我對隧道工程的基本認識

1、老生常談老生常談 -我對隧道工程的基本認識 認識一認識一 樹立以樹立以“ 圍巖為本圍巖為本” 的基本理念的基本理念 以“ 圍巖為本” 是由圍巖的基本特性圍巖的基本特性所決定的。 圍巖的基本特性圍巖的基本特性 圍巖結(jié)構(gòu)的主體；圍巖本身是具有自支護能力圍巖本身是具有自支護能力 的，的，也就是我們所謂的自穩(wěn)性或穩(wěn)定性。在設(shè)計施工 中，我們要充分發(fā)揮和利用圍巖的這個能力； 圍巖構(gòu)成結(jié)構(gòu)體的主體材料構(gòu)成結(jié)構(gòu)體的主體材料 其特征是客觀存在 的多變性和不確定性； 圍巖施加結(jié)構(gòu)的荷載施加結(jié)構(gòu)的荷載開挖后的變形與支護的 相互作用是形成荷載的基本原因；它是由圍巖性質(zhì)和 施工技術(shù)所決定的，是一個不可捉摸的變量； 作

2、為一個隧道工程技術(shù)人員，要牢牢記?。?“ 結(jié)構(gòu)體作用荷載構(gòu)成材料結(jié)構(gòu)體作用荷載構(gòu)成材料 ”“”“三位一體三位一體” 是隧是隧 道工程的重要的，獨一無二的特征。 這是隧道工程最具特色的、與其他工程截然不 同的特性。這個特性決定了隧道工程的設(shè)計、施 工、維修管理的基本理念。 隧道的一切，從規(guī)劃、調(diào)查、設(shè)計、施工到維 修管理都是由這個特性決定的。 認識二認識二 掌握圍巖掌握圍巖 所謂“ 掌握圍巖掌握圍巖” 首先首先就是要掌握隧道開掌握隧道開 挖后的圍巖動態(tài)挖后的圍巖動態(tài)。也就是開挖后圍巖的穩(wěn) 定性。因此，如何搞清楚圍巖開挖后的動 態(tài)？、如何評價開挖后的圍巖穩(wěn)定性？就 成為隧道及地下工程中的重要課題。

3、也是 我們一直想解決的問題。 圍巖開挖后的動態(tài) 圍巖開挖后的動態(tài)，也就是穩(wěn)定性受到許多因 素的影響，是多種多樣的。但其外觀的綜合表現(xiàn)， 就是變形、掉塊、滑移或松弛。變形、掉塊、滑移或松弛。 僅僅用變形一詞 是很難概括隧道開挖后的動態(tài)的。開挖后動態(tài)的 不同，決定了對應(yīng)的支護對策的不同。 變形 掉塊滑移 松弛 圍巖開挖后的動態(tài)，按圍巖構(gòu) 造及特性可按下表分類 圍巖堅硬、軟 弱但構(gòu)造 完整的圍 巖巖 大、中塊 狀圍巖， 包括層狀 圍巖 土砂（包 括碎塊狀 ）圍巖 特殊圍巖 圍巖開 挖后動 態(tài)態(tài) 彈性變形 掉塊松弛擠壓性變形 塑性變形 滑移大變形膨脹性變形 流變變形流變變形 從開挖后的穩(wěn)定性看，可按下

4、表進 行定性的劃分。 圍巖級別、 穩(wěn)定性穩(wěn)定性長期穩(wěn)定長期穩(wěn)定基本穩(wěn)定暫時穩(wěn)定不穩(wěn)定不穩(wěn)定 現(xiàn)象及措施 一般不需要 支護，僅進 行表面防護 毛洞有一定 的自穩(wěn)時間 ，可能有局 部掉塊或滑 移，必要時 采用局部錨 桿、或噴混 凝土支護 自穩(wěn)時間較 短，開挖后 圍巖發(fā)生松 弛，初期支 護基本上可 以使變形收 斂，無需采 用輔助工法 開挖后可能立 即崩落，僅用 初期支護難以 控制變形的發(fā) 展，需要進行 預(yù)支護，先行 控制可能發(fā)生 的變形及松弛 。 與圍巖構(gòu)造 的關(guān)系 堅硬、構(gòu)造 完整的圍巖 大塊狀、厚 層的堅硬圍 巖 中塊狀圍巖 ，包括層狀 圍巖 土砂（包括碎 塊狀）圍巖、 特殊圍巖 開挖后的圍 巖

5、動態(tài) 穩(wěn)定、以彈 性變形為主 以局部掉塊 為主 彈塑性變形 為主 松弛、坍塌為 主、極易發(fā)生 大變形 隧道周邊圍巖的動態(tài)隧道周邊圍巖的動態(tài) 因此在隧道設(shè)計、施工中，掌握隧道開挖后的動態(tài)是非常重 要的。 這里必須指出，隧道的穩(wěn)定性決定于隧道 周邊圍巖的穩(wěn)定性。 我們知道隧道周邊圍巖不穩(wěn)定我們是無法施工的。只要隧道周 邊圍巖是穩(wěn)定的，隧道就是穩(wěn)定的。因此， “ 掌握圍巖” 的重點， 是掌握隧道周邊圍巖的動態(tài)。 隧道的周邊圍巖是三維的，不僅僅指 橫向范圍內(nèi)的圍巖 ，也 包括掌子面前方的圍巖 。 前面所述的變形、掉塊、滑動、松弛等，基本上都是在周邊 圍巖中發(fā)生的。 隧道開挖對周邊圍巖的影響是有限的。其

6、范圍大致在 12D （D：隧道開挖的寬度）左右。 過去我們十分關(guān)注隧道橫向的影響范圍，初期支護的選定基 本上 是以此范圍的圍巖動態(tài)決定的。實際上，在軟弱圍巖中， 掌子面前方圍巖的穩(wěn)定性更為重要。 必須強調(diào)的是：掌子面，實質(zhì)上也是一個支護構(gòu)件，開挖過 后它起著極為重要的支護作用。施工中出現(xiàn)的問題，多數(shù)與掌 子面的穩(wěn)定有關(guān)。 因此，在隧道施工中，盡可能地掌握由于開挖、支護引發(fā)的 周邊圍巖的動態(tài)是非常重要的。 我們設(shè)計、施工的基本出發(fā)點，就是 千方百計地使隧道周邊千方百計地使隧道周邊 的圍巖穩(wěn)定下來。的圍巖穩(wěn)定下來。 而使圍巖穩(wěn)定的基本原則就是 維護和提高周維護和提高周 邊圍巖的自支護能力，特別是掌

7、子面的支護能力。邊圍巖的自支護能力，特別是掌子面的支護能力。 這一點必須 體現(xiàn)在隧道的規(guī)劃、調(diào)查、設(shè)計、施工、維修管理 的全過程。 認識三 隧道施工必須堅持的兩大原則 原則一: “ 施工” 要做到：不使周邊圍巖“ 松弛” 或者“ 少松弛” 原則二: “ 施工” 要做到：圍巖、初期支護及二 次襯砌成為一體的結(jié)構(gòu)物 原則一原則一 “ 施工” 要做到：不使周邊圍巖要做到：不使周邊圍巖“ 松弛” 或者或者“ 少松弛少松弛” 開挖產(chǎn)生的周邊圍巖的松弛 是隧道施工安全的“ 死敵” ， 減少松弛就意味提高施工的安全性，兩者是密切相關(guān)的。 松弛的圍巖是隧道開挖后產(chǎn)生變形，降低圍巖承載性 能，加重人工支護負擔(dān)的

8、主因。 因此，施工中不使周邊圍巖“ 松弛” 或者“ 少松弛” 是非 常重要的。 目前我們的施工方法和施工技術(shù)，還滿足不了這個原 則。一些隧道中發(fā)生的所謂的“ 大變形” 等，均與此有關(guān)。 。 如何盡可能地不讓圍巖松弛或少松弛，只 有兩種方法 方法一：開挖后及早使開挖斷面閉合； 方法二：開挖前預(yù)先加固圍巖開挖前預(yù)先加固圍巖。 實質(zhì)上，在軟弱圍巖隧道施工中都是兩 種方法的組合。 及早使開挖斷面閉合及早使開挖斷面閉合 所謂“ 斷面閉合” 有2個概念。 一個是橫斷面的斷面閉合橫斷面的斷面閉合，一個是縱斷面的斷面閉合縱斷面的斷面閉合。 兩者是相互配合的。實際上，斷面閉合多數(shù)是指縱向的 斷面閉合。縱向的斷面

9、閉合，可以用時間或距離表 示。例如在幾小時內(nèi)閉合，或在幾m內(nèi)閉合。這與圍巖 條件有極大的關(guān)系。圍巖越差，要求的斷面閉合時間越圍巖越差，要求的斷面閉合時間越 短，也就是斷面閉合的距離越短短，也就是斷面閉合的距離越短。 實際上，開挖斷面閉合就是隧道底部與上部的閉合開挖斷面閉合就是隧道底部與上部的閉合。因 此要特別關(guān)注隧道底部結(jié)構(gòu)的形成。特別關(guān)注隧道底部結(jié)構(gòu)的形成。 根據(jù)日本近期研究的成果，以早期斷面閉合（這里稱為 “ 早期閉合仰拱” ）為重點，把其按時期和程度（剛性） 劃分3個水準(zhǔn)，其概要和優(yōu)缺點列于表1。 水準(zhǔn)： 主體仰拱閉合 初期仰拱早期閉合 水準(zhǔn)：噴混凝土仰拱早期 閉合 水準(zhǔn)：仰拱橫撐早期閉

10、合 示 意 圖 設(shè)置在設(shè)計斷 面內(nèi) 設(shè)置在設(shè)計 斷面外 設(shè)置在設(shè)計斷 面內(nèi) 設(shè)置在設(shè)計斷面 外 表4 早期閉合仰拱設(shè)置方法分類 日本建議在臺階法施工條件下，閉合距 離一般控制在相當(dāng)隧道開挖跨度左右的距 離（此條件相當(dāng)于開挖跨度12m左右），開 挖跨度越大，閉合距離越短。按此原則來 組織隧道的施工作業(yè)和機械配置。在軟弱 圍巖隧道中?！?快挖、快支、快閉合” 已經(jīng) 成為我們的共識，正在一步一步地向這個 方向邁進。 開挖前預(yù)加固圍巖開挖前預(yù)加固圍巖 近幾年，隧道施工技術(shù)一個重要的發(fā)展，就是輔 助施工方法體系的形成與應(yīng)用。這是礦山法擴 展應(yīng)用的需要，是提高施工安全的需要，也是 愛護圍巖意識提高的表現(xiàn)。

11、 ?，僅用初期支護，不管如何加強，也很難把圍 巖變形或松弛控制住，這已為實踐所證實。在 這種情況下，唯一的對策，就是對周邊圍巖進 行預(yù)加固（補強）。 ?所謂開挖前預(yù)加固技術(shù)是指：在開挖前對可能 造成松弛的圍巖或者是已經(jīng)判定為松弛的圍巖，造成松弛的圍巖或者是已經(jīng)判定為松弛的圍巖， 事前進行補強的技術(shù)，意圖提高周邊圍巖的承 載性能，大幅度地減少圍巖開挖后可能發(fā)生的 松弛。 ?預(yù)加固的重點部位大致如下圖所示。 ?圖中的“ 長” ，通常指長度超過8m以上的長 度。 預(yù)加固技術(shù)，主要是針對掌子面周邊圍巖 的，包括正面前方的圍巖。因此應(yīng)對周邊 圍巖的穩(wěn)定性進行判定。在大斷面隧道進 行大斷面開挖的場合，周邊

12、圍巖的穩(wěn)定性 主要表現(xiàn)在： 掌子面的穩(wěn)定性-掌子面前方圍巖的擠出、 拱頂崩塌； 拱腳圍巖的穩(wěn)定性-拱腳下沉； 底部圍巖的穩(wěn)定性-底部鼓起。 因此，預(yù)加固技術(shù)的形成與發(fā)展與此有關(guān)。 預(yù)加固技術(shù)可以從地表面實施，也可以從 洞內(nèi)進行。 ?這些技術(shù)包括： ?控制掌子面前方圍巖松弛的技術(shù)先行位移 ?控制掌子面圍巖松弛的技術(shù)控制掌子面圍巖松弛的技術(shù)掌子面擠出位移 ?控制腳部下沉的技術(shù)控制腳部下沉的技術(shù)拱腳及底部下沉拱腳及底部下沉 整體下沉 ?控制地表面下沉的技術(shù)地表面下沉整 體下沉 ?不能不承認，在這個領(lǐng)域中我們與國外的差距是比 較大的。差距主要表現(xiàn)在施工機械設(shè)備上。（詳細 內(nèi)容請參考軟弱圍巖施工技術(shù)一書

13、）。 原則二原則二“ 施工施工” 要做到：圍巖、初期要做到：圍巖、初期 支護及二次襯砌成為一體的結(jié)構(gòu)物支護及二次襯砌成為一體的結(jié)構(gòu)物 ?隧道結(jié)構(gòu)物只有與圍巖成為一體才能發(fā)揮其功 能。特別是要確保圍巖與初期支護形成一個具確保圍巖與初期支護形成一個具 有要求承載能力的支護結(jié)構(gòu)體。有要求承載能力的支護結(jié)構(gòu)體。 ?這里所謂的成為一體，就是我在施工要點集中 一再強調(diào)的“ 三密貼” 。噴混凝土與圍巖密貼、噴混凝土與圍巖密貼、 防水板與噴混凝土密貼、二次襯砌與防水板密防水板與噴混凝土密貼、二次襯砌與防水板密 貼貼，在其間不要留有空隙或空洞。 ?而目前的現(xiàn)狀是噴混凝土基本上可以做到與圍 巖密貼，但防水板與圍巖

14、是不密貼的，二次襯 砌與防水板也不是密貼的。鋼架也不是與圍巖 或噴混凝土密貼的。 錨桿 ?在初期支護中，最有爭議的是錨桿。錨桿不是 有用和無用的問題，而是如何設(shè)置，如何更好 地發(fā)揮其支護作用的問題。 ?工程實踐表明：在任何的支護條件下，錨桿支 護都是有效果的。在多數(shù)場合是可以采用的。 但也有不宜采用的情況。如在拱部采用超前支 護的圍巖條件下，不宜設(shè)置拱部錨桿；在淺埋、 易于發(fā)生整體下沉的圍巖條件下，拱部錨桿的 支護效果不能發(fā)揮的場合，也可以不設(shè)置錨桿 等。 層狀圍巖錨桿配置例 ?其次，在層狀圍巖中，錨桿的配置應(yīng)考慮 層狀圍巖的具體情況設(shè)置。下圖是一些設(shè) 置事例，可供參考。 初期支護的施工步驟例

15、 ?在初期支護中，一般說錨桿都是最后打設(shè) 的。下圖是日本規(guī)范中建議的施設(shè)步驟。 鋼架問題 ?這里有個重要問題，需要提醒大家關(guān)注。就是鋼架的問題。特 別是型鋼鋼架。不管開挖如何精心，開挖后的斷面也是凹凸不 平的。架設(shè)型鋼鋼架很難與圍巖密切接觸，甚至沒有接觸。完 全失去鋼架的支護功能。在型鋼鋼架上設(shè)楔形塊，使之與圍巖 接觸，是國內(nèi)外普遍的做法。 ?下面是日本的鋼架試驗結(jié)果，可供參考。 在其建議的步驟中，錨桿都是最后，而且都是在兩榀鋼架中間 的位置，離開掌子面一定距離施做的，這與我們的做法有所不同。 而最先的步驟都是噴混凝土，而后是立鋼架。 日本在08年的“山嶺隧道設(shè)計施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)”中，建議“采用

16、鋼架，錨桿和噴混凝土的場合，應(yīng)按鋼架、噴混凝土、錨桿的順 序施工，在圍巖穩(wěn)定有問題的場合，開挖后應(yīng)迅速初噴混凝土， 再按鋼架、噴混凝土錨桿的順序施工”。 認識四認識四 “ 工欲善其事，必先利其器工欲善其事，必先利其器” 施工機械化是隧道安全快速施工的基本保證，也 是確保形成支護結(jié)構(gòu)體的基本保證。 人員技 術(shù)素質(zhì) 施工裝 備 精細管 理 隧道施 工 動態(tài)設(shè) 計 實現(xiàn)隧道安全施工的主要因素中，我們應(yīng)該認識到 與國外存在相當(dāng)大的差距。主要體現(xiàn)在機械開發(fā)上 的差距。例如大容量的噴射機及機械手；打設(shè)長掌大容量的噴射機及機械手；打設(shè)長掌 子面錨桿的鉆孔注漿一體化機械、特別是適用于事 前進行腳部補強的機械以

17、及土質(zhì)隧道的插板法機械、前進行腳部補強的機械以及土質(zhì)隧道的插板法機械、 超長鉆孔機械以及機械施工的集約化超長鉆孔機械以及機械施工的集約化等方面，差距 尤為突出。 我們已經(jīng)充分意識到，在軟弱圍巖隧道施工中，早 期斷面閉合的重要性，但實施起來存在許多問題， 其中一個困難就是缺乏“ 順手” 的配套機械。使我們處 在“ 巧婦難為無米之炊” 的尷尬的境地。 ?眾所周知，在城市土質(zhì)隧道中，盾構(gòu)法 是主流方法。這與盾構(gòu)法，實質(zhì)上是“ 斷面 閉合時間” 為0，或者說是“ 極少松弛” 的方法。 整個盾構(gòu)的施工過程是盾殼的保護下完成 的。如果說，圍巖發(fā)生“ 松弛” ，也是在盾尾 離開的瞬間出現(xiàn)的。而在采取“ 同步

18、回填” ， 這種可能發(fā)生的圍巖松弛，也得到了控制。 因此，日本明確提出“ 地表面沒有下沉的盾 構(gòu)技術(shù)“ 。而礦山法很難做到這一點。 例如日本在礦山法施工中，為了提高施工的安全性和達到快速 施工的目的，最近開發(fā)了所謂“隧道機組工作站”的施工系統(tǒng)。 稱之為“TWS” 。 例如圖1就是以鉆孔臺車為基礎(chǔ)把各種專用施工機械組合成一 臺的臺車的多功能型的全斷面開挖機（TWS）。 圖2 TWS的各種施工機械搭載例 以泥巖為主體的軟巖為對象，是按早期閉合的快速施工為目的， 由自由斷面掘進機、鑿巖機、噴射機、全周模板、皮帶運輸機 等組成機械開挖方式的全裝備型大斷面用TWS。 以凝灰角礫巖為主體的中硬巖的復(fù)合圍巖

19、隧道為對象，組成由鑿巖機、 噴射機、鋼支撐架設(shè)機等能夠進行爆破開挖及機械開挖的萬能型大斷 面隧道用TWS。 以花崗巖為主體的硬巖隧道為對象，組成鑿巖機、噴射機等能夠進行 爆破開挖的快速施工的大斷面隧道用 TWS。 腳部預(yù)加固機械 ?作為支護腳部下沉的對策，我們基本上是采取 鋼架下設(shè)置墊板、擴大拱腳、打鎖腳錨桿（管） 的方法。日本基本上采用以腳部鋼管為代表的 腳部補強樁。但在過去的對策中，因為是在上 半斷面開挖后進行施工，其抑制初期下沉的效 果比較小。同時還存在采用水進行鉆孔也會擾 亂圍巖，助長下沉等問題。因此開發(fā)出采用彎 曲大口徑腳部補強樁工法，針對以上問題，預(yù) 先在圍巖開挖前在預(yù)計設(shè)置鋼架的

20、位置打支持 樁，而后進行開挖并架立鋼架。對控制腳部下 沉的效果極佳。 ?該鉆機具有以下特點： ?1.采用彎曲鉆孔能夠?qū)φ谱用媲胺侥_部圍巖進行補 強。 ?2.因為采用彎曲干鉆鉆孔，能夠不擾亂圍巖施工 。 ?3.能夠造成500mm、深3.5的大口徑?高強度的 改良體。 ?4.適応地質(zhì)范圍廣，包括粘性土、砂質(zhì)?礫質(zhì)土、固 結(jié)粉砂巖、泥巖等。 ?因此加強隧道施工機械化的研究和開發(fā)是非常必要 的。 隧道施工機械化的目標(biāo) ?第1步是實現(xiàn)單項作業(yè)的機 械化； ?第2步是實現(xiàn)掌子面各項作 業(yè)的自動化（遠距離控制）， 把作業(yè)人員從掌子面（最危 險地段）撤離出來； ?第3步實現(xiàn)施工的機組化， 把單項作業(yè)集中在一個

21、機組 中，實現(xiàn)安全、快速施工； ?第4步是全面實現(xiàn)隧道施工 的自動化、機械手化及遠距 離控制。 隧道施工機械化的發(fā)展展望 一個構(gòu)思 認識五 實現(xiàn)真正的情報化設(shè)計施工的關(guān)鍵 是“ 情報” ?實現(xiàn)情報化設(shè)計施工的前提條件是要有能夠充分表現(xiàn)隧道 開挖后圍巖和支護構(gòu)件動態(tài)的“ 動態(tài)情報” ；其次是獲得這 些“ 情報” 的可靠“ 方法” 。這2個條件缺一不可。 ?這里所謂的情報，主要是反映圍巖和支護構(gòu)件的位移和應(yīng) 力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)。情報的“ 質(zhì)” 和“ 量” 是分析情報的基礎(chǔ)。 而獲得這些情報的方法，就是觀察、量測、試驗和前方圍 巖的探查方法等。 ?在具備“ 情報” 和“ 方法” 的前提條件下，就是如何“

22、 處理情報” ， “ 整理情報” 、“ 分析情報” 、“ 評價情報” ，進而“ 利用情報” 的 問題，這就需要解決以下2個問題，才能真正的實現(xiàn)“ 管理” 情報化施工 ?實現(xiàn)真正的情報化設(shè)計施工管理必須解決的 2個問 題： ?設(shè)計、施工、決策一體化 ，這是體制問題； ?管理技術(shù)的電子化、信息化和數(shù)字化 ，這是技 術(shù)問題。 ?從我們目前的管理體制看，實現(xiàn)真正意義上的動態(tài) 管理，可能是一句空話，也就是說與一些國家相比， 差距是很大的。 ?從技術(shù)方面看，迅速地組織力量，建立一個完整的 信息化、數(shù)字化的設(shè)計、施工、管理系統(tǒng)，是非常 必要的。這也是當(dāng)前隧道技術(shù)發(fā)展的一個重要方面， 不容忽視。 情報化施工

23、?例如，意大利在修建長Vaglia 隧道中，采用了 ADECO-RS（Analysis of Controlled Deformation in Rocks and Soils）系統(tǒng)進行隧 道的設(shè)計和施工。該系統(tǒng)是一個控制圍巖開挖 后變形的系統(tǒng)，對該隧道的圍巖從調(diào)查階段的 地質(zhì)調(diào)查信息，來正確地掌握地質(zhì)條件的變化， 在設(shè)計階段則根據(jù)地質(zhì)條件的工程劃分級別， 給出基準(zhǔn)，最后根據(jù)開挖時發(fā)生的應(yīng)力、應(yīng)變 的特性給出適合地質(zhì)條件的施工方法和支護結(jié) 構(gòu)。而其中的開挖后的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)（情報） 是通過觀察、量測方法取得的。 情報化施工 ?最近日本建設(shè)省對情報化設(shè)計施工管理系統(tǒng)， 給出的定義是：在工程建設(shè)的

24、調(diào)查、設(shè)計、施在工程建設(shè)的調(diào)查、設(shè)計、施 工、維修管理的實施過程中，以施工為重點，工、維修管理的實施過程中，以施工為重點， 利用在各過程中獲得的與施工有關(guān)的電子情報 和從各種作業(yè)中獲得的電子情報，根據(jù)使用機和從各種作業(yè)中獲得的電子情報，根據(jù)使用機 械和電子儀器、量測儀器的組合加以連動控制械和電子儀器、量測儀器的組合加以連動控制 或?qū)崿F(xiàn)電子網(wǎng)絡(luò)的一元化施工管理，以提高整 個施工的安全性和生產(chǎn)性。個施工的安全性和生產(chǎn)性。這是一個立足于電 子技術(shù)和信息技術(shù)的建設(shè)工程生產(chǎn)管理系統(tǒng)。 它監(jiān)控了設(shè)計、施工及運營管理全過程。 情報化施工 ?在這個思想的指導(dǎo)下，日本的一些會社，都在開發(fā) “ 動態(tài)管理” 的應(yīng)用

25、系統(tǒng)。例如佐藤工業(yè)（株）開發(fā)的 “ SIT系統(tǒng)” ，是一個 把 洞內(nèi)的量測數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、機械和運輸車輛的運行數(shù)據(jù)、通 信數(shù)據(jù)等情報信號，用單一的通信線路進行傳輸，實現(xiàn)洞內(nèi)施 工的一元化管理。西松建設(shè)（株）也開發(fā)了 “ 隧道綜合管理系 統(tǒng)” 。該系統(tǒng)是由情報化施工、設(shè)計支援和質(zhì)量管理、隧道形狀 管理四個子系統(tǒng)構(gòu)成的。其中情報化系統(tǒng)是由 TSP（彈性波探 查）、DRISS（鉆孔探查）、 TDEM（電磁探查）三個掌子面地 質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)組合而成。設(shè)計支援系統(tǒng)則由過去的施工實績 和支護模式、輔助工法等構(gòu)成。同樣地，在 TBM 的掘進管理中 也開發(fā)了類似的系統(tǒng)?？傊?，歐洲、日本等國已紛紛開始隧道 工程

26、動態(tài)管理系統(tǒng)的開發(fā)和研制，有的已開始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。對 促進產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，提高生產(chǎn)效率、降低成本、減少風(fēng)險都起著 十分重要的作用。實際上在這個領(lǐng)域中，我們也有長足的進步， 但問題仍然存在。 情報化施工 ?我們目前存在的問題主要在情報的“ 質(zhì)” 和 “ 量” 上。 ?首先是情報的“質(zhì)”：情報不可靠或不可 信，數(shù)量再多也沒有價值。 ?其次是情報的“量”，沒有足夠數(shù)量的情 報，很難進行統(tǒng)計分析，從情報中找出規(guī) 律。否則，情報化設(shè)計施工就是一句空話。 也就是說我們情報的質(zhì)量和數(shù)量還不能真 實地反映隧道開挖全過程各個階段的動態(tài)。 情報化施工 ?情報的“質(zhì)”，要能夠滿足分析開挖后圍 巖動態(tài)規(guī)律的要求。如在量測中

27、必須切實 掌握： ?初始值（初始位移速度） ?距掌子面1D的位移值、 ?拱頂下沉與拱腳下沉的比值收斂值等的 數(shù)據(jù)（情報） ?多點同時量測的可靠性等。 情報化施工 ?情報的“量”，是分析問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。 （參見各種圍巖的動態(tài)分析） ?獲取情報的途徑和方法是多種多樣的。其 中從途徑上看有：掌子面前方圍巖的探 查、掌子面觀察、量測、各種試驗 （室內(nèi)的、原位的）以及施工數(shù)據(jù)等。 目前我們主要依賴于量測，途徑比較單一。 日本2009年修改的“觀察、量測指南”對 此規(guī)定如下表，可供參考。 量測項目量測目的量測 類型 洞內(nèi)觀察調(diào)查掌子面自穩(wěn)性、毛開挖工作面穩(wěn)定性 掌握巖質(zhì)、斷層破碎帶、褶皺構(gòu)造、變質(zhì)帶等的性

28、質(zhì) 掌握噴混凝土等支護構(gòu)件的變異狀況 對圍巖分級的再評價 A1 原 位 置 調(diào) 查、 試 驗 洞內(nèi)彈性波測定對圍巖分級的再評價 松弛區(qū)域 地層的裂隙、變質(zhì)程度 掌握巖層的強度等 B1 鉆孔調(diào)查掌握巖質(zhì)、斷層破碎帶、褶皺構(gòu)造、變質(zhì)帶、瓦斯 等的性質(zhì) 采取圍巖試驗用試件 利用鉆孔的調(diào)查掌握地基承載力（標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗）、水壓、滲透系數(shù)（涌水 壓試驗）、變形系數(shù)（孔內(nèi)水平加載試驗）等 巖層直剪試驗掌握圍巖的初期抗剪強度、殘余強度及變形系數(shù) 千斤頂試驗掌握變形系數(shù)、地層反力系數(shù) 點荷載試驗點荷載強度注2） 施密特錘試驗施密特錘反彈值注2） 針貫入度試驗針貫入坡度 調(diào)查的項目和內(nèi)容 圍 巖 試 件 試 驗

29、單軸抗壓強度試驗掌握單軸抗壓強度、靜彈性系數(shù)、靜波松比B2 超聲波傳播速度測 定 掌握P波速度、S波速度、動彈性系數(shù)、動波松比 單位體積重量試驗掌握單位體積重量、含水比 吸水率試驗掌握吸水率 壓裂拉伸試驗掌握壓裂拉伸強度 蠕變試驗掌握蠕變常數(shù) 粒度分析試驗土砂圍巖的場合，作為判斷掌子面穩(wěn)定性的資料 泥巖、溫泉余土等場合，作為判斷膨脹性的資料 浸水崩解度試驗軟巖場合，作為判斷對水的穩(wěn)定性的資料 三軸壓縮試驗掌握粘著力、內(nèi)摩擦角及殘余強度 X線回析試驗判定粘土礦物的種類（有無膨脹性粘土） 陽離子交換容量 （CEC） 推定粘土礦物的含有量 量測 拱頂下沉測定監(jiān)視隧道拱頂?shù)慕^對下沉量，了解斷面的變形狀

30、態(tài)， 判斷隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性 A 凈空位移測定根據(jù)位移值、位移速度、位移收斂狀況、斷面變形 狀態(tài)等判斷隧道周邊圍巖的穩(wěn)定性、支護結(jié)構(gòu)的設(shè) 計施工的妥當(dāng)與否以及襯砌的施設(shè)時間 A 地表下沉測定在洞口段和埋深小的區(qū)間，測定隧道縱向的地表下 沉，評價隧道開挖對地表面的影響和隧道的穩(wěn)定性 A3） 量 測 斷隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定性 凈空位移測定根據(jù)位移值、位移速度、位移收斂狀況、斷面變形狀態(tài) 等判斷隧道周邊圍巖的穩(wěn)定性、支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工的妥 當(dāng)與否以及襯砌的施設(shè)時間 A 地表下沉測定在洞口段和埋深小的區(qū)間，測定隧道縱向的地表下沉， 評價隧道開挖對地表面的影響和隧道的穩(wěn)定性 A3） 洞內(nèi)地中位移測 定 了解隧道

31、周邊的松弛區(qū)域和位移值，判斷錨桿長度、設(shè) 計施工妥當(dāng)與否 B 錨桿軸力測定根據(jù)錨桿的應(yīng)變，計算錨桿軸力，確認其效果，判斷錨 桿長度、直徑是否合適 噴混凝土應(yīng)力測 定 根據(jù)作用在噴混凝土背后的土壓、噴混凝土應(yīng)力，確認 其支護效果，判斷是否增噴混凝土等 B5） 地表、地中的位 移測定 判斷隧道開挖對地表的影響和防止下沉對策的效果。推 定隧道周邊的松弛區(qū)域 B 鋼支撐應(yīng)力測定根據(jù)鋼支撐應(yīng)力，判斷鋼支撐的大小、間距是否合適。并 推定作用在鋼支撐上的土壓大小、方向、側(cè)壓系數(shù) 襯砌應(yīng)力測定確認襯砌的穩(wěn)定性、雙設(shè)隧道有無相互干擾 底鼓測定判斷仰拱的必要性和效果 AE測定評價巖爆現(xiàn)象發(fā)生的危險度 錨桿拉拔試驗

32、確認錨桿的錨固效果，根據(jù)拉拔承載力選定合適的錨桿 錨固方式及錨桿類型 注6 ） 前 方 探 查 洞內(nèi)彈性波探查掌握掌子面前方的斷層、破碎帶等的位置和寬度 鉆孔檢層法計算鉆孔速度和鉆孔能量，掌握圍巖狀況比較好地掌握 斷層、破碎帶等的位置和寬度 鉆孔巖粉簡易地掌握掌子面前方的地質(zhì)狀況和地下水狀況 （1）收集數(shù)據(jù) 新的礦山法數(shù)據(jù)庫（以下稱為DB），收納了雙車道公路隧道施工的量測數(shù)據(jù)，其中 包括20192019共14年的數(shù)據(jù)，180座隧道，210個區(qū)間，斷面數(shù)達10347個。 上半斷面水平凈空位移（最終位移值）的頻率分布 初期位移速度和最終位移值的關(guān)系 掌子面評價點與凈空位移值 ?隧道情報化施工的目的

33、是積累通過施工中的觀察和量測獲 得的情報，并確實地把分析的結(jié)果反饋到施工中，以便從 安全性和經(jīng)濟性兩方面具體實現(xiàn)隧道施工的合理性。在重 視地表面下沉的隧道施工條件中，確保施工安全從確實地 保護第三者財產(chǎn)和生命的觀點出發(fā)，是特別重要的。但為 了避免過度的增加工費的對策和合理的管理體制看，考慮 經(jīng)濟性的合理施工對策也是必要的。情報化施工是在具有 許多不確定性因素的隧道施工條件下，追求安全性和經(jīng)濟 性，力圖使施工最佳化上起著不可忽視的作用。 ?從這一點看，施工中的設(shè)計變更是必然的。是情報化施工 的一個基本特征。 認識六認識六 ?解決隧道耐久性問題的根本，是提高混凝 土或鋼筋混凝土二次襯砌的耐久性 ?

34、這個問題，我們談?wù)摰暮芏?。但究竟如何認識和解決這個 問題？，各自表述。 ?在隧道結(jié)構(gòu)物的性能設(shè)計中，結(jié)構(gòu)的耐久性是一個重要的 內(nèi)容。 ?耐久性的定義：隨著時間，起因于材料特性的變化使結(jié)構(gòu) 物和構(gòu)件性能變化的抵抗性能。因此，耐久性主要是以起 因于材料特性變化而產(chǎn)生的影響為對象的。 ?根據(jù)國內(nèi)外近期的調(diào)查顯示： ?存在混凝土二次襯砌，沒有經(jīng)過補修而使用超過百年的存在混凝土二次襯砌，沒有經(jīng)過補修而使用超過百年的 事例；事例； ?經(jīng)過適當(dāng)補修，補強的二次襯砌可以延長其使用年限； ?運營中的隧道有隨時間逐漸劣化的趨勢。運營中的隧道有隨時間逐漸劣化的趨勢。 ?其劣化的原因多數(shù)是由于施工中質(zhì)量沒有達到設(shè)計要

35、求所 致。把這個原因除外，造成隧道結(jié)構(gòu)劣化的原因主要來自 兩個方面：一個是二次襯砌背后的圍巖的劣化，一個是二 次襯砌本身的劣化所造成的。 ?因此，研究隧道的耐久性必須從這兩個方面著手。 ?一般說，圍巖的劣化，當(dāng)隧道建成后，圍巖受施工影響的 部分，在超前支護和初期支護的作用下，基本上是穩(wěn)定的。 如果說，隨著時間，施工中施做的支護失效，最多是圍巖 恢復(fù)到?jīng)]有支護前的狀態(tài)。此外，既使圍巖劣化，其過程 也是極為緩慢的，不會是突發(fā)性的（地震、暴雨、海嘯等 突發(fā)原因除外）。因此，在耐久性設(shè)計中，可用不考慮圍 巖劣化的問題。 ?另一個原因是二次襯砌的劣化問題。歸根結(jié)底，隧道的耐 久性還是由二次襯砌來體現(xiàn)。

36、?混凝土的耐久性基本上是由其強度決定的。日本在2009年 版的JASS5中，計劃使用期間的級別改訂為超長期、長期、 標(biāo)準(zhǔn)及短期4類。耐久設(shè)計基準(zhǔn)強度為超長期36 N/mm2， 長期30 N/mm2，標(biāo)準(zhǔn)24 N/mm2及短期18 N/mm2。保護 層的厚度，超長期的增加10mm。 ?山嶺隧道的二次襯砌主要是素混凝土的，部分是鋼筋混凝 土的。 ?素混凝土的二次襯砌的劣化是混凝土的劣化。造成素混凝 土劣化的原因有：凍融循環(huán)；化學(xué)侵蝕及堿性骨料反應(yīng)。 鋼筋混凝土二次襯砌的劣化主要是鋼筋的腐蝕，而造成鋼 筋腐蝕的原因有：開裂、炭化及氯離子侵蝕。 ?從目前國內(nèi)外的隧道現(xiàn)狀看，隧道二次襯砌從耐久性角度出發(fā)

37、，應(yīng)滿 足以下條件。 ?盡可能地不采用鋼筋混凝土襯砌，必要時可采用纖維混凝土代替；盡可能地不采用鋼筋混凝土襯砌，必要時可采用纖維混凝土代替； ? 如必須采用鋼筋混凝土，其保護層厚度應(yīng)滿足百年使用期的要求， 即不小于50mm（炭化可能的深度）； ?混凝土的設(shè)計基準(zhǔn)強度（混凝土強度等級）不低于混凝土的設(shè)計基準(zhǔn)強度（混凝土強度等級）不低于C35； ?無特別理由，二次襯砌都應(yīng)設(shè)置仰拱，仰拱的厚度（包括噴混凝土 之內(nèi)）應(yīng)大于拱墻的厚度；或者拱墻采用混凝土，仰拱采用纖維混凝 土；加強底部是提高二次襯砌耐久性的重要對策之一，不容忽視； ?必須使仰拱和拱墻成為一體的封閉型結(jié)構(gòu)； ?改善混凝土配比、澆筑、搗固、

38、養(yǎng)護等一系列作業(yè)，盡可能地提高 混凝土的質(zhì)量； ? 減少混凝土襯砌的初始缺陷，特別是初始潛在的開裂。 ?為了提高混凝土襯砌的耐久性，日本提出初期開裂為0的 技術(shù)。 ?此法由以下8項技術(shù)構(gòu)成 ?品質(zhì)隧道襯砌拱頂搗固系統(tǒng)（搗固） ?浮動管式（帶傳感器）雷達系統(tǒng)（搗固） ?拱頂部水平壓入澆筑工法（澆筑） ?混凝土充填管理系統(tǒng)（充填壓力） ?噴霧養(yǎng)生工法（養(yǎng)生） ?隔壁養(yǎng)生工法（養(yǎng)生） ?省力、省人澆筑系統(tǒng)（澆筑） ?搗固工法（搗固） ?這充分說明，減少混凝土襯砌初始缺陷是非常重要的。 根據(jù)表2的抗壓強度試驗結(jié)果，前者比后者約大15。 ?日本目前對隧道的耐久性的認識，例如以各自治體的隧道維護管理實 例

39、（石川縣例）為例，在隧道中，是不考慮使用壽命。因為襯砌混凝 土剝落等是能夠補修的，并不是壽命中止的狀態(tài)。隧道與橋梁等不同， 是基本上不考慮更換的結(jié)構(gòu)物。因此，只按考慮進行適當(dāng)?shù)木S修管理 就能夠繼續(xù)永久使用，其耐用年限是永久的，是不考慮壽命的結(jié)構(gòu)物。 因此，日本提出預(yù)防管理的要求。 ?因此，根據(jù)隧道健全度指數(shù)THI（Tunnel Health Index）指標(biāo)來決定對 策前的剩余壽命和應(yīng)采用的對策。該縣的健全度指標(biāo)TNI示于下表。 ?健全 度 THI值對策前剩 余壽命 狀態(tài)、定義對應(yīng) 不良地質(zhì)其它 1小于201年以內(nèi)立即采取對策進行調(diào)查設(shè)計、實施對策 220403年以內(nèi)及早采取對策 340601

40、0年以內(nèi) 進行重點監(jiān)視，必要 時有計劃的采取對策 實施調(diào)查監(jiān)視 量測 定期檢查 4608060年以內(nèi) 以后采取對策定期檢查 580以上 無變異，即使有，也 沒有影響 認識七認識七 從對大斷面隧道的支護結(jié)構(gòu)正向高強度、薄型化方從對大斷面隧道的支護結(jié)構(gòu)正向高強度、薄型化方 向發(fā)展向發(fā)展 ? 鐵路、公路的高速化，迫使隧道向大斷面方向發(fā)展，目前 日本的東名名神高速公路隧道的斷面，已經(jīng)達到 150200m2，我國的300km/h時速的鐵路隧道的斷面積 也超過150m2。在這種條件下，隧道的支護結(jié)構(gòu)參數(shù)也必 然發(fā)生變化。解決方法有二：一個是把原來的參數(shù)，如噴 混凝土加厚、錨桿加密或加長、鋼架密或采用重型鋼

41、架， 二次襯砌加厚并采用鋼筋混凝土襯砌等；一個方法是改變 材料規(guī)格，如采用高強度噴混凝土、錨桿、鋼架及二次襯 砌，而不改變其厚度或加密等。我們目前基本上是按第一 種方法處理的。日本則主要采用第2種方法處理。 ?為了進行比較，現(xiàn)把日本東名名神高速公路隧道及我國 350km/h的支護結(jié)構(gòu)參數(shù)的比較列于下表。 圍 巖 級 別 支 護 模 式 標(biāo)準(zhǔn) 一次 掘進 進尺 (m) 錨桿噴混凝土 (高強度) 厚度(cm) 鋼支撐襯砌變形 富裕 (cm) 長度 (m) 承載力 (kN) 橫向間 距(m) m2/根 縱向間 距(m) 上半 斷面 下半 斷面 拱/ 墻 仰拱 上半斷面超前工法 BB2.0上半4.0

42、下半4.0 上半170 下半170 2.03.8 2.010(只在上 半斷面采 用纖維噴 混凝土) -40-0 局部， 2.5m 5-3535* 45 5 C1C11.5上半6.0 下半4.0 上半290 下半170 2.02.9 1.515HH- 154 -40550 3.01.51.212405010 C2C21.2上半6.0 下半4.0 上半290 下半170 1.61.81.215HH- 154 HH- 154 40550 3.51.21.225 隧底10 拱墻22格柵 1.0 45 * 55*15 D1D11.0上半6.0 下半6.0 上半290 下半170 1.51.41.020H

43、H- 154 HH- 154 50700 4.01.21.028全環(huán) 25格柵 0.8或I-200 50 * 60*20 D2個別設(shè)計 D3洞口段設(shè)計 ?從比較中可以看出： ?1錨桿采用的充填材料是早強砂漿;錨桿的設(shè)計承載力,上半斷面采用 290kN,但根據(jù)量測結(jié)果認為承載力沒有問題的場合,可改為170kN;錨 桿在位移大的場合,要采用羅紋棒鋼,承載力不足的場合,可增加錨桿的 根數(shù);錨桿長度基本上是46m； ?3鋼支撐采用高規(guī)格的鋼支撐;其鋼架的高度，基本上不超過160mm, 間距1.0m; ? 4噴混凝土采用高強噴混凝土(纖維噴混凝土),設(shè)計基準(zhǔn)強度36MPa， 噴混凝土厚度最大不超過20c

44、m； ?5二次襯砌，基本上采用素混凝土，必要時可采用單筋混凝土或纖維 混凝土，設(shè)計基準(zhǔn)強度為36MPa； ?6不留變形富余量； ?注：日本的隧道開挖斷面積150200m2左右，我國的約在 150170m2左右 認識八認識八 地下水問題仍然是當(dāng)前隧道的主要問題地下水問題仍然是當(dāng)前隧道的主要問題 ?運營隧道發(fā)生的許多病害，施工隧道發(fā)生的許多災(zāi)害幾乎 都直接或間接地與地下水有關(guān)。在這方面我們積累了很多 經(jīng)驗和教訓(xùn)。 ?從設(shè)計角度出發(fā)，地下水處理要符合以下3個原則。 ?原則一：運營中的隧道洞內(nèi)不能成為地下水流經(jīng)的通道。 我們目前在洞內(nèi)拱腳兩側(cè)設(shè)置排水溝的做法是值得商榷的 。 ?原則二：必須用防水層把地

45、下水隔斷在隧道的外面。要此 根本上解決防水層的鋪設(shè)問題 ?原則三：隧道襯砌背后必須形成一個縱橫交錯的、不易堵 塞的、通暢的排水系統(tǒng)。 ?實現(xiàn)第1個原則的基本措施是把排水管（溝）移設(shè)到仰拱 的填充層或仰拱的下面，也有把排水管（溝）設(shè)置在襯砌 拱腳的外側(cè)。這也是國外隧道中比較普遍的做法。 ?實現(xiàn)第2個原則的基本措施是在襯砌背后設(shè)置隔 離地下水進入隧道的防水層。 ?目前我們主要是采用防水板作為防水層的主要方 法。這是隔離地下水最基本的方法。我們一定完 善鋪設(shè)防水板的技術(shù)，使之真正達到隔離地下水 的目的。目前一些國家如日本、歐洲等都在開發(fā) 噴涂防水層的技術(shù)。我們也在研究。今后很可能 是防水板和噴涂防水

46、層并用的時代，特別是在洞 內(nèi)一些防水板不易鋪設(shè)的位置，采用噴涂方法是 有利的。 ?日本，為了改進防水板的鋪設(shè)工藝，近期在修建東京都最 后一條通向筑波的一些鐵路隧道中采用了一種改進的防水 板鋪設(shè)方法。此法是把防水板直接鋪設(shè)在防水板臺車上， 焊接成要求寬度的防水板。并用活動模板臺車把防水板設(shè) 置在規(guī)定的位置，固定好，而后向防水板和噴混凝土間的 空隙灌注回填的充填材。其施工順序示于圖。 ?工程試驗的結(jié)果證實，此法的特長如下。 ?1）提高防水性 ?可把一定長度的防水板，在廠內(nèi)加工成要求的長度搬入，減少了現(xiàn)場的焊接作業(yè)； ?減少了錨桿頭部的突出對防水板的破損； ?減少了鋼筋組裝作業(yè)的破損，補修容易； ?

47、因為防水板與噴混凝土是密著的，能夠形成確實的防水屏障。 ?2）提高襯砌混凝土的品質(zhì) ?拱厚一定而且均勻； ?提高襯砌與噴混凝土的隔離作用； ?不妨礙防水板側(cè)的混凝土充填，形成與混凝土密著的構(gòu)造； ?3）降低成本，與過去的防水板鋪設(shè)方法，成本基本相同 ?即使降低防水板的品質(zhì)，防水效果也是充分的； ?不需要修補噴混凝土地凹凸部，對掌子面循環(huán)無影響； ?能夠適應(yīng)不同情況（全斷面、半斷面等）的防水要求。 ?4）降低作業(yè)環(huán)境、周邊環(huán)境的負荷 ?防水板的鋪設(shè)可以采用人力或機械的，作業(yè)強度低； ?實現(xiàn)了防水板從焊接到鋪設(shè)、回填壓注一體化施工 ?實現(xiàn)第2個原則的另一個對策就是在富水、大量涌水的隧 道中，必須設(shè)

48、置一定厚度的注漿防水層必須設(shè)置一定厚度的注漿防水層。把地下水隔離距把地下水隔離距 隧道一定范圍以外。也就是說，適當(dāng)降低隧道周邊一定范隧道一定范圍以外。也就是說，適當(dāng)降低隧道周邊一定范 圍內(nèi)的圍巖的透水性能。必要時要把隧道周邊圍巖也做成圍內(nèi)的圍巖的透水性能。必要時要把隧道周邊圍巖也做成 隔離地下水的一個屏障隔離地下水的一個屏障注漿注漿。日本在青函海底隧道， 實際上就是用注漿方法形成滲透系數(shù)比較小的防滲透層， 而取得成功的。實際上我們在一些隧道中也是這樣做的。 ?以隧道為對象進行注漿的目的大體上分為圍巖補強和止水 兩種。其注漿工法和材料沒有特別的不同。 ?日本規(guī)定在大壩的注漿中，主要采用水泥漿作為注漿止水 的標(biāo)準(zhǔn)工法，作業(yè)方法和管理步驟均已標(biāo)準(zhǔn)化。隧道的止 水注漿可以參考，其改良目標(biāo)規(guī)定見下圖。 ?從以上條件看，隧道的止水注漿比大壩的條件要嚴(yán)格些。 為此，在注漿材料和注漿工法等方面要加以改善，但施工 條件是千差萬別的，要根據(jù)具體情況具體對應(yīng)。 ?涌水量不管巖類和強度，均與圍巖自身的透水系數(shù)有關(guān) 。如改善透水系數(shù)小于10-6cm/s時，就能夠開挖； ?如果與圍巖的滲透系數(shù)聯(lián)系起來看，10-510-6滲透系