隧道動態設計特點及設計方法探討

高立業

【摘 要】由于隧道工程中地質條件的不確定性及復雜性，僅僅依據施工前的地質勘探成果，是不能完全真實反映出來的，所以面對施工反饋的實際地質情況，必須進行有針對性的動態設計。隧道動態設計是在預設計的基礎上，對襯砌結構進行合理的修改，以使其適應更為具體的圍巖條件，在隧道施工中得到廣泛應用。本文主要探討了我國近年來隧道動態設計的特點及設計方法。

【關鍵詞】隧道；動態設計；方法探討

0引言

動態設計的依據是通過與預設計時的地質資料對比，根據地質變化情況，對隧道施工方法（包括特殊的、輔助的施工方法）、斷面開挖步驟及順序、支護參數等進行合理調整，以保證施工安全、圍巖穩定、施工質量和支護結構的經濟性，然后依據現行相關規范與項目規定的要求，經過原設計部門作出修改設計，報經隧道動態設計決策機構審定，由施工單位具體實施。

1超前地質預報

目前超前地質預報分為長距離和短距離超前地質預報兩類，長距離超前地質預報的預測范圍一般為100～3001TI，短距離超前地質預報范圍一般可達掌子面前方l5～30m。長距離超前地質預報方法有：TSP、超前鉆探法、斷層參數預測法等。短距離超前地質預報方法有：掌子面地質素描法、地質雷達法等。

1.1TSP超前預報法。TSP超前地質預報系統是利用地震波在不均勻地質體中產生的反射波特性來判定并預報隧道掘進面前方及周圍臨近區域地質狀況，其最大探測距離為掌子面前方300～500In，設備限定的有效預報距離為掌子面前方1001TI，最高分辨率為大于等于1in地質體。

1.2超前鉆探法。超前鉆探法即通過在掌子面布置若干地質鉆孔并取芯，根據地質鉆孑L施工要求，記錄鉆孔施工各種信息并在室內完成相關力學試驗，獲得地層巖性、節理裂隙、巖石各項力學參數、溶洞空間分布、溶洞填充物、構造帶發育特征等各項地質內容，同時還可以通過地質鉆孔觀察預測掌子面前方可能涌水情況，以此判斷前方圍巖級別及各種地質病害類型、具體部位及規模。根據一次探測距離的長短可分為深孔探測和淺孔探測。

1.3斷層參數預測法。斷層參數預測法是一種利用斷層影響帶內的特殊節理（1）節理）和其集中帶有規律分布的特點和經過大量斷層影響帶系統編錄得出的經驗公式（LiuZhigang公式）超前預報隧洞斷層破碎帶的位置、規模的新技術。由于隧道中大多數不良地質（如溶洞、暗河、巖溶陷落柱、淤泥帶等）與斷層破碎帶有密切的關系，所以，預報了斷層破碎帶，依據地質學原理，就可推斷其他不良地質體的位置和規模。

1.4掌子面地質素描法。掌子面地質素描法又稱編錄預測法。主要通過對掌子面已揭露地質體（巖層、不良地質體等）進行觀測與編錄，對掌子面出露地質體向掌子面前方延伸情況進行有依據的推斷。

1.5地質雷達法。地質雷達法是采用甚高頻—超高頻電磁波檢測地下介質的地質特征、不同巖性分布和對不可見目標或地下界面進行掃描，以確定其內部結構形態或位置的電磁波技術。地質雷達能發現隧道施工開挖面前方20～30m地層的變化。由于電磁波對水敏感，所以，對于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶地層，地質雷達是很好的預報手段。但由于目前其探測的距離較短，對于長大隧道的預報只能多次分段進行預報。

2施工監控量測

2.1量測規定。由于巖體的生成條件和地質作用的復雜性，在隧道施工中，開挖方法、支護方法、支護結構剛度等對圍巖穩定性都有影響，所以尋求能正確反映巖體狀態的物理力學模型非常困難。因此現場監控量測是驗證設計、施工是否正確的關鍵步驟，是監視圍巖是否安全、穩定的最直接手段。

2.2量測計劃。現場監控量測計劃應根據隧道的地質地形條件、支護類型和參數、施工方法和其他有關條件制定。計劃內容應包括：監控量測項目及方法、量測儀器的選定、測點布置、數據處理及量測人員組織等。

2.3量測的任務和目的。a）掌握圍巖和支護的動態，進行隧道日常的施工管理。b）經過監控量測數據的分析處理與必要的計算和判斷后，進行預測和反饋，提供動態設計的基礎數據，指導施工，以保證施工安全和隧道穩定。c）已有工程的量測結果可以應用到其他類似工程中，作為設計和施工的依據。

2.4量測內容。隧道施工的監控量測旨在收集可反映施工過程中圍巖動態的信息，據以判定隧道圍巖的穩定狀態，以及預設計所定支護結構參數和施工的合理性。量測項目可分為必測項目、選測項目和抽檢項目。必測項目包括：地質和支護狀況觀察、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉；選測項目包括：圍巖體內位移（洞內設點）、圍巖壓力及兩層支護間壓力、鋼支撐內力及外力、支護、襯砌內應力、表面應力及裂縫量測、圍巖彈性波測試；抽檢項目包括：錨桿拉拔力檢測。

2.5量測數據反分析。隧道工程反分析方法是根據工程現場量測數據（如應力、位移和應變等）來反演初始地應力和巖體性態參數的方法，即利用現場量測到的信息，或者說測量到的來自工程施工引起的結構與介質的擾動量，包括位移、應變、二次應力或地層壓力，依據給定的材料模型，來反演工程介質材料的性狀參數和初始荷載。根據設計施工中的不同階段，反演分析方法可分為施工前反分析法和施工中反分析法。

2.5.1施工前反分析法分為：a）位移反分析法，是由監測位移反演局部區域應力分布的方法，此方法目前應用較多；b）應力回歸分析方法，是在預設計時由現場有限個點的地應力實測值，通過應力函數或數值計算方法回歸分析得到研究區域應力分布的方法。

2.5.2施工中反分析法分為：a）增量位移法，是將模擬開挖的有限元模型與優化反分析方法相結合，利用某一開挖步前后監測所得增量位移，對某隧道開挖土體參數進行反演，并根據反演結果預測后續施工對土體及支護的影響.b）根據隧道開挖過程中圍巖破壞信息進行的反分析法。

3動態反饋設計

動態反饋設計旨在使隧道支護結構能隨時適應實際的圍巖地質條件，從而使工程建設既能經濟合理，又能確保安全。下列情況需進行動態反饋設計：a）開挖面揭示的圍巖級別與工程地質勘查報告提供的資料有較大差別。b）隧道開挖后圍巖地層的變形量持續增長，且總變形量已接近設計估計值。c）隧道開挖后，圍巖地層的變形量明顯大于設計估計值。d）超前地質預報揭示開挖面前方巖層存在不利地質構造時。

3.1設計要點。a）隧道穿越地層的實際圍巖級別與原有地質資料對圍巖級別的判斷相差較大時，應按修正后的圍巖級別重新確定合理的支護結構類型、尺寸和開挖施工方法。b）監測數據增長速度異常，或總位移量接近臨界值時，應采取措施加強支護結構，同時優化施工方案。反之則可減弱支護結構，以節約投資。c）反饋設計中如有必要對支護結構進行設計計算時，宜通過反分析方法確定圍巖地層的初始應力，以及本構模型及其特性參數的估計值。d）應重視超前地質預報信息的作用，可能遭遇險情時應預先提出設計對策預案。

3.2設計內容。動態反饋設計的內容包括施工方法變更的建議、施工工序的變更、預留變形量的修正、設計參數的修改或確認等4個方面。

3.2.1施工方法變更的建議。由于采用的施工方法與斷面形式不同，圍巖—支護體系的應力狀態也不一樣，當某種方法不能滿足該圍巖穩定性要求時，應及時變更施工方法及選擇對隧道穩定有利的斷面形式或輔助施工措施。

3.2.2施工工序的變更。當施工信息反映出不穩定征兆時，應檢查是否由于工序不當所造成。改變施工工序，如暫停開挖、及時噴錨、二次噴混凝土緊跟或提前施作仰拱等，都可能促使圍巖支護體系趨向穩定。

3.2.3預留變形量的修正。施工前預設計的預留變形量，是采用工程類比或理論計算確定的，因此，預留變形量不可能和實際變形完全一致。當預留變形量與現場量測結果不符時，應及時修正未開挖地段的預留變形量，以滿足設計凈空和二次襯砌的厚度要求，或減少開挖量及二次襯砌的回填量，以節省投資。

3.2.4設計參數的修改或確認。同預留變形量一樣，施工前預設計的設計參數，也是采用工程類比或理論計算確定的，也不可能和實際情況完全一致。在施工過程中，根據超前地質預報和監控量測信息，對未開挖地段或已開挖地段設計參數進行修改或確認，使之滿足結構受力要求并減少不必要的工程浪費。

4結語

隧道動態設計作為隧道工程新奧法設計、施工的重要手段，保證了隧道施工的安全并取得了良好的經濟效益，收到了良好的效果。隨著隧道工程實踐和施工技術的發展，隧道動態設計將會得到更加廣泛的應用。