趙阿麗

（陜西省引漢濟(jì)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)研究

趙阿麗

（陜西省引漢濟(jì)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(duì)引漢濟(jì)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(xiǎn)高等特點(diǎn)，在試驗(yàn)洞施工過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)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(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整、修正和優(yōu)化，進(jìn)行了基于隧洞施工圍巖參數(shù)反演及地質(zhì)判釋的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的研究，初步探索了一條適合引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞工程的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法及途徑，以期為其他類似工程設(shè)計(jì)及施工提供參考。

秦嶺隧洞；圍巖參數(shù)反演；地質(zhì)判釋；動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)；研究

1　研究背景

1.1問(wèn)題的提出

引漢濟(jì)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(guò)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(jì)區(qū)發(fā)展。該工程由黃金峽水庫(kù)、三河口水庫(kù)和秦嶺隧洞三大部分組成，其中秦嶺隧洞全長(zhǎng)98.3km。

秦嶺隧洞不但洞線長(zhǎng)，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(jí)斷裂和34條一般性斷裂，存在高地應(yīng)力、巖爆、高地溫?zé)岷?、圍巖失穩(wěn)、突泥涌水、軟巖大變形等工程地質(zhì)問(wèn)題。采用鉆爆法施工段約占總長(zhǎng)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(xiǎn)，研究隧洞工程設(shè)計(jì)及施工方法極其必要。

1.2隧洞設(shè)計(jì)需要關(guān)注的問(wèn)題

一般建筑工程設(shè)計(jì)是根據(jù)工程實(shí)際建造模型來(lái)研究建筑物的力學(xué)變形特征［1］，設(shè)計(jì)的邊界條件、參數(shù)基本上是可控的，隧洞工程設(shè)計(jì)與一般建筑工程有所不同。目前的隧洞設(shè)計(jì)施工新奧法原理應(yīng)用得最廣泛。初步設(shè)計(jì)一般采用工程類比法，是一種定性分析的概念性設(shè)計(jì)方法，就是將新建項(xiàng)目的工程條件和與其條件基本相同的既有工程進(jìn)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(kāi)挖前準(zhǔn)確預(yù)知，因此，由工程類比法確定的初步設(shè)計(jì)擬選的支護(hù)參數(shù)、支護(hù)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(jì)方案不可完全適合實(shí)際情況［2］。隧洞工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)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(shí)調(diào)整隧洞的開(kāi)挖和支護(hù)參數(shù)，最大限度地降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的理念。

為了探索秦嶺隧洞鉆爆法施工動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的有效方法，引漢濟(jì)渭辦與省巖土力學(xué)與工程學(xué)會(huì)、中鐵一院合作，進(jìn)行了相關(guān)研究，在秦嶺隧洞勘探試驗(yàn)洞施工過(guò)程中，依據(jù)試驗(yàn)洞現(xiàn)場(chǎng)變形監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行反演分析，結(jié)合施工地質(zhì)編錄、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、綜合物探測(cè)試等地質(zhì)判釋手段，進(jìn)一步量化、修正工程地質(zhì)參數(shù)，不斷完善、細(xì)化、優(yōu)化隧洞的設(shè)計(jì)措施。

1.3研究依托勘探試驗(yàn)洞概況

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

2　動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

2.1動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)內(nèi)涵

中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司太原設(shè)計(jì)院薛瑋給出的定義：隧洞工程動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)就是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)肉眼觀察和監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)控量測(cè)，獲得關(guān)于初期支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性的各類信息，然后對(duì)所得量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，按照一定的圍巖穩(wěn)定判別準(zhǔn)則，評(píng)價(jià)初期支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性，并根據(jù)獲得的量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步修改和完善原設(shè)計(jì)，指導(dǎo)下階段的施工，同時(shí)修正和完善支護(hù)體系的支護(hù)參數(shù)，確定支護(hù)時(shí)機(jī)，從而達(dá)到優(yōu)化工程設(shè)計(jì)和隧洞施工的目的［3］。日本建設(shè)省對(duì)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)給出的定義是：在工程建設(shè)的調(diào)查、設(shè)計(jì)、施工、維修管理的實(shí)施過(guò)程中，以施工為重點(diǎn)，利用在各過(guò)程中獲得的與施工有關(guān)的電子情報(bào)和從各種作業(yè)中獲得的電子情報(bào)，根據(jù)使用機(jī)械和電子儀器、量測(cè)儀器的組合加以聯(lián)動(dòng)控制或?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一體化施工管理，以提高整個(gè)施工的效率和水平［4］。

圖1　研究技術(shù)路線圖

綜上所述，動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)就是在預(yù)先確定的設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上，為了隨時(shí)適應(yīng)工程條件和環(huán)境條件變化，及時(shí)調(diào)整和修正預(yù)先設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)方法。

2.2隧洞動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，促進(jìn)了隧洞工程的空前發(fā)展。改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)鐵路、公路、水電等山嶺隧洞工程的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期。到2000年我國(guó)已有公路隧洞1684座，總長(zhǎng)達(dá)628km，到1998年底鐵路運(yùn)營(yíng)隧洞約5336座，總長(zhǎng)達(dá)2565km［5］。隨著巖石力學(xué)理論的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用及隧洞工程的大量實(shí)施，隧洞工程的設(shè)計(jì)技術(shù)研究工作有了長(zhǎng)足的發(fā)展，隧洞動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法及研究也應(yīng)運(yùn)而生。

隧洞設(shè)計(jì)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(hù)與圍巖共同作用的現(xiàn)代支護(hù)理論等三個(gè)階段［6］。Hoek和Brown于1990年提出了一套地下工程設(shè)計(jì)流程，其特點(diǎn)是根據(jù)不同失穩(wěn)模式提出了不同的控制方法，并對(duì)開(kāi)挖、支護(hù)和監(jiān)測(cè)等方面提出了要求，但這種方法缺乏反饋分析過(guò)程。Bieniawski于1992年提的巖石地下工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)流程法，該方法涵蓋信息收集、設(shè)計(jì)方法選擇、設(shè)計(jì)優(yōu)化評(píng)估等環(huán)節(jié)，但沒(méi)有給出各個(gè)環(huán)節(jié)的具體方法，尤其是沒(méi)有指出如何將施工過(guò)程的信息反饋至優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中［7］。李曉紅（2002）給出新奧法隧洞設(shè)計(jì)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(jì)，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(shù)（2003）給出隧洞設(shè)計(jì)選擇流程圖，但未給出具體的實(shí)施過(guò)程［1］。這些信息收集、仿真反演、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)等單個(gè)技術(shù)在工程實(shí)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(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

3　研究技術(shù)路線

隧洞設(shè)計(jì)方案的確定是一個(gè)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)調(diào)整的過(guò)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(cè)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(kāi)挖之后。因此，一個(gè)安全的、經(jīng)濟(jì)的隧洞設(shè)計(jì)方案必須建立在圍巖特性動(dòng)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(kāi)挖過(guò)程，通過(guò)監(jiān)測(cè)圍巖收斂變形，反演圍巖地質(zhì)參數(shù)，評(píng)估原設(shè)計(jì)的合理性及調(diào)整的必要性；通過(guò)地質(zhì)編錄、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、巖性測(cè)試等施工地質(zhì)手段，對(duì)圍巖特性進(jìn)一步判釋，確定圍巖支護(hù)參數(shù)，提出調(diào)整圍巖類別建議，并將結(jié)果及時(shí)反饋給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)人員。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)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(duì)先期的施工圖設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整、修正和優(yōu)化，而確定出比較符合現(xiàn)場(chǎng)情況的圍巖支護(hù)參數(shù)，完成動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。研究技術(shù)路線圖1。

4　隧洞動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)研究

4.1原設(shè)計(jì)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(cuò)車道全部采用復(fù)合式襯砌。

4.2圍巖參數(shù)反演設(shè)計(jì)方案調(diào)整建議

支護(hù)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(guò)詳細(xì)地質(zhì)編錄、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和巖體的物理力學(xué)測(cè)試等施工地質(zhì)工作，對(duì)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(jì)方案最終調(diào)整結(jié)果

設(shè)計(jì)人員根據(jù)地質(zhì)參數(shù)反演結(jié)果，結(jié)合超前預(yù)報(bào)等地質(zhì)判釋建議，以《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》為依據(jù)，迅速對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。主要設(shè)計(jì)變更內(nèi)容為：

（1）圍巖級(jí)別調(diào)整

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

（2）支護(hù)參數(shù)調(diào)整

根據(jù)試驗(yàn)洞現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圍巖地質(zhì)參數(shù)反演和超前預(yù)報(bào)等施工地質(zhì)判釋對(duì)設(shè)計(jì)調(diào)整建議，對(duì)原設(shè)計(jì)支護(hù)襯砌參數(shù)進(jìn)行了及時(shí)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(cuò)車道的位置，取消了錯(cuò)車道二次砼襯砌。

施工中的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，確保了工程安全，節(jié)約隧洞支護(hù)投資629萬(wàn)元，創(chuàng)造了快速動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)單車道（內(nèi)輪廓5.2m×6.0m）斷面綜合月進(jìn)尺120m/月，最高月進(jìn)尺200m/月的快速施工記錄，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

5　結(jié)語(yǔ)

本研究實(shí)踐表明，基于圍巖反演與施工地質(zhì)判釋快速動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，有利于提高動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的針對(duì)性、有效性，對(duì)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(xiǎn)、節(jié)約工程成本的綜合作用，是提高地下工程設(shè)計(jì)及施工技術(shù)水平、改善工程經(jīng)濟(jì)性之有效途徑，具有良好社會(huì)效益和發(fā)展應(yīng)用前景。動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是地下工程技術(shù)發(fā)展的主要方向，當(dāng)前動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)理念在工程實(shí)踐中的應(yīng)用尚處于推動(dòng)階段，需要地下工程界的共同重視和努力。陜西水利

［1］馮夏庭，張傳慶等.深埋硬巖隧洞動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法.北京：科學(xué)出版社，2013.

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

［3］江雪英，蔡仲銀等.長(zhǎng)大深埋隧洞工程施工技術(shù)研究.鄭州：黃河出版社，2009.

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

［5］石廣斌，白俊光等.大型地下硐室圍巖支護(hù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法的研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2010第8卷第4期.

［6］王毅才.隧道的歷史及發(fā)展［J］.西安公路學(xué)院學(xué)報(bào)，1985年3月第1期.

［7］高新強(qiáng)，仇文革等.新建鐵路隧道動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)思［J］.隧道/地下工程，鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)2004（8），萬(wàn)方數(shù)據(jù).

（責(zé)任編輯：王劍）

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