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淺談公路隧道施工中的動態(tài)設(shè)計論文
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(jìn)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(diǎn)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)施工之前的地質(zhì)調(diào)查、鉆探及物探等資料，采取工程類比方法進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(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(jī)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(jìn)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。
1．1TSP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(jìn)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(jìn)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(diǎn)。
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(zhì)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(diǎn)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(jìn)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(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(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(jìn)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(hù)方法、支護(hù)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)的物理力學(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(hù)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(diǎn)布置、數(shù)據(jù)處理及量測人員組織等。
2．3量測的任務(wù)和目的
a)掌握圍巖和支護(hù)的動態(tài)，進(jìn)行隧道日常的施工管理。
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(jìn)行預(yù)測和反饋，提供動態(tài)設(shè)計的基礎(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(hù)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：地質(zhì)和支護(hù)狀況觀察、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉；選測項目包括：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、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)給定的材料模型，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(diǎn)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(jìn)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(hù)的影響．b)根據(jù)隧道開挖過程中圍巖破壞信息進(jìn)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(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工方案及時進(jìn)行修改的設(shè)計模式。旨在使隧道支護(hù)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)既能經(jīng)濟(jì)合理，又能確保安全。下列情況需進(jìn)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。
3．1設(shè)計要點(diǎn)
a)隧道穿越地層的實際圍巖級別與原有地質(zhì)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(hù)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(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時優(yōu)化施工方案。反之則可減弱支護(hù)結(jié)構(gòu)，以節(jié)約投資。
c)反饋設(shè)計中如有必要對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(hù)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(hù)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(jìn)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(fèi)。
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(hù)系統(tǒng)進(jìn)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經(jīng)濟(jì)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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