2010年公路監(jiān)理師公路工程經濟輔導：公路隧道施工中動態(tài)設計
來源：網絡發(fā)布時間：2010-06-04 11:20:49
0 引言
新奧法作為隧道工程設計施工的方法和原則，目前在公路隧道工程設計施工中被廣泛應用。在依據新奧法原理建設的現(xiàn)代隧道中，按照設計規(guī)范規(guī)定，依據施工之前的地質調查、鉆探及物探等資料，采取工程類比方法進行設計。由于地質條件的不確定性及復雜性，在施工過程中會遇到斷層、破碎帶、瓦斯、嚴重風化層等特殊地質，而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(tài)設計。
動態(tài)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。動態(tài)設計的依據是施工過程中反饋的各種信息，包括地質超前預報、監(jiān)控量測數(shù)據、掌子面的地質描述和實際存在的地質條件，通過分析與反分析所獲得的這些信息，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(shù)等進行合理調整，以保證施工安全、圍巖穩(wěn)定、施工質量和支護結構的經濟性，然后依據現(xiàn)行相關規(guī)范與項目規(guī)定的要求，經過原設計部門作出修改設計，報經隧道動態(tài)設計決策機構審定，由施工單位具體實施。在實施過程中，監(jiān)理、監(jiān)控量測、地質預報等部門，依據修改設計方案，進行監(jiān)理、監(jiān)測，再次獲得信息，反饋到設計、施工單位，如此反復循環(huán)，直至工程完工交付使用為止。
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100～300 m，短距離超前地質預報范圍一般可達掌子面前方15～30 m. 長距離超前地質預報方法有：TSP、超前鉆探法、斷層參數(shù)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。
1.1 TSP超前預報法
TSP超前地質預報系統(tǒng)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(qū)域地質狀況，其最大探測距離為掌子面前方300～500 m，設備限定的有效預報距離為掌子面前方100 m，最高分辨率為大于等于1 m地質體。TSP超前地質預報系統(tǒng)是目前世界上地質探測領域最為先進的科技成果，它具有適用范圍廣、預報距離長、對隧道施工干擾小、提交資料及時的特點。
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，根據地質鉆孔施工要求，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(jié)理裂隙、巖石各項力學參數(shù)、溶洞空間分布、溶洞填充物、構造帶發(fā)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(guī)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(shù)預測法
斷層參數(shù)預測法是一種利用斷層影響帶內的特殊節(jié)理（11節(jié)理）和其集中帶有規(guī)律分布的特點和經過大量斷層影響帶系統(tǒng)編錄得出的經驗公式（Liu Zhigang公式）超前預報隧洞斷層破碎帶的位置、規(guī)模的新技術。由于隧道中大多數(shù)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，就可推斷其它不良地質體的位置和規(guī)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(tài)或位置的電磁波技術。地質雷達能發(fā)現(xiàn)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(jiān)控量測
2.1 量測規(guī)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(wěn)定性都有影響，所以尋求能正確反映巖體狀態(tài)的物理力學模型非常困難。因此現(xiàn)場監(jiān)控量測是驗證設計、施工是否正確的關鍵步驟，是監(jiān)視圍巖是否安全、穩(wěn)定的最直接手段。
2.2 量測計劃
現(xiàn)場監(jiān)控量測計劃應根據隧道的地質地形條件、支護類型和參數(shù)、施工方法和其它有關條件制定。計劃內容應包括：監(jiān)控量測項目及方法、量測儀器的選定、測點布置、數(shù)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(tài)，進行隧道日常的施工管理。
b)經過監(jiān)控量測數(shù)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(tài)設計的基礎數(shù)據，指導施工，以保證施工安全和隧道穩(wěn)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(jiān)控量測旨在收集可反映施工過程中圍巖動態(tài)的信息，據以判定隧道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，以及預設計所定支護結構參數(shù)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(shù)據反分析
隧道工程反分析方法是根據工程現(xiàn)場量測數(shù)據（如應力、位移和應變等）來反演初始地應力和巖體性態(tài)參數(shù)的方法，即利用現(xiàn)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(shù)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。
施工前反分析法分為：a）位移反分析法，是由監(jiān)測位移反演局部區(qū)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(xiàn)場有限個點的地應力實測值，通過應力函數(shù)或數(shù)值計算方法回歸分析得到研究區(qū)域應力分布的方法。
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(yōu)化反分析方法相結合，利用某一開挖步前后監(jiān)測所得增量位移，對某隧道開挖土體參數(shù)進行反演，并根據反演結果預測后續(xù)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
