；
2）确认施工中隧道结构物的稳定性，同时，确保施工的经济性；
3）积累资料，作为类似条件下隧道施工的的参考。
这就是施工地质的任务和要求。
目前关键的问题是：如何根据施工中的调查、观察及量测等对围岩进行评价？、采用什么样的方法？、根据什么样的准则来进行评价。
施工阶段围岩级别的评定方法，目前主要２类，一类是根据开挖暴露出来的掌子面观察的方法，一类是根据量测的方法。
１）掌子面观察的方法
目前，国内外在隧道及地下工程施工中进行围岩评价，主要是根据掌子面的观察来进行的。这是比较简便而现实的方法。量测方法也是判定围岩状态的好方法，但量测结果的处理要很长的时间，因而当地质条件变化激烈时很难适应。此外量测也需要投入大量的仪器，对施工作业有一定的干扰。地质超前预报的方法是在必要时采取的方法，没有普遍性。因此，利用掌子面观察的方法，就成为进行围岩评价的主要方法。作为工程技术人员应该掌握这种方法的实质和内涵。
洞内观察是为掌握地质状况，确认支护效果及决定支护参数等而实施的。掌子面观察是当新的掌子面出现后首先进行的观察。要绘制掌子面观察（素描）图，进行摄影等。在施工中应充分地利用观察到的资料，及时判释，来完善支护体系和施工方案。这种观察主要是通过目视，也可以采用摄影的方法观察掌子面的地质状态和地质的变化状况。
观察中应具体地记录以下各项并描绘掌子面地质素描图。
·地质状况及其分布、性质和掌子面自稳性；
·围岩的软硬、裂隙间距及方向等围岩状态；
·断层的分布、走向、粘土化程度等；
·涌水地点、涌水量及其状态；
·软弱层的分布；
·其他。
应该说，工程技术人员，通过掌子面地质观察技术的积累，会不断地丰富自身的地质知识和经验，从而提高自身的地质工作的素质。
在掌子面观察的方法中，一个关键的问题，就是对观察到的地质素材进行分类和分级。例如表1是铁路隧道施工阶段的掌子面观察记录表。
表1 掌子面地质观察记录表
| 工程名称 | 位置 | 里 程 | 评 定 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 距洞口距离(m) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 岩 性 指 标 | 岩石类型(名称) | 粘结力c= MPa； φ= | 硬 岩 中硬岩 软 岩 极软岩 土 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 单轴抗压极限强度Rb＝ MPa | 点荷载强度是＝ MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 变形模量E＝ Gpa | 泊松比= | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 天然重度γ＝ kN／m3 | 其他 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 岩 体 完 整 状 态 | 地质构造影响程度 | 轻 微 | 较 重 | 严 重 | 很严重 | 完 整 较完整 较破碎 破 碎 松 散 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 间距(m) | >1.5 | 0.6~1.5 | 0.2~0.6 | 0.06~0.2 | <0.06 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 地 质 结 构 面 | 延伸性 | 极差 | 差 | 中等 | 好 | 极好 | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 粗糙度 | 明显、 台阶状 | 粗糙、 波纹状 | 平整光滑 | 平整光滑、 有擦痕 | |||||||||||||||||||||||||||||||||
| 张开性(mm) | 密闭 <0.1 | 部分张开 0.1~0.5 | 张开 0.5～1.0 | 无充填张开>1.0 | 粘土充填 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 风化程度 | 未风化 | 微风化 | 弱风化 | 强风化 | 剧风化 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 简要说明 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
地下水 | 渗水量 (L／min·10m) | <10 干燥或湿润 | 10～25 偶有渗水 | 25—125 经常渗水 | 干燥或湿润 偶有渗水 经常渗水 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
| 初始 应力状态 | 埋深H＝ m | 极高地应力 高地应力 一般地应力 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 地质构造应力状态 | 其他 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 围岩级 | Ⅵ | V | Ⅳ | Ⅲ | Ⅱ | I | |||||||||||||||||||||||||||||||
| 备 注 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 记录者 | 复核者 | 日期 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
表2是日本一般使用的掌子面观察的记录格式。还有表3等，可资参考。掌子面观察，原则上每天记录一次。基于洞内的观察记录，利用其平面和纵断面，立体地表现掌子面的变化。
表2掌子面观察记录例
| 埋深 | 综合评价 | |||||||
| 岩种 | A、b、c、d、e | 岩石名称 形成地质年代 | Tb | |||||
| 特殊条件 | 膨压、偏压、浅埋、接近重要结构物、其他等 | |||||||
| 掌子面围岩状态和动态 | ||||||||
| A | 掌子面状态 | 1·稳定 | 2·正面掉块 | 3·正面挤出 | 4·正面不能自稳 | 5·其他 | ||
| B | 毛开挖面的状态 | 1·自稳 | 2·随时间松弛，有掉块 | 3·自稳困难、要及时支护 | 4·要超前支护 | 5· | ||
| C | 抗压强度Mpa | 1·>1000 | 2·1000－200 | 3·200－50 | 4·<50 | 5· | ||
| D | 风化变质 | 1·无 | 2·沿裂隙风化、强度稍降低 | 3·整体风化、强度相当低 | 4·土砂状、粘土状、破碎 | 5· | ||
| E | 裂隙间距（m） | 1·>1·0 | 2·1·0－0·2 | 3·0·2－0·05 | 4·<0·05 | 5· | ||
| F | 裂隙状态 | 1·密集 | 2·部分张开 | 3·开口 | 4·夹有粘土 | 5· | ||
| G | 裂隙形态 | 1·随机、方形 | 2·柱状 | 3·层状、片状 | 4·土砂状、细片状 | 5· | ||
| H | 涌水 | 1·无、渗水程度 | 2·涌水程度 | 3·集中涌水 | 4·全面涌水 | 5· | ||
| I | 水的影响 | 1·无 | 2·产生松弛 | 3·软化 | 4·崩塌、流出 | 5· | ||
| 开挖地点的围岩状态 | |||||||
| A | 掌子面状态 | 1·自稳 | 2·有掉块 | 3·必需留核心 | 4·需采取大规模措施 | ||
| B | 岩石 强度 | 拱脚附近 | 1·锤击反弹、强烈锤击，沿裂隙裂开 | 2·锤击易裂开、呈小片、薄片状 | 3·锤击易崩，呈岩片状 | 4·不能锤击、用指甲也会崩成岩片 | 5·土砂状 |
| 掌子面正面 | 同上 | 同上 | 同上 | 同上 | 同上 | ||
| C | 风化变质 | 1·未风化、新鲜、坚硬 | 2·沿裂隙风化 | 3·整体风化 | 4·部分或整体土砂化 | ||
| D | 裂隙间距（cm） | 1·>100 | 2·100－50 | 3·50－20 | 4·20－5 | 5· | |
| E | 裂隙形态 | 1·几乎无裂隙 | 2·随机的 | 3·有方向性（层状、片状等） | 4·土砂状、细片状 | ||
| F | 裂隙状态 | 1·密闭 | 2·部分张开 | 3·全部张开 | 4·开口处有油迹 | 5·夹有大规模粘土 | |
| G | 涌水 | 1·无 | 2·渗出 | 3·整体湿润 | 4·涌出或喷出 | 5·特别大 | |
在掌子面观察方法中，第2个问题，就是如何根据观察到的素材，对观察素材进行评价。在实际工作中，形成了各种各样的观察评价方法。图1表示各种观察评价方法的分类。表5是各种评价法的概要。
定性方法 评点法 单纯平均法
评 加权平均法
价 Q值法
方 RMR法
法 RSR法
定量方法 多变量分析法 数量化理论1类方法
数量化理论2类方法
图1 掌子面评价方法的分类
表5 掌子面观察评价方法的概要
| 方法名称 | 方法内容 | 备注 | ||
| 定性评价 | 定性评价 | 定性评价 | 以岩种、弹性波速度为基本条件，加上掌子面的观察项目（地质状态、裂隙间距、掌子面自稳性及净空位移等）进行定性评价的方法，是最一般的方法。但评定基准不明确，主观影响较大。 | 是一般的评价方法，要求评价具有客观性。 |
| 定 量 的 评 价 | 评点法 | 单纯平均法 | 给出掌子面观察项目的点数，综合评价围岩的方法。方法比较简便。 | 方法单纯，易于实施，可作为评定的参考。 |
| 加全平均法 | 不是单纯的平均，而是给出个项目的权值，进行掌子面的评价。问题是权值的给定，需积累一定的数据。 | 把地质特性标准化后，可使评价方法更为有效。 | ||
| Q值法 | 根据RQD、节理组数、节理粗糙度、节理变质程度、水的影响及应力影响等指标进行评定的方法。 | 主要应用于硬岩。评价需一些特有的参数，比较困难。 | ||
| RMR法 | 根据单轴抗压强度、RQD、裂隙间距、裂隙状态、地下水、节理方向等评价围岩的方法。与Q值法同为国际上通用的方法。 | 以中硬岩为对象，比Q值法简便。 | ||
| RSR法 | 评价主要根据一次构造、节理影响及地下水影响等进行。 | 实际应用较少。 | ||
| 多变量分析法 | 数量化理论1类方法 | 根据掌子面观察要素，用数量化理论1类方法求出各项目的系数，进行围岩评价的方法。 | 能够分析掌子面观察项目的相关关系。 | |
| 数量化理论2类方法 | 同上的方法，但采用数量化理论2类方法进行分析。 | 同上。 | ||
1·评点法
1）单纯平均法
这种方法是将掌子面观察结果进行定量的评价，而后与一些量测结果比较，判断支护体系是否合适的方法，是一个极为简便的方法。在定量化时，假定掌子面观察项目的权值是相等的，并假定分级是符合线性关系的，各项目按满点100点进行换算，即：
Ei＝ri / Ri×100
式中：Ei：掌子面观察项目i的换算点
ri ：掌子面观察项目i的判定等级
Ri：掌子面观察项目i的等级
围岩的综合评价按下式决定。
PM＝Ei N
式中：
PM：围岩综合评价点
N：掌子面观察项目总数
以表4的观察结果为例，掌子面状态的观察项目从换算点，因判定为4级中的3，故E＝34×100＝75点。与其他观察项目的换算点合计在一起，以观察项目总数N＝7除之，得：
PM＝（75＋40＋50＋100＋50＋20＋40） 7＝54点
围岩综合评价点数越大，表示围岩越差。此法的问题是，是把定性的情报，机械地加在一起，适用性、精度等都较差，利用时要加以注意。
2）加权平均法
单纯平均法是假定各因素的权值是相等的，实际上，各掌子面观察项目的作用不同，不能等量对待，应赋予不同的权值，这就是加权平均法的基本。因此 ，根据权值计算出综合评价点，是此法的关键。综合评价点以下式表示。
PM＝ （ai*Ei)/ ai
式中：PM：围岩综合评价点
ai：掌子面观察项目i的权值
Ei：掌子面观察项目i的换算点
N：掌子面观察项目总数
例如，权值按表6给定后，加权平均的评价点PM等于：
PM＝(2×3/4+2×3/4+2×3/5+1×3/5+1×4/5+0×3/4+1×2/4+1×4/4)×10/(2+2+2+1+1+0+1+1)=72.5点。
表6观察下面的权值及其应用例
| 与支护模式有关的权值 | 与辅助工法有关的权值 | 掌子面观察项目 | 开挖地点围岩状态 | |||||
| 2 | A掌子面状态 | 正面 | 1·自稳 | 2·自稳，但正面局部掉块 | 3·要留核心 | 4·要采取大规模措施 | ||
| 2 | 3 | 拱顶 | 1·稳定 | 2·稳定，但拱顶局部掉块 | 3·需顶部锚杆 | 4·需采取大规模措施 | ||
| 2 | 1 | B岩石强度 | 1·锤击反弹，强烈锤击，裂隙开裂 | 2·锤击易开裂，裂成小片或薄片 | 3·锤击易崩裂、 | 4·不能锤击，用指甲可崩成岩片 | 5·土砂状 | |
| 1 | 1 | C风化变质 | 1·未风化、新鲜、坚硬 | 2·沿裂隙风化 | 3·整体风化 | 4·部分或整体土砂化 | ||
| 1 | D裂隙间距（cm） | 1·100 | 2·100－50 | 3·50－20 | 4·20－5 | 5·5 | ||
| E裂隙形态 | 1·几乎无裂隙 | 2·随机 | 3·有方向性 | 4·土砂状、细片状 | ||||
| 1 | 1 | F裂隙状态 | 1·密集 | 2·部分张开 | 3·全部张开 | 4·夹有大规模粘土 | ||
| 1 | 1 | G涌水 | 1·无 | 2·渗水 | 3·整体湿润 | 4·喷出 | ||
| 合计10 | 合计10 | |||||||
图4·2·7
比较单纯平均法和加权平均法可以看出：加权平均法比单纯平均法的离散性小，相关度也高。
3）Barton方法
巴顿方法是欧州采用最广泛的一种方法，该方法实质上是根据施工中获得的各种参数进行围岩评价的。在其方法中，采用了6个参数，即：节理组数Jn、节理面粗糙度Jr、节理面变质度Ja、节理内水的影响度Jw、应力降低度SRF及岩石质量指标RQD等6 个要素。这6个参数都是与节理状态有关的，实质上是决定围岩完整状态的参数。此外也考虑了地应力场和水的影响。应该指出的是，要获得与节理有关的各项数据，也只有通过施工阶段的围岩调查和观察，才能达到。
获得6个参数后，根据下式，决定围岩的质量Q：
Q＝RQDJn ·JrJa·JwSRF
式中各项参数可按下表的值采用。
| RQD（％） | 状态 |
| 0～20 25～50 50～70 70～90 90～100 | 极差 差 一般 好 极好 |
RQD可按5％分级取值，如100、95、90％等
| 节理组数 | Jn |
| A块状、无节理或微小节理 | 0·5～1·0 |
| B·1组节理 | 2·0 |
| C·1组节理和不规则节理 | 3·0 |
| D·2组节理 | 4·0 |
| E·2组节理和不规则节理 | 6·0 |
| F·3组节理 | 9·0 |
| G·3组节理和不规则节理 | 12 |
| H·4组节理以上 | 15 |
| J·破碎岩、土砂状 | 20 |
洞门处的情况（2·0×Jn）
| 节理面粗糙度 | Jr | |
| （a）岩层是接触的情况 | A·不连续的节理 | 4·0 |
| B·粗糙的或不规则的、波纹状的 | 3·0 | |
| C·平滑、波纹状 | 2·0 | |
| D·滑面、波纹状 | 1·5 | |
| E·粗糙或不规则、平坦 | 1·5 | |
| F·平滑、平坦 | 1·0 | |
| （b）10cm剪切位移时接触的情况 | 0·5 | |
| 注：如节理的平均间距大于
| 3·0m以上时，加1·0 | |
| （c）岩层不接触的情况 | H·岩层完全不接触，有厚的粘土夹层 | 1·0 |
| J·岩层完全不接触，有厚的砂状、砂砾状或破碎状夹层 | 1·0 |
| 节理面 | 变质度 | Ja |
| (a)岩层面接触的情况 | A·十分坚硬、强度大、无软化、不透水性物质，如石英等 | 0·75 |
| B·只有表面污染、性质不变的节理面 | 1·0 25－35 | |
| C·稍变质的节理面、无软质矿物覆盖，有些砂状物质等 | 2·0 25－30 | |
| D·有砂质粘土覆盖、粘土的小破片 | 3·0 20－25 | |
| E·为软质或低摩檫系数的粘土矿物覆盖、如云母等 | 4·0 8－16 | |
| (b)10cm剪切位移时接触的情况 | F·分解为砂状物质、游离粘土的岩石 | 4·0 25－30 |
| G·为固结充分，无软化的粘土矿物充填（连续的，厚度在5以下） | 6·0 16－24 | |
| H·为中～弱固结、软质、粘土矿物充填 | 8·0 12－16 | |
| J·为膨胀性粘土充填 | 8·0～12·0 6－12 | |
| (c)岩层面不接触的情况 | K·K.·L·分解的或破碎的岩石夹层 | 6·0～12·0 6－12 |
| N·粉砂状或砂质粘土夹层 | 5·0 | |
| O·P·R连续的厚的粘土夹层 | 10·0～20·0 6－12 |
| 节理内水的状态 | 水压 （kg/cm） Jw |
| A·无水开挖或微小涌水，如小于5以下 | 小于1·0 1·0 |
| B·有可使节理充填物冲出的中量涌水或水压 | 1－1·25 0·66 |
| C·涌水大，但节理无充填物，强度充分 | 2·5－10 0·5 |
| D·有冲出节理充填物的大量涌水或水压 | 2·5－10 0·33 |
| E·爆破时发生大量涌水或水压（例外） | 大于10 0·2～0·1 |
| F·岩层显著劣化，大量涌水不间断或水压 | 大于10 0·1～0·05 |
| 应力状态系数 | c 1 t 1 SRF | |
| (a)隧道与软弱层交叉，并引发松弛的情况 | A·有含有粘土或化学分解的软弱层，周边围岩极度松弛 | 10 |
| B·有单一粘土软弱层或化学分解的软弱层（开挖深度50m以下） | 5·0 | |
| C·有单一粘土软弱层或化学分解软弱层（开挖深度50m以上） | 2·5 | |
| D·在有充分强度的围岩中有一些破碎带、周边围岩松弛 | 7·5 | |
| E·在有充分强度的围岩中有单一的破碎带（开挖深度50m以下） | 5·0 | |
| F·在有充分强度的围岩中有单一的破碎带（开挖深度50m以上） | 2·5 | |
| G·松弛的张开节理、裂隙或成”角砂糖“状 | 5·0 | |
| (b)围岩强度充分，但有地应力问题的情况 | H·低地应力、地表附近 | 200 0·01 2·5 |
| J·中等地应力、 | 200－10 0·01－0·3 1·0 | |
| K·高地应力 | 10－5 0·3－0·4 0·5～2 | |
| L·微弱的岩爆 | 5－3 0·5－0·6 5 5～50 | |
| M·强烈岩爆 | 3－2 0·65－1 50－200 | |
| N·强烈岩爆、急剧大变形 | 2 1 200－400 | |
| (c)高地应力、劣挤出和塑性流动的情况 | Q·缓慢挤出 | 1－5 5－10 |
| P·急剧挤出 | 5 10－20 | |
| (d)膨胀性围岩 | R·缓慢吸水膨胀 | 5－10 |
| S·急剧吸水膨胀 | 10－15 |
| Q值 | 评价 |
| 100－1000 | 极好 |
| 10－100 | 好 |
| 1－10 | 一般 |
| 0·1－1 | 差 |
| 0·01－0·1 | 极差 |
| 0·001－0·01 | 特差 |
结构物的安全系数根据结构物的用途，大致按下表采取。
| 开挖空洞的类型 | ESR | |
| A | 临时矿山坑道 | 2－5 |
| B | 矿山永久坑道、水工隧洞、导坑、等 | 1·6－2·0 |
| C | 贮备用地下空洞、水处理场、地方道路和支线的隧道 | 1·2－1·3 |
| D | 地下发电站、主要道路和铁道的隧道、隧道洞口及隧道交叉部 | 0·9－1·1 |
| E | 地下原子能发电站、地下车站、体育场等公共地下设施、地下工厂等 | 0·5－0·8 |
这也是一种评点法。如表3·2·7所示，按各项目赋予点数，而后进行评价。简便的评价采用了5个要素，而后按节理方向加以修正。
表3·2·7 RMR法的分级
A·评价点数及分级
| 1 | 新鲜岩石强度 | 点荷载强度（MPa） | 10 | 4~10 | 2~4 | 1~2 | 采用单轴抗压强度 | ||
| 单轴抗压强度（MPa） | 250 | 100~250 | 50~100 | 25~50 | 5~25 | 1~5 | 1 | ||
| 点数 | 15 | 12 | 7 | 4 | 2 | 1 | 0 | ||
| 2 | RQD(%) | 90`100 | 75~90 | 50~75 | 25~50 | 25 | 25 | 25 | |
| 点数 | 20 | 17 | 13 | 8 | 3 | 3 | 3 | ||
| 3 | 节理间距（m） | 2 | 0.6~2 | 0.2~0.6 | 0.06~0.2 | 0.06 | 0.06 | 0.06 | |
| 点数 | 30 | 25 | 20 | 10 | 0 | 0 | 0 | ||
| 4 | 节理状况 | 表面非常粗糙 不连续 不分离 坚硬、未风化 | 表面稍粗糙 张开1mm以下 坚硬、稍风化 | 表面稍粗糙 张开1mm以下 坚硬，强风化 | 表面覆盖厚5以下的粘土或张开5mm、连续 | 厚5以上的断层粘或..张开5mm以上 连续 | 同前 | 同前 | |
| 点数 | 30 | 25 | 20 | 10 | 0 | 0 | 0 | ||
| 5 | 隧道涌水量（10l/min） | 无 | 10 | 10－25 | 25－125 | 125 | 125 | 125 | |
| 节理内最大主水压应力 | 0 | 0.0~0.1 | 0.1~0.2 | 0.2~0.5 | 0.5 | 0.5 | 0.5 | ||
| 一般情况 | 完全干噪 | 稍湿润 | 潮湿 | 滴水 | 流水 | 流水 | 流水 | ||
| 点数 | 15 | 10 | 7 | 4 | 0 | 0 | 0 | ||
| 节理走向、 | 倾角 | 非常有利 | 有利 | 一般 | 不利 | 非常不利 |
| 点数 | 隧道 | 0 | －2 | －5 | －10 | －12 |
| 基础 | 0 | －2 | －7 | －15 | －25 | |
| 坡面 | 0 | －5 | －25 | －50 | －60 |
| 隧道 | 轴垂直 | 走向 | 隧道轴平行 | 走向 | 与走向无关 | |
| 向倾角方向 | 掘进 | 与倾角反向 | 掘进 | |||
| 倾角45－90 | 倾角20－45 | 倾角45－90 | 倾角25－45 | 倾角45－9－ | 倾角25－45 | |
| 非常有利 | 有利 | 一般 | 不利 | 非常不利 | 一般 | 有利 |
| 点数 | 100－81 | 80－61 | 60－41 | 40－21 | 20 |
| 围岩级别 | |||||
| 注 | 极好围岩 | 良好围岩 | 一般围岩 | 差的围岩 | 极差围岩 |
| 围岩级别 | |||||
| 评价自稳时间 | 15m跨度－10年 | 8m跨度－6个月 | 5m跨度－1周 | 2·5m－10小时 | 1m跨度－30分 |
| 围岩凝聚力（kPa） | 400 | 300－400 | 200－300 | 100－200 | 100 |
| 围岩内摩檫角（。） | 45 | 35－45 | 25－35 | 15－25 | 15 |
（2）根据量测位移评价的方法
除上述方法外日本根据大量的量测位移的统计资料，建立了一个利用位移和掌子面观察因素，进行施工阶段围岩分级的尝试。下表就是其分级基准。
表 日本施工阶段围岩分级基准（草案）
| 级别 | 最大位移值 max（cm） | A | B | I | 其他 | 洞内的围岩状态 |
| 单线 2·5 双线、新干线 5·0 | 1 | 1 | 1 | 几乎无裂隙，有时，也是闭合的，不会有掉块 | ||
| 1 | 1 | 1 | F＝2 | 有裂隙，张开的夹有粘土，可能局部掉块，有涌水时会局部掉块 | ||
| 1 | 1 | 2 | ||||
| 1 | 2 | 1 | （1）裂隙发育，张开，随时间而松弛，掉块，掌子面稳定 （2）岩质软时，裂隙少而且密闭，碎时间而松弛，掌子面稳定 | |||
| 1 | 2 | 2·3 | （1）裂隙较密集，开挖后要及时支护 （2）软质岩，随时间而松弛，壁面小许挤出 （3）掌子面大时，稳定性稍恶化 | |||
| 1 | 3 | 4 | ||||
| 2 | 3 | 4 | （1）岩片虽坚硬，但呈细片状，与粘土等混杂，风化，脆弱 | |||
| 单线 7·5~2·5 双线、新干线 15·0~5·0 | 4 | 4 | 4 | （2）虽均质，但软弱，周边挤入，松弛，需保留核心 | ||
| 土砂 | 1·2 | 4 | 虽有少许涌水，如保留核心，掌子面是稳定的，开挖前需用锚杆、钢支撑等先行支护，开挖后立即支护，使围岩稳定 | |||
| 特殊 | 单线 7·5 双线、新干线 15·0 | 4 | 4 | 4 | 一开始看不到张开的裂隙，但碎时间会分类显著，大量挤入、剥离。掌子面也同样 伴有涌水、围岩流动、挤入、完全不能期待掌子面自稳 |
4表示1、2、3、4中的任一项。
开挖地点的围岩状态和动态的划分
| A | 掌子面状态 | 1·稳定 | 2·掌子面掉块 | 3·掌子面挤入 | 4·掌子面不能自稳、崩塌、流入 |
| B | 毛洞状态 | 1·稳定（不要支护） | 2·经过一定时间后掉块（及时支护） | 3·自稳困难、开挖后要及时支护（超前支护） | 4·开挖前要先加固围岩 |
| C | 抗压强度（） | 1·1000 | 2·1000～200 | 3·200～50 | 4·50 |
| D | 风化、变质 | 1·无、健全 | 2·沿裂隙变色、强度稍降低 | 3·整体变色、强度大大降低 | 4·破碎成土砂状、粘土状 |
| E | 裂隙间距（） | 1·1·0 | 2·0·2－1·0 | 3·0·05～0·20 | 4·0·05 |
| F | 裂隙整体 | 1·密闭 | 2·部分张开 | 3·张开 | 4·夹有粘土 |
| G | 裂隙形态 | 1·规则、方形 | 2·柱状 | 3·层状、片状、板状 | 4·土砂状、细片状 |
| H | 涌水 | 1·无、渗水 | 2·滴水 | 3·集中涌水 | 4·全面涌水 |
| I | 水的影响 | 1·无 | 2·产生松弛 | 3·软化 | 4·崩塌、流失 |
围岩的完整状态在多数情况下是通过对掌子面的地质观察来确定的。因此,施工阶段围岩类别判定的重点是从掌子面观察中获取的信息, 来评定围岩的完整状态属于何种类型。因为施工阶段的围岩已经暴露,所以,评定指标与设计阶段是不同的。例如在喷锚构筑法技术规则中,施工前和施工中对围岩完整状态的评定基准指标列于表1。
表1 围岩完整性评定基准指标
| 施工前 | 施工中 |
| 地质构造影响程度 节理裂隙发育程度 围岩结构类型 风化发育程度 | 地质构造影响程度 地 间 距 质 延伸性 结 粗糙度 构 张开性 面 其 它 风化发育程度 |
表2 岩体完整性程度的划分
| 名 称 | 结构面发育程度数 平均间距(m) | 主要结构面的结合程度 | 相应结构类型 | 与围岩完整性系数的对应关系 | |
| 完整 | 1~2 >1.0 | 结合好 | 整体状或巨厚层状结构 | >0.75 | |
| 较完整 | 2~3 1.0~0.4 | 结合好 | 块状或厚层状结构 | 0.75~0.55 | |
| 较破碎 | >3 0.4~0.2 | 结合好 | 镶嵌破碎状结构 | 0.55~0.35 | |
| 结合一般 | 中薄层状结构 | ||||
| 破碎 | >3 >0.2 | 结合差 | 裂隙块状结构 | 0.35~0.15 | |
| 松散 | <0.2 | 破碎结构 | |||
| 结合很差 | 散体状结构 | <0.15 | |||
日本在一些隧道施工中围岩评定中采用的基本指标见表3[3]。
表3 掌子面观察围岩状态的指标
| 围岩构造 | 大~中块状 | 易破碎 | 小块状 | 断裂带 | 断层带 | |
| 裂隙状况及间距 | 状况 横向 垂直 纵向 | 不发育 >100 >100 >100 | 厚中层，裂隙发育 100～50 100～50 100～50 | 薄层，裂隙发育 50～20 50～20 50～20 | 破碎带 20～5 20～5 20～5 | 断层带 <5 <5 <5 |
| 张开性 | 密闭 | 稍变质 | 部分变质或张开 | 张开变质 | 严重变质 | |
| 风化发育程度 | 健全 | 稍风化 | 微风化 | 全风化 | 膨胀粘土全风化 | |
围岩完整性等级分级基准 表
基 准
| 因 子 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| ROD % | >90 | 75~90 | 50~75 | 25~50 | <25 |
| 裂隙系数 | >0.75 | 0.5~0.75 | 0.35~0.50 | 0.20~0.35 | <0.2 |
| 体裂隙系数 | <3 | 3~7.5 | 7.5~22.5 | 22.5~75 | >75 |
由此可见,在施工阶段可采用多种指标进行围岩完整性的评价指标，其中有的是定量的，有的是定性的。因此评价围岩完整程度时，能定量的就采用定量的指标,不能定量的就采用属性指标。这是符合工程实际的。从围岩完整程度的分级看，多数是将围岩完整程度分为5级。即：完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎5级。施工分级主要采用表1所列的综合指标进行判定。即：地质构造影响程度、结构面发育程度和风化程度3个定性因素进行判定。同时亦可根据施工中可能获得的定量指标，如表中所列的裂隙系数、体裂隙系数或弹性波速度等，进行完整程度的判定。
利用掌子面观察的评价方法是很多的，而且在实际工作中，都得到了一定的应用。但从整体上看，掌子面观察方法仍然是一种经验的解决方法。其可操作性、实用性、适应性都很强，因此，获得了各国的厚爱。采用掌子面观察方法应该注意以下几个问题，
1）要进行综合的评价
在评价时，不仅要根据掌子面暴露处理的地质状态进行评价，还要结合，施工前的地质素材和施工中围岩的动态等，特别是量测数据，进行综合评价是极为重要的。
2）要与地质变化相对应
根据施工阶段掌子面观察和量测结果进行评价，选择支护结构时，常常是迟后于地质条件的变化，因此掌握地质变化的大致规律是很重要的。众所周知,施工前的围岩分级主要是根据勘测阶段的地质素材进行的。由于受地质勘测手段的,常常不能获得充分可靠的判定围岩类别的数据,这是正常的。因此,施工后修改围岩类别的情况,是屡见不鲜的。而施工阶段,由于开挖,围岩暴露,有可能根据暴露的围岩状况,直接地对围岩的性态和动态进行判定。并以此来修正设计和施工的方案,因此,各国都加强了隧道的施工地质工作, 并提出了许多围岩分级的评定建议。
3）掌握围岩的特性
评价时要充分考虑围岩的特性，例如，位移值是因围岩级别、岩种、等而有所不同；在裂隙发育的围岩中，隧道的稳定性是受裂隙的发育程度控制的；涌水会使围岩软化等。 其次,围岩类别的判定在多数情况下是通过定性描述的指标进行的,如: 地质构造影响严重与否,裂隙发育如何,围岩是否稳定等等,也就是说,是通过一些属性指标来判定的。这就避免不了判定上的人为因素的影响。如何避免人为因素的影响, 或是提高判定数据的可靠性,而又考虑目前采用的属性指标的实际情况,一些与属性指标量化有关的数学方法,如模糊聚类分析,数量化理论等,被引进到分级中来。这也是围岩分级评定方法的重要发展。本文就是采用数量 化理论进行施工阶段围岩类别判定的一个尝试。
4）判断基准的修正
为使掌子面观察的评价更合理，在根据已经获得的数据和基准进行评价时，应不断地修正判断基准，并将其反映到未施工的地段中，这也是很重要的。
5）由于地质勘查技术的发展，目前已有可能通过掌子面摄影的方法对围岩进行评价。这完全可以消除人为观察的失误。利用掌子面的照片的画象处理技术，获得掌子面的地质信息，从而为 围岩分级提供可靠的信息。同时此一信息还可为支护结构的选择提 供依据。因此，建立掌子面摄影－画象处理－确定围岩级别的一体化手段应是我们今后研究的主要课题。
施工要点２ 数码相机摄影及画象处理方法在掌子面地质判释中的应用。
１·概述
目前一些国家在隧道及地下工程中，采用数码相机摄取有关掌子面及隧道断面的有关数据，如地质数据、变形数据，就可以比较方便、可靠地推定围岩的级别、进行3维的地质分析以及进行隧道净空变形的观测等。这是一项具有高科技含量的和发展前景的技术－信息技术在地下工程中的具体应用。该方法设备简单，仅仅需要数台较高分辨率的数码相机及相应的附属配件。例如，在隧道围岩分级中，重点是如何在施工阶段的掌子面上获取分级所需的基本要素（地质要素）， 因此，如何可靠地、快速地、客观地取得掌子面地质数据是至关重要的。目前在多数情况下是通过地质技术人员，根据既定的记录格式，进行实录填写。如填写人员无实际经验，往往造成填写漏项或失误，而导致围岩分级的判断不正确或失误。 日本从90年代开始，就采用地质画象处理技术对掌子面的地质条件进行画象处理，提炼出与围岩分级有关的参数，对围岩分级进行修正。此方法不仅适用于围岩分级的修正，也可用来进行掌子面前方的地质预测，以及对衬砌开裂的观察、隧道断面形状、变形的测试等等。如日本京都大学，提出的用数码相机进行隧道净空位移量测的研究成果，其精度达到1mm，满足了隧道净空位移量测的要求。此外，采用数码相机进行衬砌及支护表面开裂的观察，推定衬砌及支护的受力状态，也取得了一定的成果。由此可见，数码相机画像处理方法在隧道中的应用，是有重要影响和工程意义的。
２·地质素描及掌子面前方地质预测
画象系统是由画象测定、画象处理及地质解析3部分（图1）构成的。利用数码相机和画象处理技术，把画象中丰富的数据、素材提炼出来，进行有关问题的解决。
第1部分：画象摄影系统
掌子面·周边原画象
第2部分：画象处理系统
原画象处理
分割画象处理
画象处理
不连续面情报
岩类·岩级情报
第3部分：地质解析系统
地质解析
不连续面同定
优先度判定
岩类·岩级划分判定
掌子面前方地质预测
图1 掌子面画象系统
此技术可利用掌子面超前钻孔或超前导坑坑壁的画象情报，或利用主洞和衬砌的画象处理情报，用计算机数码处理等方法进行（图2）。
采用的主要仪器概况列于表1。
表1 主要仪器一览表
| 画像量测 | 小直径岩孔画像量测装置 | 超小型CCD相机、IK-M32、30万画素、水平解像度360TV线以上、垂直解像度350TV线以上 |
| 导坑画像量测装置 | TMC-574S、有效画素570（水平）·485（垂直）、水平解像度320TV线以上、垂直解像度310TV线以上、球面镜 | |
| 掌子面画像量测装置 | TMC-574S、有效画素570（水平）·485（垂直）、水平解像度320TV线以上、垂直解像度310TV线以上、记录仪 | |
| 画像处理 | 画像收录及展开处理 | BIPS-C25、16bit CPU、彩色RGB、8bit、分解能256像素、记录媒体MT及VTR |
| 通用画像处理装置 | 彩色RGP 8bit、分解能512像素·480像素、 | |
| 画像解析处理装置 | YHP318、32bit、主存储容量 4MB、3.5英寸磁盘、20MB MT | |
| 画像输入输出处理装置 | 激光复印机 解像度400dpi、彩色RGP | |
| 地质解析 | 解析用计算机 | PC-H98 CPU 486SX 主存储容量 5MB |
小直径岩孔画像量测是采用凿岩机向掌子面前方钻孔，将摄影装置插入，观察孔壁的状况。摄影装置的大小是直径25mm、长度460mm，是很小的，岩孔直径是30mm以上。适用深度约在30m以内。
掌子面画像量测是用能够走行、回转的相机摄取带状的分割画像，来掌握掌子面和周边的地质情报而进行的。
导坑画像量测是把小直径岩孔的量测技术扩展到数m直径的坑道，来观察洞壁的状况的。其机器的构成示于图。
图3是 坑道画像量测的机器构成
图3 坑道画像量测仪器构成
（2）画像处理
画像处理系统是经过模拟/数码变换、过滤处理等前处理，变换成展开画像。
基本的画像的展开处理方法如图所示，把CCD的画像信号经过A/D变换存储在原画像用的框架中。在此原画像上从隧道中心以任意的半径R为圆周位置上的化学数据，从始点P顺时针方向回转读出，并把它存储到展开化学用的框架中。
（3）地质解析
根据这些展开化学和分割画像就可以提炼出能够表征解析断层、节理和岩类等所需要的画像数据。
地质解析系统对龟裂的各种统计量（龟裂间距、龟裂密度、单位面积的龟裂的总延长等）、断层、节理的走向倾角、孔壁和围岩的RQD、岩质、风化度等地质变量等用画像解析进行量化评价。
基于这些解析结果，就可以预测掌子面前方的地质构造、断层、节理和开挖面的交差状态，同时也可以根据液压凿岩机的钻孔数据（钻孔深度、钻孔声等）评价围岩的健全度，预测围岩等级。
下面介绍几个得到实际应用的事例，供研究中参考。
（1）隧道掌子面画像处理系统
本系统是由清水、东亚计测等会社于1993年开发的。系统由用于摄影的数码相机、进行化学处理及编制掌子面观察日报和数据库的计算机、保存数据的光盘、输出高质量掌子面观察日报的彩色打印机等构成（图4）。
编制掌子面观察日报，是工作人员用数码相机大掌子面摄影，用工地的计算机把有关掌子面的自稳状况和地质、涌水等情报书写在彩色画像上，并加上日期、距离等情报编制而成。配合隧道开挖形状，从画像上切出必要部分，进行处理。所有的操作都用鼠标进行。包括切出画像的掌子面观察日报保存在数据库中，可自由地检索。数据保存采用大容量的光盘（600MB）。其工作步骤参见图5。
图4硬件配置
本系统的特点是：
·处理非常容易。可以作为现场日常施工管理的手段；
·从摄影到数据库保存都是采用数码数据进行的，情报的追加、修正、保存都可不损伤画质来进行；
·可以提高情报的质和量。能够客观地理解地质状况，消除人为的误差；
·编制效率高、省力、省时，大幅度地缩短作业时间；
·地质情报可以数据库化，可以用掌子面观察日报的记载项目，表示隧道纵向地质展开的变化（图6）及各种表示功能（图7）。
图7 各种表示功能
（2）掌子面观察系统
这是日本佐藤工业会社开发的。本系统以掌子面观察围岩的评价方法系统化为目的，有效率地、合理地进行掌子面的围岩情报的收集、记录、分析、评价而开发的。目前可编制掌子面观察记录和绘制地质纵断面图及掌子面地质展开图。本系统是在Windows95上运作，用Visnal Basic编制的掌子面编制系统和利用数据库系统 Microsoft Access的日报管理系统构成的。
图6地质状况变化的图形表示
掌子面编制系统有以下功能：
·编制掌子面素描图；
·编制掌子面地质展开图及地质纵断面图；
·编制隧道纵断面。
日报管理系统有以下功能：
·编制掌子面观察记录；
·输出掌子面观察记录。
系统按以下流程实施：
·进行掌子面状况的观察急掌子面摄影；
·用画像存储把掌子面照片村在计算机上；
·在计算机上进行画像处理，描出掌子面素描图；
·在掌子面素描图上，设定展开图和纵断面图的目前位置的掌子面和前面文章掌子面的联系；
·输入掌子面观察结果；
·把掌子面素描图和掌子面照片与掌子面观察记录连接在一起，输出结果。
作为输出结果例，图8为掌子面观察记录的输出例
图8 掌子面记录簿
施工要点３·高地应力问题
目前，在隧道的设计施工中，常常谈到所谓的“高地应力”问题。因为它与围岩岩爆、围岩大变形息息相关。但什么是高地应力？、如何评价高地应力？、在什么条件下才发生高地应力？、有高地应力的场合，采取什么设计和施工措施？等等，还有许多不明确的地方。因此作为工程技术人员了解和认识高地应力是很必要的。
围岩初始应力或称为地应力是在自然状态下存在于围岩内部的应力，是客观存在的物理量。坑道开挖后的应力分布，与其有直接的关系。它的量值受到许多因素的影响，如埋深、地质构造运动、地形地貌等，是不确定的。
通常围岩的初始地应力是由自重应力和构造应力构成的。一般说自重应力与埋深有关。垂直应力是随埋深的增加而呈直线增加的。即埋深越大，垂直应力也越大，如下式。
σy=γ×H
式中：
γ：围岩单位重量
σy：围岩垂直应力，也常常是围岩中的最大地应力。
但构造应力会改变自重应力的初始状态，围岩中的最大地应力可能不是垂直方向的，而是水平方向的。因此，在谈围岩内部的最大地应力，常常用σmax表示。
高地应力是一个相对的概念，它是相对于围岩强度（Rb）而言的。也就是说，当围岩内部的最大地应力（σy、σmax。）与围岩强度（Rb）的比值（Rb/σmax。）达到某一水平时，才能称为高地应力或极高地应力。即：
围岩强度比=Rb/σmax
目前在地下工程的设计施工中，都把围岩强度比，作为判断围岩问答性的重要指标，有的还作为围岩分级的重要指标。
从这个概念出发，应该认识到埋深大不一定就出现高地应力问题，而埋深小，但围岩强度很低的场合，也可能出现高地应力的问题，如大变形的出现等。因此，在研究是否出现高或极高地应力问题时必须与围岩强度联系起来进行判定。
例如表1是一些围岩强度比的分级指标。可以参考。因此，一定不要误解，初始地应力大，就是高地应力。因为，有时初始地应力虽然大，但与围岩强度相比却不一定高。而在埋深较浅的情况下，虽然初始地应力不大，但因围岩强度极低，而可能出现大变形等现象。
表1 围岩强度比的分级标准
| 一般地应力 | 高地应力 | 极高地应力 | |
| 法国隧协 | 小于2 | 2~4 | 大于4 |
| 我国工程岩体分级标准 | 小于4 | 4~7 | 大于7 |
| 日本新奥法指南（1996年） | 小于2 | 4~6 | 大于6 |
| 日本仲野分级 | 小于2 | 2~4 | 大于4 |
例如在工程岩体分级标准中就有如下的描述。
表2高初始地应力岩体在开挖中出现的主要现象
| 应力情况 | 主要现象 | Rb/σmax |
| 极高应力 | 1·硬质岩：开挖过程中时有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差，基坑有剥离现象，长形性差 2·软质岩：岩蕊常有饼化现象，开挖工程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易长洞，基坑发生显著隆起或剥离不易成形 | 小于4 |
| 高应力 | 1·硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差，基坑时有剥离现象，成形性一般尚好 2·软质岩：岩蕊时有饼化现象，开挖工程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差，基坑有隆起现象，性较差 | 4~7 |
表 不同围岩强度比开挖中出现的现象（仲野）
| 围岩强度比 | 大于4 | 2~4 | 小于2 |
| 土压特性 | 不产生塑性地压 | 有时产生塑性地压 | 多产生塑性地压 |
对山岭隧道施工和运营后所维修养护有重大影响的因素之一就是隧道涌水。
隧道施工时发生的涌水不仅对作业环境有影响，也会使掌子面不稳定，使喷混凝土和锚杆的施工不良。特别是在有多量、高压涌水的情况下，常常是造成重大事故的原因。在事故中要改变施工方法、增加辅助工法，使工期拖后、工程费增加等。
伴随涌水的问题，整理如表4所示。
表4 隧道开挖中的涌水问题
| 原因或环境 | 直接作用 | 预计的现象和影响 |
| 渗透水 | ·软岩的软化 ·促进破碎带、裂隙剥离 ·粘土的膨胀 ·无凝聚力围岩的流动化 | ·土压增大 ·侧壁崩塌的诱因 ·吸水膨胀、围岩流变 ·围岩崩塌、丧失稳定 |
| 接近涌水带 | ·隔水墙的破坏 | ·掌子面围岩崩塌、流失 ·坑道埋没 |
| 排水设备过小 | ·排水不良 | ·洞内环境不良 ·支护基础承载力降低 |
| 集中涌水 | ·流速大、水深大 | ·掩埋掌子面设备 ·作业危险 ·停止施工 |
| 竖井、斜井 | ·泵排水 | ·洞内积水 |
| 地下水的继续流出 | ·地下水位降低 | ·水源枯竭 ·水位降低 ·海岸部海水侵入 |
在未固结围岩中，如降低水位过度，会出现干燥流沙现象，根据地质条件，考虑其渗透性，在可能的凝聚力的条件下，调整和管理含水比是很重要的。
掌子面有涌水时，涌水易向支护底部集中而防碍作业。同时使底部围岩劣化因局部压密而造成支护下沉，产生支护变异和断面异常等。
侧壁有涌水时，喷混凝土会黏付不良，或不能施工。对一定程度的涌水，可增加速凝剂的添加量，采用金属网等，提高黏付性。因施工后的冲刷，会形成空洞等黏付不良的现象。要十分注意。施工时，将涌水部分地集中，进行排水是很重要的。
周边涌水是造成施工效率大幅度降低的重要原因。一般向隧道坡度低的一侧流动，在逆坡施工时，需要强制排水。在易于泥化的地质条件下，排水坡度就是采用1％也不充分，需配置足够的水泵。对突发的大量涌水，要增加辅助的设备。从竖井或斜井开挖时，要有的排水用电源，并准备好预备电源。
因涌水使路基地层劣化，在进行施工的场合会造成进行效率的降低，重型机械的走行不安全等，这是造成洞内事故的直接、间接的原因。必需对洞内排水给予足够的注意。
空隙水会降低围岩的内摩擦角，危及掌子面的自稳性，而由于渗透水流也会造成细粒充分流失的流动现象。掌子面的崩塌会造成人身事故，也会危及掌子面所稳定。英寸情报掌子面的稳定性是至关重要的。
因涌水的冲刷会在喷混凝土的背后造成空洞，而在以后的水的作用下，空洞会逐渐扩大。此扩大是造成隧道变异和二次衬砌质量降低的重要原因。二次衬砌施工前，要充分调查漏水地点的背后是否有空洞，必要时，应用砂浆充填和设置导水系统、防水板等。
施工后的问题是，因隧道周边水位的分布，在仰拱或路基下的分界处，会形成积水，因此积水 ，的侵蚀有时会形成空洞。有此种可能的情况时。要铺设集水管或研究洞内水沟的高程。
因隧道施工而采用降低水位方法时。会形成周边地层的压密下沉，是造成很大的地表下沉的重要原因。在施工前就要考虑地层的特性，作好施工计划。特别是，有地面结构物时，要研究变更止水方法等问题。
同样地，因地下水位的降低而会造成水收支、水文环境的很大变化，对水利用会造成很大的影响，因此，应施工前进行调查，进行处理。
隧道施工中的排水，混入在开挖土石内，要设置充分的卫生处理装置进行处理。
施工要点4·几个特殊的地质问题
1）未固结围岩
未固结围岩，其范围大致是：新第三纪鲜新世的低固结、未固结的砂岩、泥岩。第四纪洪积世的砂层、粘土层，其他的冲积层，表土、垆姆、火山喷出物、风化岩、岩堆等。
而山岭隧道遇到的未固结围岩，几乎都是洪积世以前的围岩。根据过去的施工事例调查的结果，山岭隧道工法适用未固结围岩的下限的大致标准是：单轴抗压强度为1.0kgf/cm2，变形系数是100kgf/cm2。
未固结围岩的问题，可归纳为以下3点：
（1）围岩强度小、掌子面自稳性差；
（2）围岩强度、刚性低、变形大；
（3）因涌水，掌子面变得不稳定。
第1个问题是未固结围岩所共有的，为此要采取确保掌子面自稳性的对策。
第2个问题，在隧道周边有结构物和埋设物时，要控制围岩的变形使之不对这些结构物产生影响。就是没有结构物时，因这类围岩会产生很大的变形，可能造成掌子面崩塌、不稳定等，因此，尽量控制变形也是很重要的。
第3个问题是在有水的围岩中产生的问题，特别是在砂层，确保掌子面自稳性是很困难的。因涌水，会造成锚杆锚固不良、喷混凝土剥离、支撑下沉等，对施工影响极大。因此，对地下水进行处理是极为重要的。
由此可见，在未固结围岩中，要采用各种辅助工法。在规划隧道时，要根据地质、隧道断面、埋深、环境条件等，采用分部开挖、加强支护规模、环向开挖、早期闭合等基本开挖方法外，并应研究采用何种辅助工法的问题。
2）砂层、砂砾层围岩
砂层、砂砾层围岩缺少凝聚力、从开挖到喷射开始之间，或喷射作业中，都会发生拱顶掉块，造成超挖的情况。或者还没有固结的喷混凝土剥离，造成施工困难的情况。为此，在这种围岩中，要采用防止掉块的超前支护等辅助工法。同时，在这种围岩中，如掌子面长期放置，会反复剥离，而使掌子面不稳定。因此在施工中断时，要采取正面喷混凝土的稳定措施。
在砂层、砂砾层中有地下水时，涌水会造成围岩流失，甚至出现塌陷等事故。在这些隧道中，就是同样的砂层，也有产生流沙和不产生流沙的情况，分析其不同的原因，主要是砂的粒径分布对有无流沙现象有很大的影响。因此，提出表1的判定基准。最近，日本根据津轻海峡隧道的分析，认为：当细粒径含有率f5·4％，均匀系数Uc2·9时，具备了发生流沙的条件。
表 1掌子面的自稳条件
| 分类 | 细粒径含有率（％） | 均匀系数（Uc） |
| 自稳困难 | 10以下 | 5以下 |
| 有条件自稳 | 10～20 | 5以上 |
| 自稳性好 | 20以上 | － |
没有涌水的土砂围岩隧道，的崩塌判断基准列于表2。
表2 没有涌水的土砂围岩的崩塌判断基准
| 分类 | 缺乏自稳性 | 自稳可能 | 备考 |
| 含水比w（％） | 15 30 | 15～30 | 30成田新干线的数据 |
| 细粒径含有率f（％） | 8 | 8 | 与w有相关性 |
| 10％粒径D10(mm) | 0·1 | 0·1 | 与Uc的相关性高 |
| 均匀系数Uc | 2 | 2 |
3）砂层、砂砾层互层围岩
在互层围岩的情况，各砂层的地下水会被粘土层所隔离，靠近掌子面压力水头也不会减少，为此，如图1所示，如开挖不透水层，地下水会喷出，并伴有流沙涌出。所以，在互层围岩时，达到掌子面之前，事前要采取措施排除砂层的地下水。但是，互层围岩与单一的砂层相比，喷射效果差，地下水会残留在不透水层上，如图2所示，可能从边界处涌水，而使砂层流出。这是要注意的。
在未固结围岩的粘土层中，多含有强度低的物质，因此，在开挖时，会因周围应力的增加，使粘土层塑性化，而挤出、变形大，掌子面变得不稳定。在这种围岩中，要需要采取防止变形和加固围岩的对策。
图1 砂层和泥岩的互层中，掌子面的崩塌 图2 边界处因涌水造成的砂层流出
4）风化花岗岩的围岩
处于风化花岗岩中的隧道，与其他岩类的隧道相比，风化深，从洞口有很长一段，不得不开挖脆弱的围岩，特别是，埋深小的时候，整个隧道都可能处于风化砂之中。
风化土的定义是：花岗岩类的岩石（花岗岩、花闪绿岗岩等）的结晶性火成岩及同质的片麻岩等风化而成的残积土以及它们形成的崩积土。一般说，风化土定义范围是很广的，视风化程度，物性有很大不同。风化土的粒度构成的范围是比较广泛的。从几乎没有细粒成分的到细粒成分到30％以上者。细粒少的情况与砂的性质相同。细粒成分多的情况与黏性土的性质相同。此外，残积土类的风化土，有许多空隙存在，故随应力的增加，空隙收缩，结构发生变化，变形有随时间而持续的特点。
花岗岩的风化状态，浅部的强风化部大致成为均匀的土体状，是很软弱的，深部的风化部，是沿裂隙风化的，岩块内部没有风化。风化程度从浅部向深部逐渐变化，但风化的发展，因断层、节理等的裂隙状态、母岩的矿物构成、粒度、组织等而异。就是在同一深度，围岩的软硬、稳定状态也会有很大差异。为此，随掌子面的进展，要特别注意状态的变化。
5）膨胀性围岩
所谓膨胀性围岩就是指能产生膨胀性地压的岩类。而膨胀性地压不管什么原因，是指在因膨胀而使净空断面缩小的地质条件下，作用在衬砌和支护结构上的地压。其一般特征是：随时间，围岩长期的位移或土压增大，能产生使支护结构破损的土压。狭义地说，起因于风化围岩和含有粘土矿物的围岩的体积膨胀以及因围岩塑性变形而引起的都属于此类。而且，膨胀性土压是从现象上来看的一种概念，一般采用在变形比较大的情况，与其他土压有时是很难区别的。
围岩体积膨胀的原因有：1）单纯吸水的物理膨胀；2）化学变化结果的膨胀；3）上覆荷载的塑性变形或4）破坏以及地壳运动时潜在的能量的释放等。
在1、2两种情况中，单独发生膨胀性地压的程度还不很清楚，就是含有膨润性矿物－蒙脱石的软岩，也不一定就发生膨润现象。膨胀性的主因是围岩强度比小，而产生的塑性地压，结局就是膨胀性地压。第3种情况，指围岩强度和初始垂直应力比（围岩强度比）小于2～3以下的岩石（特别是粘土岩），因矿物使隧道周边破碎（塑性化），沿一定厚度的断面吸水膨胀（膨润）而软弱化，形成膨胀性地压。在第4种情况，指过去的膨胀性地质多集中在造山带和摺皱带中，而发生的膨胀性地压。但是，膨胀性地质的岩石强度是很小的，岩石内潜在的应力也不可能很大，因此，因潜在应力释放而引起强大地压的情况是很少的。
根据日本的施工实际，膨胀性地压几乎都发生在埋深200m～300m以下情况，埋深大于500m的隧道只有1、2个例子。在这种情况下发生膨胀性地压的，都是围岩强度小的岩石，如软弱的粘土岩、蛇纹岩、破碎带、强风化岩等、其次是内摩擦角小的岩石。强度小，但内摩擦角大的砂质土和砾石土是很难发生的。
软弱的粘土质岩： 围岩强度小，细粒成分多（内摩擦角小）的软岩易发生膨胀性地压。这些岩石有：第3纪的泥岩、页岩、凝灰岩、火山砾凝灰岩等。在这些软岩中，视绿色凝灰岩地域、非绿色凝灰岩地域，其动态有所不同。非绿色凝灰岩地域的软岩，从经验上看，没有膨胀性，但绿色凝灰岩地域的软岩，从实测的地压看，属于中新纪后期的黑色泥岩、凝灰岩，易发生膨胀性地压。新时期的堆积的软岩，其地压较小。
表3是一些泥岩、页岩隧道的物性指标和产生膨胀性的基准值。根据该表的研究结果，有些指标显示膨胀性，有些指标不显示膨胀性，评价时应避免机械地选用，最好整理出各指标间的相关关系。例如：塑性指数、2m以下的粒子含有率、CEC等等大时，水平土压也大等；塑性指数大、单轴强度、变形系数小；2m以下的粒子含有率和塑性指数、液性指数、蒙脱土含有率、CEC等是正相关的等。但，到目前为止，评价膨胀性地压还是比较困难的。但应根据指标的相关关系综合判定膨胀性地压。根据数量化理论的分析，第1位的指标是围岩强度比、第2位指标是蒙脱土含有率和自然含水比，第3位的是侵水崩解度。
表3 泥质围岩表示膨胀性的指标
| C－1 | C－2 | C－3 | C－4 | C－5 | |
| 膨 胀 性 围 岩 指 标 | 围岩强度比（G）＝/ 1·G2 挤出性～膨胀性 2·2G4 轻度挤出性～地压大 3·4G6 地压大 4·6G10 有地压 5·10G 几乎无地压 | 发生膨胀性地压可能性大的情况 1·岩石中的主要矿物是蒙脱土 2·2m以下的细粒含有率大于30％ 3·塑性指数70％ 4CEC35meq/100g | 1·变形系数8000kg/cm2 2·单轴抗压强度40kg/cm 3·单位容重2·05g/cm3 4·自然含水比20％ 5·液限100％ 6·塑限70％ 7·流动指数20 8·2m以下粒子含有率30％ 9·CEC35meq/100g 10·膨胀率2·0 | 1·自然含水比20％ 2·单位容重 1·8g/cm3 3·第1次吸水量/自然含水比2·0 4·侵水崩塌度 C～D 5·蒙脱土含有率 30％ 6·RQD30％ | 蒙脱土含有率20％ |
蛇纹岩： 蛇纹岩是沿大的地质构造线侵入分布的。因变质作用一般都呈绿色、柔软、呈叶片状～粘土状、破碎。一般视破碎带多为混合的围岩事前调查很难以良好的精度，得到其分布。蛇纹岩根据其形态，分为块状蛇纹岩、叶片状蛇纹岩、粘土状蛇纹岩。
过去，蛇纹岩多是因吸水膨胀作用产生膨润现象，同时，经过研究，认为蛇纹岩的膨胀性地压主要是由塑性变形所引起的。根据X射线分析，蛇纹岩几乎不含蒙脱土等膨胀性的粘土矿物，不会吸水膨胀。此外，蛇纹岩是因蛇纹岩特有的粘土矿物的加水反应而造成体积膨胀。
地压的大小，按叶片状蛇纹岩、块状蛇纹岩的顺序而增加，并与粘土化成比例。现场看到的蛇纹岩特征之一就是开挖当初，即使是看起来相当坚固的壁面，强度也会急剧地劣化，并易于崩塌。蛇纹岩在地下深部是裂隙很发育的，隧道周边发生的剪应力和开挖时的振动、极小的水量，都会使凝聚力丧失。例如，神居隧道，开挖当初的围岩弹性波速度是3·4km/s，6天后变为2·0km/s，而急速降低。
目前，几乎没有表示蛇纹岩膨胀性的指标，但表示蛇纹岩的状况的指标多采用钻孔的岩心块状率（F）。有的认为，块状率在30％以下，单轴抗压强度在12kgf/cm以下，围岩弹性波速度在3·0km/s以下的围岩膨胀率是很强的，施工上要给予充分地关注。
根据岚山隧道的施工，认为蛇纹岩有以下10个特征：1·富于膨胀性；2·后荷大、可继续数月之久；3·遇水软化；4·虽容许位移，但地压几乎没有减小；5·压力集中在结晶片岩的边界处；6·采用超前支护对保护掌子面非常有效；7·防止拱脚下沉措施对控制净空位移非常有效；8·斜锚固对控制净空位移。拱顶下沉有效；9·早期闭合对位移控制是最有效的；10·不含膨胀性矿物。
结晶片岩和古生层的破碎带： 发生膨胀性的岩石，在结晶片岩和古生层中有：泥质片岩、凝灰质片岩和黏板岩、辉绿凝灰岩、黏板岩砂岩互层等细粒径多的岩石。特别是受变质作用的破碎带和强烈摺曲带等裂隙多、强度小的区间，粘土化区间等。
强风化岩： 强风化岩是在长期的地质年代中，在露出地表的环境条件下形成的围岩，因风化，粒子间的粘土成分增加，粒子本身也有的粘土化，而使强度显著降低。一般多出现在洞口和埋深小的地段，强风化岩也多属于膨胀性围岩。黑色片岩和绿色片岩、黏板岩、千枚岩等细粒子成分多的结晶片岩等，沿破碎带会形成数10厚的风化粘土带，也多属于此类。
有关膨胀性围岩的辅助工法的选择例见表8。
表8 膨胀性围岩分级
(a) In、 Is、 特 S的划分
| 级别 | 分级的根据 | 净空位移 （新干线、双线） | 喷混凝土、锚杆 | 仰拱 | 开挖方法 | 事例 |
| In | 施工中用位移控制 | 150mm以下 | 无影响施工开裂 | 分部开挖 | 第1白坂隧道 | |
| Is | 用仰拱早期闭合控制 | 150～300mm | 显著开裂 增喷喷混凝土 增打锚杆 | 横撑 临时仰拱 | 保留核心 | 同上、埋深小于125m |
| 特S | 反复开挖 | 300mm以上 | 剪切断裂 混凝土剥离 | 同上 | 正面支护 | 同上、埋深大于125m |
| 流动、掌子面不能自稳 | 特别大（600mm以上） | 同上 | 横撑、仰拱破坏 | 正面支护 圆形断面 | 锅立山隧道 |
| NO | 指标及指标值 | 围岩分级 | |||
| In | Is | 特S | |||
| 1 | 地质条件 | 破碎质断面泥质岩或凝灰岩 | ○ | ||
| 2 | 钻孔的施工条件 | 不得不无水钻孔 | ◎ | ||
| 岩心状况 | 因应力释放，目视可见体积膨胀 | ◎ | |||
| 岩心采取率极差 | |||||
| 有塌孔现象 | |||||
| 3 | 围岩强度比 | Gn0·5 | ◎ | ||
| 0·5Gn1·5 | ○ | ||||
| 1·5Gn2·0 | ○ | ||||
| 2·0Gn | ○ | ||||
| 4 | 蒙脱土含有率 Cm 围岩自然含水比Wn | Cm20％ Wn20％ | ○ | ||
| Cm20％ Wn20％ | ○ | ||||
| 5 | 侵水崩解度D | ○ | |||
| 6 | 其他 | 2×10以下含有率 30％ | |||
| 液限 W100％ | |||||
| 围岩弹性波速度Vp1·5km/s | |||||
（c）施工阶段围岩级别判定表
| 项目 | In | Is | 特S | ||
| 1 | 掌子面围岩观察 | 随时间分离面明显、显著挤出、剥离 | 掌子面不能自稳、挤出、崩塌 | ||
| 2 | 必要的辅助工法 | 超前支护 | 超前支护 | ||
| 3 | 初期位移速度 | 单线 | 小于15 | 15～30 | 大于30 |
| (mm/day) | 双线 | 小于20 | 20～40 | 大于40 | |
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