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(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)線別線別隧道名稱隧道名稱地質(zhì)災(zāi)害情況地質(zhì)災(zāi)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(yán)重一次是2002年9月10日在正洞超前下導(dǎo)坑施工至DK354+879處發(fā)生的突泥事故，一次突泥量達(dá)4200m3，封堵導(dǎo)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(dá)800多萬方/天，造成多次停工，機(jī)械設(shè)備淹沒、沖走，損失近千萬元。 u近幾年隧道施工發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害情況2022-2-23隧道工程地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)n失格隧道統(tǒng)計(jì)失格隧道統(tǒng)計(jì)截止2001年底，全路共有正式運(yùn)營隧道5711座，其中因病害失格的隧道有3389座，占運(yùn)營隧道總座數(shù)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(yán)重漏水、射水造成軌枕板嚴(yán)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(yùn)營僅3年的達(dá)成線萬山寺隧道K149635處，

3、長30m的拱頂坍塌，坍體約1000m3，影響運(yùn)營兩個(gè)多月。n新興安嶺隧道新興安嶺隧道襯砌襯砌厚度嚴(yán)重不足，掉塊，嚴(yán)重影響行車安全。部分襯砌拆除重建。2022-2-24地質(zhì)超前預(yù)報(bào)法地質(zhì)分析法物探法水平鉆探法地質(zhì)素描地下水觀測地質(zhì)作圖地下地質(zhì)構(gòu)造與地表相關(guān)性分析地震波反射法鉆孔測試法(聲波、電阻率等)地質(zhì)雷達(dá)法紅外線法聲波法短鉆孔（包括爆破孔）長鉆孔（30100m）超前導(dǎo)坑正洞施工作業(yè)面孔內(nèi)成像隧 道 超 前 地 質(zhì) 預(yù) 測 預(yù) 報(bào) 方 法2022-2-25隧道工程地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)n在長大復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，應(yīng)堅(jiān)持隧道洞內(nèi)探測與洞外地質(zhì)勘探的結(jié)合、地質(zhì)方法與物探方法的結(jié)合、多種

4、物探方法的結(jié)合、地球物理方法與超前水平鉆探的結(jié)合，開展多層次、多手段的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，并貫穿整個(gè)施工過程，根據(jù)隧道具體情況選定實(shí)施組合。2022-2-26隧道工程地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)n掌子面超前預(yù)報(bào)可采用地震波反射法（含TSP、VSP高頻地震法）、聲波法（HSP、CT）、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、水平鉆孔及成像、洞探（含平行導(dǎo)坑、正洞先行導(dǎo)坑）等方法，根據(jù)具體情況選擇使用。n綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的模式可以根據(jù)隧道的規(guī)模、隧道所經(jīng)地區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件和不良地質(zhì)控制因素等合理選用地面預(yù)報(bào)和洞內(nèi)預(yù)報(bào)相結(jié)合的模式。對長隧道以洞內(nèi)預(yù)報(bào)為重點(diǎn)，短隧道以地面預(yù)報(bào)為主2022-2-27隧道工程地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)n當(dāng)

5、前一般隧道工程對施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的重要性認(rèn)識不足、投入不夠、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率不高是影響推行超前預(yù)報(bào)的重大障礙。 因此，學(xué)術(shù)委員會建議： 1 在施工全過程中，必須把超前地質(zhì)預(yù)報(bào)作為工序?qū)ｍ?xiàng)實(shí)施，經(jīng)費(fèi)專項(xiàng)列支。 2 在組織上必須建立由各專業(yè)人員組成的地質(zhì)預(yù)報(bào)隊(duì)伍。 3 在管理上實(shí)施動態(tài)管理。 4 盡早制定隧道施工地質(zhì)預(yù)報(bào)工作細(xì)則。2022-2-28隧道施工的量測技術(shù) 當(dāng)前隧道施工的最大特征就是把量測、觀察技術(shù)和方法引進(jìn)到施工中，并作為施工的一個(gè)重要而不可缺少的環(huán)節(jié)予以實(shí)施。其目的之一，就是要根據(jù)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(jìn)行預(yù)測，并反映到施工中去。 觀察的方法，我們在認(rèn)識

6、圍巖、了解圍巖中已經(jīng)詳加說明。這里僅對量測方法中的一些問題做進(jìn)一步地說明。2022-2-29隧道施工的量測技術(shù) 量測項(xiàng)目的選擇 量測項(xiàng)目的選擇，要充分考慮各個(gè)量測的作用和結(jié)果的利用。我們通常把量測項(xiàng)目分為2大類。即為日常施工管理所必需進(jìn)行的必測項(xiàng)目和考慮圍巖條件而需要增補(bǔ)的項(xiàng)目。目前的問題是在施工中，如何根據(jù)圍巖的狀態(tài)來選擇應(yīng)該實(shí)施的項(xiàng)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(xiàng)目的重要性，可以作為選擇實(shí)施項(xiàng)目的參考。2022-2-210 圍巖種類和量測項(xiàng)目的重要度量測項(xiàng)目 圍巖種類必測項(xiàng)目增補(bǔ)項(xiàng)目洞

7、內(nèi)觀察凈空位移拱頂下沉洞地外表地面中下位沉移 洞內(nèi)地中位移錨桿軸力襯砌應(yīng)力鋼支撐應(yīng)力錨桿拉拔試驗(yàn)圍巖試件試驗(yàn)洞內(nèi)彈性波硬巖*軟巖*軟巖（有大塑性地壓發(fā)生）土砂* ：必須實(shí)施的項(xiàng)目；：可以實(shí)施的項(xiàng)目；：必要時(shí)實(shí)施的項(xiàng)目；2022-2-211隧道施工的量測技術(shù) 管理體制及基準(zhǔn)值的設(shè)定管理體制及基準(zhǔn)值的設(shè)定 在量測中，最重要的是要有一個(gè)基準(zhǔn)，以便評價(jià)設(shè)計(jì)、施工是否妥當(dāng)，并根據(jù)該值進(jìn)行施工管理。不同的量測項(xiàng)目有不同的量測管理值。n 管理基準(zhǔn)值多數(shù)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(zhǔn)，是以確保圍巖的穩(wěn)定，不能使圍巖強(qiáng)度和支護(hù)功能急劇喪失（考慮初期支護(hù)的承載力富裕），能

8、夠確保襯砌厚度線在位移內(nèi)收斂等為前提條件設(shè)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(shè)定管理基準(zhǔn)值。 應(yīng)該指出，在不連續(xù)性圍巖中，量測結(jié)果不一定能夠完全反映圍巖的動態(tài)，應(yīng)結(jié)合洞內(nèi)觀察的結(jié)果設(shè)定管理基準(zhǔn)。 設(shè)定管理基準(zhǔn)值時(shí)，基本上考慮對隧道周邊圍巖不要產(chǎn)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(jìn)行多方面的研究才行。2022-2-212 基準(zhǔn)值的設(shè)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(hù)構(gòu)件的數(shù)量等決定。表2是日本鐵路隧道的凈空位移的管理基準(zhǔn)值例，可供參考。 表2凈空位

9、移值的管理基準(zhǔn)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(jù)解析方法的設(shè)定方法 采用FEM解析等方法，求出的位移值作為管理基準(zhǔn)的方法。 三、 根據(jù)極限應(yīng)變的方法 調(diào)查試件的極限應(yīng)變，作為開挖中的隧道達(dá)到該應(yīng)變時(shí)的基準(zhǔn)值 拱頂下沉的管理基準(zhǔn)值(隧道半徑：5m)級別水準(zhǔn)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(zhǔn)值是開挖引起的總位移，量測拖后時(shí)應(yīng)注意； 2）本基準(zhǔn)是指

10、埋深大的情況下的，埋深小時(shí)，要采用比表列更小的數(shù)值； 3）巖塊硬、裂隙影響顯著的圍巖，采用時(shí)要注意。2022-2-214隧道施工的量測技術(shù) 四、根據(jù)支護(hù)構(gòu)件變異的設(shè)定方法 噴混凝土、錨桿的變異可以反映當(dāng)時(shí)的荷載、位移等情況，因此可以決定噴混凝土的破壞應(yīng)變和錨桿破斷的位移作為大致基準(zhǔn)。 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(shù) 量測管理量測管理 量測得到的結(jié)果，應(yīng)迅速地反饋到設(shè)計(jì)施工中去，力求提高施工的安全性和經(jīng)濟(jì)性。 把量測結(jié)果反映到設(shè)計(jì)施工中的目的，首先是確認(rèn)施工的安全性，其次是提高工程的經(jīng)濟(jì)性。 前面提到的量測管理基準(zhǔn)值，在實(shí)際施工中，應(yīng)通過一定的管理體制

11、予以管理。如圖1的設(shè)定例所示，根據(jù)不同階段的管理水平進(jìn)行管理。 予設(shè)計(jì)階段設(shè)定的基準(zhǔn)值，可作為施工初期的管理基準(zhǔn)，隨著施工的進(jìn)展，應(yīng)適當(dāng)修正管理基準(zhǔn)值。2022-2-216隧道施工的量測技術(shù)A：通常體制-定時(shí)量測、洞內(nèi)觀察程度；B：注意體制-加強(qiáng)觀察量測頻率、現(xiàn)場檢查、強(qiáng)化作業(yè)人員的注意C：要注意體制-加強(qiáng)觀察量測體制、根據(jù)管理基準(zhǔn)值預(yù)測最終位移值、實(shí)施對策；D：嚴(yán)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(hù)模式等。2022-2-217隧道施工的量測技術(shù) 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(shí)圍巖動態(tài)、圍巖條件、支護(hù)效果的綜合體現(xiàn)。是在隧道全長進(jìn)行的重要的量

12、測項(xiàng)目。此項(xiàng)目的量測結(jié)果可用以判斷：周邊圍巖的穩(wěn)定性；初期支護(hù)的妥當(dāng)與否及襯砌、仰拱的灌注時(shí)間等。2022-2-218隧道施工的量測技術(shù) 最大位移速度和最大凈空位移值的關(guān)系與圍巖條件、施工方法有密切關(guān)系，是很離散的，但也有一定的相關(guān)關(guān)系，在施工的初期階段預(yù)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(shí)，最終位移值是相當(dāng)大的，因此應(yīng)及早采取措施（圖2）。2022-2-219 最大位移與最大位移速度的關(guān)系2022-2-220 最終位移的預(yù)測方法如下。 一、利用量測開始的初期階段出現(xiàn)的最大位移速度（mm/日）和該點(diǎn)的最終位移值（mm）的相關(guān)關(guān)系的方法。 二、根據(jù)

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(shù)A、B、C、D根據(jù)量測結(jié)果采用重回歸分析方法求出。 三、在任意距離L的位移實(shí)測值U1,同樣地，取對應(yīng)Lk的位移Uk。設(shè)Lk=2L1,則最終位移值A(chǔ)可由下式求出。 A=U1/（U1-Uk拱頂下沉值，對確認(rèn)圍巖穩(wěn)定性，特別是對預(yù)測拱頂崩塌是重要的，在埋深小的隧道中應(yīng)和地表面下沉測定一起進(jìn)行判斷。 2022-2-221隧道施工的量測技術(shù)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(shí)施的，是為了掌握地表面產(chǎn)生下沉及其影響范圍或周邊圍巖的松弛區(qū)域而進(jìn)行的。 從周邊圍巖穩(wěn)定性的觀點(diǎn)

14、出發(fā)，確定評價(jià)基準(zhǔn)是很難的，但根據(jù)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(jié)構(gòu)物時(shí)的管理基準(zhǔn)，可采用容許傾斜值，但該值與結(jié)構(gòu)物的種類、用途、構(gòu)造等有關(guān)，根據(jù)日本的一些規(guī)定，如國鐵結(jié)構(gòu)物檢查基準(zhǔn)提出：結(jié)構(gòu)物的傾斜，不管是橫向或縱向，如在1/150以下，就不會影響結(jié)構(gòu)物的功能和構(gòu)造。2022-2-222隧道施工的量測技術(shù) 橫斷方向的地表面下沉曲線是左右非對稱的，出現(xiàn)下沉值異常大的場合，多數(shù)是由于偏壓地形、接近施工等造成的，因此應(yīng)增加其他量測項(xiàng)目，仔細(xì)研究地形、地質(zhì)構(gòu)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(guān)的條件。2022-2-223隧

15、道施工的量測技術(shù) 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(zhì)狀況及凈空位移值一起研究，可能會得出錯(cuò)誤的判斷，因此，進(jìn)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?yàn)榈刂形灰朴?jì)的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置在松弛區(qū)內(nèi)，沒有進(jìn)行正確的量測所致。 凈空位移值比預(yù)計(jì)的大，松弛區(qū)比錨桿長度深時(shí)，在研究錨桿軸力中，或是加長錨桿或是增加根數(shù)。 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(shù)的問題。2022-2-2242022-2-2251） 4）、錨桿軸力測定 可以根據(jù)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(shù)n 5）、襯砌應(yīng)力測定n 襯砌應(yīng)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(yīng)力。 背后土壓的測定 噴混凝土應(yīng)力的測定n 6）、鋼支撐應(yīng)力測定 根據(jù)鋼支撐應(yīng)力測定的結(jié)果，可以按鋼材的容許應(yīng)力作為大致標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)已施工區(qū)段的支護(hù)的妥當(dāng)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(jià)兩者的荷載負(fù)擔(dān)率，來適當(dāng)?shù)剡x定鋼支撐的間距、尺寸等。 同時(shí)，根據(jù)鋼支撐應(yīng)力測定結(jié)果可以計(jì)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(shù)n7）錨桿拉拔試驗(yàn) 錨桿拉拔試驗(yàn)是在施工前的露頭處，或是在施工初期階段進(jìn)

17、行的，求出破斷時(shí)的抗力，作為設(shè)計(jì)承載力，來選擇材質(zhì)、形狀、錨固方式等。n8）洞內(nèi)彈性波測試 洞內(nèi)彈性波速度測定，主要是在隧道洞內(nèi)側(cè)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(zhì)。與凈空位移、地中位移的測定結(jié)果一起可以評價(jià)松弛區(qū)的范圍。 此外，與初期的地表面彈性波速度測定結(jié)果比較，可以重新評價(jià)圍巖級別，與圍巖試件試驗(yàn)一起，可以推斷圍巖的強(qiáng)度。2022-2-228隧道施工的量測技術(shù) 設(shè)計(jì)的修正設(shè)計(jì)的修正 施工階段應(yīng)基于觀察、量測結(jié)果，判斷預(yù)設(shè)計(jì)不合適的情況，應(yīng)毫不遲疑地修正設(shè)計(jì)。 考慮到地質(zhì)條件的復(fù)雜性和位于地中的隧道結(jié)構(gòu)的特性，要想事前進(jìn)行全線的、詳細(xì)的導(dǎo)致調(diào)查，在技

18、術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上都是有困難的。為此，根據(jù)初步設(shè)計(jì)的圍巖條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，要在施工中根據(jù)對掌子面及洞內(nèi)觀察等量測結(jié)果的分析，評價(jià)進(jìn)行必要的修正是極為重要的。特別是，量測結(jié)果與初期預(yù)測有較大差異，而確認(rèn)必須進(jìn)行設(shè)計(jì)變更時(shí)，應(yīng)毫不遲疑地根據(jù)圍巖的變化修正設(shè)計(jì)。2022-2-229隧道施工的量測技術(shù) 支護(hù)結(jié)構(gòu)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(yù)設(shè)計(jì) 根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)果等設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)的初期支護(hù)模式，是標(biāo)準(zhǔn)的支護(hù)模式，應(yīng)根據(jù)觀察、量測結(jié)果和具體的圍巖狀況進(jìn)行合理的修正。此時(shí)，因圍巖條件、位移值和當(dāng)初預(yù)計(jì)的差異的大小和前方預(yù)測的情況等有很大差異，因此，變更的內(nèi)容和規(guī)模也不同。同時(shí)，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(shù) （2）變更已開挖部分的預(yù)設(shè)計(jì) 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(shí)閉合等。要充分研究增加的支護(hù)構(gòu)件的形狀、材質(zhì)等采取適當(dāng)?shù)膶Σ摺?同時(shí)，要求地表面下沉、對周邊結(jié)構(gòu)物的限制必須收斂到某一限度內(nèi)時(shí)，應(yīng)分析研究量測結(jié)果和當(dāng)前的支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。在這種情況下。必要時(shí)，可采取隔斷壁等防護(hù)措施。 判斷修正的必要性，除根據(jù)量測結(jié)果外，一般的修正方法和注意事項(xiàng)，列于表7。2022-2-23