基于隧洞圍巖參數反演與地質判釋的快速動態設計研究

趙阿麗

（陜西省引漢濟渭工程協調領導小組辦公室陜西西安710004）

基于隧洞圍巖參數反演與地質判釋的快速動態設計研究

趙阿麗

（陜西省引漢濟渭工程協調領導小組辦公室陜西西安710004）

本文針對引漢濟渭秦嶺隧洞地質環境復雜、不確定性影響因素多、施工風險高等特點，在試驗洞施工過程中，通過監測圍巖收斂變形、反演圍巖地質參數、施工地質等手段，迅速對設計進行動態調整、修正和優化，進行了基于隧洞施工圍巖參數反演及地質判釋的動態設計的研究，初步探索了一條適合引漢濟渭工程秦嶺隧洞工程的動態設計方法及途徑，以期為其他類似工程設計及施工提供參考。

秦嶺隧洞；圍巖參數反演；地質判釋；動態設計；研究

1　研究背景

1.1問題的提出

引漢濟渭工程是從陜南漢江流域調水至渭河流域關中地區，向渭河沿岸重要城市、縣城和工業園區供水，有效緩解關中地區水資源供需矛盾，通過替代超采的地下水、逐步退還擠占的農業和生態用水，改善渭河流域生態環境，支撐關中-天水經濟區發展。該工程由黃金峽水庫、三河口水庫和秦嶺隧洞三大部分組成，其中秦嶺隧洞全長98.3km。

秦嶺隧洞不但洞線長，埋深大，而且穿越地層巖性極為復雜，穿越3條區域性斷裂、4條次一級斷裂和34條一般性斷裂，存在高地應力、巖爆、高地溫熱害、圍巖失穩、突泥涌水、軟巖大變形等工程地質問題。采用鉆爆法施工段約占總長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鍵之一。為了降低秦嶺隧洞工程施工風險，研究隧洞工程設計及施工方法極其必要。

1.2隧洞設計需要關注的問題

一般建筑工程設計是根據工程實際建造模型來研究建筑物的力學變形特征［1］，設計的邊界條件、參數基本上是可控的，隧洞工程設計與一般建筑工程有所不同。目前的隧洞設計施工新奧法原理應用得最廣泛。初步設計一般采用工程類比法，是一種定性分析的概念性設計方法，就是將新建項目的工程條件和與其條件基本相同的既有工程進行類比，需要考慮的施工條件主要包括工程條件和地質條件兩方面的內容。而工程條件包括工程類型、工程規模、施工方法、構筑物形狀及尺寸等條件；地質條件則需考慮圍巖巖性、節理發育及走向等因素。

但是，隧洞工程因其地質條件很難在開挖前準確預知，因此，由工程類比法確定的初步設計擬選的支護參數、支護方式，往往不能適應復雜多變的地質條件，導致原設計方案不可完全適合實際情況［2］。隧洞工程設計的關鍵問題在于如何根據施工揭示的圍巖地質特性及空間環境，及時調整隧洞的開挖和支護參數，最大限度地降低施工安全風險，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態設計的理念。

為了探索秦嶺隧洞鉆爆法施工動態設計的有效方法，引漢濟渭辦與省巖土力學與工程學會、中鐵一院合作，進行了相關研究，在秦嶺隧洞勘探試驗洞施工過程中，依據試驗洞現場變形監測資料進行反演分析，結合施工地質編錄、地質超前預報、綜合物探測試等地質判釋手段，進一步量化、修正工程地質參數，不斷完善、細化、優化隧洞的設計措施。

1.3研究依托勘探試驗洞概況

根據《水工隧洞設計規范》相關要求，在引漢濟渭項目前期工作中，安排實施了秦嶺隧洞2號勘探試驗洞項目，并將之作為隧洞動態設計研究的依托和支撐。該試驗洞位于寧陜縣四畝地鎮，洞斜長2707m，綜合縱坡為9.9%，洞橫斷面為城門洞形，斷面凈空尺寸為5.2m×6.0m（寬×高）。

2　動態設計研究現狀

2.1動態設計內涵

中鐵工程設計咨詢集團有限公司太原設計院薛瑋給出的定義：隧洞工程動態設計就是通過現場肉眼觀察和監測設備監控量測，獲得關于初期支護強度和支護系統穩定性的各類信息，然后對所得量測數據進行分析，按照一定的圍巖穩定判別準則，評價初期支護強度和支護系統穩定性，并根據獲得的量測數據進一步修改和完善原設計，指導下階段的施工，同時修正和完善支護體系的支護參數，確定支護時機，從而達到優化工程設計和隧洞施工的目的［3］。日本建設省對動態設計給出的定義是：在工程建設的調查、設計、施工、維修管理的實施過程中，以施工為重點，利用在各過程中獲得的與施工有關的電子情報和從各種作業中獲得的電子情報，根據使用機械和電子儀器、量測儀器的組合加以聯動控制或實現網絡的一體化施工管理，以提高整個施工的效率和水平［4］。

圖1　研究技術路線圖

綜上所述，動態設計就是在預先確定的設計方案基礎上，為了隨時適應工程條件和環境條件變化，及時調整和修正預先設計方案的設計方法。

2.2隧洞動態設計研究現狀

現代經濟社會的快速發展，促進了隧洞工程的空前發展。改革開放以來，我國鐵路、公路、水電等山嶺隧洞工程的發展進入了一個新的時期。到2000年我國已有公路隧洞1684座，總長達628km，到1998年底鐵路運營隧洞約5336座，總長達2565km［5］。隨著巖石力學理論的發展，計算機的廣泛應用及隧洞工程的大量實施，隧洞工程的設計技術研究工作有了長足的發展，隧洞動態設計方法及研究也應運而生。

隧洞設計理論發展大致分為古典的壓力理論階段、松散體理論階段和支護與圍巖共同作用的現代支護理論等三個階段［6］。Hoek和Brown于1990年提出了一套地下工程設計流程，其特點是根據不同失穩模式提出了不同的控制方法，并對開挖、支護和監測等方面提出了要求，但這種方法缺乏反饋分析過程。Bieniawski于1992年提的巖石地下工程開挖設計流程法，該方法涵蓋信息收集、設計方法選擇、設計優化評估等環節，但沒有給出各個環節的具體方法，尤其是沒有指出如何將施工過程的信息反饋至優化設計過程中［7］。李曉紅（2002）給出新奧法隧洞設計流程圖，該流程圖融合了新奧法的核心思想，即信息化設計，但并未在流程圖中給出具體破壞模式的調控方法。關寶樹（2003）給出隧洞設計選擇流程圖，但未給出具體的實施過程［1］。這些信息收集、仿真反演、地質超前預報等單個技術在工程實踐中都有不同程度的研究和應用，但缺乏綜合考慮隧洞圍巖參數反演與地質判釋的快速動態設計技術研究。

3　研究技術路線

隧洞設計方案的確定是一個復雜、動態調整的過程，隧洞工程前期地勘資料所揭示的地質條件，只能在宏觀上預測該區域巖體基本工程特性，而要準確地確定洞室圍巖結構特性、物理力學參數和地應力大小及分布情況，基本上是在洞室開挖之后。因此，一個安全的、經濟的隧洞設計方案必須建立在圍巖特性動態綜合分析基礎之上。

研究的技術路線概括為：跟隨洞室開挖過程，通過監測圍巖收斂變形，反演圍巖地質參數，評估原設計的合理性及調整的必要性；通過地質編錄、地質超前預報、巖性測試等施工地質手段，對圍巖特性進一步判釋，確定圍巖支護參數，提出調整圍巖類別建議，并將結果及時反饋給現場設計人員。現場設計人員綜合分析反演及地質判釋相關結果和建議，以現行規范為依據，迅速對先期的施工圖設計進行動態調整、修正和優化，而確定出比較符合現場情況的圍巖支護參數，完成動態設計。研究技術路線圖1。

4　隧洞動態設計研究

4.1原設計方案

單車道Ⅴ類圍巖地段襯砌形式采用復合式襯砌；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；錯車道全部采用復合式襯砌。

4.2圍巖參數反演設計方案調整建議

支護參數調整：Ⅲ類圍巖初噴砼厚由15 cm調整為10 cm、Φ8@250×250鋼筋掛網由拱墻調整為局部掛網、取消Ⅱ類圍巖洞段鋼拱架及鋼筋網支撐；圍巖類別調整：230 mⅢ類圍巖調整為Ⅱ類圍巖；680 mⅣ類圍巖調整為Ⅲ類圍巖，64mⅤ類圍巖調整為Ⅲ類圍巖。

4.3施工地質建議方案

通過詳細地質編錄、超前地質預報和巖體的物理力學測試等施工地質工作，對圍巖分類調整建議為：960mⅢ類圍巖調整為Ⅱ類圍巖；671mⅣ類圍巖調整為Ⅲ類圍巖，39mⅤ類圍巖調整為Ⅲ類圍巖，134 mⅡ類圍巖調整為Ⅲ類圍巖。

4.4設計方案最終調整結果

設計人員根據地質參數反演結果，結合超前預報等地質判釋建議，以《水工隧洞設計規范》為依據，迅速對原設計方案進行設計變更。主要設計變更內容為：

（1）圍巖級別調整

目前，不論是《鐵路隧道設計規范》、《公路隧道設計規范》還是《水工隧洞設計規范》，都是以“圍巖級別”為基礎，采用標準設計方法進行隧洞工程初步設計的。因此，動態設計方法也必須體現這一點，施工過程中的變更設計，通常是首先從變更圍巖級別開始的。與原設計比較，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖長度分別減少了29.7%、77.3%和37.1%，Ⅱ類圍巖長度增加了140.8%。

（2）支護參數調整

根據試驗洞現場監測圍巖地質參數反演和超前預報等施工地質判釋對設計調整建議，對原設計支護襯砌參數進行了及時調整：一是減少了Ⅲ類圍巖的鋪底砼厚度；二是調整了錯車道的位置，取消了錯車道二次砼襯砌。

施工中的動態設計，確保了工程安全，節約隧洞支護投資629萬元，創造了快速動態設計單車道（內輪廓5.2m×6.0m）斷面綜合月進尺120m/月，最高月進尺200m/月的快速施工記錄，取得了良好的經濟效益和社會效益。

5　結語

本研究實踐表明，基于圍巖反演與施工地質判釋快速動態設計，有利于提高動態設計的針對性、有效性，對復雜地質條件下鉆爆法隧洞施工，具有降低施工安全風險、節約工程成本的綜合作用，是提高地下工程設計及施工技術水平、改善工程經濟性之有效途徑，具有良好社會效益和發展應用前景。動態設計是地下工程技術發展的主要方向，當前動態設計理念在工程實踐中的應用尚處于推動階段，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.深埋硬巖隧洞動態設計方法.北京：科學出版社，2013.

［2］關寶樹.隧道工程施工要點集.北京：人民交通出版社，2010.

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

［4］王永興.水工隧洞施工與質量控制.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動態設計方法的研究［J］.水利與建筑工程學報，2010第8卷第4期.

［6］王毅才.隧道的歷史及發展［J］.西安公路學院學報，1985年3月第1期.

［7］高新強，仇文革等.新建鐵路隧道動態設計系統的構思［J］.隧道/地下工程，鐵道標準設計2004（8），萬方數據.

（責任編輯：王劍）

U451.2

B