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一、引言
绍兴至诸暨高速公路起点为上虞市道墟镇，终点高胡沿，全线总长62.462Km，设计行车速度为100km/h。元宝山隧道位于绍诸高速中段，设计为分离式，隧道长650m。
元宝山隧道右线进口段地形地貌：缓坡地貌，自然坡度5～15º。
元宝山隧道右线进口段水文地质：位于山前小冲沟，为地下水补给区，有利于地表水汇集和地下水集中排泄，地下水主要为松散孔隙水和基岩裂隙水，水量贫乏至中等。
元宝山隧道右线进口段工程地质：表层为残坡积含碎石粉质粘土，黄褐色，厚2～6m，可塑～硬塑。围岩为全风化凝灰岩，厚25～30m，灰黄色，风化呈含少量砂粒的粘性土状，局部残留少量原岩强风化碎块；强风化碎块风化强烈，节理裂隙极发育，裂面见铁锰质浸染，岩体破碎，呈碎块状和少量块状。进口段长120m,埋深为0～25m。隧道围岩为全风化凝灰岩，围岩级别为V级。全风化凝灰岩物理力学指标见表1。
全风化凝灰岩物理力学指标统计表表1
岩土
名称 天然含水量w
% 天然湿
密度
g/cm3 土粒
比重
Gs 天然空隙比
e 饱和度Sr
% 液性
指数
IL 塑性
指数
Ip 压缩
系数
a1-2 压缩
模量
Es 粘聚力
Kpa 内摩
擦角
°
全风化凝灰岩 25.6
-
35.3
平均31.2 1.85
-
2.02
平均
1.94 2.70
-
2.72
平均2.71 0.625
-
1.175
平均0.89 93.3
-
100
平均99.1 0.12
-
0.79
平均0.40 7.4
-
13.0
平均12.4 0.23
-
0.64
平均0.36 3.51
-
7.38
平均5.07 38.0
-
68.9
平均50.0 14.6
-
35.2平均28.2
二、元宝山隧道右线出口段设计施工基本情况
（一）元宝山隧道右线出口段设计
元宝山隧道右线出口段隧道埋深小于25m,属浅埋隧道。隧道设计净高5.70m,净宽11.40m（其中毛洞高6.50m，宽13.00m）。施工采用“新奥法”，复合式衬砌支付，其中初期支护采用Φ25×5mm中空注浆锚杆，长3.5m；25cm厚C20喷射砼＋A6定型钢筋焊接网；18号工字钢拱架（纵向间距0.5-0.75m）；400g/m2土工布；隧道专业防水卷材厚1.2mm；45cm厚模注钢筋砼二次衬砌。
（二）元宝山隧道右线出口段施工基本情况
元宝山隧道右线出口端设计采用台阶分部法（环形留核心土开挖方式）开挖，开挖过程中通过对隧道施工工程进行全程监控量测，监测结果表明：隧道局部地段出现拱顶下沉过大和侵入限界，拱腰和拱顶出现裂缝，相对应的地表也出现裂缝，已严重影响隧道施工质量，同时也给隧道施工安全带来隐患。
三、弹塑性理论计算围岩松动圈
（一）理论计算
隧道开挖后，岩体中形成一个自由空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去支撑而发生向洞内松胀变形，从而形成围岩松动破碎圈。弹塑性力学方法是根据弹、塑性圈交界面上的应力，既满足弹性应力条件，也满足塑性应力条件。根据极限平衡条件，交界面上的弹性应力与塑性应力相等，推导塑性松动圈半径公式，进而确定松动圈半径R。
H＝R － R0 (1)
（1）式中:H--围岩松动圈厚度，m；R--围岩松动圈半径，m；R0--隧洞顶拱半径，m。
根据极限平衡条件，交界面上的弹性应力与塑性应力相等，简化可得：
2（§－1）бZ＋2Rb
R＝R0[———--------------]1/(§－1） (2)
(§＋1）Rb
（2）式中：R--围岩松动圈半径，m；Ro--隧洞顶拱半径，m；бZ—围岩垂直应力，Mpa；Rb--围岩单轴抗压强度，Mpa。
2cosφ
Rb＝--------- c (3)
1－sinφ
1＋sinφ
§＝--------- (4)
1－sinφ
（3）、（4）式中：c—围岩粘聚力，Mpa；φ—围岩内摩擦角，°。
对于浅埋隧道：
hλtanθ
бZ＝rh(1－ --------- )(5)
B
tanβ－tanφ0
λ＝------------------------------------------ (6)
tanβ[1＋tanβ(tanφ0－tanθ)＋tanφ0tanθ]
(1＋tan2φ0)tanφ0
tanβ＝tanφ0＋[----------------]1/2(7)
tanφ0－tanθ
（5）、（6）、（7）式中：φ0--围岩两侧摩擦角，Ⅴ级围岩取31°；θ--围岩似摩擦角，Ⅴ级围岩取12.5°；r—围岩重度，kN/m3；h—隧道拱顶埋深，m；B—隧道宽度，m。
（二）工点计算结果
隧道明暗交界处埋深0m；截至2010年1月6日掌子面里程是YK21+792.6，进洞82.4米，埋深20.2m。
计算隧道里程为YK21+817处围岩松动圈厚度，拱顶埋深h为15.5m,围岩（全风化凝灰岩）重度r取19.4 kN/m3；粘聚力c取0.05Mpa,内摩擦角取28.2°，计算得：H＝3.41m。
计算结果表明，随着隧道掌子面向前掘进，埋深h随之增大，H也随之增大。支护锚杆设计长度3.5m偏小，应为4.5～5m比较合理。
四、地质雷达技术确定围岩松动圈
（一）地质雷达测试原理
地质雷达利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置的电磁技术，其理论基础为高频电磁波理论，利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式由地面通过发射天线送入地下，经地下不连续体或目标体反射后返回地面为接收天线所接收，反射电磁波经过一系列的处理和分析之后可以得到探测介质的有关信息。从反射波的连续性特点看，电磁波在正常衰减过程中因遇到较强的反射界面时，波幅会骤然增加，同相轴明显，之后恢复正常变化规律。反之，若目标体中存在有许多杂乱无章的界面，雷达接收到的这些界面的反射回波信号时波幅小、波形杂乱无章，同相轴将很不连续。
通过步进式或连续的探测可以得到一组雷达反射波，经过数据处理，可以得到探测地质体的地质雷达剖面图，进而探测前方的不良地质现象的位置和分布特征。
（二）地质雷达测试分析结果
对隧道里程为YK21+817处围岩松动圈厚度进行地质雷达测试，垂直于隧道纵轴线沿拱顶布设一条侧线，再沿左右拱腰个布设一条侧线，测得地质雷达图谱如图1、图2所示：
地质雷达图谱分析结果：拱顶松弛圈厚度为3.5～4m，左右拱腰松弛圈厚度为3.0～3.5m，与理论计算结果基本一致。
图1拱顶测线地质雷达图像图2右拱腰测线地质雷达图像
五、动态设计调整和处理措施
针对元宝山隧道右线出口段隧道局部地段出现拱顶下沉过大和侵入限界，拱腰和拱顶出现裂缝的实际情况，设计单位及时调整设计和采取了处理措施，具体如下：
1）已支护段：用枕木在拱顶和隧底之间设立临时支撑；跳挖方式及时施做仰拱，施做仰拱时调整隧道坡度，防止侵限；在仰拱施做完成后，紧跟着施做二衬。
2）靠近掌子面段：用工字钢加砼在左右拱腰之间设立临时支撑，以防周边继续收敛和收敛值过大；在每榀钢拱架的左右拱脚处各设立4根锁脚锚杆，锚杆长6m，防止钢拱架继续下沉（必要时用枕木在拱顶和隧底之间设立临时支撑）；加密支护注浆锚杆，锚杆长度加长至5m；及时施做仰拱。
3）掌子面前未开挖全风化凝灰岩围岩段：掌子面开挖前先采用小导管进行预注浆，对围岩特别是松动圈进行预加固；开挖时加密支护注浆锚杆，锚杆长度加长至5～6m；及时试做仰拱；严格按规范和设计进行施工。
4）全风化凝灰岩属极软岩，遇水易软化，应及时抽排隧道内的地下水。
5）加强隧道施工监控量测工作。
通过采取上述措施，元宝山隧道右线出口段拱顶沉降速率和沉降值、周边收敛速率和收敛值已满足规范要求；地表裂缝也不继续发展。工程实践表明，围岩松弛圈理论计算和实际地质雷达测试结果比较吻合，也与实际工程情况相近；采取的措施和调整的设计方案切实可行。
六、结语
在隧道施工过程中,由于围岩松动圈的复杂性和不可预见性,参数确定往往根据经验公式得到,不能作为设计的主要依据。按弹塑性理论进行计算时,为确定这些岩体力学参数,从实际监测情况出发,根据掌子面的推进过程与监测位移间的变化情况,将监测位移进行弹塑性分离,结合隧道监控情况进行分析。通过元宝山隧道监控量测进行理论计算,所得结果与地质雷达测定值吻合良好。
参考文献
[1]张世雄等.硐室巷道围岩松弛范围的超声波测试[J].西部探矿工程，2005，（1）：99-100.
[2]刘佑荣等.岩石力学[M].武汉：中国地质大学出版社，1998.
[3]刘勇等.曾家垭隧道围岩松弛圈的判定研究[J].路基工程，2007，133（4）：36-38.
[4]李德武等.隧道[M].北京：中国铁道出版社，2004.
[5]王光钦等.弹性力学[M].成都：西南交通大学出版社，2003.
[6]熊昌盛等.围岩松动圈地球物理方法检测[J].西部探矿工程，2004，7（7）：87-89.
绍兴至诸暨高速公路起点为上虞市道墟镇，终点高胡沿，全线总长62.462Km，设计行车速度为100km/h。元宝山隧道位于绍诸高速中段，设计为分离式，隧道长650m。
元宝山隧道右线进口段地形地貌：缓坡地貌，自然坡度5～15º。
元宝山隧道右线进口段水文地质：位于山前小冲沟，为地下水补给区，有利于地表水汇集和地下水集中排泄，地下水主要为松散孔隙水和基岩裂隙水，水量贫乏至中等。
元宝山隧道右线进口段工程地质：表层为残坡积含碎石粉质粘土，黄褐色，厚2～6m，可塑～硬塑。围岩为全风化凝灰岩，厚25～30m，灰黄色，风化呈含少量砂粒的粘性土状，局部残留少量原岩强风化碎块；强风化碎块风化强烈，节理裂隙极发育，裂面见铁锰质浸染，岩体破碎，呈碎块状和少量块状。进口段长120m,埋深为0～25m。隧道围岩为全风化凝灰岩，围岩级别为V级。全风化凝灰岩物理力学指标见表1。
全风化凝灰岩物理力学指标统计表表1
岩土
名称 天然含水量w
% 天然湿
密度
g/cm3 土粒
比重
Gs 天然空隙比
e 饱和度Sr
% 液性
指数
IL 塑性
指数
Ip 压缩
系数
a1-2 压缩
模量
Es 粘聚力
Kpa 内摩
擦角
°
全风化凝灰岩 25.6
-
35.3
平均31.2 1.85
-
2.02
平均
1.94 2.70
-
2.72
平均2.71 0.625
-
1.175
平均0.89 93.3
-
100
平均99.1 0.12
-
0.79
平均0.40 7.4
-
13.0
平均12.4 0.23
-
0.64
平均0.36 3.51
-
7.38
平均5.07 38.0
-
68.9
平均50.0 14.6
-
35.2平均28.2
二、元宝山隧道右线出口段设计施工基本情况
（一）元宝山隧道右线出口段设计
元宝山隧道右线出口段隧道埋深小于25m,属浅埋隧道。隧道设计净高5.70m,净宽11.40m（其中毛洞高6.50m，宽13.00m）。施工采用“新奥法”，复合式衬砌支付，其中初期支护采用Φ25×5mm中空注浆锚杆，长3.5m；25cm厚C20喷射砼＋A6定型钢筋焊接网；18号工字钢拱架（纵向间距0.5-0.75m）；400g/m2土工布；隧道专业防水卷材厚1.2mm；45cm厚模注钢筋砼二次衬砌。
（二）元宝山隧道右线出口段施工基本情况
元宝山隧道右线出口端设计采用台阶分部法（环形留核心土开挖方式）开挖，开挖过程中通过对隧道施工工程进行全程监控量测，监测结果表明：隧道局部地段出现拱顶下沉过大和侵入限界，拱腰和拱顶出现裂缝，相对应的地表也出现裂缝，已严重影响隧道施工质量，同时也给隧道施工安全带来隐患。
三、弹塑性理论计算围岩松动圈
（一）理论计算
隧道开挖后，岩体中形成一个自由空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去支撑而发生向洞内松胀变形，从而形成围岩松动破碎圈。弹塑性力学方法是根据弹、塑性圈交界面上的应力，既满足弹性应力条件，也满足塑性应力条件。根据极限平衡条件，交界面上的弹性应力与塑性应力相等，推导塑性松动圈半径公式，进而确定松动圈半径R。
H＝R － R0 (1)
（1）式中:H--围岩松动圈厚度，m；R--围岩松动圈半径，m；R0--隧洞顶拱半径，m。
根据极限平衡条件，交界面上的弹性应力与塑性应力相等，简化可得：
2（§－1）бZ＋2Rb
R＝R0[———--------------]1/(§－1） (2)
(§＋1）Rb
（2）式中：R--围岩松动圈半径，m；Ro--隧洞顶拱半径，m；бZ—围岩垂直应力，Mpa；Rb--围岩单轴抗压强度，Mpa。
2cosφ
Rb＝--------- c (3)
1－sinφ
1＋sinφ
§＝--------- (4)
1－sinφ
（3）、（4）式中：c—围岩粘聚力，Mpa；φ—围岩内摩擦角，°。
对于浅埋隧道：
hλtanθ
бZ＝rh(1－ --------- )(5)
B
tanβ－tanφ0
λ＝------------------------------------------ (6)
tanβ[1＋tanβ(tanφ0－tanθ)＋tanφ0tanθ]
(1＋tan2φ0)tanφ0
tanβ＝tanφ0＋[----------------]1/2(7)
tanφ0－tanθ
（5）、（6）、（7）式中：φ0--围岩两侧摩擦角，Ⅴ级围岩取31°；θ--围岩似摩擦角，Ⅴ级围岩取12.5°；r—围岩重度，kN/m3；h—隧道拱顶埋深，m；B—隧道宽度，m。
（二）工点计算结果
隧道明暗交界处埋深0m；截至2010年1月6日掌子面里程是YK21+792.6，进洞82.4米，埋深20.2m。
计算隧道里程为YK21+817处围岩松动圈厚度，拱顶埋深h为15.5m,围岩（全风化凝灰岩）重度r取19.4 kN/m3；粘聚力c取0.05Mpa,内摩擦角取28.2°，计算得：H＝3.41m。
计算结果表明，随着隧道掌子面向前掘进，埋深h随之增大，H也随之增大。支护锚杆设计长度3.5m偏小，应为4.5～5m比较合理。
四、地质雷达技术确定围岩松动圈
（一）地质雷达测试原理
地质雷达利用无线电波检测地下介质分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部形态和位置的电磁技术，其理论基础为高频电磁波理论，利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式由地面通过发射天线送入地下，经地下不连续体或目标体反射后返回地面为接收天线所接收，反射电磁波经过一系列的处理和分析之后可以得到探测介质的有关信息。从反射波的连续性特点看，电磁波在正常衰减过程中因遇到较强的反射界面时，波幅会骤然增加，同相轴明显，之后恢复正常变化规律。反之，若目标体中存在有许多杂乱无章的界面，雷达接收到的这些界面的反射回波信号时波幅小、波形杂乱无章，同相轴将很不连续。
通过步进式或连续的探测可以得到一组雷达反射波，经过数据处理，可以得到探测地质体的地质雷达剖面图，进而探测前方的不良地质现象的位置和分布特征。
（二）地质雷达测试分析结果
对隧道里程为YK21+817处围岩松动圈厚度进行地质雷达测试，垂直于隧道纵轴线沿拱顶布设一条侧线，再沿左右拱腰个布设一条侧线，测得地质雷达图谱如图1、图2所示：
地质雷达图谱分析结果：拱顶松弛圈厚度为3.5～4m，左右拱腰松弛圈厚度为3.0～3.5m，与理论计算结果基本一致。
图1拱顶测线地质雷达图像图2右拱腰测线地质雷达图像
五、动态设计调整和处理措施
针对元宝山隧道右线出口段隧道局部地段出现拱顶下沉过大和侵入限界，拱腰和拱顶出现裂缝的实际情况，设计单位及时调整设计和采取了处理措施，具体如下：
1）已支护段：用枕木在拱顶和隧底之间设立临时支撑；跳挖方式及时施做仰拱，施做仰拱时调整隧道坡度，防止侵限；在仰拱施做完成后，紧跟着施做二衬。
2）靠近掌子面段：用工字钢加砼在左右拱腰之间设立临时支撑，以防周边继续收敛和收敛值过大；在每榀钢拱架的左右拱脚处各设立4根锁脚锚杆，锚杆长6m，防止钢拱架继续下沉（必要时用枕木在拱顶和隧底之间设立临时支撑）；加密支护注浆锚杆，锚杆长度加长至5m；及时施做仰拱。
3）掌子面前未开挖全风化凝灰岩围岩段：掌子面开挖前先采用小导管进行预注浆，对围岩特别是松动圈进行预加固；开挖时加密支护注浆锚杆，锚杆长度加长至5～6m；及时试做仰拱；严格按规范和设计进行施工。
4）全风化凝灰岩属极软岩，遇水易软化，应及时抽排隧道内的地下水。
5）加强隧道施工监控量测工作。
通过采取上述措施，元宝山隧道右线出口段拱顶沉降速率和沉降值、周边收敛速率和收敛值已满足规范要求；地表裂缝也不继续发展。工程实践表明，围岩松弛圈理论计算和实际地质雷达测试结果比较吻合，也与实际工程情况相近；采取的措施和调整的设计方案切实可行。
六、结语
在隧道施工过程中,由于围岩松动圈的复杂性和不可预见性,参数确定往往根据经验公式得到,不能作为设计的主要依据。按弹塑性理论进行计算时,为确定这些岩体力学参数,从实际监测情况出发,根据掌子面的推进过程与监测位移间的变化情况,将监测位移进行弹塑性分离,结合隧道监控情况进行分析。通过元宝山隧道监控量测进行理论计算,所得结果与地质雷达测定值吻合良好。
参考文献
[1]张世雄等.硐室巷道围岩松弛范围的超声波测试[J].西部探矿工程，2005，（1）：99-100.
[2]刘佑荣等.岩石力学[M].武汉：中国地质大学出版社，1998.
[3]刘勇等.曾家垭隧道围岩松弛圈的判定研究[J].路基工程，2007，133（4）：36-38.
[4]李德武等.隧道[M].北京：中国铁道出版社，2004.
[5]王光钦等.弹性力学[M].成都：西南交通大学出版社，2003.
[6]熊昌盛等.围岩松动圈地球物理方法检测[J].西部探矿工程，2004，7（7）：87-89.