隧道工程概论(四)

隧道工程概论（四）LegendUser1/14/20231隧道工程地质预测预报技术线别隧道名称地质灾害情况水柏线新寨二号隧道（659m)1999年6月19日，在石灰岩与玄武岩接触带处发生特大涌泥，软塑～流塑状的粘土夹块石、孤石突出物，掩埋隧道洞身77m，并造成3死2伤的重大伤亡事故。渝怀线圆梁山隧道（11068m)在施工过程中，多次发生突水涌泥，其中最严重一次是2002年9月10日在正洞超前下导坑施工至DK354+879处发生的突泥事故，一次突泥量达4200m3，封堵导坑329m，死亡9人。渝怀线武隆隧道(9418m)横洞工区于2002年、2003年发生四次较大规模涌水，最大涌水量达800多万方/天，造成多次停工，机械设备淹没、冲走，损失近千万元。近几年隧道施工发生地质灾害情况1/14/20232隧道工程地质预测预报技术失格隧道统计截止2001年底，全路共有正式运营隧道5711座，其中因病害失格的隧道有3389座，占运营隧道总座数的64.2％。大瑶山隧道基底破损，道床下沉、失稳、翻浆冒泥。南岭隧道因严重漏水、射水造成轨枕板严重空吊、翻浆、道床涌水，中断行车。米花岭隧道出口隧道底部积水、道床翻浆冒泥。万山寺隧道2001年11月4日，通车运营仅3年的达成线万山寺隧道K149＋635处，长30m的拱顶坍塌，坍体约1000m3，影响运营两个多月。新兴安岭隧道衬砌厚度严重不足，掉块，严重影响行车安全。部分衬砌拆除重建。1/14/20233地质超前预报法地质分析法物探法水平钻探法地质素描地下水观测地质作图地下地质构造与地表相关性分析地震波反射法钻孔测试法(声波、电阻率等)地质雷达法红外线法声波法短钻孔（包括爆破孔）长钻孔（30～100m）超前导坑正洞施工作业面孔内成像隧道超前地质预测预报方法1/14/20234隧道工程地质预测预报技术在长大复杂地质条件的隧道施工地质预报工作中，应坚持隧道洞内探测与洞外地质勘探的结合、地质方法与物探方法的结合、多种物探方法的结合、地球物理方法与超前水平钻探的结合，开展多层次、多手段的综合超前地质预报，并贯穿整个施工过程，根据隧道具体情况选定实施组合。1/14/20235隧道工程地质预测预报技术掌子面超前预报可采用地震波反射法（含TSP、VSP高频地震法）、声波法（HSP、CT）、地质雷达、红外探水、水平钻孔及成像、洞探（含平行导坑、正洞先行导坑）等方法，根据具体情况选择使用。综合地质超前预报的模式可以根据隧道的规模、隧道所经地区的工程地质和水文地质条件和不良地质控制因素等合理选用地面预报和洞内预报相结合的模式。对长隧道以洞内预报为重点，短隧道以地面预报为主1/14/20236隧道工程地质预测预报技术当前一般隧道工程对施工地质超前预报的重要性认识不足、投入不够、预报准确率不高是影响推行超前预报的重大障碍。因此，学术委员会建议：1在施工全过程中，必须把超前地质预报作为工序专项实施，经费专项列支。2在组织上必须建立由各专业人员组成的地质预报队伍。3在管理上实施动态管理。4尽早制定隧道施工地质预报工作细则。1/14/20237隧道施工的量测技术

当前隧道施工的最大特征就是把量测、观察技术和方法引进到施工中，并作为施工的一个重要而不可缺少的环节予以实施。其目的之一，就是要根据观察、量测等得到的资料对已开挖的区间和掌子面前方的围岩状况进行预测，并反映到施工中去。观察的方法，我们在认识围岩、了解围岩中已经详加说明。这里仅对量测方法中的一些问题做进一步地说明。1/14/20238隧道施工的量测技术量测项目的选择量测项目的选择，要充分考虑各个量测的作用和结果的利用。我们通常把量测项目分为2大类。即为日常施工管理所必需进行的必测项目和考虑围岩条件而需要增补的项目。目前的问题是在施工中，如何根据围岩的状态来选择应该实施的项目。例如在硬岩中，洞壁位移量测究竟有多大的意义，就值得商榷。而在软岩和土砂围岩中，它的作用是非常显著的。表1列出的在各种围岩条件下量测项目的重要性，可以作为选择实施项目的参考。1/14/20239围岩种类和量测项目的重要度量测项目

围岩种类必测项目增补项目洞内观察净空位移拱顶下沉洞地外表地面中下位沉移

洞内地中位移锚杆轴力衬砌应力钢支撑应力锚杆拉拔试验围岩试件试验洞内弹性波硬岩◎○○△*△*△△△△△△软岩◎◎◎△*△*△*△△△△△软岩（有大塑性地压发生）◎◎◎△◎◎○○△○△土砂◎◎◎◎○○*△○○◎△◎

：必须实施的项目；○：可以实施的项目；△：必要时实施的项目；1/14/202310隧道施工的量测技术管理体制及基准值的设定在量测中，最重要的是要有一个基准，以便评价设计、施工是否妥当，并根据该值进行施工管理。不同的量测项目有不同的量测管理值。管理基准值多数是按有量测可能的净空位移值、位移速度、岩石变形等规定的，这些作为管理基准，是以确保围岩的稳定，不能使围岩强度和支护功能急剧丧失（考虑初期支护的承载力富裕），能够确保衬砌厚度线在位移内收敛等为前提条件设定的。在埋深小和膨胀性围岩的条件下，对地表面下沉和地中位移、锚杆轴力等也要设定管理基准值。

应该指出，在不连续性围岩中，量测结果不一定能够完全反映围岩的动态，应结合洞内观察的结果设定管理基准。

设定管理基准值时，基本上考虑对隧道周边围岩不要产生有害的松弛为前提。但明确地推定发生有害松弛的位移值是很困难的。要进行多方面的研究才行。1/14/202311基准值的设定可以采用以下方法。一、参考类似工程事例的方法参考过去的工程事例，并考虑围岩条件、断面的大小、施工方法、支护构件的数量等决定。表2是日本铁路隧道的净空位移的管理基准值例，可供参考。

表2净空位移值的管理基准围岩级别净空位移值

单线双线、新干线

I或特S大于75mm大于150mm

I25mm~75mm50mm~150mm

II~V小于25mm小于50mm1/14/202312

二、根据解析方法的设定方法采用FEM解析等方法，求出的位移值作为管理基准的方法。三、根据极限应变的方法调查试件的极限应变，作为开挖中的隧道达到该应变时的基准值

拱顶下沉的管理基准值(隧道半径：5m)级别水准ABCI0.3~0,50.5~1.01.0~3.0II1.0~1.51.5~4.04.0~9.0III3.0~4.04.0~11.011.0~27.0注：1）位移基准值是开挖引起的总位移，量测拖后时应注意；2）本基准是指埋深大的情况下的，埋深小时，要采用比表列更小的数值；3）岩块硬、裂隙影响显著的围岩，采用时要注意。1/14/202313隧道施工的量测技术四、根据支护构件变异的设定方法

喷混凝土、锚杆的变异可以反映当时的荷载、位移等情况，因此可以决定喷混凝土的破坏应变和锚杆破断的位移作为大致基准。五、采用上述各种方法组合的综合方法。1/14/202314隧道施工的量测技术量测管理量测得到的结果，应迅速地反馈到设计施工中去，力求提高施工的安全性和经济性。把量测结果反映到设计施工中的目的，首先是确认施工的安全性，其次是提高工程的经济性。前面提到的量测管理基准值，在实际施工中，应通过一定的管理体制予以管理。如图1的设定例所示，根据不同阶段的管理水平进行管理。予设计阶段设定的基准值，可作为施工初期的管理基准，随着施工的进展，应适当修正管理基准值。1/14/202315隧道施工的量测技术A：通常体制-定时量测、洞内观察程度；B：注意体制-加强观察·量测频率、现场检查、强化作业人员的注意C：要注意体制-加强观察·量测体制、根据管理基准值预测最终位移值、实施对策；D：严重注意体制-停止掌子面开挖、解析变异原因及趋势、再研究支护模式等。1/14/202316隧道施工的量测技术1）净空位移和拱顶下沉测定

净空位移和拱顶下沉值是隧道开挖时围岩动态、围岩条件、支护效果的综合体现。是在隧道全长进行的重要的量测项目。此项目的量测结果可用以判断：周边围岩的稳定性；初期支护的妥当与否及衬砌、仰拱的灌注时间等。1/14/202317隧道施工的量测技术最大位移速度和最大净空位移值的关系与围岩条件、施工方法有密切关系，是很离散的，但也有一定的相关关系，在施工的初期阶段预测最终位移值是有可能的。在采用台阶法施工的围岩条件中，最大位移速度超过20mm/d时，最终位移值是相当大的，因此应及早采取措施（图2）。1/14/202318

最大位移与最大位移速度的关系1/14/202319

最终位移的预测方法如下。一、·利用量测开始的初期阶段出现的最大位移速度（mm/日）和该点的最终位移值（mm）的相关关系的方法。二、根据开挖3天的位移速度X1~X3，按下式求出最终位移值Y。Y=A+BX1+CX2+DX3常数A、B、C、D根据量测结果采用重回归分析方法求出。三、在任意距离L的位移实测值U1,同样地，取对应Lk的位移Uk。设Lk=2L1,则最终位移值A可由下式求出。A=U1/（U1-Uk拱顶下沉值，对确认围岩稳定性，特别是对预测拱顶崩塌是重要的，在埋深小的隧道中应和地表面下沉测定一起进行判断。

1/14/202320隧道施工的量测技术2）地表面下沉和地中位移测定地表面下沉、地中位移测定，是在埋深比较小的隧道中实施的，是为了掌握地表面产生下沉及其影响范围或周边围岩的松弛区域而进行的。从周边围岩稳定性的观点出发，确定评价基准是很难的，但根据下沉曲线的形状和最大下沉值还是可以直接判断周边围岩的稳定性的。此外，与接近结构物时的管理基准，可采用容许倾斜值，但该值与结构物的种类、用途、构造等有关，根据日本的一些规定，如国铁结构物检查基准提出：结构物的倾斜，不管是横向或纵向，如在1/150以下，就不会影响结构物的功能和构造。1/14/202321隧道施工的量测技术横断方向的地表面下沉曲线是左右非对称的，出现下沉值异常大的场合，多数是由于偏压地形、接近施工等造成的，因此应增加其他量测项目，仔细研究地形、地质构造等。下沉值也受到地下水的影响，因此也要周围与地下水外、降雨等有关的条件。1/14/202322隧道施工的量测技术3）地中位移测定地中位移发生的模式，如表5所示，因围岩条件、施工方法而异。特别是如果不与地质状况及净空位移值一起研究，可能会得出错误的判断，因此，进行综合判断是很重要的。例如，该表的最下面的图，净空位移值大，但地中位移值小的情况，这是因为地中位移计的基准点设置在松弛区内，没有进行正确的量测所致。净空位移值比预计的大，松弛区比锚杆长度深时，在研究锚杆轴力中，或是加长锚杆或是增加根数。反之，净空位移值小，松弛区也小，要研究或是缩短锚杆长度或是减少根数的问题。1/14/2023231/14/2023241）4）、锚杆轴力测定可以根据锚杆轴力分布的峰值位置或峰值的大小，一般可做出表6的判断。1/14/202325隧道施工的量测技术5）、衬砌应力测定衬砌应力的测定，重要的是测定隧道径向的背后土压和切向的喷混凝土应力。

·背后土压的测定

·喷混凝土应力的测定6）、钢支撑应力测定根据钢支撑应力测定的结果，可以按钢材的容许应力作为大致标准检验已施工区段的支护的妥当与否。综合考虑钢支撑的断面力和喷混凝土的断面力，能够评价两者的荷载负担率，来适当地选定钢支撑的间距、尺寸等。同时，根据钢支撑应力测定结果可以计算出轴力、弯矩、剪力，并推断作用的土压的分布状态。1/14/202326隧道施工的量测技术7）锚杆拉拔试验锚杆拉拔试验是在施工前的露头处，或是在施工初期阶段进行的，求出破断时的抗力，作为设计承载力，来选择材质、形状、锚固方式等。8）洞内弹性波测试洞内弹性波速度测定，主要是在隧道洞内侧壁发射地震波、而后记录该地震波，说明传播（屈折波）的状况，并推断围岩的性质。与净空位移、地中位移的测定结果一起可以评价松弛区的范围。此外，与初期的地表面弹性波速度测定结果比较，可以重新评价围岩级别，与围岩试件试验一起，可以推断围岩的强度。1/14/202327隧道施工的量测技术设计的修正施工阶段应基于观察、量测结果，判断预设计不合适的情况，应毫不迟疑地修正设计。考虑到地质条件的复杂性和位于地中的隧道结构的特性，要想事前进行全线的、详细的导致调查，在技术上、经济上都是有困难的。为此，根据初步设计的围岩条件进行设计，要在施工中根据对掌子面及洞内观察等量测结果的分析，评价进行必要的修正是极为重要的。特别是，量测结果与初期预测有较大差异，而确认必须进行设计变更时，应毫不迟疑地根据围岩的变化修正设计。1/14/202328隧道施工的量测技术支护结构的变更，如下所述，可分为两种情况考虑：（1）变更未开挖部分的预设计根据地质调查结果等设计等设计的初期支护模式，是标准的支护模式，应根据观察、量测结果和具体的围岩状况进行合理的修正。此时，因围岩条件、位移值和当初预计的差异的大小和前方预测的情况等有很大差异，因此，变更的内容和规模也不同。同时，为确保施工的安全、效率等，也要修正辅助工法。1/14/202329隧道施工的量测技术（2）变更已开挖部分的预设计开挖后位移不收敛的情况的对策，可增打锚杆、增加喷混凝土厚度、仰拱临时闭合等。要充分研究增加的支护构件的形状、材质等采取适当的对策。同时，要求地表面下沉、对周边结构物的限制必须收敛到某一限度内时，应分析研究量测结果和当前的支护结构的力学性能。在这种情况下。必要时，可采取隔断壁等防护措施。判断修正的必要性，除根据量测结果外，一般的修正方法和注意事项，列于表7。1/14/202330