隧道工程概論(四)

1、2022-2-21隧道工程概論（四）Legend User2022-2-22隧道工程地質預測預報技術線別線別隧道名稱隧道名稱地質災害情況地質災害情況水柏線新寨二號隧道（659m)1999年6月19日，在石灰?guī)r與玄武巖接觸帶處發(fā)生特大涌泥，軟塑流塑狀的粘土夾塊石、孤石突出物，掩埋隧道洞身77m ，并造成3死2傷的重大傷亡事故。渝懷線圓梁山隧道（11068m)在施工過程中，多次發(fā)生突水涌泥，其中最嚴重一次是2002年9月10日在正洞超前下導坑施工至DK354+879處發(fā)生的突泥事故，一次突泥量達4200m3，封堵導坑329m，死亡9人。 渝懷線武隆隧道(9418m)橫洞工區(qū)于2002年、2003年

2、發(fā)生四次較大規(guī)模涌水，最大涌水量達800多萬方/天，造成多次停工，機械設備淹沒、沖走，損失近千萬元。 u近幾年隧道施工發(fā)生地質災害情況2022-2-23隧道工程地質預測預報技術n失格隧道統(tǒng)計失格隧道統(tǒng)計截止2001年底，全路共有正式運營隧道5711座，其中因病害失格的隧道有3389座，占運營隧道總座數的64.2。n大瑤山隧道大瑤山隧道基底破損，道床下沉、失穩(wěn)、翻漿冒泥。n南嶺隧道南嶺隧道因嚴重漏水、射水造成軌枕板嚴重空吊、翻漿、道床涌水，中斷行車。n米花嶺隧道米花嶺隧道出口隧道底部積水、道床翻漿冒泥。n萬山寺隧道萬山寺隧道2001年11月4日，通車運營僅3年的達成線萬山寺隧道K149635處，

3、長30m的拱頂坍塌，坍體約1000m3，影響運營兩個多月。n新興安嶺隧道新興安嶺隧道襯砌襯砌厚度嚴重不足，掉塊，嚴重影響行車安全。部分襯砌拆除重建。2022-2-24地質超前預報法地質分析法物探法水平鉆探法地質素描地下水觀測地質作圖地下地質構造與地表相關性分析地震波反射法鉆孔測試法(聲波、電阻率等)地質雷達法紅外線法聲波法短鉆孔（包括爆破孔）長鉆孔（30100m）超前導坑正洞施工作業(yè)面孔內成像隧 道 超 前 地 質 預 測 預 報 方 法2022-2-25隧道工程地質預測預報技術n在長大復雜地質條件的隧道施工地質預報工作中，應堅持隧道洞內探測與洞外地質勘探的結合、地質方法與物探方法的結合、多種

4、物探方法的結合、地球物理方法與超前水平鉆探的結合，開展多層次、多手段的綜合超前地質預報，并貫穿整個施工過程，根據隧道具體情況選定實施組合。2022-2-26隧道工程地質預測預報技術n掌子面超前預報可采用地震波反射法（含TSP、VSP高頻地震法）、聲波法（HSP、CT）、地質雷達、紅外探水、水平鉆孔及成像、洞探（含平行導坑、正洞先行導坑）等方法，根據具體情況選擇使用。n綜合地質超前預報的模式可以根據隧道的規(guī)模、隧道所經地區(qū)的工程地質和水文地質條件和不良地質控制因素等合理選用地面預報和洞內預報相結合的模式。對長隧道以洞內預報為重點，短隧道以地面預報為主2022-2-27隧道工程地質預測預報技術n當

5、前一般隧道工程對施工地質超前預報的重要性認識不足、投入不夠、預報準確率不高是影響推行超前預報的重大障礙。 因此，學術委員會建議： 1 在施工全過程中，必須把超前地質預報作為工序專項實施，經費專項列支。 2 在組織上必須建立由各專業(yè)人員組成的地質預報隊伍。 3 在管理上實施動態(tài)管理。 4 盡早制定隧道施工地質預報工作細則。2022-2-28隧道施工的量測技術 當前隧道施工的最大特征就是把量測、觀察技術和方法引進到施工中，并作為施工的一個重要而不可缺少的環(huán)節(jié)予以實施。其目的之一，就是要根據觀察、量測等得到的資料對已開挖的區(qū)間和掌子面前方的圍巖狀況進行預測，并反映到施工中去。 觀察的方法，我們在認識

6、圍巖、了解圍巖中已經詳加說明。這里僅對量測方法中的一些問題做進一步地說明。2022-2-29隧道施工的量測技術 量測項目的選擇 量測項目的選擇，要充分考慮各個量測的作用和結果的利用。我們通常把量測項目分為2大類。即為日常施工管理所必需進行的必測項目和考慮圍巖條件而需要增補的項目。目前的問題是在施工中，如何根據圍巖的狀態(tài)來選擇應該實施的項目。例如在硬巖中，洞壁位移量測究竟有多大的意義，就值得商榷。而在軟巖和土砂圍巖中，它的作用是非常顯著的。 表1列出的在各種圍巖條件下量測項目的重要性，可以作為選擇實施項目的參考。2022-2-210 圍巖種類和量測項目的重要度量測項目 圍巖種類必測項目增補項目洞

7、內觀察凈空位移拱頂下沉洞地外表地面中下位沉移 洞內地中位移錨桿軸力襯砌應力鋼支撐應力錨桿拉拔試驗圍巖試件試驗洞內彈性波硬巖*軟巖*軟巖（有大塑性地壓發(fā)生）土砂* ：必須實施的項目；：可以實施的項目；：必要時實施的項目；2022-2-211隧道施工的量測技術 管理體制及基準值的設定管理體制及基準值的設定 在量測中，最重要的是要有一個基準，以便評價設計、施工是否妥當，并根據該值進行施工管理。不同的量測項目有不同的量測管理值。n 管理基準值多數是按有量測可能的凈空位移值、位移速度、巖石變形等規(guī)定的，這些作為管理基準，是以確保圍巖的穩(wěn)定，不能使圍巖強度和支護功能急劇喪失（考慮初期支護的承載力富裕），能

8、夠確保襯砌厚度線在位移內收斂等為前提條件設定的。在埋深小和膨脹性圍巖的條件下，對地表面下沉和地中位移、錨桿軸力等也要設定管理基準值。 應該指出，在不連續(xù)性圍巖中，量測結果不一定能夠完全反映圍巖的動態(tài)，應結合洞內觀察的結果設定管理基準。 設定管理基準值時，基本上考慮對隧道周邊圍巖不要產生有害的松弛為前提。但明確地推定發(fā)生有害松弛的位移值是很困難的。要進行多方面的研究才行。2022-2-212 基準值的設定可以采用以下方法。 一、參考類似工程事例的方法 參考過去的工程事例，并考慮圍巖條件、斷面的大小、施工方法、支護構件的數量等決定。表2是日本鐵路隧道的凈空位移的管理基準值例，可供參考。 表2凈空位

9、移值的管理基準圍巖級別凈空位移值 單線雙線、新干線 I 或特S大于75mm大于150mm I25mm75mm50mm150mm IIV小于25mm小于50mm2022-2-213 二、根據解析方法的設定方法 采用FEM解析等方法，求出的位移值作為管理基準的方法。 三、 根據極限應變的方法 調查試件的極限應變，作為開挖中的隧道達到該應變時的基準值 拱頂下沉的管理基準值(隧道半徑：5m)級別水準ABCI0.30,50.51.01.03.0II1.01.51.54.04.09.0III3.04.04.011.011.027.0 注：1）位移基準值是開挖引起的總位移，量測拖后時應注意； 2）本基準是指

10、埋深大的情況下的，埋深小時，要采用比表列更小的數值； 3）巖塊硬、裂隙影響顯著的圍巖，采用時要注意。2022-2-214隧道施工的量測技術 四、根據支護構件變異的設定方法 噴混凝土、錨桿的變異可以反映當時的荷載、位移等情況，因此可以決定噴混凝土的破壞應變和錨桿破斷的位移作為大致基準。 五、采用上述各種方法組合的綜合方法。2022-2-215隧道施工的量測技術 量測管理量測管理 量測得到的結果，應迅速地反饋到設計施工中去，力求提高施工的安全性和經濟性。 把量測結果反映到設計施工中的目的，首先是確認施工的安全性，其次是提高工程的經濟性。 前面提到的量測管理基準值，在實際施工中，應通過一定的管理體制

11、予以管理。如圖1的設定例所示，根據不同階段的管理水平進行管理。 予設計階段設定的基準值，可作為施工初期的管理基準，隨著施工的進展，應適當修正管理基準值。2022-2-216隧道施工的量測技術A：通常體制-定時量測、洞內觀察程度；B：注意體制-加強觀察量測頻率、現場檢查、強化作業(yè)人員的注意C：要注意體制-加強觀察量測體制、根據管理基準值預測最終位移值、實施對策；D：嚴重注意體制-停止掌子面開挖、解析變異原因及趨勢、再研究支護模式等。2022-2-217隧道施工的量測技術 1）凈空位移和拱頂下沉測定 凈空位移和拱頂下沉值是隧道開挖時圍巖動態(tài)、圍巖條件、支護效果的綜合體現。是在隧道全長進行的重要的量

12、測項目。此項目的量測結果可用以判斷：周邊圍巖的穩(wěn)定性；初期支護的妥當與否及襯砌、仰拱的灌注時間等。2022-2-218隧道施工的量測技術 最大位移速度和最大凈空位移值的關系與圍巖條件、施工方法有密切關系，是很離散的，但也有一定的相關關系，在施工的初期階段預測最終位移值是有可能的。在采用臺階法施工的圍巖條件中，最大位移速度超過20mm/d時，最終位移值是相當大的，因此應及早采取措施（圖2）。2022-2-219 最大位移與最大位移速度的關系2022-2-220 最終位移的預測方法如下。 一、利用量測開始的初期階段出現的最大位移速度（mm/日）和該點的最終位移值（mm）的相關關系的方法。 二、根據

13、開挖3天的位移速度X1X3，按下式求出最終位移值Y。 Y=A+BX1+CX2+DX3 常數A、B、C、D根據量測結果采用重回歸分析方法求出。 三、在任意距離L的位移實測值U1,同樣地，取對應Lk的位移Uk。設Lk=2L1,則最終位移值A可由下式求出。 A=U1/（U1-Uk拱頂下沉值，對確認圍巖穩(wěn)定性，特別是對預測拱頂崩塌是重要的，在埋深小的隧道中應和地表面下沉測定一起進行判斷。 2022-2-221隧道施工的量測技術n2）地表面下沉和地中位移測定 地表面下沉、地中位移測定，是在埋深比較小的隧道中實施的，是為了掌握地表面產生下沉及其影響范圍或周邊圍巖的松弛區(qū)域而進行的。 從周邊圍巖穩(wěn)定性的觀點

14、出發(fā)，確定評價基準是很難的，但根據下沉曲線的形狀和最大下沉值還是可以直接判斷周邊圍巖的穩(wěn)定性的。 此外，與接近結構物時的管理基準，可采用容許傾斜值，但該值與結構物的種類、用途、構造等有關，根據日本的一些規(guī)定，如國鐵結構物檢查基準提出：結構物的傾斜，不管是橫向或縱向，如在1/150以下，就不會影響結構物的功能和構造。2022-2-222隧道施工的量測技術 橫斷方向的地表面下沉曲線是左右非對稱的，出現下沉值異常大的場合，多數是由于偏壓地形、接近施工等造成的，因此應增加其他量測項目，仔細研究地形、地質構造等。 下沉值也受到地下水的影響，因此也要周圍與地下水外、降雨等有關的條件。2022-2-223隧

15、道施工的量測技術 3）地中位移測定 地中位移發(fā)生的模式，如表5所示，因圍巖條件、施工方法而異。特別是如果不與地質狀況及凈空位移值一起研究，可能會得出錯誤的判斷，因此，進行綜合判斷是很重要的。 例如，該表的最下面的圖，凈空位移值大，但地中位移值小的情況，這是因為地中位移計的基準點設置在松弛區(qū)內，沒有進行正確的量測所致。 凈空位移值比預計的大，松弛區(qū)比錨桿長度深時，在研究錨桿軸力中，或是加長錨桿或是增加根數。 反之，凈空位移值小，松弛區(qū)也小，要研究或是縮短錨桿長度或是減少根數的問題。2022-2-2242022-2-2251） 4）、錨桿軸力測定 可以根據錨桿軸力分布的峰值位置或峰值的大小，一般可

16、做出表6的判斷。2022-2-226隧道施工的量測技術n 5）、襯砌應力測定n 襯砌應力的測定，重要的是測定隧道徑向的背后土壓和切向的噴混凝土應力。 背后土壓的測定 噴混凝土應力的測定n 6）、鋼支撐應力測定 根據鋼支撐應力測定的結果，可以按鋼材的容許應力作為大致標準檢驗已施工區(qū)段的支護的妥當與否。 綜合考慮鋼支撐的斷面力和噴混凝土的斷面力，能夠評價兩者的荷載負擔率，來適當地選定鋼支撐的間距、尺寸等。 同時，根據鋼支撐應力測定結果可以計算出軸力、彎矩、剪力，并推斷作用的土壓的分布狀態(tài)。2022-2-227隧道施工的量測技術n7）錨桿拉拔試驗 錨桿拉拔試驗是在施工前的露頭處，或是在施工初期階段進

17、行的，求出破斷時的抗力，作為設計承載力，來選擇材質、形狀、錨固方式等。n8）洞內彈性波測試 洞內彈性波速度測定，主要是在隧道洞內側壁發(fā)射地震波、而后記錄該地震波，說明傳播（屈折波）的狀況，并推斷圍巖的性質。與凈空位移、地中位移的測定結果一起可以評價松弛區(qū)的范圍。 此外，與初期的地表面彈性波速度測定結果比較，可以重新評價圍巖級別，與圍巖試件試驗一起，可以推斷圍巖的強度。2022-2-228隧道施工的量測技術 設計的修正設計的修正 施工階段應基于觀察、量測結果，判斷預設計不合適的情況，應毫不遲疑地修正設計。 考慮到地質條件的復雜性和位于地中的隧道結構的特性，要想事前進行全線的、詳細的導致調查，在技

18、術上、經濟上都是有困難的。為此，根據初步設計的圍巖條件進行設計，要在施工中根據對掌子面及洞內觀察等量測結果的分析，評價進行必要的修正是極為重要的。特別是，量測結果與初期預測有較大差異，而確認必須進行設計變更時，應毫不遲疑地根據圍巖的變化修正設計。2022-2-229隧道施工的量測技術 支護結構的變更，如下所述，可分為兩種情況考慮：（1）變更未開挖部分的預設計 根據地質調查結果等設計等設計的初期支護模式，是標準的支護模式，應根據觀察、量測結果和具體的圍巖狀況進行合理的修正。此時，因圍巖條件、位移值和當初預計的差異的大小和前方預測的情況等有很大差異，因此，變更的內容和規(guī)模也不同。同時，為確保施工的安全、效率等，也要修正輔助工法。2022-2-230隧道施工的量測技術 （2）變更已開挖部分的預設計 開挖后位移不收斂的情況的對策，可增打錨桿、增加噴混凝土厚度、仰拱臨時閉合等。要充分研究增加的支護構件的形狀、材質等采取適當的對策。 同時，要求地表面下沉、對周邊結構物的限制必須收斂到某一限度內時，應分析研究量測結果和當前的支護結構的力學性能。在這種情況下。必要時，可采取隔斷壁等防護措施。 判斷修正的必要性，除根據量測結果外，一般的修正方法和注意事項，列于表7。2022-2-23