基于隧洞圍巖參數(shù)反演與地質(zhì)判釋的快速動態(tài)設(shè)計研究

趙阿麗

（陜西省引漢濟渭工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室陜西西安710004）

基于隧洞圍巖參數(shù)反演與地質(zhì)判釋的快速動態(tài)設(shè)計研究

趙阿麗

（陜西省引漢濟渭工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室陜西西安710004）

本文針對引漢濟渭秦嶺隧洞地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、不確定性影響因素多、施工風(fēng)險高等特點，在試驗洞施工過程中，通過監(jiān)測圍巖收斂變形、反演圍巖地質(zhì)參數(shù)、施工地質(zhì)等手段，迅速對設(shè)計進行動態(tài)調(diào)整、修正和優(yōu)化，進行了基于隧洞施工圍巖參數(shù)反演及地質(zhì)判釋的動態(tài)設(shè)計的研究，初步探索了一條適合引漢濟渭工程秦嶺隧洞工程的動態(tài)設(shè)計方法及途徑，以期為其他類似工程設(shè)計及施工提供參考。

秦嶺隧洞；圍巖參數(shù)反演；地質(zhì)判釋；動態(tài)設(shè)計；研究

1　研究背景

1.1問題的提出

引漢濟渭工程是從陜南漢江流域調(diào)水至渭河流域關(guān)中地區(qū)，向渭河沿岸重要城市、縣城和工業(yè)園區(qū)供水，有效緩解關(guān)中地區(qū)水資源供需矛盾，通過替代超采的地下水、逐步退還擠占的農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水，改善渭河流域生態(tài)環(huán)境，支撐關(guān)中-天水經(jīng)濟區(qū)發(fā)展。該工程由黃金峽水庫、三河口水庫和秦嶺隧洞三大部分組成，其中秦嶺隧洞全長98.3km。

秦嶺隧洞不但洞線長，埋深大，而且穿越地層巖性極為復(fù)雜，穿越3條區(qū)域性斷裂、4條次一級斷裂和34條一般性斷裂，存在高地應(yīng)力、巖爆、高地溫?zé)岷Α鷰r失穩(wěn)、突泥涌水、軟巖大變形等工程地質(zhì)問題。采用鉆爆法施工段約占總長60%。因此，鉆爆法段施工的順利與否，是秦嶺隧洞工程成敗的關(guān)鍵之一。為了降低秦嶺隧洞工程施工風(fēng)險，研究隧洞工程設(shè)計及施工方法極其必要。

1.2隧洞設(shè)計需要關(guān)注的問題

一般建筑工程設(shè)計是根據(jù)工程實際建造模型來研究建筑物的力學(xué)變形特征［1］，設(shè)計的邊界條件、參數(shù)基本上是可控的，隧洞工程設(shè)計與一般建筑工程有所不同。目前的隧洞設(shè)計施工新奧法原理應(yīng)用得最廣泛。初步設(shè)計一般采用工程類比法，是一種定性分析的概念性設(shè)計方法，就是將新建項目的工程條件和與其條件基本相同的既有工程進行類比，需要考慮的施工條件主要包括工程條件和地質(zhì)條件兩方面的內(nèi)容。而工程條件包括工程類型、工程規(guī)模、施工方法、構(gòu)筑物形狀及尺寸等條件；地質(zhì)條件則需考慮圍巖巖性、節(jié)理發(fā)育及走向等因素。

但是，隧洞工程因其地質(zhì)條件很難在開挖前準(zhǔn)確預(yù)知，因此，由工程類比法確定的初步設(shè)計擬選的支護參數(shù)、支護方式，往往不能適應(yīng)復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，導(dǎo)致原設(shè)計方案不可完全適合實際情況［2］。隧洞工程設(shè)計的關(guān)鍵問題在于如何根據(jù)施工揭示的圍巖地質(zhì)特性及空間環(huán)境，及時調(diào)整隧洞的開挖和支護參數(shù)，最大限度地降低施工安全風(fēng)險，降低工程成本，有效地控制工程投資，由此引出了隧洞工程動態(tài)設(shè)計的理念。

為了探索秦嶺隧洞鉆爆法施工動態(tài)設(shè)計的有效方法，引漢濟渭辦與省巖土力學(xué)與工程學(xué)會、中鐵一院合作，進行了相關(guān)研究，在秦嶺隧洞勘探試驗洞施工過程中，依據(jù)試驗洞現(xiàn)場變形監(jiān)測資料進行反演分析，結(jié)合施工地質(zhì)編錄、地質(zhì)超前預(yù)報、綜合物探測試等地質(zhì)判釋手段，進一步量化、修正工程地質(zhì)參數(shù)，不斷完善、細化、優(yōu)化隧洞的設(shè)計措施。

1.3研究依托勘探試驗洞概況

根據(jù)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求，在引漢濟渭項目前期工作中，安排實施了秦嶺隧洞2號勘探試驗洞項目，并將之作為隧洞動態(tài)設(shè)計研究的依托和支撐。該試驗洞位于寧陜縣四畝地鎮(zhèn)，洞斜長2707m，綜合縱坡為9.9%，洞橫斷面為城門洞形，斷面凈空尺寸為5.2m×6.0m（寬×高）。

2　動態(tài)設(shè)計研究現(xiàn)狀

2.1動態(tài)設(shè)計內(nèi)涵

中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司太原設(shè)計院薛瑋給出的定義：隧洞工程動態(tài)設(shè)計就是通過現(xiàn)場肉眼觀察和監(jiān)測設(shè)備監(jiān)控量測，獲得關(guān)于初期支護強度和支護系統(tǒng)穩(wěn)定性的各類信息，然后對所得量測數(shù)據(jù)進行分析，按照一定的圍巖穩(wěn)定判別準(zhǔn)則，評價初期支護強度和支護系統(tǒng)穩(wěn)定性，并根據(jù)獲得的量測數(shù)據(jù)進一步修改和完善原設(shè)計，指導(dǎo)下階段的施工，同時修正和完善支護體系的支護參數(shù)，確定支護時機，從而達到優(yōu)化工程設(shè)計和隧洞施工的目的［3］。日本建設(shè)省對動態(tài)設(shè)計給出的定義是：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，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)使用機械和電子儀器、量測儀器的組合加以聯(lián)動控制或?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一體化施工管理，以提高整個施工的效率和水平［4］。

圖1　研究技術(shù)路線圖

綜上所述，動態(tài)設(shè)計就是在預(yù)先確定的設(shè)計方案基礎(chǔ)上，為了隨時適應(yīng)工程條件和環(huán)境條件變化，及時調(diào)整和修正預(yù)先設(shè)計方案的設(shè)計方法。

2.2隧洞動態(tài)設(shè)計研究現(xiàn)狀

現(xiàn)代經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，促進了隧洞工程的空前發(fā)展。改革開放以來，我國鐵路、公路、水電等山嶺隧洞工程的發(fā)展進入了一個新的時期。到2000年我國已有公路隧洞1684座，總長達628km，到1998年底鐵路運營隧洞約5336座，總長達2565km［5］。隨著巖石力學(xué)理論的發(fā)展，計算機的廣泛應(yīng)用及隧洞工程的大量實施，隧洞工程的設(shè)計技術(shù)研究工作有了長足的發(fā)展，隧洞動態(tài)設(shè)計方法及研究也應(yīng)運而生。

隧洞設(shè)計理論發(fā)展大致分為古典的壓力理論階段、松散體理論階段和支護與圍巖共同作用的現(xiàn)代支護理論等三個階段［6］。Hoek和Brown于1990年提出了一套地下工程設(shè)計流程，其特點是根據(jù)不同失穩(wěn)模式提出了不同的控制方法，并對開挖、支護和監(jiān)測等方面提出了要求，但這種方法缺乏反饋分析過程。Bieniawski于1992年提的巖石地下工程開挖設(shè)計流程法，該方法涵蓋信息收集、設(shè)計方法選擇、設(shè)計優(yōu)化評估等環(huán)節(jié)，但沒有給出各個環(huán)節(jié)的具體方法，尤其是沒有指出如何將施工過程的信息反饋至優(yōu)化設(shè)計過程中［7］。李曉紅（2002）給出新奧法隧洞設(shè)計流程圖，該流程圖融合了新奧法的核心思想，即信息化設(shè)計，但并未在流程圖中給出具體破壞模式的調(diào)控方法。關(guān)寶樹（2003）給出隧洞設(shè)計選擇流程圖，但未給出具體的實施過程［1］。這些信息收集、仿真反演、地質(zhì)超前預(yù)報等單個技術(shù)在工程實踐中都有不同程度的研究和應(yīng)用，但缺乏綜合考慮隧洞圍巖參數(shù)反演與地質(zhì)判釋的快速動態(tài)設(shè)計技術(shù)研究。

3　研究技術(shù)路線

隧洞設(shè)計方案的確定是一個復(fù)雜、動態(tài)調(diào)整的過程，隧洞工程前期地勘資料所揭示的地質(zhì)條件，只能在宏觀上預(yù)測該區(qū)域巖體基本工程特性，而要準(zhǔn)確地確定洞室圍巖結(jié)構(gòu)特性、物理力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力大小及分布情況，基本上是在洞室開挖之后。因此，一個安全的、經(jīng)濟的隧洞設(shè)計方案必須建立在圍巖特性動態(tài)綜合分析基礎(chǔ)之上。

研究的技術(shù)路線概括為：跟隨洞室開挖過程，通過監(jiān)測圍巖收斂變形，反演圍巖地質(zhì)參數(shù)，評估原設(shè)計的合理性及調(diào)整的必要性；通過地質(zhì)編錄、地質(zhì)超前預(yù)報、巖性測試等施工地質(zhì)手段，對圍巖特性進一步判釋，確定圍巖支護參數(shù)，提出調(diào)整圍巖類別建議，并將結(jié)果及時反饋給現(xiàn)場設(shè)計人員。現(xiàn)場設(shè)計人員綜合分析反演及地質(zhì)判釋相關(guān)結(jié)果和建議，以現(xiàn)行規(guī)范為依據(jù)，迅速對先期的施工圖設(shè)計進行動態(tài)調(diào)整、修正和優(yōu)化，而確定出比較符合現(xiàn)場情況的圍巖支護參數(shù)，完成動態(tài)設(shè)計。研究技術(shù)路線圖1。

4　隧洞動態(tài)設(shè)計研究

4.1原設(shè)計方案

單車道Ⅴ類圍巖地段襯砌形式采用復(fù)合式襯砌；單車道Ⅳ類圍巖地段襯砌形式采用噴錨襯砌，局部地段拱墻設(shè)I16型鋼鋼架；單車道Ⅱ、Ⅲ類圍巖地段襯砌形式采用噴錨襯砌；錯車道全部采用復(fù)合式襯砌。

4.2圍巖參數(shù)反演設(shè)計方案調(diào)整建議

支護參數(shù)調(diào)整：Ⅲ類圍巖初噴砼厚由15 cm調(diào)整為10 cm、Φ8@250×250鋼筋掛網(wǎng)由拱墻調(diào)整為局部掛網(wǎng)、取消Ⅱ類圍巖洞段鋼拱架及鋼筋網(wǎng)支撐；圍巖類別調(diào)整：230 mⅢ類圍巖調(diào)整為Ⅱ類圍巖；680 mⅣ類圍巖調(diào)整為Ⅲ類圍巖，64mⅤ類圍巖調(diào)整為Ⅲ類圍巖。

4.3施工地質(zhì)建議方案

通過詳細地質(zhì)編錄、超前地質(zhì)預(yù)報和巖體的物理力學(xué)測試等施工地質(zhì)工作，對圍巖分類調(diào)整建議為：960mⅢ類圍巖調(diào)整為Ⅱ類圍巖；671mⅣ類圍巖調(diào)整為Ⅲ類圍巖，39mⅤ類圍巖調(diào)整為Ⅲ類圍巖，134 mⅡ類圍巖調(diào)整為Ⅲ類圍巖。

4.4設(shè)計方案最終調(diào)整結(jié)果

設(shè)計人員根據(jù)地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果，結(jié)合超前預(yù)報等地質(zhì)判釋建議，以《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》為依據(jù)，迅速對原設(shè)計方案進行設(shè)計變更。主要設(shè)計變更內(nèi)容為：

（1）圍巖級別調(diào)整

目前，不論是《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》、《公路隧道設(shè)計規(guī)范》還是《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》，都是以“圍巖級別”為基礎(chǔ)，采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計方法進行隧洞工程初步設(shè)計的。因此，動態(tài)設(shè)計方法也必須體現(xiàn)這一點，施工過程中的變更設(shè)計，通常是首先從變更圍巖級別開始的。與原設(shè)計比較，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖長度分別減少了29.7%、77.3%和37.1%，Ⅱ類圍巖長度增加了140.8%。

（2）支護參數(shù)調(diào)整

根據(jù)試驗洞現(xiàn)場監(jiān)測圍巖地質(zhì)參數(shù)反演和超前預(yù)報等施工地質(zhì)判釋對設(shè)計調(diào)整建議，對原設(shè)計支護襯砌參數(shù)進行了及時調(diào)整：一是減少了Ⅲ類圍巖的鋪底砼厚度；二是調(diào)整了錯車道的位置，取消了錯車道二次砼襯砌。

施工中的動態(tài)設(shè)計，確保了工程安全，節(jié)約隧洞支護投資629萬元，創(chuàng)造了快速動態(tài)設(shè)計單車道（內(nèi)輪廓5.2m×6.0m）斷面綜合月進尺120m/月，最高月進尺200m/月的快速施工記錄，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

5　結(jié)語

本研究實踐表明，基于圍巖反演與施工地質(zhì)判釋快速動態(tài)設(shè)計，有利于提高動態(tài)設(shè)計的針對性、有效性，對復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆爆法隧洞施工，具有降低施工安全風(fēng)險、節(jié)約工程成本的綜合作用，是提高地下工程設(shè)計及施工技術(shù)水平、改善工程經(jīng)濟性之有效途徑，具有良好社會效益和發(fā)展應(yīng)用前景。動態(tài)設(shè)計是地下工程技術(shù)發(fā)展的主要方向，當(dāng)前動態(tài)設(shè)計理念在工程實踐中的應(yīng)用尚處于推動階段，需要地下工程界的共同重視和努力。陜西水利

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［2］關(guān)寶樹.隧道工程施工要點集.北京：人民交通出版社，2010.

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［4］王永興.水工隧洞施工與質(zhì)量控制.鄭州：黃河出版社，2006.

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［7］高新強，仇文革等.新建鐵路隧道動態(tài)設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)思［J］.隧道/地下工程，鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計2004（8），萬方數(shù)據(jù).

（責(zé)任編輯：王劍）

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