漫談礦山法隧道技術(shù)第十二講
——隧道情報(bào)化施工的“情報(bào)”

關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)， 四川 成都 610031)

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漫談礦山法隧道技術(shù)第十二講
——隧道情報(bào)化施工的“情報(bào)”

關(guān)寶樹

(西南交通大學(xué)， 四川 成都 610031)

隧道情報(bào)化施工是指在施工中根據(jù)能夠充分表現(xiàn)隧道開挖后圍巖和支護(hù)構(gòu)件動(dòng)態(tài)的“動(dòng)態(tài)情報(bào)”來進(jìn)一步掌握圍巖的特性以修正設(shè)計(jì)和施工。1)指出實(shí)現(xiàn)情報(bào)化施工的前提是“情報(bào)”，需要的情報(bào)包括能夠判定掌子面是否穩(wěn)定、掌子面前方圍巖是否發(fā)生變化、已支護(hù)地段變形是否收斂、圍巖分級是否合適等。強(qiáng)調(diào)隧道情報(bào)化施工的情報(bào)“量”是基礎(chǔ)，“質(zhì)”是關(guān)鍵。以位移量測為例，介紹施工中需要獲取什么樣的情報(bào)； 以日本礦山法數(shù)據(jù)庫(DB)為例說明情報(bào)“量”的重要性及其應(yīng)用。指出我國的施工現(xiàn)狀是積累情報(bào)“量”較大，但“質(zhì)”不足，要在情報(bào)的“質(zhì)”上下功夫，能夠進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)和分析，為情報(bào)化施工建立數(shù)據(jù)庫。2)從掌子面前方圍巖的探查、掌子面觀察、量測和試驗(yàn)等方面介紹獲取情報(bào)的主要方法和目的。分別以日本北海道公路隧道和筑紫隧道為例，重點(diǎn)介紹了超前鉆孔在掌子面前方和洞口段開挖前地質(zhì)探查中的應(yīng)用。3)介紹我國、日本和美國掌子面觀察的內(nèi)容和方法，指出我國的觀察大部分獲得定性的情報(bào)和少量定量情報(bào)，而日本和美國的觀察是可以數(shù)值化的，我們在這方面尚需努力。介紹對已施工區(qū)間進(jìn)行檢查和觀察的項(xiàng)目，以噴混凝土為例介紹觀察結(jié)果的利用方法，反饋指導(dǎo)施工，統(tǒng)計(jì)建立管理基準(zhǔn)。4)最后強(qiáng)調(diào)在不同圍巖級別中，獲取情報(bào)的方法是不同的，量測不是唯一的，也不是萬能的。在塊狀、巖質(zhì)圍巖中，應(yīng)把觀察放在重要位置；在軟弱圍巖中，量測、觀察以及掌子面前方圍巖預(yù)測等方法應(yīng)同時(shí)并舉，循環(huán)驗(yàn)證。

隧道； 情報(bào)化施工； 觀察； 量測； 數(shù)值化； 數(shù)據(jù)庫

0 引言

設(shè)計(jì)與施工的一體化是隧道工程的特征之一，設(shè)計(jì)要考慮施工中的“情報(bào)”或“動(dòng)態(tài)信息”，施工要根據(jù)“情報(bào)”或“動(dòng)態(tài)信息”進(jìn)行再設(shè)計(jì)，再施工。因此，礦山法隧道設(shè)計(jì)、施工的基本原則之一是以“情報(bào)”或“動(dòng)態(tài)信息”為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)“情報(bào)化施工”或“動(dòng)態(tài)施工”。本講重點(diǎn)說明情報(bào)化施工中與“情報(bào)“有關(guān)的問題。

目前的隧道設(shè)計(jì)，是以施工前有限的情報(bào)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。由于地質(zhì)的復(fù)雜性和不確定性，事前很難掌握自然圍巖的狀態(tài)和性質(zhì)。因此，施工圖建議的設(shè)計(jì)參數(shù)和施工方法只能是推薦性的，需要在施工中予以驗(yàn)證、修正與完善。也就是說，在施工中要根據(jù)能夠充分表現(xiàn)隧道開挖后圍巖和支護(hù)構(gòu)件動(dòng)態(tài)的“動(dòng)態(tài)情報(bào)”來進(jìn)一步掌握圍巖的特性，修正設(shè)計(jì)。這就是所謂的“設(shè)計(jì)變更”或情報(bào)化施工。

情報(bào)化施工必須以“施工中的情報(bào)”為基礎(chǔ)，不斷地完善設(shè)計(jì)與施工過程，才能構(gòu)筑符合性能要求的隧道結(jié)構(gòu)物。因此，首先要把“設(shè)計(jì)變更”作為情報(bào)化施工的重要組成部分，開展設(shè)計(jì)變更的基準(zhǔn)和方法等內(nèi)容的研究，是非常重要的； 其次是確立獲得這些“情報(bào)”的可靠“方法”和技術(shù)，在這方面我國與國外有相當(dāng)大的差距； 最后，在具備“情報(bào)”和“方法”的前提條件下，解決如何“處理情報(bào)”、“分析情報(bào)”、“評價(jià)情報(bào)”，進(jìn)而“利用情報(bào)”的問題。其最終目標(biāo)是建立一個(gè)為情報(bào)化施工服務(wù)的數(shù)據(jù)庫。

1 實(shí)現(xiàn)真正的情報(bào)化施工的關(guān)鍵是“情報(bào)”

實(shí)現(xiàn)情報(bào)化施工的前提條件是要有能夠充分表現(xiàn)隧道開挖后圍巖和支護(hù)構(gòu)件動(dòng)態(tài)的“動(dòng)態(tài)情報(bào)”。首先，要解決施工中需要什么樣的情報(bào)(信息)的問題； 其次，應(yīng)對各種“情報(bào)”提出“質(zhì)”和“量”的要求。

1.1 獲取什么樣的情報(bào)

一般來說需要下列情報(bào)： 1)能夠判定開挖面是否穩(wěn)定； 2)掌子面前方圍巖是否發(fā)生變化； 3)已支護(hù)地段變形是否收斂； 4)圍巖分級是否合適等。

以量測中的位移量測為例，如圖1所示，施工中必須通過量測，切實(shí)掌握下列數(shù)據(jù)(情報(bào))： 1)初始值(初始位移速度)，指測點(diǎn)設(shè)置后第1 d量測的位移值，其值與測點(diǎn)設(shè)置的時(shí)間或距掌子面的距離有關(guān)。2)距掌子面一定距離(例如0.5D、1D、2D)的位移值。3)拱頂下沉位移與拱腳下沉位移的比值。4)最終收斂值。5)掌子面通過前的位移值。一般是根據(jù)圍巖級別估計(jì)的，在一般圍巖條件下，大約為總位移值的20%～30%； 在淺埋隧道中，位移值可以通過地表面量測得到，也可以根據(jù)事前的解析方法提供。

圖1 隧道開挖后變形動(dòng)態(tài)概念圖

在以上量測數(shù)據(jù)中最重要的是初始位移速度(測點(diǎn)設(shè)置后第1 d的位移值)。它對判定圍巖好壞以及最終收斂值的大小，具有直接的重要意義。如果量測困難，也可以距掌子面0.5D的位移為基準(zhǔn)。因此，在隧道情報(bào)化施工中，強(qiáng)調(diào)盡快、盡早地取得初始位移速度的量值，用以判定可能出現(xiàn)的最終收斂值的大小?！豆匪淼烙^察、量測指南》(2009，日本)[1]中，明確規(guī)定應(yīng)在開挖后3 h內(nèi)(不得已時(shí)也應(yīng)在6 h內(nèi))取得此數(shù)據(jù)。其他國家如挪威、美國等也有類似的規(guī)定，基本上要求在下一循環(huán)前獲取此情報(bào)，否則就失去了量測的意義。

其次是最終收斂值，指隧道開挖后可能發(fā)生的總位移值。施工中大多數(shù)位移是量測不到的，量測值僅僅是其中的一部分(見圖1)。而評價(jià)隧道是否穩(wěn)定，基本上是以最終收斂值為基準(zhǔn)的。一般來說，最終收斂值是以初始位移速度或支護(hù)后的收斂值，或距掌子面一定距離的位移值推定的。因此，確保初始位移速度或支護(hù)后的收斂值，或距掌子面一定距離的位移量測值的可靠性，是非常重要的。

1.2 情報(bào)的“量”是基礎(chǔ)，“質(zhì)”是關(guān)鍵

情報(bào)的“量”是分析問題的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從數(shù)量上看，我們量測的數(shù)據(jù)“量”可能是最多的，理所當(dāng)然地應(yīng)該從“量”上找出隧道開挖后圍巖動(dòng)態(tài)的規(guī)律性，為設(shè)計(jì)施工提供有針對性的指導(dǎo)建議。遺憾的是，我們目前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有做到這一點(diǎn)。因此，還不能真正做到用觀察、量測數(shù)據(jù)指導(dǎo)隧道的設(shè)計(jì)和施工。以日本的量測事例說明情報(bào)“量”的重要性。

日本NEXCO收集了大量的量測結(jié)果，使之?dāng)?shù)據(jù)庫化，在對多數(shù)的隧道數(shù)據(jù)分析后，作為以后設(shè)計(jì)施工的基礎(chǔ)資料。

礦山法數(shù)據(jù)庫(以下稱為DB)，收納了雙車道公路隧道施工的量測數(shù)據(jù)，其中包括1998—2010年共13年的數(shù)據(jù)，180座隧道，210個(gè)區(qū)間，斷面數(shù)達(dá)10 388個(gè)。研究的斷面數(shù)共有8 196個(gè)。從研究的圍巖斷面分布看，軟質(zhì)巖(層狀)有2 880個(gè)斷面，硬質(zhì)巖(塊狀)有2 196個(gè)斷面，中硬質(zhì)巖、軟質(zhì)巖(塊狀)有2 080個(gè)斷面，中硬質(zhì)巖、軟質(zhì)巖(層狀)有850個(gè)斷面。沒有采用鋼支撐的B、CⅠ、CⅡ-a級圍巖，塊狀占大部分。另外，B級中硬質(zhì)巖(塊狀)、DⅡ級中軟質(zhì)巖(層狀)占大部分。

DB收集的數(shù)據(jù)中，位移的項(xiàng)目包括拱頂下沉、上半斷面水平凈空位移、下半斷面水平凈空位移和腳部下沉等。量測時(shí)點(diǎn)包括初始位移速度，距掌子面0.5D、1.0D、2.0D、下半斷面通過時(shí)以及最終位移值。此外，還包括地中位移、錨桿軸力、噴混凝土應(yīng)力以及掌子面觀察的項(xiàng)目等。

日本以數(shù)據(jù)庫的情報(bào)為基礎(chǔ)，分析與隧道設(shè)計(jì)施工有密切關(guān)系的各因素之間的規(guī)律，并作為施工管理的依據(jù)。其中包括： 1)水平凈空位移的頻率分布； 2)初始位移速度和最終位移值的關(guān)系； 3)埋深與最終水平位移的關(guān)系； 4)最終位移值與圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比的關(guān)系； 5)圍巖級別與掌子面評價(jià)點(diǎn)的關(guān)系； 6)圍巖級別與支護(hù)變異的關(guān)系。

以初始位移速度與最終位移值的關(guān)系為例，如圖2所示，這些關(guān)系圖已在公路、鐵路隧道中作為選定支護(hù)模式的大致標(biāo)準(zhǔn)。

(a) 花崗巖(硬質(zhì)巖、塊狀)

(b) 安山巖(中硬質(zhì)巖、塊狀)

(c) 黏板巖(中硬質(zhì)巖、層狀)

(d) 第三系泥巖、頁巖(軟質(zhì)巖、層狀)

圖2 初始位移速度和最終位移值的關(guān)系

Fig. 2 Relationship between initial displacement velocities and final displacements

上述分析充分說明，根據(jù)一定量的數(shù)據(jù)，完全可以獲得與設(shè)計(jì)施工有關(guān)的規(guī)律性的結(jié)果，用以指導(dǎo)和完善數(shù)據(jù)施工。

從我國當(dāng)前的施工現(xiàn)狀看，雖然積累了大量的量測數(shù)據(jù)，但情報(bào)的“質(zhì)”還不能滿足情報(bào)化施工的要求。問題出現(xiàn)在情報(bào)的“質(zhì)”上。沒有“質(zhì)”的情報(bào)，即使數(shù)量再多，也沒有用。在隧道施工領(lǐng)域中，利用我們的優(yōu)勢(數(shù)據(jù)量巨大)，只要在情報(bào)的“質(zhì)”上下功夫，就能夠進(jìn)行系統(tǒng)地總結(jié)和分析，為情報(bào)化施工建立良好的施工平臺(tái)——情報(bào)數(shù)據(jù)庫。

2 獲取情報(bào)的方法

獲取情報(bào)的途徑和方法是多種多樣的，包括： 1)掌子面前方圍巖的探查； 2)掌子面觀察； 3)量測； 4)各種試驗(yàn)(室內(nèi)的、原位的)。獲取情報(bào)的主要方法和目的見表1。

表1 獲取情報(bào)的方法和目的

雖然獲取情報(bào)的方法很多，但過去我們過多地依賴量測，而忽視了觀察、試驗(yàn)及掌子面前方圍巖預(yù)測所提供的情報(bào)。因此，今后應(yīng)有針對性地利用除量測以外的一些方法，獲取相應(yīng)的情報(bào)，這對于指導(dǎo)隧道的設(shè)計(jì)和施工具有很重要的作用。

由上述方法獲得的情報(bào)，其數(shù)量是可觀的，因此對情報(bào)進(jìn)行整理、分析、評價(jià)是十分重要的工作。這只有利用數(shù)據(jù)庫的方法才能解決，因此，有計(jì)劃、有目的地建立隧道情報(bào)數(shù)據(jù)庫是刻不容緩的大事，不能忽視。

2.1 掌子面前方的超前鉆孔探查

在隧道情報(bào)化施工中，掌握掌子面前方的圍巖狀況是非常重要的。目前，掌子面前方圍巖探查方法的開發(fā)已經(jīng)成為隧道施工技術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域，應(yīng)給予充分的關(guān)注。

日本北海道開發(fā)局在其地方規(guī)范中指出： 過去對施工中的前方地質(zhì)研究和對掌子面狀態(tài)評價(jià)只采用經(jīng)驗(yàn)的、定性的、模式化的方法，只在地質(zhì)條件惡劣的區(qū)間和破碎帶等場合采用超前鉆孔方法來提高調(diào)查精度； 但到今天，由于技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)可以采用前方地質(zhì)確認(rèn)手段來定量地加以判定。因此，其規(guī)范規(guī)定： 原則上在全線施工中采用超前鉆孔進(jìn)行前方地質(zhì)調(diào)查。

基于北海道開發(fā)局的規(guī)定，在北海道的公路隧道中，距掌子面大約每掘進(jìn)100 m實(shí)施超前鉆孔，不僅要進(jìn)行確認(rèn)地質(zhì)的P波檢層和巖石試驗(yàn)，也要獲取如表2所列的情報(bào)。根據(jù)北海道施工16座隧道的數(shù)據(jù)，首先用預(yù)測的圍巖級別和施工圍巖級別一致度來表示超前鉆孔的效果。研究的對象包括基于事前調(diào)查(巖類、彈性波速度等)設(shè)定的圍巖級別、基于超前鉆孔設(shè)定的圍巖級別和實(shí)際施工的圍巖級別3個(gè)，共1 245個(gè)數(shù)據(jù)。

表3是基于事前調(diào)查設(shè)定的圍巖級別與實(shí)際施工的圍巖級別的關(guān)系。表4是基于超前鉆孔設(shè)定的圍巖級別與實(shí)際施工的圍巖級別的關(guān)系。基于上述預(yù)測與實(shí)際施工的圍巖級別的一致度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表5。

表5說明： 1)事前調(diào)查結(jié)果與施工結(jié)果一致的約占76%，19%與預(yù)計(jì)相比降低1—2級，其中從C1、C2級變更到D1、D2、E級的占總數(shù)的11%。同時(shí)也出現(xiàn)施工時(shí)比預(yù)計(jì)的圍巖位移大，從無仰拱模式變更到設(shè)仰拱模式的情況。2)超前鉆孔結(jié)果與施工結(jié)果一致的約占90%，9%與預(yù)計(jì)相比降低1—2級，而從C級變更到D級的只有2.5%。施工中沒有較大的工法變更。

圍巖級別預(yù)測一致度的差值可明確地反映到隧道施工時(shí)凈空位移的差值上。沒有實(shí)施超前鉆孔的隧道與上述實(shí)施超前鉆孔的隧道比較，后者的凈空位移??； 特別是在D1、D2級圍巖中，其差值很大。也就是說，采用超前鉆孔能夠獲得詳細(xì)的圍巖地質(zhì)情報(bào)和進(jìn)行高精度的圍巖分級，在施工中工法變更較少，而且凈空位移也小。

由此項(xiàng)研究可以看出，利用超前鉆孔的情報(bào)，可以對掌子面前方圍巖的狀況予以評價(jià)，并力求向建立與超前鉆孔對應(yīng)的圍巖分級方法的方向發(fā)展。

表2 超前鉆孔調(diào)查的記載項(xiàng)目[2]

表3 事前調(diào)查的圍巖級別與施工結(jié)果的數(shù)據(jù)量對比

Table 3 Surrounding rock grades predicted and measured (using investigation method)

事前調(diào)查的圍巖級別施工時(shí)的圍巖級別C1C2D1D2EC15711711C271749371D13407210D21222918E16

表4 超前鉆孔的圍巖級別與施工結(jié)果的數(shù)據(jù)量對比

Table 4 Surrounding rock grades predicted and measured (using advanced bore-hole drilling method)

超前鉆孔的圍巖級別施工時(shí)的圍巖級別C1C2D1D2EC160191C21514182D16100322D23489E6

表5 預(yù)測圍巖級別的一致度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

Table 5 Comparison between investigation method and bore-hole drilling method in terms of consistency of surrounding rock classification

差值事前調(diào)查-施工施工數(shù)比例/%超前鉆孔-施工施工數(shù)比例/%+2級以上493.950.6+1級18414.8698.1一致94375.776989.7-1級625.0111.3-2級以上70.630.4合計(jì)1245100.0857100.0

2.2 洞口段開挖前的超前鉆孔探查

在隧道施工中，開挖前了解掌子面前方圍巖的狀況是非常重要的。鉆孔探查是最直接的方法，特別是洞口段地質(zhì)變化頻繁的地段。例如日本九州新干線筑紫隧道采用繩索取芯工法(Wire Line Core Method)進(jìn)行前方圍巖探查。

筑紫隧道山浦工區(qū)(最南方的工區(qū))小埋深區(qū)間長約1 km，埋深約40 m。此區(qū)間是由更新世砂礫層構(gòu)成的丘陵堆積物，其下方是全風(fēng)化花崗巖。采用電探法得到的幾乎是相同的比電阻值，因此進(jìn)行導(dǎo)向鉆孔調(diào)查巖芯狀況是必要的。

借用農(nóng)閑期的水田，以17°傾斜角開始鉆進(jìn)，一邊鉆進(jìn)一邊使鉆孔軌跡逐步變成水平方向，而后在隧道下方采用通常的繩索鉆進(jìn)500 m。鉆進(jìn)孔徑： 傾斜段為111 mm，導(dǎo)向地段為76 mm。方向測定的頻率： 傾斜段每25 m測1次，導(dǎo)向段每11 m測1次，水平段每20 m測1次。最終的容許精度是±5 m。

鉆孔的口部從平地的水田開始鉆進(jìn)，最初采用反鏟開挖探坑。在接近隧道位置前，因無需取巖芯故可高速鉆進(jìn)，采用旋轉(zhuǎn)式?jīng)_擊鉆鉆至導(dǎo)向位置。從導(dǎo)向區(qū)間開始，采用繩索鉆進(jìn)用軸式鉆機(jī)傾斜17°進(jìn)行鉆進(jìn)。導(dǎo)向鉆進(jìn)通常采用NQ繩索鉆頭，每11 m測定一次傾斜和方位，只在導(dǎo)向處采用BQ繩索鉆頭鉆進(jìn)。鉆進(jìn)至深度為200 m時(shí)，確認(rèn)沿計(jì)劃軌跡進(jìn)行； 進(jìn)入水平鉆進(jìn)后，在400 m深度附近調(diào)整軌跡上升并再次對導(dǎo)向軌跡進(jìn)行修正，最終到達(dá)計(jì)劃深度500 m。洞口段繩索取芯工法取得了良好的結(jié)果，見圖3。

圖3 洞口段繩索取芯鉆孔圖示

在斷層區(qū)間也采用類似的探查方法調(diào)查平等寺斷層的位置及其狀況和斷層的影響范圍。從口部開始采用繩索取芯工法?？诓坎捎肞Q繩索鉆頭(φ711 mm)，接著依次采用HQ(φ118 mm)、NQ(φ711 mm)、BQ(φ62 mm)繩索鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)，并根據(jù)孔徑插入套管，計(jì)劃鉆進(jìn)550 m。

孔口的傾斜角設(shè)定在-30°開始鉆進(jìn)，但由于計(jì)劃導(dǎo)向的地點(diǎn)圍巖較差，出現(xiàn)向下扎頭的現(xiàn)象，因此從110 m處(圍巖變好的地段)又開始導(dǎo)向，力求沿隧道鉆進(jìn)，最終鉆進(jìn)至550 m時(shí)，大致處于隧道的下方，鉆進(jìn)280 m處距離隧道約24 m。在斷層區(qū)間采用超前鉆孔探查發(fā)揮了應(yīng)有的作用，地質(zhì)調(diào)查結(jié)果見圖4。

3 觀察調(diào)查及其利用

在情報(bào)化施工中，觀察和前方圍巖探查可能比量測更為重要； 因?yàn)槭┕ぶ饕轻槍φ谱用媲胺絿鷰r的變化和對掌子面開挖后的即時(shí)判定來采取對策的，而量測的數(shù)據(jù)只能在稍后的時(shí)間獲取。因此，為確保情報(bào)化施工安全、經(jīng)濟(jì)和快速，加強(qiáng)掌子面觀察和前方圍巖探查是很重要的。實(shí)際上，在Ⅰ、Ⅱ級圍巖中，觀察、施工數(shù)據(jù)是主要的，基本上可以不進(jìn)行量測； 在Ⅲ、Ⅳ級圍巖中，觀察和量測是并重的； 而在需要控制變形的圍巖中，量測和前方圍巖探查是不可缺少的，例如在Ⅴ、Ⅵ級及特殊圍巖中。

圖4 地質(zhì)調(diào)查結(jié)果(南煙工區(qū))

隧道施工時(shí)的觀察調(diào)查大體上分為洞內(nèi)觀察調(diào)查和地表觀察2類。洞內(nèi)觀察調(diào)查包括掌子面觀察和已施工區(qū)間的觀察。掌子面觀察是以支護(hù)施設(shè)前的圍巖為對象，已施工區(qū)間的觀察則以施工后的支護(hù)結(jié)構(gòu)為對象，將兩者的量測數(shù)據(jù)一起用來判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)的選定和增減是很重要的。

3.1 掌子面觀察

施工初期階段，即開始揭露圍巖階段，是有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員用以判斷圍巖是否符合預(yù)計(jì)的最佳時(shí)期。觀察時(shí)采用的方法，一是目視加簡易的錘擊方法，二是用數(shù)碼相機(jī)攝影。在攝影技術(shù)發(fā)達(dá)的今天，數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)普及。

初期階段的掌子面觀察，重點(diǎn)要對初步設(shè)計(jì)的圍巖級別進(jìn)行核查。隨著施工的進(jìn)展，逐步積累掌子面觀察數(shù)據(jù)和量測數(shù)據(jù)。通過積累的掌子面觀察數(shù)據(jù)和量測數(shù)據(jù)，可以整理出掌子面的圍巖條件與合理的支護(hù)模式的相關(guān)關(guān)系； 對未施工區(qū)間(新的掌子面)，掌子面觀察結(jié)果可用于選定支護(hù)模式。

無論是采用目視還是數(shù)碼相機(jī)對掌子面進(jìn)行觀察，其觀察項(xiàng)目包括掌子面素描、錘擊的開裂形態(tài)、風(fēng)化變質(zhì)、裂隙間距、裂隙形態(tài)及涌水狀況等。其中多數(shù)項(xiàng)目與判定圍巖級別有關(guān)。例如，我國鐵路隧道規(guī)定的施工階段用以判定圍巖級別的判定卡(見表6)中的一些項(xiàng)目就可以作為觀察項(xiàng)目； 公路隧道建議的判定卡(見表7)與此大同小異。根據(jù)這些觀察結(jié)果可以評價(jià)圍巖并反映到支護(hù)選定上。

表6 我國鐵路隧道施工階段圍巖級別判定卡

由表6和表7可知，通過觀察可以獲得大部分定性的情報(bào)，如輔以簡易的方法，也可獲得一些定量的情報(bào)。

根據(jù)觀察項(xiàng)目的實(shí)際，在《公路隧道觀察、量測指南》(2009，日本)中，提出的掌子面觀察表如表8所示。

統(tǒng)計(jì)分析獲得的對應(yīng)各觀察項(xiàng)目評級的評價(jià)點(diǎn)計(jì)算出掌子面評價(jià)點(diǎn)的結(jié)果見圖5。各支護(hù)模式的掌子面評價(jià)點(diǎn)的平均點(diǎn)數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)偏差的幅度與支護(hù)選定的大致標(biāo)準(zhǔn)的范圍是一致的。在現(xiàn)場，采用這樣的掌子面評價(jià)點(diǎn)進(jìn)行評價(jià)，可以作為選定支護(hù)模式的一個(gè)大致標(biāo)準(zhǔn)。

圖6是用掌子面評價(jià)點(diǎn)判定圍巖級別的管理圖。如圖所示，沿隧道延長方向整理掌子面評價(jià)點(diǎn)分布的方法很容易對掌子面評價(jià)點(diǎn)和圍巖級別做出相對比較，掌子面觀察結(jié)果和圍巖評價(jià)在圍巖級別管理上是一個(gè)有效的方法。

圖7是美國在公路隧道中針對巖質(zhì)圍巖的典型掌子面的素描圖，用于記錄在該地段遇到的地質(zhì)條件。掌子面素描圖反映了每一開挖循環(huán)發(fā)生的事態(tài)，是正式記錄，由承包商和業(yè)主代表簽署。

由此可見，掌子面觀察方法是可以數(shù)值化的，我們在這方面尚需努力。

表8 掌子面觀察表[1]

注： 各觀察項(xiàng)目評級均有其對應(yīng)的評價(jià)點(diǎn)，例如抗壓強(qiáng)度的對應(yīng)關(guān)系是： 1級對應(yīng)38點(diǎn)，2級對應(yīng)30點(diǎn)，3級對應(yīng)23點(diǎn)，4級對應(yīng)15點(diǎn)，5級對應(yīng)8點(diǎn)，6級對應(yīng)0點(diǎn)。

支護(hù)模式

○表示掌子面評價(jià)點(diǎn)的平均點(diǎn)位，實(shí)線為平均值+標(biāo)準(zhǔn)偏差的幅度變化范圍，陰影線部分為支護(hù)選定的大致標(biāo)準(zhǔn)的范圍。

圖5 掌子面評價(jià)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果、支護(hù)選定的大致標(biāo)準(zhǔn)

Fig. 5 Calculation results of evaluation points on working face and standards for support

(b)

Fig. 6 Classification management of surrounding rock according to evaluation points on tunnel face

圖7 掌子面地質(zhì)素描圖[3]

3.2 已施工區(qū)間的觀察

已施工區(qū)間的觀察是為了補(bǔ)充量測和確認(rèn)設(shè)計(jì)施工是否合適，如有問題及早發(fā)現(xiàn)。一邊檢查支護(hù)的狀態(tài)一邊觀察，如有異常立即查找原因并與其他量測項(xiàng)目結(jié)合加以綜合判斷，采取適當(dāng)?shù)拇胧?/p>

在已施工區(qū)間，以隧道洞內(nèi)為對象，對以下項(xiàng)目進(jìn)行檢查和觀察。

1)噴混凝土： 與圍巖的密貼、開裂(發(fā)生位置、種類、寬度、長度及發(fā)展?fàn)顩r)、涌水等。

2)錨桿： 打設(shè)位置、方向，錨桿、墊板的變形，錨桿頭部斷裂等。

3)鋼支撐： 變形、屈服的位置和狀況，與噴混凝土一體化的狀況，侵入圍巖、腳部下沉等。

4)襯砌： 開裂(位置、種類、寬度和長度)，涌水狀況等。

在認(rèn)為有變異的場合，參考表9記載變異的位置、種類和規(guī)模等，必要時(shí)要描繪位置圖和素描圖。已施工區(qū)間的觀察頻率原則上為1次/d，在認(rèn)為有變異的場合要增加量測頻率。

為了發(fā)現(xiàn)早期變異和前兆，進(jìn)行觀察是極為必要的。在發(fā)生變異的場合，首先要增加觀察的頻次； 其次，在分析與量測數(shù)據(jù)相關(guān)性的基礎(chǔ)上，為更好地利用已施工區(qū)間的觀察結(jié)果，明確記錄變異發(fā)生后的變異發(fā)展過程是很重要的。

根據(jù)已施工區(qū)間的觀察，在認(rèn)為有變異的場合，首先要分析變異發(fā)生的狀況； 其次基于分析結(jié)果，研究采取的對策和修正未施工區(qū)間支護(hù)模式選定的基準(zhǔn)和再評價(jià)管理基準(zhǔn)。已施工區(qū)間觀察結(jié)果的利用方法如圖8所示。已施工區(qū)間觀察的利用方法最好是編制能夠與量測結(jié)果等對比的管理圖，進(jìn)行量測管理。

對比已施工區(qū)間的觀察記錄和支護(hù)模式、掌子面觀察結(jié)果和量測結(jié)果等，掌握變異的發(fā)展過程，分析變異發(fā)生的原因。噴混凝土發(fā)生開裂的種類有剪切開裂(伴有錯(cuò)臺(tái)的開裂)、開口開裂(張裂)和溫度干燥收縮開裂等。其中剪切開裂是應(yīng)力過大造成的，比較危險(xiǎn)； 因此，在發(fā)現(xiàn)剪切開裂的場合要強(qiáng)化管理，評價(jià)也應(yīng)以這種開裂為重點(diǎn)。

以噴混凝土為例，根據(jù)最終水平位移值和變異發(fā)生率的關(guān)系(見圖9)，位移值<80 mm時(shí)，變異發(fā)生率成單調(diào)增加； 位移值在80～120 mm時(shí)，變異發(fā)生率少許降低，但多發(fā)生剪切開裂、擠出，是比較危險(xiǎn)的。一般來說，位移值80 mm是變異發(fā)生的上限值。掌握這種關(guān)系是很重要的。應(yīng)該在實(shí)際觀察中積累這方面的數(shù)據(jù)，為制定噴混凝土的管理基準(zhǔn)打下基礎(chǔ)。

表9 已施工區(qū)間的觀察示例

圖8 已施工區(qū)間觀察結(jié)果的利用方法

Fig. 8 Utilization flowchart of observation results of constructed section

圖9 最終水平位移值和變異發(fā)生率的關(guān)系

Fig. 9 Relationship between final horizontal displacements and shotcrete disaster incidence

按時(shí)序系列整理變形形態(tài)，其變異發(fā)生時(shí)的位移值如圖10所示，可以大致掌握其特征的變化趨勢。也就是說，由于干燥收縮產(chǎn)生開裂時(shí)位移值幾乎都在10 mm以下，開裂、顯著開裂、開裂并伴有脫落等發(fā)生時(shí)的位移值的峰值及平均值(圖中的圓黑點(diǎn))逐漸增大?；趫D5和圖6所示的支護(hù)變異的管理基準(zhǔn)值，水平圍巖在20～40 mm，部分噴混凝土發(fā)生剝離。最終位移值在20 mm以下的場合，變異發(fā)生率很小，因此，20 mm可以作為現(xiàn)場判斷的大致標(biāo)準(zhǔn)。

圖10 變異發(fā)生時(shí)的位移值

4 結(jié)語

本講重點(diǎn)說明在隧道情報(bào)化施工中，“情報(bào)”的重要性和獲取情報(bào)的方法。沒有“質(zhì)”的情報(bào)是在做“虛功”，我們一定要在改進(jìn)情報(bào)的“質(zhì)”上下功夫。其次應(yīng)該明確在不同圍巖級別中，獲取情報(bào)的方法是不同的，量測不是唯一的，也不是萬能的。在塊狀、巖質(zhì)圍巖中，應(yīng)把觀察放到重要位置； 在軟弱圍巖中，量測、觀察以及掌子面前方圍巖預(yù)測等方法應(yīng)同時(shí)并舉，循環(huán)驗(yàn)證。

[1] 日本道路協(xié)會(huì). 道路トンネル觀察·計(jì)測指針[S].東京： 日本道路協(xié)會(huì)，2009.(Japan Highway Association. Guidance for survey and mapping of highway tunnel[S]. Tokyo: Japan Highway Association, 2009. (in Japanese))

[2] 亀村勝美, 岡崎健治, 伊東佳彥. 先進(jìn)ボーリングの効果について: 弾性波速度と地山等級の関連性[C]//巖盤力學(xué)に関するシンポジウム講演論文集. 東京： 土木學(xué)會(huì)巖盤力學(xué)委員會(huì),2014. (Mura Katsumi, Okazaki Kenji, Ito Kahiko. Influence of relationship between elastic wave velocity and surrounding rock grade on advanced drilling[C]//Symposium of Rock Mechanics. Tokyo: Rock Mechanics Committee of Japan Society of Civil Engineers, 2014. (in Japanese))

[3] AASHTO. Technical manual for design and construction of road tunnels: Civil element[S]. Florida: U.S.Department of Transportation,2010.

Tunneling by Mining Method: Lecture XII:Information of Tunnel Informatization Construction

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The modification of design and construction of tunnel can be realized by adopting informatization construction. In this paper: 1) The information, i.e. stability of working face, variation of surrounding rocks, deformation/convergence of supported section and surrounding rock classification, is the base of informatization construction. The quantity of the information is the base and the quality of the information is the key. Case studies are made on deformation monitoring and Database of Mining Method in Japan. The informatization construction in China still needs to be optimized in terms of quality of information. 2) The methods and purposes of information are introduced in terms of detection of surrounding rocks, observation of working face, measuring and test. The application of advanced bore-hole drilling method to geological detection of Hokkaido Highway Tunnel and Chikushi Tunnel in Japan is introduced in detail. 3) The contents, methods and state-of-the-art of working face observation in China, Japan and USA are introduced. The quantization of information collected in China still needs to be developed. The items to be checked and observed and using of observation results of shotcrete are introduced. 4) The information collecting methods for different surrounding rocks vary much. The observation is the most important in collecting information in rocky surrounding; and the observation, measuring and prediction should be carried out in collecting information in soft and weak surrounding rocks.

tunnel; informatization construction; observation; measurement; quantization; database

2015-08-10

關(guān)寶樹(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事隧道及地下工程教學(xué)和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.001

U 455

A

1672-741X(2016)11-1283-12