基于隧洞围岩参数反演与地质判释的快速动态设计研究

赵阿丽

（陕西省引汉济渭工程协调领导小组办公室陕西西安710004）

基于隧洞围岩参数反演与地质判释的快速动态设计研究

赵阿丽

（陕西省引汉济渭工程协调领导小组办公室陕西西安710004）

本文针对引汉济渭秦岭隧洞地质环境复杂、不确定性影响因素多、施工风险高等特点，在试验洞施工过程中，通过监测围岩收敛变形、反演围岩地质参数、施工地质等手段，迅速对设计进行动态调整、修正和优化，进行了基于隧洞施工围岩参数反演及地质判释的动态设计的研究，初步探索了一条适合引汉济渭工程秦岭隧洞工程的动态设计方法及途径，以期为其他类似工程设计及施工提供参考。

秦岭隧洞；围岩参数反演；地质判释；动态设计；研究

1　研究背景

1.1问题的提出

引汉济渭工程是从陕南汉江流域调水至渭河流域关中地区，向渭河沿岸重要城市、县城和工业园区供水，有效缓解关中地区水资源供需矛盾，通过替代超采的地下水、逐步退还挤占的农业和生态用水，改善渭河流域生态环境，支撑关中-天水经济区发展。该工程由黄金峡水库、三河口水库和秦岭隧洞三大部分组成，其中秦岭隧洞全长98.3km。

秦岭隧洞不但洞线长，埋深大，而且穿越地层岩性极为复杂，穿越3条区域性断裂、4条次一级断裂和34条一般性断裂，存在高地应力、岩爆、高地温热害、围岩失稳、突泥涌水、软岩大变形等工程地质问题。采用钻爆法施工段约占总长60%。因此，钻爆法段施工的顺利与否，是秦岭隧洞工程成败的关键之一。为了降低秦岭隧洞工程施工风险，研究隧洞工程设计及施工方法极其必要。

1.2隧洞设计需要关注的问题

一般建筑工程设计是根据工程实际建造模型来研究建筑物的力学变形特征［1］，设计的边界条件、参数基本上是可控的，隧洞工程设计与一般建筑工程有所不同。目前的隧洞设计施工新奥法原理应用得最广泛。初步设计一般采用工程类比法，是一种定性分析的概念性设计方法，就是将新建项目的工程条件和与其条件基本相同的既有工程进行类比，需要考虑的施工条件主要包括工程条件和地质条件两方面的内容。而工程条件包括工程类型、工程规模、施工方法、构筑物形状及尺寸等条件；地质条件则需考虑围岩岩性、节理发育及走向等因素。

但是，隧洞工程因其地质条件很难在开挖前准确预知，因此，由工程类比法确定的初步设计拟选的支护参数、支护方式，往往不能适应复杂多变的地质条件，导致原设计方案不可完全适合实际情况［2］。隧洞工程设计的关键问题在于如何根据施工揭示的围岩地质特性及空间环境，及时调整隧洞的开挖和支护参数，最大限度地降低施工安全风险，降低工程成本，有效地控制工程投资，由此引出了隧洞工程动态设计的理念。

为了探索秦岭隧洞钻爆法施工动态设计的有效方法，引汉济渭办与省岩土力学与工程学会、中铁一院合作，进行了相关研究，在秦岭隧洞勘探试验洞施工过程中，依据试验洞现场变形监测资料进行反演分析，结合施工地质编录、地质超前预报、综合物探测试等地质判释手段，进一步量化、修正工程地质参数，不断完善、细化、优化隧洞的设计措施。

1.3研究依托勘探试验洞概况

根据《水工隧洞设计规范》相关要求，在引汉济渭项目前期工作中，安排实施了秦岭隧洞2号勘探试验洞项目，并将之作为隧洞动态设计研究的依托和支撑。该试验洞位于宁陕县四亩地镇，洞斜长2707m，综合纵坡为9.9%，洞横断面为城门洞形，断面净空尺寸为5.2m×6.0m（宽×高）。

2　动态设计研究现状

2.1动态设计内涵

中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院薛玮给出的定义：隧洞工程动态设计就是通过现场肉眼观察和监测设备监控量测，获得关于初期支护强度和支护系统稳定性的各类信息，然后对所得量测数据进行分析，按照一定的围岩稳定判别准则，评价初期支护强度和支护系统稳定性，并根据获得的量测数据进一步修改和完善原设计，指导下阶段的施工，同时修正和完善支护体系的支护参数，确定支护时机，从而达到优化工程设计和隧洞施工的目的［3］。日本建设省对动态设计给出的定义是：在工程建设的调查、设计、施工、维修管理的实施过程中，以施工为重点，利用在各过程中获得的与施工有关的电子情报和从各种作业中获得的电子情报，根据使用机械和电子仪器、量测仪器的组合加以联动控制或实现网络的一体化施工管理，以提高整个施工的效率和水平［4］。

图1　研究技术路线图

综上所述，动态设计就是在预先确定的设计方案基础上，为了随时适应工程条件和环境条件变化，及时调整和修正预先设计方案的设计方法。

2.2隧洞动态设计研究现状

现代经济社会的快速发展，促进了隧洞工程的空前发展。改革开放以来，我国铁路、公路、水电等山岭隧洞工程的发展进入了一个新的时期。到2000年我国已有公路隧洞1684座，总长达628km，到1998年底铁路运营隧洞约5336座，总长达2565km［5］。随着岩石力学理论的发展，计算机的广泛应用及隧洞工程的大量实施，隧洞工程的设计技术研究工作有了长足的发展，隧洞动态设计方法及研究也应运而生。

隧洞设计理论发展大致分为古典的压力理论阶段、松散体理论阶段和支护与围岩共同作用的现代支护理论等三个阶段［6］。Hoek和Brown于1990年提出了一套地下工程设计流程，其特点是根据不同失稳模式提出了不同的控制方法，并对开挖、支护和监测等方面提出了要求，但这种方法缺乏反馈分析过程。Bieniawski于1992年提的岩石地下工程开挖设计流程法，该方法涵盖信息收集、设计方法选择、设计优化评估等环节，但没有给出各个环节的具体方法，尤其是没有指出如何将施工过程的信息反馈至优化设计过程中［7］。李晓红（2002）给出新奥法隧洞设计流程图，该流程图融合了新奥法的核心思想，即信息化设计，但并未在流程图中给出具体破坏模式的调控方法。关宝树（2003）给出隧洞设计选择流程图，但未给出具体的实施过程［1］。这些信息收集、仿真反演、地质超前预报等单个技术在工程实践中都有不同程度的研究和应用，但缺乏综合考虑隧洞围岩参数反演与地质判释的快速动态设计技术研究。

3　研究技术路线

隧洞设计方案的确定是一个复杂、动态调整的过程，隧洞工程前期地勘资料所揭示的地质条件，只能在宏观上预测该区域岩体基本工程特性，而要准确地确定洞室围岩结构特性、物理力学参数和地应力大小及分布情况，基本上是在洞室开挖之后。因此，一个安全的、经济的隧洞设计方案必须建立在围岩特性动态综合分析基础之上。

研究的技术路线概括为：跟随洞室开挖过程，通过监测围岩收敛变形，反演围岩地质参数，评估原设计的合理性及调整的必要性；通过地质编录、地质超前预报、岩性测试等施工地质手段，对围岩特性进一步判释，确定围岩支护参数，提出调整围岩类别建议，并将结果及时反馈给现场设计人员。现场设计人员综合分析反演及地质判释相关结果和建议，以现行规范为依据，迅速对先期的施工图设计进行动态调整、修正和优化，而确定出比较符合现场情况的围岩支护参数，完成动态设计。研究技术路线图1。

4　隧洞动态设计研究

4.1原设计方案

单车道Ⅴ类围岩地段衬砌形式采用复合式衬砌；单车道Ⅳ类围岩地段衬砌形式采用喷锚衬砌，局部地段拱墙设I16型钢钢架；单车道Ⅱ、Ⅲ类围岩地段衬砌形式采用喷锚衬砌；错车道全部采用复合式衬砌。

4.2围岩参数反演设计方案调整建议

支护参数调整：Ⅲ类围岩初喷砼厚由15 cm调整为10 cm、Φ8@250×250钢筋挂网由拱墙调整为局部挂网、取消Ⅱ类围岩洞段钢拱架及钢筋网支撑；围岩类别调整：230 mⅢ类围岩调整为Ⅱ类围岩；680 mⅣ类围岩调整为Ⅲ类围岩，64mⅤ类围岩调整为Ⅲ类围岩。

4.3施工地质建议方案

通过详细地质编录、超前地质预报和岩体的物理力学测试等施工地质工作，对围岩分类调整建议为：960mⅢ类围岩调整为Ⅱ类围岩；671mⅣ类围岩调整为Ⅲ类围岩，39mⅤ类围岩调整为Ⅲ类围岩，134 mⅡ类围岩调整为Ⅲ类围岩。

4.4设计方案最终调整结果

设计人员根据地质参数反演结果，结合超前预报等地质判释建议，以《水工隧洞设计规范》为依据，迅速对原设计方案进行设计变更。主要设计变更内容为：

（1）围岩级别调整

目前，不论是《铁路隧道设计规范》、《公路隧道设计规范》还是《水工隧洞设计规范》，都是以“围岩级别”为基础，采用标准设计方法进行隧洞工程初步设计的。因此，动态设计方法也必须体现这一点，施工过程中的变更设计，通常是首先从变更围岩级别开始的。与原设计比较，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩长度分别减少了29.7%、77.3%和37.1%，Ⅱ类围岩长度增加了140.8%。

（2）支护参数调整

根据试验洞现场监测围岩地质参数反演和超前预报等施工地质判释对设计调整建议，对原设计支护衬砌参数进行了及时调整：一是减少了Ⅲ类围岩的铺底砼厚度；二是调整了错车道的位置，取消了错车道二次砼衬砌。

施工中的动态设计，确保了工程安全，节约隧洞支护投资629万元，创造了快速动态设计单车道（内轮廓5.2m×6.0m）断面综合月进尺120m/月，最高月进尺200m/月的快速施工记录，取得了良好的经济效益和社会效益。

5　结语

本研究实践表明，基于围岩反演与施工地质判释快速动态设计，有利于提高动态设计的针对性、有效性，对复杂地质条件下钻爆法隧洞施工，具有降低施工安全风险、节约工程成本的综合作用，是提高地下工程设计及施工技术水平、改善工程经济性之有效途径，具有良好社会效益和发展应用前景。动态设计是地下工程技术发展的主要方向，当前动态设计理念在工程实践中的应用尚处于推动阶段，需要地下工程界的共同重视和努力。陕西水利

［1］冯夏庭，张传庆等.深埋硬岩隧洞动态设计方法.北京：科学出版社，2013.

［2］关宝树.隧道工程施工要点集.北京：人民交通出版社，2010.

［3］江雪英，蔡仲银等.长大深埋隧洞工程施工技术研究.郑州：黄河出版社，2009.

［4］王永兴.水工隧洞施工与质量控制.郑州：黄河出版社，2006.

［5］石广斌，白俊光等.大型地下硐室围岩支护动态设计方法的研究［J］.水利与建筑工程学报，2010第8卷第4期.

［6］王毅才.隧道的历史及发展［J］.西安公路学院学报，1985年3月第1期.

［7］高新强，仇文革等.新建铁路隧道动态设计系统的构思［J］.隧道/地下工程，铁道标准设计2004（8），万方数据.

（责任编辑：王剑）

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