2010年公路監(jiān)理師公路工程經(jīng)濟(jì)輔導(dǎo)：公路隧道施工中動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)發(fā)布時(shí)間：2010-06-04 11:20:49
0 引言
新奧法作為隧道工程設(shè)計(jì)施工的方法和原則，目前在公路隧道工程設(shè)計(jì)施工中被廣泛應(yīng)用。在依據(jù)新奧法原理建設(shè)的現(xiàn)代隧道中，按照設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，依據(jù)施工之前的地質(zhì)調(diào)查、鉆探及物探等資料，采取工程類(lèi)比方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于地質(zhì)條件的不確定性及復(fù)雜性，在施工過(guò)程中會(huì)遇到斷層、破碎帶、瓦斯、嚴(yán)重風(fēng)化層等特殊地質(zhì)，而僅僅依據(jù)施工前的地質(zhì)勘探成果，是不能完全真實(shí)反映出來(lái)的，所以面對(duì)施工反饋的實(shí)際地質(zhì)情況，必須進(jìn)行有針對(duì)性的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。
動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是在預(yù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的修改，以使其適應(yīng)更為具體的圍巖條件。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的依據(jù)是施工過(guò)程中反饋的各種信息，包括地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)、掌子面的地質(zhì)描述和實(shí)際存在的地質(zhì)條件，通過(guò)分析與反分析所獲得的這些信息，與預(yù)設(shè)計(jì)時(shí)的地質(zhì)資料對(duì)比，根據(jù)地質(zhì)變化情況，對(duì)隧道施工方法（包括特殊的、輔助的施工方法）、斷面開(kāi)挖步驟及順序、支護(hù)參數(shù)等進(jìn)行合理調(diào)整，以保證施工安全、圍巖穩(wěn)定、施工質(zhì)量和支護(hù)結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，然后依據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范與項(xiàng)目規(guī)定的要求，經(jīng)過(guò)原設(shè)計(jì)部門(mén)作出修改設(shè)計(jì)，報(bào)經(jīng)隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)決策機(jī)構(gòu)審定，由施工單位具體實(shí)施。在實(shí)施過(guò)程中，監(jiān)理、監(jiān)控量測(cè)、地質(zhì)預(yù)報(bào)等部門(mén)，依據(jù)修改設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行監(jiān)理、監(jiān)測(cè)，再次獲得信息，反饋到設(shè)計(jì)、施工單位，如此反復(fù)循環(huán)，直至工程完工交付使用為止。
1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)
目前超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分為長(zhǎng)距離和短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)兩類(lèi)，長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的預(yù)測(cè)范圍一般為100～300 m，短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍一般可達(dá)掌子面前方15～30 m. 長(zhǎng)距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有：TSP、超前鉆探法、斷層參數(shù)預(yù)測(cè)法等。短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有：掌子面地質(zhì)素描法、地質(zhì)雷達(dá)法等。
1.1 TSP超前預(yù)報(bào)法
TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來(lái)判定并預(yù)報(bào)隧道掘進(jìn)面前方及周?chē)R近區(qū)域地質(zhì)狀況，其最大探測(cè)距離為掌子面前方300～500 m，設(shè)備限定的有效預(yù)報(bào)距離為掌子面前方100 m，最高分辨率為大于等于1 m地質(zhì)體。TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)是目前世界上地質(zhì)探測(cè)領(lǐng)域最為先進(jìn)的科技成果，它具有適用范圍廣、預(yù)報(bào)距離長(zhǎng)、對(duì)隧道施工干擾小、提交資料及時(shí)的特點(diǎn)。
1.2 超前鉆探法
超前鉆探法即通過(guò)在掌子面布置若干地質(zhì)鉆孔并取芯，根據(jù)地質(zhì)鉆孔施工要求，記錄鉆孔施工各種信息并在室內(nèi)完成相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)，獲得地層巖性、節(jié)理裂隙、巖石各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)、溶洞空間分布、溶洞填充物、構(gòu)造帶發(fā)育特征等各項(xiàng)地質(zhì)內(nèi)容，同時(shí)還可以通過(guò)地質(zhì)鉆孔觀察預(yù)測(cè)掌子面前方可能涌水情況，以此判斷前方圍巖級(jí)別及各種地質(zhì)病害類(lèi)型、具體部位及規(guī)模。根據(jù)一次探測(cè)距離的長(zhǎng)短可分為深孔探測(cè)和淺孔探測(cè)。
1.3 斷層參數(shù)預(yù)測(cè)法
斷層參數(shù)預(yù)測(cè)法是一種利用斷層影響帶內(nèi)的特殊節(jié)理（11節(jié)理）和其集中帶有規(guī)律分布的特點(diǎn)和經(jīng)過(guò)大量斷層影響帶系統(tǒng)編錄得出的經(jīng)驗(yàn)公式（Liu Zhigang公式）超前預(yù)報(bào)隧洞斷層破碎帶的位置、規(guī)模的新技術(shù)。由于隧道中大多數(shù)不良地質(zhì)（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(guān)系，所以，預(yù)報(bào)了斷層破碎帶，依據(jù)地質(zhì)學(xué)原理，就可推斷其它不良地質(zhì)體的位置和規(guī)模。
1.4 掌子面地質(zhì)素描法
掌子面地質(zhì)素描法又稱(chēng)編錄預(yù)測(cè)法。主要通過(guò)對(duì)掌子面已揭露地質(zhì)體（巖層、不良地質(zhì)體等）進(jìn)行觀測(cè)與編錄，對(duì)掌子面出露地質(zhì)體向掌子面前方延伸情況進(jìn)行有依據(jù)的推斷。
1.5 地質(zhì)雷達(dá)法
地質(zhì)雷達(dá)法是采用甚高頻——超高頻電磁波檢測(cè)地下介質(zhì)的地質(zhì)特征，不同巖性分布和對(duì)不可見(jiàn)目標(biāo)或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁波技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)能發(fā)現(xiàn)隧道施工開(kāi)挖面前方20～30m地層的變化。由于電磁波對(duì)水敏感，所以，對(duì)于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶地層，地質(zhì)雷達(dá)是很好的預(yù)報(bào)手段。但由于目前其探測(cè)的距離較短，對(duì)于長(zhǎng)大隧道的預(yù)報(bào)只能多次分段進(jìn)行預(yù)報(bào)。
2 施工監(jiān)控量測(cè)
2.1 量測(cè)規(guī)定
由于巖體的生成條件和地質(zhì)作用的復(fù)雜性，在隧道施工中，開(kāi)挖方法、支護(hù)方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度等對(duì)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(xué)模型非常困難。因此現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)是驗(yàn)證設(shè)計(jì)、施工是否正確的關(guān)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(cè)計(jì)劃
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)計(jì)劃應(yīng)根據(jù)隧道的地質(zhì)地形條件、支護(hù)類(lèi)型和參數(shù)、施工方法和其它有關(guān)條件制定。計(jì)劃內(nèi)容應(yīng)包括：監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目及方法、量測(cè)儀器的選定、測(cè)點(diǎn)布置、數(shù)據(jù)處理及量測(cè)人員組織等。
2.3 量測(cè)的任務(wù)和目的
a)掌握圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)，進(jìn)行隧道日常的施工管理。
b)經(jīng)過(guò)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理與必要的計(jì)算和判斷后，進(jìn)行預(yù)測(cè)和反饋，提供動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施工，以保證施工安全和隧道穩(wěn)定。
c)已有工程的量測(cè)結(jié)果可以應(yīng)用到其他類(lèi)似工程中，作為設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)。
2.4 量測(cè)內(nèi)容
隧道施工的監(jiān)控量測(cè)旨在收集可反映施工過(guò)程中圍巖動(dòng)態(tài)的信息，據(jù)以判定隧道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，以及預(yù)設(shè)計(jì)所定支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)和施工的合理性。量測(cè)項(xiàng)目可分為必測(cè)項(xiàng)目、選測(cè)項(xiàng)目和抽檢項(xiàng)目。必測(cè)項(xiàng)目包括：地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉；選測(cè)項(xiàng)目包括：圍巖體內(nèi)位移（洞內(nèi)設(shè)點(diǎn)）、圍巖壓力及兩層支護(hù)間壓力、鋼支撐內(nèi)力及外力、支護(hù)、襯砌內(nèi)應(yīng)力、表面應(yīng)力及裂縫量測(cè)、圍巖彈性波測(cè)試；抽檢項(xiàng)目包括：錨桿拉拔力檢測(cè)。
2.5 量測(cè)數(shù)據(jù)反分析
隧道工程反分析方法是根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)數(shù)據(jù)（如應(yīng)力、位移和應(yīng)變等）來(lái)反演初始地應(yīng)力和巖體性態(tài)參數(shù)的方法，即利用現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)到的信息，或者說(shuō)測(cè)量到的來(lái)自工程施工引起的結(jié)構(gòu)與介質(zhì)的擾動(dòng)量，包括位移、應(yīng)變、二次應(yīng)力或地層壓力，依據(jù)給定的材料模型，來(lái)反演工程介質(zhì)材料的性狀參數(shù)和初始荷載。
根據(jù)設(shè)計(jì)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(cè)位移反演局部區(qū)域應(yīng)力分布的方法，此方法目前應(yīng)用較多；b）應(yīng)力回歸分析方法，是在預(yù)設(shè)計(jì)時(shí)由現(xiàn)場(chǎng)有限個(gè)點(diǎn)的地應(yīng)力實(shí)測(cè)值，通過(guò)應(yīng)力函數(shù)或數(shù)值計(jì)算方法回歸分析得到研究區(qū)域應(yīng)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(kāi)挖的有限元模型與優(yōu)化反分析方法相結(jié)合，利用某一開(kāi)挖步前后監(jiān)測(cè)所得增量位移，對(duì)某隧道開(kāi)挖土體參數(shù)進(jìn)行反演，并根據(jù)反演結(jié)果預(yù)測(cè)后續(xù)施工對(duì)土體及支護(hù)的影響；b）根據(jù)隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖破壞信息進(jìn)行的反分析法
