隧道工程概論（四）LegendUser1/14/20231隧道工程地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)線別隧道名稱地質(zhì)災(zāi)害情況水柏線新寨二號(hào)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(guò)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年發(fā)生四次較大規(guī)模涌水，最大涌水量達(dá)800多萬(wàn)方/天，造成多次停工，機(jī)械設(shè)備淹沒(méi)、沖走，損失近千萬(wàn)元。近幾年隧道施工發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害情況1/14/20232隧道工程地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)失格隧道統(tǒng)計(jì)截止2001年底，全路共有正式運(yùn)營(yíng)隧道5711座，其中因病害失格的隧道有3389座，占運(yùn)營(yíng)隧道總座數(shù)的64.2％。大瑤山隧道基底破損，道床下沉、失穩(wěn)、翻漿冒泥。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。米花嶺隧道出口隧道底部積水、道床翻漿冒泥。萬(wàn)山寺隧道2001年11月4日，通車運(yùn)營(yíng)僅3年的達(dá)成線萬(wàn)山寺隧道K149＋635處，長(zhǎng)30m的拱頂坍塌，坍體約1000m3，影響運(yùn)營(yíng)兩個(gè)多月。新興安嶺隧道襯砌厚度嚴(yán)重不足，掉塊，嚴(yán)重影響行車安全。部分襯砌拆除重建。1/14/20233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(cè)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(cè)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(zhǎng)鉆孔（30～100m）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(cè)預(yù)報(bào)方法1/14/20234隧道工程地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)在長(zhǎng)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(cè)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(kāi)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(guò)程，根據(jù)隧道具體情況選定實(shí)施組合。1/14/20235隧道工程地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)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。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(duì)長(zhǎng)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1/14/20236隧道工程地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)當(dāng)前一般隧道工程對(duì)施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的重要性認(rèn)識(shí)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(huì)建議：1在施工全過(guò)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(dòng)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。1/14/20237隧道施工的量測(cè)技術(shù)

當(dāng)前隧道施工的最大特征就是把量測(cè)、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(cè)等得到的資料對(duì)已開(kāi)挖的區(qū)間和掌子面前方的圍巖狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，并反映到施工中去。觀察的方法，我們?cè)谡J(rèn)識(shí)圍巖、了解圍巖中已經(jīng)詳加說(shuō)明。這里僅對(duì)量測(cè)方法中的一些問(wèn)題做進(jìn)一步地說(shuō)明。1/14/20238隧道施工的量測(cè)技術(shù)量測(cè)項(xiàng)目的選擇量測(cè)項(xiàng)目的選擇，要充分考慮各個(gè)量測(cè)的作用和結(jié)果的利用。我們通常把量測(cè)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(cè)項(xiàng)目和考慮圍巖條件而需要增補(bǔ)的項(xiàng)目。目前的問(wèn)題是在施工中，如何根據(jù)圍巖的狀態(tài)來(lái)選擇應(yīng)該實(shí)施的項(xiàng)目。例如在硬巖中，洞壁位移量測(cè)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(cè)項(xiàng)目的重要性，可以作為選擇實(shí)施項(xiàng)目的參考。1/14/20239圍巖種類和量測(cè)項(xiàng)目的重要度量測(cè)項(xiàng)目

圍巖種類必測(cè)項(xiàng)目增補(bǔ)項(xiàng)目洞內(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；1/14/202310隧道施工的量測(cè)技術(shù)管理體制及基準(zhǔn)值的設(shè)定在量測(cè)中，最重要的是要有一個(gè)基準(zhǔn)，以便評(píng)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(cè)項(xiàng)目有不同的量測(cè)管理值。管理基準(zhǔn)值多數(shù)是按有量測(cè)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(duì)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(cè)結(jié)果不一定能夠完全反映圍巖的動(dòng)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(duì)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。1/14/202311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(guò)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凈空位移值的管理基準(zhǔn)圍巖級(jí)別凈空位移值

單線雙線、新干線

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(kāi)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(jí)別水準(zhǔn)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）位移基準(zhǔn)值是開(kāi)挖引起的總位移，量測(cè)拖后時(shí)應(yīng)注意；2）本基準(zhǔn)是指埋深大的情況下的，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。1/14/202313隧道施工的量測(cè)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。1/14/202314隧道施工的量測(cè)技術(shù)量測(cè)管理量測(cè)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(cè)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(cè)管理基準(zhǔn)值，在實(shí)際施工中，應(yīng)通過(guò)一定的管理體制予以管理。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。1/14/202315隧道施工的量測(cè)技術(shù)A：通常體制-定時(shí)量測(cè)、洞內(nèi)觀察程度；B：注意體制-加強(qiáng)觀察·量測(cè)頻率、現(xiàn)場(chǎng)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(cè)體制、根據(jù)管理基準(zhǔn)值預(yù)測(cè)最終位移值、實(shí)施對(duì)策；D：嚴(yán)重注意體制-停止掌子面開(kāi)挖、解析變異原因及趨勢(shì)、再研究支護(hù)模式等。1/14/202316隧道施工的量測(cè)技術(shù)1）凈空位移和拱頂下沉測(cè)定

凈空位移和拱頂下沉值是隧道開(kāi)挖時(shí)圍巖動(dòng)態(tài)、圍巖條件、支護(hù)效果的綜合體現(xiàn)。是在隧道全長(zhǎng)進(jìn)行的重要的量測(cè)項(xiàng)目。此項(xiàng)目的量測(cè)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。1/14/202317隧道施工的量測(cè)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(cè)最終位移值是有可能的。在采用臺(tái)階法施工的圍巖條件中，最大位移速度超過(guò)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）。1/14/202318

最大位移與最大位移速度的關(guān)系1/14/202319

最終位移的預(yù)測(cè)方法如下。一、·利用量測(cè)開(kāi)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)開(kāi)挖3天的位移速度X1~X3，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(cè)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(cè)值U1,同樣地，取對(duì)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(duì)確認(rèn)圍巖穩(wěn)定性，特別是對(duì)預(yù)測(cè)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(cè)定一起進(jìn)行判斷。

1/14/202320隧道施工的量測(cè)技術(shù)2）地表面下沉和地中位移測(cè)定地表面下沉、地中位移測(cè)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)出發(fā)，確定評(píng)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(guó)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(huì)影響結(jié)構(gòu)物的功能和構(gòu)造。1/14/202321隧道施工的量測(cè)技術(shù)橫斷方向的地表面下沉曲線是左右非對(duì)稱的，出現(xiàn)下沉值異常大的場(chǎng)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(cè)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。1/14/202322隧道施工的量測(cè)技術(shù)3）地中位移測(cè)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(huì)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(méi)有進(jìn)行正確的量測(cè)所致。凈空位移值比預(yù)計(jì)的大，松弛區(qū)比錨桿長(zhǎng)度深時(shí)，在研究錨桿軸力中，或是加長(zhǎng)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(zhǎng)度或是減少根數(shù)的問(wèn)題。1/14/2023231/14/2023241）4）、錨桿軸力測(cè)定可以根據(jù)錨桿軸力分布的峰值位置或峰值的大小，一般可做出表6的判斷。1/14/202325隧道施工的量測(cè)技術(shù)5）、襯砌應(yīng)力測(cè)定襯砌應(yīng)力的測(cè)定，重要的是測(cè)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(cè)定

·噴混凝土應(yīng)力的測(cè)定6）、鋼支撐應(yīng)力測(cè)定根據(jù)鋼支撐應(yīng)力測(cè)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(píng)價(jià)兩者的荷載負(fù)擔(dān)率，來(lái)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(cè)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)。1/14/202326隧道施工的量測(cè)技術(shù)7）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)行的，求出破斷時(shí)的抗力，作為設(shè)計(jì)承載力，來(lái)選擇材質(zhì)、形狀、錨固方式等。8）洞內(nèi)彈性波測(cè)試洞內(nèi)彈性波速度測(cè)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(shuō)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(cè)定結(jié)果一起可以評(píng)價(jià)松弛區(qū)的范圍。此外，與初期的地表面彈性波速度測(cè)定結(jié)果比較，可以重新評(píng)價(jià)圍巖級(jí)別，與圍巖試件試驗(yàn)一起，可以推斷圍巖的強(qiáng)度。1/14/202327隧道施工的量測(cè)技術(shù)設(shè)計(jì)的修正施工階段應(yīng)基于觀察、量測(cè)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(duì)掌子面及洞內(nèi)觀察等量測(cè)結(jié)果的分析，評(píng)價(jià)進(jìn)行必要的修正是極為重要的。特別是，量測(cè)結(jié)果與初期預(yù)測(cè)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)。1/14/202328隧道施工的量測(cè)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(kāi)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(cè)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(cè)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。1/14/202329隧道施工的量測(cè)技術(shù)（2）變更已開(kāi)挖部分的預(yù)設(shè)計(jì)開(kāi)挖后位移不收斂的情況的對(duì)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?duì)策。同時(shí)，要求地表面下沉、對(duì)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(cè)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(cè)結(jié)果外，一般的修正方法和注意事項(xiàng)，列于表7。1/14/202330