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淺談公路隧道施工中的動態(tài)設(shè)計
論文關(guān)鍵詞：隧道 施工 動態(tài) 設(shè)計 超前 預(yù)報 反饋
論文摘要：公路隧道動態(tài)設(shè)計是在預(yù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對襯砌結(jié)構(gòu)進行合理的修改，以使其適應(yīng)更為具體的圍巖條件，在隧道施工中得到廣泛應(yīng)用。主要介紹了我國近年來公路隧道動態(tài)設(shè)計的特點及設(shè)計方法。
0引言
新奧法作為隧道工程設(shè)計施工的方法和原則，目前在公路隧道工程設(shè)計施工中被廣泛應(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)計規(guī)范規(guī)定，依據(jù)施工之前的、鉆探及物探等資料，采取工程類比方法進行設(shè)計。由于地質(zhì)條件的不確定性及復(fù)雜性，在施工過程中會遇到斷層、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，是不能完全真實反映出來的，所以面對施工反饋的實際地質(zhì)情況，必須進行有針對性的動態(tài)設(shè)計。
動態(tài)設(shè)計是在預(yù)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對襯砌結(jié)構(gòu)進行合理的修改，以使其適應(yīng)更為具體的圍巖條件。動態(tài)設(shè)計的依據(jù)是施工過程中反饋的各種信息，包括地質(zhì)超前預(yù)報、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、掌子面的地質(zhì)描述和實際存在的地質(zhì)條件，通過分析與反分析所獲得的這些信息，與預(yù)設(shè)計時的地質(zhì)資料對比，根據(jù)地質(zhì)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(diào)整，以保證施工安全、圍巖穩(wěn)定、施工質(zhì)量和支護結(jié)構(gòu)的性，然后依據(jù)現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范與項目規(guī)定的要求，經(jīng)過原設(shè)計部門作出修改設(shè)計，報經(jīng)隧道動態(tài)設(shè)計決策機構(gòu)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(zhì)預(yù)報等部門，依據(jù)修改設(shè)計方案，進行監(jiān)理、監(jiān)測，再次獲得信息，反饋到設(shè)計、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
目前超前地質(zhì)預(yù)報分為長距離和短距離超前地質(zhì)預(yù)報兩類，長距離超前地質(zhì)預(yù)報的預(yù)測范圍一般為100～3001TI，短距離超前地質(zhì)預(yù)報范圍一般可達(dá)掌子面前方l5～30m．長距離超前地質(zhì)預(yù)報方法有：TSP、超前鉆探法、斷層參數(shù)預(yù)測法等。短距離超前地質(zhì)預(yù)報方法有：掌子面地質(zhì)素描法、地質(zhì)雷達(dá)法等。
1．1 TSP超前預(yù)報法
TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)是利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波特性來判定并預(yù)報隧道掘進面前方及周圍臨近區(qū)域地質(zhì)狀況，其最大探測距離為掌子面前方300～500In，設(shè)備限定的有效預(yù)報距離為掌子面前方1001TI，最高分辨率為大于等于1in地質(zhì)體。TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)是目前世界上地質(zhì)探測領(lǐng)域最為先進的科技成果，它具有適用范圍廣、預(yù)報距離長、對隧道施工干擾小、提交資料及時的特點。
[1]
1．2超前鉆探法
超前鉆探法即通過在掌子面布置若干鉆孔并取芯，根據(jù)地質(zhì)鉆孑L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，獲得地層巖性、節(jié)理裂隙、巖石各項力學(xué)參數(shù)、溶洞空間分布、溶洞填充物、構(gòu)造帶發(fā)育特征等各項地質(zhì)內(nèi)容，同時還可以通過地質(zhì)鉆孔觀察預(yù)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(zhì)病害類型、具體部位及規(guī)模。根據(jù)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(yù)測法
斷層參數(shù)預(yù)測法是一種利用斷層影響帶內(nèi)的特殊節(jié)理(1)節(jié)理)和其集中帶有規(guī)律分布的特點和經(jīng)過大量斷層影響帶系統(tǒng)編錄得出的經(jīng)驗公式(LiuZhigang公式)超前預(yù)報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)報了斷層破碎帶，依據(jù)地質(zhì)學(xué)原理，就可推斷其他不良地質(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)素描法又稱編錄預(yù)測法。主要通過對掌子面已揭露地質(zhì)體(巖層、不良地質(zhì)體等)進行觀測與編錄，對掌子面出露地質(zhì)體向掌子面前方延伸情況進行有依據(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—超高頻電磁波檢測地下介質(zhì)的地質(zhì)特征、不同巖性分布和對不可見目標(biāo)或地下界面進行掃描，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(zhì)雷達(dá)是很好的預(yù)報手段。但由于目前其探測的距離較短，對于長大隧道的預(yù)報只能多次分段進行預(yù)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(zhì)作用的復(fù)雜性，在隧道施工中，開挖方法、支護方法、支護結(jié)構(gòu)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)的力學(xué)模型非常困難。因此現(xiàn)場監(jiān)控量測是驗證設(shè)計、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量測計劃
現(xiàn)場監(jiān)控量測計劃應(yīng)根據(jù)隧道的地質(zhì)地形條件、支護類型和參數(shù)、施工方法和其他有關(guān)條件制定。計劃內(nèi)容應(yīng)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(jù)處理及量測人員組織等。
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2．3量測的任務(wù)和目的
a)掌握圍巖和支護的動態(tài)，進行隧道日常的施工。
b)經(jīng)過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的分析處理與必要的計算和判斷后，進行預(yù)測和反饋，提供動態(tài)設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，施工，以保證施工安全和隧道穩(wěn)定。
c)已有工程的量測結(jié)果可以應(yīng)用到其他類似工程中，作為設(shè)計和施工的依據(jù)。
2．4量測內(nèi)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(jù)以判定隧道圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，以及預(yù)設(shè)計所定支護結(jié)構(gòu)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：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(nèi)位移(洞內(nèi)設(shè)點)、圍巖壓力及兩層支護間壓力、鋼支撐內(nèi)力及外力、支護、襯砌內(nèi)應(yīng)力、表面應(yīng)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(jù)反分析
隧道工程反分析方法是根據(jù)工程現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)(如應(yīng)力、位移和應(yīng)變等)來反演初始地應(yīng)力和巖體性態(tài)參數(shù)的方法，即利用現(xiàn)場量測到的信息，或者說測量到的來自工程施工引起的結(jié)構(gòu)與介質(zhì)的擾動量，包括位移、應(yīng)變、二次應(yīng)力或地層壓力，依據(jù)給定的模型，來反演工程介質(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(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)計時由現(xiàn)場有限個點的地應(yīng)力實測值，通過應(yīng)力函數(shù)或數(shù)值計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(jù)反演結(jié)果預(yù)測后續(xù)施工對土體及支護的影響．b)根據(jù)隧道開挖過程中圍巖破壞信息進行的反分析法。
3動態(tài)反饋設(shè)計
動態(tài)反饋設(shè)計是根據(jù)開挖面揭示的地質(zhì)條件、監(jiān)控測量獲得的數(shù)據(jù)以及地質(zhì)超前預(yù)報結(jié)果，對隧道支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工方案及時進行修改的設(shè)計模式。旨在使隧道支護結(jié)構(gòu)的形式能隨時適應(yīng)實際的圍巖地質(zhì)條件，從而使工程建設(shè)既能合理，又能確保安全。下列情況需進行動態(tài)反饋設(shè)計：
a)開挖面揭示的圍巖級別與工程地質(zhì)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(xù)增長，且總變形量已接近設(shè)計估計值。
C)隧道開挖后，圍巖地層的變形量明顯大于設(shè)計估計值。
d)超前地質(zhì)預(yù)報揭示開挖面前方巖層存在不利地質(zhì)構(gòu)造時。
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3．1設(shè)計要點
a)隧道穿越地層的實際圍巖級別與原有資料對圍巖級別的判斷相差較大時，應(yīng)按修正后的圍巖級別重新確定合理的支護結(jié)構(gòu)類型、尺寸和開挖施工方法。
b)監(jiān)測數(shù)據(jù)增長速度異常，或總位移量接近臨界值時，應(yīng)采取措施加強支護結(jié)構(gòu)，同時優(yōu)化施工方案。反之則可減弱支護結(jié)構(gòu)，以節(jié)約。
c)反饋設(shè)計中如有必要對支護結(jié)構(gòu)進行設(shè)計計算時，宜通過反分析方法確定圍巖地層的初始應(yīng)力，以及本構(gòu)模型及其特性參數(shù)的估計值。
d)應(yīng)重視超前地質(zhì)預(yù)報信息的作用，可能遭遇險情時應(yīng)預(yù)先提出設(shè)計對策預(yù)案。
3．2設(shè)計內(nèi)容
動態(tài)反饋設(shè)計的內(nèi)容包括施工方法變更的建議、施工工序的變更、預(yù)留變形量的修正、設(shè)計參數(shù)的修改或確認(rèn)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(yīng)力狀態(tài)也不一樣，當(dāng)某種方法不能滿足該圍巖穩(wěn)定性要求時，應(yīng)及時變更施工方法及選擇對隧道穩(wěn)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(dāng)施工信息反映出不穩(wěn)定征兆時，應(yīng)檢查是否由于工序不當(dāng)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(wěn)定。
3．2．3預(yù)留變形量的修正
施工前預(yù)設(shè)計的預(yù)留變形量，是采用工程類比或理論計算確定的，因此，預(yù)留變形量不可能和實際變形完全一致。當(dāng)預(yù)留變形量與現(xiàn)場量測結(jié)果不符時，應(yīng)及時修正未開挖地段的預(yù)留變形量，以滿足設(shè)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(jié)省投資。
3．2．4設(shè)計參數(shù)的修改或確認(rèn)
同預(yù)留變形量一樣，施工前預(yù)設(shè)計的設(shè)計參數(shù)，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(jù)超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測信息，對未開挖地段或已開挖地段設(shè)計參數(shù)進行修改或確認(rèn)，使之滿足結(jié)構(gòu)受力要求并減少不必要的工程浪費。
4結(jié)語
由于隧道工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性、多樣性，通過一般的地質(zhì)勘察及室內(nèi)巖土力學(xué)試驗，很難在設(shè)計階段全面準(zhǔn)確地對隧道的圍巖情況做出判斷，因此在隧道施工過程中，通過對圍巖及支護系統(tǒng)進行超前預(yù)報及監(jiān)控量測，及時把獲得的信息數(shù)據(jù)反饋于設(shè)計中是非常必要的一項措施。隧道動態(tài)設(shè)計作為隧道工程新奧法設(shè)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效益，收到了良好的效果。隨著隧道工程實踐和施工技術(shù)的發(fā)展，隧道動態(tài)設(shè)計將會得到更加廣泛的應(yīng)用。
隧道動態(tài)設(shè)計工作是一項具體而又復(fù)雜的工作'在實際過程中尚需不斷積累經(jīng)驗和完善相關(guān)理論。
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