公路隧道施工中动态设计

【摘要】在隧道工程设计中，由于地质条件的不确定性，仅仅依靠施工前的地质勘探成果是不能完全反映的，应该根据施工过程中的超前地质预报、施工监控量测，进行有针对性的动态设计。

【关键词】隧道；地质；动态设计

在依据新奥法原理建设的现代隧道中，按照设计规范规定，依据施工之前的地质调查、钻探及物探等资料，采取工程类比及结构受力进行设计。由于地质条件的复杂性和不可预见性，仅仅依据施工前的地质勘探成果，不足以真正指导隧道的施工。应根据实际地质情况，进行有针对性的动态设计。

1.超前地质预报

目前超前地质预报分为长距离和短距离超前地质预报两类。长距离超前地质预报的预测范围一般为100～300m，预报方法有：TSP、超前钻探法、断层参数预测法等。短距离超前地质预报范围一般可达掌子面前方15～30m，预报方法有：掌子面地质素描法、地质雷达法等。

1.1 TSP超前预报法

TSP超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来判定并预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况，有效预报距离为掌子面前方100m，最高分辨率为大于等于1m地质体。TSP超前地质预报具有适用范围广、预报距离长、对隧道施工干扰小、提交资料及时的特点。

1.2超前钻探法

超前钻探法即通过在掌子面布置若干地质钻孔并取芯，记录钻孔施工各种信息并在室内完成相关力学试验，获得地层岩性、节理裂隙、岩石各项力学参数、溶洞空间分布、溶洞填充物、构造带发育特征等各项地质内容，同时还可以通过地质钻孔观察预测掌子面前方可能涌水情况，以此判断前方围岩级别及各种地质病害类型、具体部位及规模。

1.3断层参数预测法

断层参数预测法是一种利用断层影响带内的特殊节理和其集中带有规律分布的特点和经过大量断层影响带系统编录得出的经验公式超前预报隧洞断层破碎带的位置、规模的新技术。隧道中大多数不良地质与断层破碎带有密切的关系，所以预报了断层破碎带，依据地质学原理，就可推断其它不良地质体（如溶洞、暗河、岩溶陷落柱、淤泥带等）的位置和规模。

1.4掌子面地质素描法

掌子面地质素描法又称编录预测法。主要通过对掌子面已揭露地质体（岩层、不良地质体等）进行观测与编录，对掌子面出露地质体向掌子面前方延伸情况进行有依据的推断。

1.5地质雷达法

地质雷达法是采用甚高频—超高频电磁波检测地下介质的地质特征，不同岩性分布和对不可见目标或地下界面进行扫描，以确定其内部结构形态或位置的电磁波技术。地质雷达能发现隧道施工开挖面前方20～30m地层的变化。由于电磁波对水敏感，所以，对于断裂带特别是含水带、破碎带地层，地质雷达是很好的预报手段。

2.施工监控量测

由于岩体的生成条件和地质作用的复杂性，在隧道施工中，开挖方法、支护方法、支护结构刚度等对围岩稳定性都有影响，所以寻求能正确反映岩体状态的物理力学模型非常困难。因此现场监控量测是验证设计、施工是否正确的关键步骤，是监视围岩是否安全、稳定的最直接手段。经过监控量测数据的分析处理，进行预测和反馈，提供动态设计的基础数据。

2.1量测数据采集

隧道施工的监控量测旨在收集可反映施工过程中围岩动态的信息，据以判定隧道围岩的稳定状态，以及预设计所定支护结构参数和施工的合理性。量测项目可分为必测项目、选测项目和抽检项目。必测项目包括：地质和支护状况观察、周边位移、拱顶下沉、地表下沉；选测项目包括：围岩体内位移（洞内设点）、围岩压力及两层支护间压力、钢支撑内力及外力、支护、衬砌内应力、表面应力及裂缝量测、围岩弹性波测试；抽检项目包括：锚杆拉拔力检测。

2.2量测数据反分析

隧道工程反分析方法是根据工程现场量测数据来反演初始地应力和岩体性态参数的方法，即利用现场量测到的工程施工引起的结构与介质的扰动量，包括位移、应变、二次应力或地层压力，依据给定的材料模型，来反演工程介质材料的性状参数和初始荷载。

根据设计施工中的不同阶段，反演分析方法可分为施工前反分析法和施工中反分析法。

施工前反分析法分为：a）位移反分析法，是由监测位移反演局部区域应力分布的方法，此方法目前应用较多；b）应力回归分析方法，是在预设计时由现场有限个点的地应力实测值，通过应力函数或数值计算方法回归分析得到研究区域应力分布的方法。

施工中反分析法分为：a）增量位移法，是将模拟开挖的有限元模型与优化反分析方法相结合，利用某一开挖步前后监测所得增量位移，对某隧道开挖土体参数进行反演，并根据反演结果预测后续施工对土体及支护的影响；b）根据隧道开挖过程中围岩破坏信息进行的反分析法。

3.动态反馈设计

动态反馈设计是根据地质超前预报，开挖面揭示的地质条件以及监控测量获得的数据，对隧道支护结构的设计、施工方案及时进行修改的设计模式。旨在使隧道支护结构的形式能适应实际的围岩地质条件，从而使工程建设既能经济合理，又能确保安全。

3.1进行动态反馈设计的条件

a）开挖面揭示的围岩级别与工程地质勘查报告提供的资料有较大差别。

b）隧道开挖后围岩的变形量持续增长或不收敛，且总变形量已接近甚至大于设计估计值。

c）超前地质预报揭示开挖面前方岩层存在不利地质构造时。

3.2设计要点

a）隧道穿越地层的实际围岩级别与原有地质资料对围岩级别的判断相差较大时，应按修正后的围岩级别重新确定合理的支护结构类型、尺寸和开挖施工方法。

b）监测数据增长速度异常，或总位移量接近临界值时，应采取措施加强支护结构，同时优化施工方案。反之则可减弱支护结构，以节约投资。

c）反馈设计中如有必要对支护结构进行设计计算时，宜通过反分析方法确定围岩地层的初始应力，以及本构模型及其特性参数的估计值。

d）应重视超前地质预报信息的作用，可能遭遇险情时应预先提出设计对策预案。

3.3设计内容

动态反馈设计的内容包括施工方法变更的建议、预留变形量的修正、设计参数的修改或确认等。

3.3.1施工方法变更的建议

由于采用的施工方法与断面形式不同，围岩—支护体系的应力状态也不一样，当某种方法不能满足该围岩稳定性要求时，应及时变更施工方法及选择对隧道稳定有利的断面形式或辅助施工措施。

3.3.2预留变形量的修正

施工前预设计的预留变形量，是采用工程类比或理论计算确定的，因此，预留变形量不可能和实际变形完全一致。当预留变形量与现场量测结果不符时，应及时修正未开挖地段的预留变形量，以满足设计净空和二次衬砌的厚度要求，或减少开挖量及二次衬砌的回填量，以节省投资。

3.3.3设计参数的修改或确认

在施工过程中，根据超前地质预报和监控量测信息，对未开挖地段或已开挖地段设计参数进行修改或确认，使之满足结构受力和结构稳定要求并减少不必要的工程浪费。

4.结语

在隧道施工过程中，通过对围岩及支护系统进行超前预报及监控量测，及时把获得的信息数据反馈于设计中是非常必要的一项措施。隧道动态设计作为隧道工程新奥法设计、施工的重要手段,保证了隧道施工的安全并取得了良好的经济效益,收到了良好的效果。随着隧道工实践和施工技术的发展，隧道动态设计将会得到更加广泛的应用。　[科]

【参考文献】

［１］公路隧道设计规范（JTG D70-2004）.北京：人民交通出版社，2004．