隧道工程施工安全风险控制技术

隧道工程施工安全风险控制技术中铁隧道集团副总工程师汪纲领●隧道工程洞室支护、结构设计和工法选择的基础理论。●隧道施工的基本工法与辅助工法。●隧道超前地质预报技术。●信息化施工与动态反馈设计。●隧道工程通过岩溶地质地段安全风险控制技术。 随着交通运输、水利水电、城市地铁和地下空间开发利用，隧道施工技术也取得了长足的进步，隧道工程的规模和数量都有了较大增长。目前，中国是世界上隧道最多的国家，是地质最复杂的国家，也是今后隧道发展最快的国家。 随着隧道应用领域的不断拓展，也带来了新的地质难题:①超浅埋隧道的结构稳定与地面限沉问题；②极深埋隧道的岩爆和高应力下隧道结构大变形问题；③隧道穿过特殊地质地段（如岩溶洞穴、岩爆、瓦斯、膨胀性围岩、冻结层、第四季沉积砂土等地段）时也往往会遇到许多复杂的工程地质问题，给工程带来很大的困难。 就隧道工程而言，若对地质条件有足够深度的了解，对可能发生的地质灾害能够适时预报，通过动态设计与合理的施工技术措施，对隧道施工安全风险是可以进行有效控制的。 就地质工程而言，对于地质条件的预测及地质灾害的预报问题一直困扰着工程建设者，往往成为大型工程项目的重难点问题。地质灾害常常导致隧道建设严重受挫。即使工程规模较小，若地质条件差，施工技术措施不当，也会变成相当困难的工程。地质条件具有复杂性、特殊性和不确定性，由于勘察手段的局限性，使得勘察成果往往不能满足施工方案对地质条件的需求。为了避免在工程施工过程中由于地质条件突变而形成地质灾害，将超前地质预报工作纳入工序进行管理十分必要。 就施工技术措施而言，技术方案、工序管理与工艺控制是技术管理的三大基本问题。技术方案不合理，工艺控制不到位，工序管理不正确往往直接导致重大安全风险甚至造成项目失败。大量失败案例分析证实，现场管理者观念陈旧、理念错误固然是主要原因，但在方案实施中对关键工序、工艺某些重要环节与细节的控制失误往往是重要因素。 从理念到实践，从超前地质预报到方案设计，从工艺控制到工序管理，从监控量测到动态反馈设计与信息化施工等，这些都是比较成熟的隧道工程施工安全风险控制技术。接下我想就以上问题与各位同行进行探讨，不当之处请批评指正。 第一部分隧道工程洞室支护、结构设计和工法选择的基础理论 第一章围岩压力一、围岩压力的定义与内涵周围岩体作用于隧道和地下洞室衬砌或支护上的荷载，也称地层压力。围岩压力是开挖隧道后围岩变形和应力重新分布的一种物理现象。人们从开挖洞室后围岩变形和坍塌，衬砌或支护产生变形和开裂等现象，逐步认识到围岩压力的存在。 影响围岩压力的因素:洞室形状或大小、地质构造、支护型式和刚度、洞室埋深，以及时间因素和施工方法等。一次应力(初始应力)状态:洞室开挖前，岩体处在相对静止状态，其中任何一点的岩土都受到周围地层的挤压而处于应力平衡状态。二次应力状态:洞室开挖以后，解除了部分围岩的约束，原始的应力平衡和稳定状态被破坏，围岩中出现了应力的重分布，围岩向洞室内部空间变形，并力图达到新的平衡。 二、隧道开挖后围岩应力状态的三个区域1、应力降低区在松软围岩中，岩体的强度很小，不能承受开挖后急剧增大的洞室周边应力而产生塑性变形，沿坑道周边围岩应力松弛而形成一个应力降低了的区域，高应力向围岩深部转移。扰动了的岩体向坑道内变形，如果变形超过一定数值就会出现围岩失稳和坍塌。在坚硬而完整的围岩中，由于岩体强度大，坑道周边未达到开裂和坍塌，故无应力降低区，这种洞室往往是自稳的。 2、应力升高区围岩深部应力升高的区域，但其强度尚未被破坏，相当于一个承载环。坑道上方形成承载拱，承受上覆地层的自重，并将荷载向两侧地层传递。此即围岩的成拱作用。3、初始应力区距离坑道较远的岩体所受开挖的影响较小，仍处于初始的一次应力状态。 三、围岩压力的分类1、松动压力松动或塌落的岩体以重力形式直接作用在支护上的压力。岩体可以由于节理裂隙或岩石强度破坏而引起松动，直至坑道的顶部和侧部产生坍落。 2、形变压力定义：围岩变形受到支护约束而产生的压力。形变压力除与围岩应力有关外，还与支护时间及其刚度有关。柔性支护可产生一定位移而使形变压力减小，宜大力推广。但初期支护必须足够强，否则须及时施做衬砌，以免围岩位移过大而形成松动压力，不利于结构受力和稳定。 松动压力和形变压力经常同时存在。但以地质条件、支护类型和施工方法等不同而以某一种为主。在松散地层中采用现浇混凝土衬砌而回填不密实时，通常以松动压力为主；而及时作的柔性喷锚支护则以形变压力为主。形变压力常随时间推移而逐渐加大，最终才趋于稳定。说明：在膨胀地层中，还会产生水和化学作用引起岩土体积膨胀的膨胀压力，这也是形变压力的一种。在脆性岩层中，因坑道开挖，使围岩原先的高压力突然释放引起岩爆而产生的冲击压力，则属松动压力范畴。 四、围岩压力的现行理论1、岩土柱理论开挖坑道以后，由于支护或拱圈向坑道内部位移，引起其顶部上覆岩土柱的下沉，两侧地层对柱体产生与下沉反向的摩擦力，故上覆岩层重量减去岩土柱两侧的摩擦力即为围岩压力。铁路行业的方法：拱顶土柱的下沉，将带动两侧三棱体下滑，由三角楔体的平衡条件求出与土柱间的摩阻力，土柱重量减去此摩阻力即为土体竖直压力。该理论多用于浅埋隧道，但也可推广用于深埋隧道。当隧道埋置极浅或遇软土层时，土柱两边的摩阻力接近于零，故围岩压力直接为土柱全重。 2、压力拱理论对埋置较深的隧道，顶部岩体失去稳定，产生坍塌而形成不延向地表的局部破裂区。该区内的岩体自重即洞室支护上的荷载。破裂区上部边界线有抛物线、椭圆、半圆和三角形等不同假定，如科默雷尔岩体破碎理论等。50年代初期，曾广泛采用普氏地压理论，假定岩体为松散体，其压力拱承受上覆土柱的全部均布重量，根据散粒材料不能承受拉应力，即弯矩为零的条件，得到拱形为抛物线，其矢高：h＝b/f(b为压力拱跨度之半，f为岩层坚固系数)。塌落拱岩体重量即为竖直地层压力。 3、弹塑性理论利用弹塑性理论可求出沿洞室周边地层内产生塑性区的范围。设置衬砌后，利用地下结构与地层的位移协调条件，可求得塑性区半径和围岩压力值。 4、极限平衡理论岩体内有各种各样的结构面。开挖坑道后，洞周的围岩出现与整个岩体相脱离的岩块。它的自重对衬砌产生压力。故用地质分析法时，需先查明断层、节理和软弱夹层的分布情况及其组合。当分离体由数组平行节理面组成时，可用裂隙岩石的极限平衡理论计算；当节理呈随机分布时，可用块体力学理论计算。 5、数值解法除简单边界条件的圆形洞室有较严格的解析解以外，对其他断面形状的洞室可采用有限元法或其他数值方法计算弹性、弹塑性或粘弹与粘（弹）塑性的围岩压力值。如已给出垂直压力，则侧向压力可视具体情况采用主动、静止和被动抗力等理论进行计算。如底部地层较差而承载力不好，处于极限状态，产生塑流，岩土将向洞室底部隆起；或遇膨胀地层时，均需要考虑底部围岩的隆起压力。 五、小结●由于地层初始压力和岩土参数不易准确测定，上述各种地压理论，实际应用时会受到一定限制，因此目前还较多地采用工程类比法。●长期以来，人们都想通过量测作用在隧道上的围岩压力及围岩和衬砌的变形，得出可靠的围岩压力分布和数值。如以洞径位移量测为主的收敛——约束法，强调在施工期间进行量测，并反馈信息指导设计，称为现场监控法。●依靠实测来求得围岩压力值是当前的发展方向。围岩性质千变万化，支护形式多种多样，施工方法各不相同，故应综合经验、理论和实测的成果，针对不同情况，采用不同的理论和方法。 第二章岩体力学理论1、关于岩体力学岩体力学是力学的一个分支学科，它是研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的理论及其实际应用的科学，属于应用型基础学科。是力学、地质学与工程学之间的一门边缘学科。岩体力学主要研究经过变形和破坏的岩体在地应力条件改变时产生再变形和再破坏的力学规律的学科。其研究目的是运用岩体的力学规律合理地利用岩体，预测、预报岩体工程中出现或可能出现的灾害，并拟定防治措施。 2、岩体力学研究的基本问题岩体结构，特别是结构面的地质规律；岩体中应力，包括地应力及工程建设引起的二次应力；岩体变形规律；岩体破坏机制及强度理论；岩体水力学理论。3、岩体力学研究的主要工程问题岩体上各种工程地基的变形、破坏；岩体边坡的变形、破坏；地下工程的围岩变形、破坏、开挖和支护；岩体改造方案及技术。 第三章新奥法原理新奥法属于应用岩体力学的理论，通过对隧道围岩变形的量测、监控，采用新型的支护结构，尽量利用围岩自承能力指导隧道设计和施工的方法。 新奥法的三大要素：喷混凝土、锚杆与量测。在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷锚支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力。新奥法是一个具体应用岩体动态性质的完整力学方法，其目的在于促使围岩能够形成环状承载结构，故一般应及时修筑仰拱，使断面闭合成环。它适用于各种不同的地质条件，在软弱围岩中更为有效。 一、支护机理着眼于洞室开挖后形成塑性区的二次应力重分布，而不拘泥于传统的荷载观念；它主要不是建立在对于坍落拱的“支撑概念”上，而是建立在对围岩的“加固概念”上。在合理的临界限度内，它所需要的表面支护抗力Pi是与围岩塑性区半径R、洞室周边位移ur、以及围岩的内聚力с、内摩擦角φ等参数成反比，而支护能提供的抗力则与其刚度成正比。 图1：隧道围岩应力再分布和支护抗力之间的关系示意图 围岩特征曲线1——若不允许围岩壁面位移发展，洞壁径向压应力非常大；而若允许位移发展，则径向压应力减小，当位移达到某一数值时，围岩径向压应力，也就是支护抗力，为最小(Pi)。如果接近开挖面修筑支护，则位移ur较小。支护特性曲线2——随着ur的增加，Pi也增加，并在与曲线1的交点处取得应力稳定，此时的径向压应力为P（Ⅰ，1）。如果修筑刚性更大的支护，如曲线3所示，径向压应力增大如图中的P(Ⅱ，2)。新奥法就是根据上述理由，接近开挖面适时施作密贴围岩的薄层柔性支护的。如果施作支护时间过迟，则使围岩位移过大而产生塌落荷载。如图中斜线阴影部分，也使径向压应力P(Ⅲ，3)增大，如曲线4所示。 曲线5表示，由于围岩应力重分布和衬砌之间相互作用而存在的四个显著的特征阶段。第Ⅰ阶段：围岩不受支护的约束而能够向洞室内自由位移的时期。第Ⅱ阶段：施作一次支护，由于支护抗力而使变形速度减小，并且这个抗力还和支护的刚度有关。第Ⅲ阶段：由于施作了仰拱，支护刚度变大而使变形速度越来越小。第Ⅳ阶段：当仰拱完全受力时，变形基本停止。 二、新奥法的基本要点1、洞室开挖后，应使围岩自身承担主要的支护作用，而衬砌只是对围岩进行加固，使成为一个整体而共同发生作用。因此，须最大限度地保持围岩的固有强度，以发挥围岩的自承能力。方法：及时喷混凝土封闭岩壁，就能有效地防止围岩松弛，而不使其强度大幅度降低，同时也不存在因顶替支撑而使围岩变形松弛。总之，使围岩经常处于三轴应力约束状态最为理想。 2、预计围岩有较大变形和松弛时，应对开挖面施作保护层，而且应在恰当的时候敷设，过早或过迟均不利。方法：支护刚度不能太大或太小，又必须是能与围岩密贴，而要做成薄层柔性，允许有一定变形，以使围岩释放应力时起卸载作用，尽量不使其有弯矩破坏的可能。与传统支护不同，其不是因受弯矩而是受压剪作用破坏的。由于混凝土的抗压和抗剪强度比抗拉和抗弯强度大得多，从而具有更高的承载能力。一次支护的位移收敛后，可在其光滑的表面上敷设高质量的防水层，并修筑为提高安全度的二次支护。前后两次支护与围岩之间都只有径向力作用。 3、衬砌需要加强的区段，不是增大混凝土的厚度，而是增加钢筋网、钢支撑和锚杆，使隧道全长范围采用大致相同的开挖断面。此外，因为新奥法不在坑道内架设杆件支撑，空间宽敞，从而提高了安全性和作业效率。4、为正确掌握和评价围岩与支护的时间特性，可在现场进行量测。量测内容为衬砌内应力、围岩与衬砌间的接触应力以及围岩的变位，据以确定围岩的稳定时间、变形速度和围岩分类等重要参数，以适应地质变化及时变更设计和施工方法。监控量测是新奥法的基本特征，量测的重点是围岩和支护的力学特征随时间的变化动态。衬砌的做法和施作时间是依据围岩变位量测决定的。 5、隧道支护在力学上可看作厚壁圆筒。它是由围岩支承环和支护环组成的结构，且两者存在共同作用。结构只有在闭合后才能在力学上起结构作用，所以除坚硬岩层外，敷设仰拱使支护闭合是特别重要的。围岩的动态主要取决于支护环的闭合时间。当上半断面超前掘进过多时，就相应地推迟了它的闭合时间，在隧道纵向形成悬臂梁的状态而产生大弯曲的不良影响。同样道理，为防止应力集中引起围岩破坏，断面应尽量做成无角隅，最好采用圆形断面。 6、时间效应：受开挖和支护等施工方法的影响，它对结构的安全性起着决定的作用。考虑掘进循环周期、仰拱闭合时间、拱部导坑的长度以及支护强度等变化因素，把围岩和支护作为一个整体来谋求稳定。从应力重分布角度去考虑，全断面一次开挖是最有利的；分部开挖会使应力反复分布而造成围岩受损。7、岩层内的渗透水压力，必须采取排水措施来降低。 小结新奥法的支护结构至今仍处于经验设计的阶段，它的前提是要科学地进行围岩分类，并根据已经修建的类似工程经验，提出支护设计参数或标准设计模式。现场监控设计，一般分成预先设计阶段和最后设计阶段，后者是根据现场监控量测数据，经分析比较或计算后，最后提出设计。理论解析和有限元数值计算，至今还不能得出充分可靠和满意的结果，必须由上述两种方法即经验和量测加以验证。 三、新奥法的施工和量测新奥法的施工作业必须根据事前的调查决定下列四个问题：●开挖方法；●支护布置及进行支护的最适宜时机；●是否设置仰拱及设置的时间和方法；●是否采用辅助施工方法及其种类等。采用新奥法施工的绝大多数工程均采用各种断面分割法（台阶法）进行开挖，其次是采用全断面法。新奥法要求保证光面爆破的质量，避免凹凸不平而引起应力集中和减少超挖，从而节约为填平表面所需的大量混凝土。 新奥法的量测十分重要。在制定现场量测计划时，要根据隧道及地下工程的规模、地质资料、各量测项目的作用，考虑工点所需解决的问题针对性地制定量测计划，选择合理的量测项目和方法。同时还必须考虑采用切实可靠的手段和仪器，保证量测工作准确安全，并尽可能不妨碍施工。在应力应变、接触应力、位移等三大类量测项目中，新奥法应以位移的量测为主。 四、新奥法的适用性实践证明，新奥法的适用性很广，我国已在亚粘土和黄土隧道施工中取得成功。但在下列情况下，一般都应采取适当的辅助措施才能施工：1、涌水量大的地层；2、因涌水产生流沙现象的地层；3、围岩破碎使锚杆钻孔和插入都极为困难的场合；4、开挖面不能自稳的围岩。 第四章隧道围岩变形与支护的机理分析隧道开挖前是处于三维应力状态的，隧道开挖后形成了新的空间，出现了临空面，围岩向洞内移动，应力进行重新调整，从而形成了二次应力。●如果围岩的强度高于二次应力，则围岩是稳定的；●如果围岩的强度低于二次应力，则必须进行支护，以保证围岩的稳定。 对于第二种情况，如果不对围岩进行适时支护，围岩就会发生破坏。围岩的破坏是从围岩表面开始的，逐渐向深部开展，依次形成塑性软化区、塑性强化区和弹性区。塑性强化区和弹性区是围岩承载的主体，塑性软化区是我们要支护的对象。通过对软化区进行支护，一方面可以提高其强度，有利于其自身的稳定，另一方面软化区围岩再对塑性强化区的围岩实施作用，增大了强化区岩压，使强化区围岩的承载力得到提高。所以通过支护或加固软化区围岩，可以提高强化区围岩的强度，围岩的自承能力得以充分发挥，实现深部围岩的稳定，并使其成为主要承载区。 除了对软化区围岩的加固措施外，在矿山法施工隧道时一般采用光面爆破进行开挖，目的是减轻爆破对围岩的震动，尽可能保持其原始状态。在稳定性差的围岩中施工隧道时，常采用预支护方法，使破碎围岩在隧道开挖前即得到强化。●浅部支护、光面爆破和预支护等措施都是工程施工中常用的技术手段，其目的都是在施工时尽可能“基本维持围岩原始状态”，保持原有强度，从而保证围岩的稳定。 第五章隧道围岩的平衡稳定性问题●按照控制论理解：一般地说，任何一个力学系统、物理系统以及工程技术中的某些系统都有平衡稳定性问题。●工程施工安全的本质内涵：从一种稳定平衡状态（施工前）到另一种稳定平衡状态（工程竣工），过程有n个工序，如果每一个工序及工序转换都能实现稳定平衡，则整个工程施工过程是安全的。●简例说明稳定平衡问题：当球体处于图2状态时，外力使球体偏离原始位置，但球体无法自行恢复到原始状态，则球体处于不稳定平衡状态；当球体处于图3状态时，外力使球体偏离原始位置，而球体能自行恢复到原始状态，则球体处于稳定平衡状态。 图2.不稳定平衡图3.稳定平衡 根据经典力学分析，如果任一时刻作用于结构系统的力（合力）都是相互平衡的，稳定的平衡结构系统就能够实现持久的平衡。如使用中的桥梁、隧道结构等；如果结构平衡系统一旦丧失其稳定性，其平衡状态就经不起外力干扰，可能随即发生破坏。如桥梁、隧道结构破坏；所以不稳定平衡系统是不能长期存在的。●安全风险多发生在施工过程中，尤其在工序转换过程中。在地下工程施工中，不但要注意结构的受力平衡，还要注意环境的水土平衡。 ●对于隧道工程，可应用平衡概念处理设计问题，如果周围相关环境处于稳定平衡状态，则隧道工程建设就较容易；如果周围相关环境处于不稳定平衡状态，则隧道工程建设就较难甚至非常难。对于后者，可采用绕避不稳定平衡体或压低延长隧道使之处于稳定平衡状态，否则只能采用工程措施使隧道与周围相关环境共同作用符合力学规律——即施工过程中每步序或使用过程中每时段，隧道围岩和支护系统都必须满足三维力学平衡、变形协调与稳定。 第六章隧道预支护原理一、理论与理念的统一性各种隧道设计理论和工法存在内在联系和统一性，如围岩与支护系统共同作用理论是许多工法的共同理论基础，根据围岩实际情况进行设计与施工的理念对任何施工设计理论、工法都具有指导意义。以不同设计理论为基础的各种隧道工法，其核心都是一致的，即隧道围岩与支护共同作用要达到足够强大，形成稳定平衡体系，实现“基本维持围岩原始状态”，从而达到“充分发挥围岩的自承能力”的目的。 图4各种隧道设计理论和工法比较 二、“围岩—支护”体系预支护原理是以现有设计理论为基础并结合各种工法的优点，阐述了隧道围岩极限自承力Pmax、支护抗力T和围岩原始内力P0三者之间的力学关系，真实反映隧道“围岩－支护”结构体系在开挖与支护（含预支护）施作过程中的互动过程和相互作用。预支护原理解释了各种设计理论及其工法的统一性和适用性问题。建立预支护原理的完整理论体系将有助于解决隧道设计计算方法的合理选用和施工方案的合理制定。 1、力学模型隧道开挖形成新的临空面，导致洞周围岩在径向产生应力释放，而远离隧道地层的应力状态并不发生变化。不失一般性，考虑均匀初始地应力场，用P0表示初始地应力，如图5所示。从静力学的原理可知，P0由“围岩－支护”结构体系的承载力来平衡。定义围岩预支护力F等于“围岩－支护”结构体系的承载力，即：F=T+Pmax(1)式中：F为预支护力；T为支护抗力；Pmax为围岩极限自承能力。 ●上述等式说明：隧道预支护力不只是支护结构对围岩的作用力，它是由围岩结构的极限自承能力和支护结构直接对围岩提供的支护抗力共同组成的。围岩结构的自承能力可以通过预支护措施和通过采取合理开挖措施得到维持。（关键词：共同与相互）当预支护力大于使围岩发生过大变形或破坏的力时，隧道围岩就处于稳定平衡状态，称之为隧道预支护原理。根据围岩稳定的一般原理，地应力是使围岩发生变形和破坏的根本动力，使围岩失稳的“力源”，因此，隧道预支护原理可进一步表述为：预支护力F要始终保持大于隧道施工前保持原始岩体稳定平衡的原始内力P0，使围岩处于稳定平衡状态的条件，即：F>P0(2) ●对于围岩好的隧道，开挖后围岩发生了变形，极限承载能力下降，经过一段时间后围岩内部结构调整完毕，变形收敛，围岩极限承载能力虽然发生了下降但还是大于P0，预支护力也大于P0，即F>P0，围岩处于稳定平衡状态。●对于围岩差的隧道，开挖后围岩处于加速变形阶段，在较短时间内围岩极限自承能力就急剧下降并小于P0，如果来不及施加支护，预支护力等于极限自承能力，预支护力也小于P0，即FP0，围岩处于稳定平衡状态。 ●更具有广泛意义的是处于这两种极端情况之间的围岩，隧道开挖后围岩变形过程可以分为两个阶段，一个是形变压力阶段，另一个是松弛压力阶段。在形变压力阶段，围岩极限自承能力下降但还是大于P0，围岩发挥的自承力随变形增大而增大，围岩的自承能力得到了发挥，所以隧道开挖完成初期，要允许围岩发生一定的变形，应及时采用柔性支护，若采用高刚度的支护结构限制围岩变形，支护结构将承受较大的载荷。如果支护刚度过小或支护时机过晚，围岩变形发展到松弛压力阶段时，围岩进入松弛状态，其极限自承能力迅速下降并小于P0，预支护力也小于P0，即FP0，既允许围岩有一定的变形又给围岩提供了一定的支护抗力。柔性支护主要通过锚喷支护来实现，根据实际情况可采用锚喷网、锚喷架、锚喷架网等多种组合形式。由（图8）可以看出，理想的锚喷支护设计就是对应于D点的支护抗力Pmin，这时维持围岩的稳定抗力最小。通常支护设计应有一定的安全储备，支护特性曲线在C点处与围岩特征曲线相交。 图8围岩位移支护特性曲线新奥法：通过合理的支护方法与适当的支护时机，使支护特性曲线在接近Pmin处与围岩特性曲线相交，取得平衡，以充分发挥围岩的自承能力。矿山法：施工采用传统支架法支护，由于不能提供连续的支护抗力或无法选择适当的支护时机，导致不能在接近Pmin处提供适宜的支护抗力。 图9块状围岩锚喷支护原理示意图（1）砂浆；（2）锚杆；（3）块体潜在坍塌方向；1、2、3为潜在块体坍落次序 五、工法选择的合理性问题在隧道施工中，每一种工法都不是万能的，都有其各自的适用条件，必须根据围岩类别及环境条件选用不同的工法。即使是同一级围岩，由于所处地质环境不同，岩体完整程度也不会完全相同，选用工法也有差别。无论选用何种工法，目标只有一个，就是要用最经济的手段维持隧道围岩的稳定，确保施工安全。●工法选择的基本原则：预支护原理的正确运用，充分发挥围岩的自承能力和基本维持围岩的原始状态，预防和控制特殊地质隧道因局部失稳引发整体失稳，使隧道开挖扰动最小。 1、核心理念与系统概念核心理念：不论哪种情况，预支护力都要足够大，才能“基本维持围岩原始状态”。使围岩与支护系统共同作用形成三维应力平衡状态，从而达到“充分发挥围岩自承能力”的目的。●完整围岩：围岩的承载能力可以保持洞室的稳定。对于这类围岩，要允许围岩发生一定的变形，可不进行支护或仅提供弱支护即可。●一般围岩：采取适时支护措施。因为开挖后围岩不会立即松弛垮塌，岩压还处于形变压力阶段，允许围岩发生一定的变形是必要的。但应控制变形过大，防止岩压转化为松弛压力，这样支护抗力增大而不经济，故选择支护时机非常重要。●破碎围岩：采取超前支护措施。因为洞室开挖后围岩会很快会进入松弛状态，所以只有预先强化围岩，才能保证开挖过程中围岩的稳定。 2、实现方法与路径新奥法的理论核心是充分发挥围岩的自承能力，这一理念从力学角度提出了保持围岩稳定的基本思路。决定围岩稳定性的关键是围岩与支护系统共同作用达到稳定平衡，从这一概念出发，引导我们去寻找解决问题的方法。因为“平衡与形变是可以计量的”，这也就为我们采用量测手段来控制支护时间提供了可能。解决“适时支护”问题，通过现场监控量测是实现路径。 3、严防局部失稳引发整体失稳处理特殊地质隧道围岩稳定性问题，应树立“预防为主，避免现状处理”的理念。条件许可应尽量强化围岩，施工中灵活应用断面分割法进行开挖，及时形成空间闭合的支护系统，严控隧道围岩局部破坏或失稳引发隧道整体失稳问题。 4、开挖最小扰动原则土质或软弱松散围岩隧道：施工中常采用断面分割法，这些工法基本无需或只需少量爆破，常采用机械和人工开挖施工，扰动一般较小。石质隧道：施工中多采用爆破法，开挖最小扰动原则要求：一是用最有效的方法将隧道断面内的岩石适度破碎，并将碎石适度抛掷；二是降低爆破对围岩的扰动，最大限度地维持围岩原始状态，以有利于隧道的长期稳定。采取技术成熟的控制爆破方法，可以实现上述目标。 5、工法的合理性概述在隧道施工中，合理的施工方法应与地质条件、环境条件相协调，支护参数与支护时机应符合安全、经济原则，开挖方法满足最小扰动原则；同时符合“预支护原理的正确运用”、“充分发挥围岩的自承能力和基本维持围岩的原始状态”，过程管理“严防特殊地质隧道局部失稳引发整体失稳”，灵活选用辅助工法，确保与基本工法的匹配性。●从理论上讲，好的工法就应该可以复制，但所有边界条件相同却是一个小概率事件。特别是结构受力复杂或不良地质与结构耦合复杂的情况，这种情况若简单复制有时却是致命的，往往会造成结构出现问题甚至灾难。到目前为止，隧道及地下工程施工仍然是安全风险最突出的领域之一。 第二部分隧道施工的基本工法与辅助工法 在隧道工程施工中，最为重要的是选择合理的施工方法。工法选择是否合理，与隧道工程建设的工期、安全、质量、投资及环境影响有直接关系。工法选择的依据，主要是工程地质及水文地质条件、施工条件、隧道埋置深度、断面尺寸大小、隧道长度、结构类型等，以施工安全为前提，以工程质量为核心，结合隧道的使用功能，施工技术水平、施工机械装备、工期要求和经济可行性等因素综合考虑研究选用。就目前而言，隧道施工方法大致有盾构法（TBM法）、沉管法与矿山法（新奥法、浅埋暗挖法）。以隧道施工安全作为基本问题，下面仅就采用矿山法施工的隧道进行讨论。 第一章隧道施工的基本工法工法定义：工艺方法和工程方法。以工程为对象，工艺为核心，运用系统工程原理，把先进的技术和科学管理结合起来，经工程实践形成的综合配套的施工方法。一、按破岩方法分1、爆破法施工。2、非爆法施工。二、按开挖方法分1、明挖法。2、暗挖法。 ①全断面开挖法全断面开挖法，是指按设计开挖断面一次开挖成型的方法。全断面开挖法主要适用于Ⅱ、Ⅲ级硬岩地层。浅埋、偏压和洞口地段不适宜采用全断面法开挖。全断面开挖法有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，且工序少、干扰少，便于施工组织和管理。由于开挖面积较大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大，因此要求施工应具有较强的开挖、出碴、运输及支护能力。全断面开挖法钻爆效率高，采用深孔爆破可加快掘进速度，且爆破对围岩的振动次数较少，有利于围岩稳定。由于每次深孔爆破震动较大，因此要求进行精心的钻爆设计和严格控制爆破作业。 ②两台阶法。主要适用于Ⅲ级软岩和Ⅳ级围岩，洞口、偏压、浅埋段硬岩地层宜采用两台阶法开挖。将断面分成上下两个台阶开挖，台阶长度一般控制在1～1.5倍洞径（D）以内。原则是尽快跟进下半断面，尽早施作初期支护形成封闭结构；若地层较差，为了稳定工作面，也可辅以小导管超前支护等措施。③上台阶临时封闭正台阶法主要适用于IV级偏弱和Ⅴ级围岩，根据施工现场的实际情况灵活调整台阶长度。施工中坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则，严格控制开挖进尺，严格控制周边眼装药量，减少爆破对围岩的扰动，及时进行监控量测，确保施工的安全进行。 ④正台阶环形开挖法适用于较差的Ⅲ、Ⅳ级软岩及V级围岩，也可用于洞口段、偏压段、浅埋段等。上台阶环形开挖预留核心土，实施中依具体地质条件采用不同的辅助工法。⑤CD工法适用于Ⅴ级围岩，依具体地质条件结合辅助工法采用。施工中坚持“弱爆破、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”的原则。 ⑥CRD工法适用于特别破碎的岩石、碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土组成的Ⅴ级围岩和软塑状粘性土、潮湿的粉细砂组成的Ⅵ级围岩及较差围岩中的洞口段、偏压段、浅埋段等地质条件。实施中依具体地质条件采用不同的辅助工法。此法适用于浅埋软岩的大跨或特大跨隧道，它具有台阶法及侧壁导坑法的优点，与侧壁导坑法相比较具有较快的施工速度；同时，本法通过中墙的减跨、临时仰拱及时封闭成环组成有力的支护体系，能非常有效地控制拱部下沉与收敛。此法最适用于上软下硬或半软半硬的地层，一旦下部围岩变硬，马上可以转化为上台阶法施工，半软半硬地层转化为CD法施工，施工方法比较灵活。 ⑦单侧壁导坑正台阶法在围岩压力大、岩层产状平缓、松软或不稳定含水地层中修筑跨度大、扁平率低、地表沉降要求严的隧道时采用，与双侧壁导坑法相比，导坑宽度较大，开挖时临时支撑较少，施工干扰小。⑧双侧壁导坑法（眼睛工法）。适用于可采用人工或人工配合小型机械开挖的Ⅴ级围岩地层、不稳定岩体和浅埋段、偏压段、洞口段以及充填性溶洞等地质条件。实施中依具体地质条件采用不同的辅助工法。几种工法优缺点比较见下表： 项目CD法双侧壁导坑法CRD法工法的安全性较安全安全安全施工技术难度较高高高施工机械类型中、小型小型小型施工工序较多多多工程造价较高高高掌子面的稳定性较好好好地表沉陷较小小小周边收敛控制较好好好适用范围地质条件较差、安全要求高跨度大、安全要求高地质条件差、安全要求高几种工法优缺点比较表2 隧道及地下工程主要开挖方法表3施工方法示意图重要指标比较适用条件沉降工期防水初支拆除量造价全断面法Ⅱ、Ⅲ级硬岩地层，浅埋、偏压、洞口段不适宜。一般最短好无低正台阶法Ⅲ级软围岩偏弱和Ⅳ级围岩。一般短好无低上台阶临时封闭正台阶法IV级围岩偏弱和Ⅴ级围岩；浅埋、偏压、洞口段。一般短好小低正台阶环形开挖法Ⅳ级软岩及V级围岩，浅埋、偏压、洞口段。一般短好无低单侧壁导坑正台阶法围岩压力大、产状平缓、松软或不稳定含水地层；较大较短好小低 CD工法适用于Ⅴ级围岩；浅埋、偏压、洞口段。较大较短好小偏高CRD工法组分复杂的Ⅴ级围岩及软塑状粘性土、粉细砂组成的Ⅵ级围岩。较小长好大高双侧壁导坑法（眼睛工法）Ⅴ级围岩，浅埋、偏压、洞口段以及充填性溶洞等地质条件。大长效果差大高中洞法小洞室，连续使用可扩成大洞室。小长效果差大较高偏洞法小洞室，连续使用可扩成大洞室。大长效果差大高 第二章隧道施工的辅助工法隧道施工中常常遭遇一些特殊地质条件，所谓特殊地质，一般包括：软弱含水地层、挤压与膨胀性地层、断层破碎带及岩溶发育地层、高压水、高岩压及高地热地层、浅覆盖及偏压地段、煤系地层或采空区地段、含有害气体地层等等。在上述特殊地质条件下修建隧道工程，首先应选择合理的基本工法，其次再根据本项目特殊的地质条件采用相适应的辅助工法。辅助工法选用是否得当，往往决定着项目的成败。 一、辅助工法选用原则在特殊地质条件下选用辅助工法，原则是：约束空间，适时支护。正确运用预支护原理，充分发挥围岩的自承能力，尽力维持围岩的原始状态，预防和控制隧道支护结构由于局部失稳而引发整体失稳问题（关键词：要控制处理，不要现状处理）。缩小开挖断面以减少扰动、预支护以防止拱顶围岩松动、支护结构尽早闭合以抑制变形、强化基脚以增加承载能力、妥善处理地下水以免岩体弱化等。以上讲的这些，集中起来就是“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，早成环，勤量测，速反馈，防治水，弱爆破，少扰动，控沉降”这36个字，概述如下： 二、确保开挖面稳定1、拱顶稳定对策：预支护措施（管棚钢架超前支护、超前小导管注浆支护、钢插板法等）。2、掌子面稳定对策：环形开挖预留核心土、喷射混凝土封闭掌子面（喷射早强混凝土，厚度宜为5～10cm）、临时仰拱或临时支护、开挖面锚栓（土钉）、地层改良等。三、确保支护结构稳定1、提高岩体强度：地层改良或小导管周边注浆及围岩深孔注浆。2、增加支护强度：地层改良、扩大基脚、锁脚锚杆或锁脚锚管、纵向联梁、微形基桩、加厚混凝土喷层、补强锚杆(加长或加密)、重型钢肋（增加支护刚度）、临时仰拱、加强支撑(双层支撑或外加支撑)、反压法、构件支撑法等。 三、地下水处理1、排水工法：钻孔排水或导坑排水、深井抽水、强制排放（控制排放）。2、止水工法：止水注浆(水泥浆、化学浆——包括水玻璃系、树脂注浆等)。3、止、排并用工法。 第三章隧道破坏模式及常用辅助工法在特殊地质条件下修建隧道，按照软弱地层、断层破碎带、卵砾石地层与砂、泥质地层分类，依照隧道可能出现的破坏模式，通常采用的辅助工法如下表： 隧道破坏模式及常用辅助工法表1-1类别地层可能破坏模式处理对策(辅助工法)石质隧道软弱地层拱顶崩坍管棚注浆、超前小导管注浆、钢插板法等。开挖面失稳环形开挖、开挖面倾斜、喷砼封闭、开挖面锚栓、临时仰拱、地层改良(注水泥浆或化学浆)。沉降或挤压变形地层改良、扩大基脚、锁脚锚杆或锁脚锚管、纵向联梁、微形基桩、加厚砼喷层、补强锚杆(加长或加密)、重型钢肋、临时仰拱、加强支撑(双层支撑或外加支撑)、反压法、构件支撑法等。断层破碎带拱顶崩坍同软弱地层开挖面失稳同软弱地层沉降或挤压变形同软弱地层涌水现象钻孔排水或导坑排水、深井抽水、止水注浆(包括水玻璃系、树脂注浆) 卵砾石地层隧道卵砾石地层拱顶崩坍管棚注浆、超前小导管注浆等。开挖面失稳环形开挖留核心土、开挖面倾斜、喷砼封闭、临时仰拱、地层改良(水泥浆或化学浆)等。渗(涌)水现象钻孔排水、深井抽水、止水注浆(包括水泥浆或化学浆)、强制排放。砂、泥地层拱顶崩坍管棚注浆、超前小导管注浆、钢插板法等。开挖面滑坍侧壁崩坍环形开挖留核心土、开挖面倾斜、喷砼封闭、临时仰拱、反压法、地层改良(水泥浆或化学浆)等。渗(涌)水现象水平旋喷桩加固其它同卵砾石地层沉降或挤压变形地层改良(包括注超微细水泥浆)、扩大基脚、锁脚锚杆或锁脚锚管、纵向联梁、微形基桩、加厚砼喷层(包括喷钢纤维砼)、补强锚杆(加长或加密))、重形钢肋、临时仰拱、加强支撑(双层支撑或外加支撑)、反压法、构件支撑法等。 第四章问题讨论1、理论上讲，针对某个特定的地质条件，隧道施工的基本工法与辅助工法应该有一个最佳组合。只要地质条件明确，工法选择得当，工序安排合理，现代隧道施工技术可以解决隧道施工的安全问题。但事实并非如此，就目前而言，隧道工程仍然是建筑施工行业安全风险最大的工程。技术方案、工序管理与工艺控制是技术管理的三大基本问题，而问题往往不在技术方案上。工艺控制不到位，工序管理不合理往往直接造成方案失败。大量失败案例分析证实，现场管理者观念陈旧，理念错误是主要原因。 2、在隧道施工中，时间与空间是一对矛盾。一般说来，当空间效应解决后隧道施工的安全问题就一劳永逸地解决了，但做任何工作都需要时间，往往是在锁定空间之前时间效应就发生了作用，坍方也就形成了。“适时支护，约束空间”是解决这对矛盾的一个基本原则。一般地讲，辅助工法提供了一个可供选择的宽泛范围，选择的依据是时间效应，这也说明了监控量测工作的重要性。 隧道施工：安全主题约束条件空间时间行为施工安全效率 3、对于环境要求比较高的浅埋隧道（如城市地铁隧道），如果条件允许也可采取地表注浆加固、旋喷桩加固等措施。若地面有一般基础的楼房或城市交通主干道的，可用管棚加固隧道拱部地层，根据不同情况采用长管棚、短管棚或两者联合使用，用以抵抗拱顶地层的下沉量； 4、水是促使工程地质条件迅速恶化的一个主要原因。在城市地铁隧道施工中，止、排工法的选用有许多限制性条件，实施中应慎重对待。冻结法是在洞周土层中降温，形成一个封闭的具有一定强度和稳定性的冻土帷幕，然后在冻土帷幕保护下进行隧道开挖、支护与衬砌。然而，解决冻胀、融沉问题本身就非常困难。在施工排水管理方面，现场少有重视，水流长期浸泡拱脚也是造成隧道支护结构失稳的一个重要原因。排水型隧道--山岭隧道的必然选择：禁排与限排问题。全过程全工序治水理念:分区、隔断、集中、封堵，深浅结合，先浅后深。 5、关于隧道安全“六达标”问题“六达标”的要求过于简单化，有些情况与设计原则显然不符。在Ⅳ﹑Ⅴ级围岩中，台阶法以及三台阶临时仰拱法用得最多，这两种工法在铁路隧道施工中比较普遍，若辅助工法的工艺质量控制的好，是能保证隧道安全的。限制掌子面与二衬的距离是不可行的。二衬与掌子面的距离，必须大致有100米左右才能保证防、排水及二衬施工的工序安排。几个连续工序为：喷射混凝土初支整平﹑防水﹑排水系统施工﹑钢筋绑扎﹑浇注二衬混凝土。各个工序都有不同的设备以及不同工种的工人，都需要有一定的活动空间。除非你按单工序安排作业，否则很难避免与隧道开挖工序干扰。有两个问题必须明确：①“达标”不能够确保隧道施工安全，也就是说，它不是确保隧道施工安全的充分条件。②“达标”是有条件限制的，否则会带来新的不安全问题。 6、关于围岩级别的修正问题准确判定围岩级别是决策隧道施工方案的基础，根据岩石的坚硬程度和岩体的完整程度这两个基本指标，铁路隧道设计规范将围岩基本分级定为六个级别。大致情况为：Ⅰ级围岩：岩石的单轴饱和抗压强度Rc＞60MPa，岩块整体厚度H＞1.0m；Ⅱ级围岩：岩石的单轴饱和抗压强度：硬质岩Rc＞30MPa，软质岩Rc≈30MPa，岩石整体厚度：硬质岩0.5m＜H≤1.0m，软质岩H＞1.0m；Ⅲ级围岩：岩石的单轴饱和抗压强度：硬质岩Rc＞30MPa，软质岩Rc=5～30MPa，岩石整体厚度：硬质岩H=0.1～0.5m，软质岩0.5m＜H≤1.0m； Ⅳ级围岩：岩石的单轴饱和抗压强度：硬质岩Rc＞30MPa，软质岩Rc≈5～30MPa，岩石整体厚度：硬质岩呈碎石状，软质岩H=0.1～0.5m；Ⅴ级围岩：软岩岩体破碎至极破碎，土体一般为第四系坚硬、硬塑粘性土，稍密及以上的碎石土、卵石土、园砾土、角砾土、粉土；Ⅵ级围岩：岩体呈粉末、泥土状断层带，土体为软塑粘性土、饱和的粉土、砂类土。 以上的分级，叫做围岩的基本分级。在影响工程岩体稳定性的诸多因素中，岩石坚硬程度和岩体完整程度只反映了岩体质量的基本特征，但它不是影响岩体稳定性的全部重要因素。当隧道围岩存在地下水、高初始应力、不利的软弱结构层面等情况时，其稳定性就要大打折扣。因此，地下水、较高的初始应力以及软弱夹层都是围岩分级的修正因素。（1）地下水对围岩级别的修正地下水是影响岩体稳定性的重要因素。水的作用主要表现为溶蚀岩石和结构面中易溶胶结物质，会使岩石软化、疏松，充填物泥化，强度降低。水对围岩级别的影响，不仅与水的赋存状态有关，还与岩石性质和围岩完整性有关。岩石越致密，强度越高，完整性越好，则水的影响越小。反之，水的不利影响越大。地下水状态的分级按1-2表确定，地下水对围岩级别的修正按表1-3进行。 地下水状态的分级表表1-2级别状态渗水量1干燥或湿润＜102偶有渗水10～25w3经常渗水25～125 地下水影响对围岩级别的修正表表1-3级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥ1ⅠⅡⅢⅣⅤ—2ⅠⅡⅣⅤⅥ—3ⅡⅢⅣⅤⅥ— （2）初始地应力对围岩级别的修正在天然状态下存在于岩体内部的应力，称之为初始地应力。围岩初始地应力场的影响，既反映了隧道埋深的影响，也反映了岩石强度的影响。高初始应力是产生岩爆和岩芯饼化的共同条件。一定的初始应力值对不同岩性的岩体稳定性影响程度是不一样的。为此，用岩石单轴饱和抗压强度（Rc）与最大主应力（σmax）的比值，作为评价岩爆和岩芯饼化发生的条件，进而评价初始应力对工程岩体稳定性的指标。初始地应力对围岩级别的修正按表1-4进行。 初始地应力影响对围岩级别的修正表表1-4Rc/σmaxⅠⅡⅢⅣⅤ＜4ⅠⅡⅢ或Ⅳ①ⅣⅥ4～7ⅠⅡⅢⅣ或Ⅴ②Ⅵ注：①围岩岩体为较破碎的极硬岩、较完整的硬岩时，定为Ⅲ级；围岩岩体为完整的较软岩、较完整的软硬互层时，定为Ⅳ级；②围岩岩体为破碎的极硬岩、较破碎及破碎的硬岩时，定为Ⅳ级；围岩岩体为完整及较完整软岩、较完整及较破碎的较软岩时，定为Ⅴ级。 （3）软弱结构面影响对围岩级别的修正软弱结构面是指成层岩体的泥化层面，一组很发育的裂隙，次生泥化夹层、断层泥、糜棱岩的小断层等。软弱结构面是影响地下工程岩体稳定的一个重要因素。①对Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩，当洞轴线与主要断层或软弱夹层的夹角小于30°时，应降低一级；②隧道洞深埋藏较浅，应根据围岩受地面的影响情况进行围岩级别修正。围岩仅受地表影响时，应较相应围岩降低1-2级；③洞口段应将围岩级别降低一级考虑，其长度应不小于1倍洞跨；④围岩级别较低地段应向围岩级别较高地段延伸5～10米；对Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩，岩石一般受地质构造影响严重，风化破碎，基础易产生沉陷；土质则承载力低，稳定性较差，开挖后易产生隆起等变形，所以均应考虑采用临时仰拱措施。 7、隧道结构受力的独立性问题隧道结构受力独立性概念：独立式隧道由于距离较大，两个洞体施工后围岩形成的二次应力场不存在叠加现象，因此可以视为两个独立的隧道分别研究其稳定性。而连拱隧道、小净距隧道的两个洞体相距很近，隧道开挖后围岩的二次应力场相互叠加。由于隧道施工步骤繁复，围岩多次扰动，导致衬砌结构内力分布更为复杂。由此可见，与独立式隧道相比连拱隧道、小净距隧道两个洞体围岩之间存在强烈的相互影响（特别是连拱隧道），这导致衬砌受力复杂、稳定性变差，因此在隧道断面设计与施工技术方面如何采取措施，增强连拱隧道、小净距隧道两个洞体围岩和衬砌受力的独立性，减小相互影响是实现围岩稳定的重要思路。鉴于次，连拱隧道、小净距隧道要充分考虑二次应力场的相互叠加效应，从永久与临时支护结构设计、基本工法与辅助工法的选择、工艺与工序顺序安排、监控内容与监控方法等综合采取措施。 8、关于锚喷支护结构体系（1）围岩的松动圈理论锚杆支护发展至今已有百年历史。对于这种支护形式，各行业所采用的锚杆长度各不一样，矿井巷道断面一般较小，锚杆长度有1.00m，1．50m，1．80m，甚至还有3．20m的，铁路、公路隧道断面较大，长度均大于2．50m。采用不同长度的锚杆是因为确定锚杆长度的理论各不相同，采用了不同的设计理念。隧道开挖后，围岩应力重分布，围岩应力大于岩体强度将产生围岩破裂与变形，其破裂范围称之为松动圈。 松动圈的厚度值是围岩应力与围岩强度的复杂函数：Lp＝f(P,R)P——围岩应力，R——围岩强度围岩松动圈分为三大类：①当Lp＝O～400mm时，称为小松动圈，围岩稳定、碎涨变形较小，一般采用局部锚杆支护或喷砼；②当Lp＝400～1500mm（1000mm）时，称中松动圈，围岩中等稳定、碎涨变形比较明显，必须进行锚喷或锚喷网支护，锚杆采用悬吊理论设计；③当Lp﹥l500mm（1000mm）时，称大松动圈，围岩不稳定(俗称软岩)，需要用组合拱理论进行支护设计。 （2）锚杆的作用①锚杆的悬吊作用：锚杆穿过软弱、松动、不稳定的岩体，锚固在深层稳定的岩体上，提供足够的拉力，克服滑落岩体的自重和下滑力，防止洞壁滑移、塌落。②挤压加固作用：锚杆受力后，在周围一定范围内形成压缩区。将锚杆以适当的方式排列，使相邻锚杆各自形成的压缩区相互重叠形成压缩带。压缩带内的松动地层通过锚杆加固，整体性增强，承载能力提高。 ③组合梁(拱)作用：锚杆插入地层内一定深度后，在锚固力作用下的地层间相互挤压，层间摩阻力增大，内应力和挠度大为减小，相当于将简单叠合的数层梁(拱)变成组合梁(拱)。组合梁(拱)的抗弯刚度和强度大为提高，从而增强了地层的承载能力。锚杆提供的锚固力愈大，作用愈明显。④锚杆长度：锚杆按照设计、能有效发挥其作用时所需的总长度。按悬吊作用设计时，是锚固长度、加固长度和外露长度之和。按组合梁(拱)作用设计时，是1.2倍组合梁(拱)的高度和外露长度之和。实际取值时，还应考虑开挖轮廓线不平整而增加的附加长度。 ⑤锚固长度：锚杆锚入稳定地层中的长度，可按经验选取或按计算选取。按经验选取时，考虑锚固方式和锚杆直径。按计算选取时，考虑砂浆与锚杆的粘结力和砂浆与孔壁的粘结力。⑥加固长度：按沿锚杆方向所悬吊的危岩的高度，或围岩荷载高度，也可用声波等测试技术测量的松动圈厚度的方法来确定。 ⑦锚杆拉拨试验：检验锚杆施工质量、测定锚杆抗拔力的方法之一。在锚杆未被喷射混凝土覆盖之前，用锚杆拉力计或扭力矩扳手直接进行测定。夹住锚杆后，缓慢均匀加压，直至压力表读数达到与设计值相对应的数值为止，或使锚杆松动为止，一般不做破坏性试验。在锚杆被喷射混凝土覆盖后，用锚杆探测仪探明后，将锚杆刨出再进行测定。检测数量按洞室每长30─50米或每300根锚杆取样一组，每组不得少于3根，应在检查点同一断面内的一排锚杆中均匀选取。 （3）锚杆的种类及施工质量控制锚杆的种类很多。按锚杆在围岩中的锚固形式，主要分为机械式锚固的锚杆和全长粘结式锚固的锚杆。工程施工中，应根据围岩情况及设计要求，合理选用锚杆的类型，确保锚杆的长度、间距及粘结材料符合设计及技术规范的要求，以便得到良好的支护效果。此外，锚杆施工中尚应注意以下几个方面的问题：①楔缝式锚杆和胀壳式锚杆，其锚头容易受围岩变形或爆破振动影响而松动，降低了锚固力。因此，安装后要定期检查，及时紧固松驰的锚杆。这类锚杆用于永久性支护时，还应补注水泥砂浆。 ②对于全长粘结式锚杆，要使粘结材料均匀裹覆杆体，并密实充满杆体与孔壁之间的间隙，确保锚固力。因此，钻孔后应检查孔内是否有落渣，必要时应使用高压风清孔，然后再安装锚杆。使用树脂粘结剂或早强药包粘结剂时，应在孔内放入足够数量的粘结剂，并搅拌均匀。使用水泥砂浆粘结剂时，砂浆要灌注密实并确保安插锚杆时，孔口有砂浆流出，否则应拔出杆体重新注浆。 ③锚杆尾端都应设置垫板，垫板面积不少于设计要求，垫板要与锚杆联接牢固并与岩面紧贴。设置垫板可以使围岩传递给锚杆的荷载增大，锚杆充分受力，发挥锚杆对围岩的三维约束效果。④注意锚杆的方向。对于有明显节理面的围岩，锚杆应垂直节理面或与节理面呈较大角度布设，否则，锚杆应垂直围岩内轮廓面，呈放射状布设。⑤锚杆的锚固力，除与锚杆的类型及围岩情况有关以外，还与施工操作有很大的关系。 （4）锚喷支护结构体系锚喷支护结构体系主要包括锚杆支护、喷射混凝土支护、锚杆喷射混凝土联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支护、锚杆喷射混凝土及钢筋网联合支护，以及上述几种类型中增设钢构件而组成联合支护。锚喷支护的技术特点：①及时性。由于锚喷支护工艺本身的原因，实施支护的时间较其它形式支护大大缩短，可以快速对围岩进行支护。这个特点对于基本维持围岩原始状态具有重要意义。隧道开挖后围岩发生指向隧道断面的位移，发生位移的过程也是围岩结构不断恶化的过程，围岩自承能力随之下降，因此快速支护有利于控制围岩位移，进而控制围岩结构的恶化，这是实现新奥法发挥围岩自承能力的基础。 ②主动性。喷射混凝土将围岩连接成一个整体，使岩体之间互相牵制，而且由于其粘结力较大（可达7Mpa），岩体和喷射混凝土互相耦合，提高了围岩的强度并协调变形。传统杆件支撑往往与围岩间存在一定的空隙，支架处于被动抗压状态，围岩可发生一定量的“自由”变形，不利于维持围岩的原始状态。采用预应力锚杆和早强喷射混凝土技术可以对围岩施加主动的支护力，同时由于锚喷支护具有的及时性，实现对围岩的主动支护。③增强性。锚杆深入围岩内部，受到围岩施加的剪力和拉力，锚杆对围岩具有反作用力，控制结构面的滑移和张开（扩容），使得围岩结构面得到强化。喷射混凝土射入围岩表面的裂隙，充填围岩凹穴，提高了围岩强度，同时减小了围岩表面的应力集中。鉴于锚喷支护的强化作用，目前在分析围岩稳定性时常通过增大锚固区围岩的强度指标模拟其支护作用。 ④柔韧性。锚喷支护属柔性支护，不能对围岩表面提供强大的径向支撑力，其支护的作用在于强化围岩，锚喷支护与围岩成为“复合体”，“复合体”不仅实现自稳，而且对深部围岩实施支护。⑤灵活性。锚喷支护的灵活性具有两方面的含意，一是支护参数可以根据地质情况灵活的调整，二是支护构件可以灵活组合，锚喷支护可以与金属网、钢架等构件进行组合。⑥密封性。锚喷支护能及时封闭围岩表面，阻止围岩的潮解和风化，这对于控制围岩的膨胀和易风化岩层的强度损失有重要作用。 第三部分隧道超前地质预报技术 一、超前地质预报的意义隧道工程在规划、设计阶段，虽已实施了地质调查工作，但受经费、地形、环境、用地许可与设计周期等限制，勘察深度难以满足施工需求。因此，应加强在隧道施工过程中的地质调查工作，对于不良地质等异常状况，必须有应对预案，否则将严重影响隧道的正常施工。施工方案、基本工法与辅助工法的正确选择，必须以明确的地质条件为基础。隧道工程为线性结构，目前，受地质勘察技术方法、手段及设计周期、设计深度的限制，很难完全准确的判定隧道工程地质条件和围岩特性，事实上，实践中也没有必要这么做，否则，将大幅度地增加设计周期和投资。因此，隧道施工的一个显著特点就是加强动态管理，其中，动态设计是动态管理的一个重要方面。 当隧道穿越碳酸盐类地层时，若卡斯特现象十分发育，富含溶洞、溶谷、溶槽、溶沟、溶隙等，就有可能发生较大的突水。当隧道穿越断层时，若断层落差大，破碎带宽，充填性差，导水性强，穿越断层时突水突泥现象就很难避免，将给隧道施工带来一定难度。受地质勘察手段及设计周期限制，隧道的地质勘探程度一般较低，对各种地质变化情况掌握精度不够，因此在隧道施工期间进行超前地质预报十分必要。（关键词：技术不可能与现实不允许） 二、工程案例案例：1位于恩施土家族苗族自治州境内的野三关隧道Ⅱ线全长13.798公里，是宜万铁路全线最长的隧道。隧道溶洞发育强烈，地下暗河、溶腔纵横交错，被专家誉为“世界级难题”，在中国工程界倍受关注。施工中遭遇岩溶、断层、瓦斯、高地应力岩爆及软岩塑变等多种不良地质条件，是宜万铁路地质条件最复杂、施工风险最高的隧道。 2007年8月5日宜万铁路野三关隧道突水 案例：2锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州的雅砻江干流锦屏大河湾上。电站利用雅砻江锦屏大河湾的310ｍ天然落差，截弯取直开挖隧洞引水发电，隧洞最大埋深2500m，开挖洞径大于12m，装机4400MW，多年平均年发电量249.9亿kW.h。由于大河湾山势巍峨，层峦叠嶂，地形复杂，高差悬殊，相对高差达1000─3000m，给常规的工程地质勘察带来巨大困难，不太可能在18km长的引水隧洞线上布置深达千米以上的地质勘探钻孔去获得隧洞高程部位的地质信息。鉴于此，决定在引水洞线上（比引水洞线低300m）平行开挖两条5km长的地质勘探平洞，以便超前探明地质。 锦屏二级水电站辅助洞涌水情况 案例：3渝怀铁路第二长隧道，全长９４１８米。武隆隧道地处高山峡谷，地质条件复杂，有古滑坡体、浅埋、偏压、断层、褶皱、煤层，瓦斯、岩爆、高地温，岩溶、暗河、突泥、涌水等，尤其是岩溶地质特别发育，俨然是一个“地质博物馆”。同时，由于这个隧道地处乌江峡谷，洞口坡度陡，高差大，场地布置及隧道弃碴不便，整个隧道的施工难度相当大。 武隆隧道岩溶和岩溶裂隙水情况涌水冲毁洞口场地及设施半充填溶洞隧道岩溶裂隙水发育涌水后暗河段初期支护被挤垮 案例：4宜万铁路齐岳山隧道设计为单线铁路隧道，全长10528米，是宜万线重、难点和控制性工程之一，主要施工难题是富水岩溶探测、突水突泥预防与处理。隧道穿越不良地质主要是溶洞、暗河、瓦斯、岩爆等情况，施工十分艰难。 齐岳山隧道溶洞 案例：5武广客运专线大瑶山隧道所穿越地层的地质状况十分复杂，地质构造发育，地表水系及地下水分布情况复杂多变。在穿越碳酸盐类地层段卡斯特现象十分发育，富含溶洞、溶谷、溶槽、溶沟、溶隙等，可能会发生较大的突水。在所穿越的多条落差较大的断层时，断层破碎带宽度大，充填性差，含导水性强，穿越断层时突水突泥现象不可避免，将给隧道施工带来一定难度。在穿越寒武系砂岩段地层时，砂岩裂隙承压水将会给隧道衬砌工作带来一定困难。 武广客专大瑶山1#隧道高压水 三、超前地质预报思路——多源协同预报原则岩溶区涌水预报是施工地质预报工作中难度很大的预报，主要难在岩溶形态与分布的定量化确定难度大；地下水径流途径和运动方式确定困难，地下水储量及运动状态参数的获取困难几方面。因此，这一直是国内外施工地质预报的重点研究课题。目前，地质预报方法主要是单一手段的孤立探测成果加预报人员的经验判断而进行的预报，具有很大的局限性，在复杂地质条件下的预报效果不佳。近年来，随着预报工程实践数量的增加和经验的积累，人们逐渐认识到，隧道施工地质预报工作需要采用多手段的探测方法作支持，各手段探测信息相互印证，取长补短，于是出现了多种物探+钻探的探测技术。但是，在预报方法上仍采用经验判断为主的方法，这种状况使得预报水平差距较大，因此，需要研究预报理论与预报方法相结合的载体。近年来发展起来的多源协同预报的思想以及相应的预报信息提取与处理技术，为这一目标的实现提供了一条途径。 现实情况是，地质超前预报工作在预测的准确性上距施工要求尚有较大的差距。据资料介绍，对风化破碎带的预报准确性较高，通常可达60％以上，而对富水地层的预报，准确性则在30％～70％左右。至今，涌水预测仍然是隧道超前地质预报中的薄弱环节，涌水量的预测准确性更低，接近实际情况的概率仅为20％～30％。为了提高地质超前预报特别是涌水预测的准确性，中铁隧道集团曾拨专款进行立项研究，通过科研，对预报手段的适应性进行选择与优化，从而确定地质超前预测预报工作的最佳方案。近几年，集团公司科研所，先后在多个项目采用TSP203、TGP12、HSP、瞬变电磁法、地质雷达法、红外线法、YDZ（A）高密度直流电法、水平钻探等多种方法进行地质超前预测预报工作，有效地防止了地质灾害的发生，为施工安全提供了可靠保证。 四、主要研究工作的开展情况仅以武广客运专线大瑶山隧道岩溶地质涌水预报为例介绍如下：1、地面地质调查技术在勘察资料的基础上对地面岩溶空间分布、发育形态、地表水系的分布、岩溶泉水分布、径流途径、与隧道施工区域的连通性、水文地质参数等进行地质填图与参数测试，以服务施工地质预报工作为重点，制定探测方案。在采用多源协同预报方法时，地面地质调查成果用于建立隧道三维地质模型，确定物探工作重点探测区域，极大地减少预报工作的盲目性；在与隧道开挖影响范围有水力联系的地表水体处建立地下水位监测网，取得了丰富的隧道穿越时地下水位的动态信息，为优化预报模型提供了重要数据。同时也为确定地下水环境控制措施，提供了依据。地面地质调查工作方法：采用便携式GPS、CCD摄影测量仪、地质罗盘、CMC-2超声波自记式水位计、水质分析箱、放射性同位素示踪仪为主要手段进行地面地质调查工作。 2、洞内地质调查技术以CCD地质编录系统、TSP2003Plus（或TGP12）、高密度直流电法、地质钻探辅以钻孔摄影、钻孔水喷距法、洞内地下水水分析、放射性同位素示踪技术及水位监测为主要手段的洞内地质调查技术；（1）CCD地质编录系统CCD数码摄影地质编录是以近景摄影测量理论为基础，融入了数字图像处理、GIS构建的一种技术方法体系，其突出的特点是地质编录工作可在室内进行。其基本原理是通过建立数码影像与实际物像间一一对应的坐标关系，来实现对编录对象的测量与空间形态描绘。 （2）钻探及钻孔摄影技术超前水平地质钻探技术是利用水平方向的钻机在隧道掌子面前方进行施工地质调查，根据钻探成果进行超前地质预报的方法。钻探法的特点是直接揭露地质体，观察掌子面前方钻孔穿越区域的岩性、结构构造及地下水情况等地质信息，属于接触式探测，是对其他预报方法预测结果的最后确认。可以获得地层、岩性、节理裂隙特征，记录出水位置，进行孔内水量、水压、水温、水质等测试，预测隧道涌水量。因此，钻探技术是至今为止地质预报最为直接、可靠的方法。钻孔数字摄像又称数字式彩色钻孔电视，目前主要用于工程地质、水文地质、岩土工程、矿山等部门的地质勘测和工程质量检测中，可直接观测钻孔中地质体的各种特征及细微现象，如地层岩性、岩石结构、断层、裂隙、夹层、岩溶等，也可用于混凝土浇筑质量检测。钻孔摄影方法是一种直接探测岩体的方法，探测深度取决于钻孔深度。对孔壁影像的辨识精度主要取决于影像的像素值，精度可达毫米级。通过对影像信息的读取、处理，可生成钻孔柱状图、地层三维影像图。 （3）物探技术物探法是隧道施工地质预报中一类普遍采用的方法，它具有遥测、高效等特征，为隧道开挖面前方不良地质体的探测提供了一种手段，在许多工程建设中发挥了积极的作用。但是，由于各种探测手段在探测原理、信息提取与反演（解释）方法、成果处理等方面各不相同，表现在探测范围、探测尺度、探测成果对地质体几何形态与规模的描述、现场作业工作性、反馈探测成果内容与时间等探测性能上有差异，认识各种方法的探测性能，有助于更好地选择与使用物探方法，以取得良好的预报效果。①TSP2003Plus/TGP12多功能隧道地质预报仪TSP203plus是瑞士安伯格公司生产的一种专门用于隧道施工地质超前预报的物探方法，其一次预报距离可达到开挖面前方100m～300m，其现场测试的操作和检测成果的处理自动化程度很高，可提供地层物理力学参数，信息量丰富，对作业人员的专业水平要求不高等特点。这些优点极大地方便了这一技术的应用，在我国自20世纪90年代以来，一直是隧道施工地质预报的主要物探手段被广泛使用；TGP12多功能隧道地质预报仪是我国北京水电物探研究所自主研制，2006年通过鉴定并投入生产的与TSP2003技术水平相当的同类产品，在性价比上具有突出的优势。 ②YDZ（A）高密度直流电法仪YDZ（A）高密度直流电法仪是我国煤炭科学研究总院西安分院研制的主要用于巷道导水与含水构造探测的物探设备，其全空间电场理论与解释，使其得以成功应用于隧道施工地质预报中。③Zond-12eGPR地质雷达仪Zond-12eGPR地质雷达仪是拉拖维亚生产的产品，主要用于隧道支护质量检测、隧道病害诊断以及超前地质预报中，属于电磁波探测方法。地质雷达主要利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目的体，可以圈定出被测目标的形态及空间位置。属30m以内短距离预报。④GDP-32多功能电测仪GDP-32多功能电测仪是美国ZONGE公司生产的电法仪产品，可进行多种电法探测，本试验采用瞬变电磁法进行探测研究。该设备目前多用于地面对矿产及地质构造探测，在隧道中的探测实例还比较少。50～80m中距离探水预报方法之一，利用人工在发射线圈加以脉冲电流，产生一个瞬变的电磁场，产生感应电场。 ⑤陆地声纳法由地震反射法、声波法、探地雷达、水声法等杂交而成；可以激发和接收5Hz～4kHz的信号；不受汽车、行人、机械振动的干扰，中长距离预报50～100m以上。⑥红外探水法所有物体都发射出不可见的红外线能量，当前面存在隐伏含水构造时，正常场将产生畸变。绘制相应的红外辐射曲线，根据曲线的趋势判断前方有无含水构造。这是一种探水的辅助方法，属短距离预报，有效探测距离在20m以内。⑦岩体温度法根据地下水温度低，接近含水层时岩体温度降低的原理来预测地下水的一种方法，属20m以内的短距离预报，是一种探水的辅助方法。 四、隧道地质超前预报方法图解1、TSP2003/TGP12法钻孔装药起爆采集 2、陆地声纳法 3、地质雷达 4、瞬变电磁法瞬变电磁法电阻率成果图 5、红外探水法 6、岩体温度法 7、直流电法将B点置于远离测区的位置，布置供电极A1、A2、A3，间距4m，接收极M、N极间距2m，距供电极A16m开始跑极，观测记录各点视电阻率ρ，然后在计算机上绘制A1、A2、A3点视电阻率曲线图。以各条曲线上距A1供电点等距低阻点为依据，分别以A1、A2、A3点为圆心绘圆，三圆相交点即为前方低阻异常点。 8、CCD数码摄影研制的数字摄影经纬仪洞室影像获取h 五、物探技术研究成果总结1、探测手段选择与配套通过研究，对岩溶区涌水预报的探测手段进行了如下选择与配套：确定了以便携式GPS、CCD摄影测量仪、地质罗盘、CMC-2超声波自记式水位计、放射性同位素示踪技术、水质分析箱为主要手段的地面地质调查技术；以CCD地质编录系统、TSP2003Plus（或TGP12）、高密度直流电法、地质钻探辅以钻孔摄影、钻孔水喷距法、洞内地下水水质分析、放射击性同位素示踪技术及水位监测为主要手段的洞内地质调查技术。 岩溶区涌水预报探测手段选择与配套表2-1位置探测设备/工具型号数量用途参考价格地表GPSMAP761三维坐标定位5000CCD数码测量系统研制成果1测绘12万（6万）超声波自记式水位计CMC-2若干水位监测1万/套地表、洞内测氡仪及水中氡测量附件RAD-71地下水流速、流向、流量及连通性量测新型便携式多参数测试仪Multi350i1地下水离子检测6000~1万洞内CCD地质编录系统研制成果1洞内地质编录12万多功能隧道地质预报仪TSP2003Plus/TGP121地震探测70～150万直流电法仪YDZ32（A）或改良型1电法探测超前钻探1钻孔探测钻孔透射法1电磁/地震探测 2、初步研究结论从对大量岩溶隧道涌水的成因分析，大至可将岩溶涌水划分为断层破碎带涌水、溶洞暗河涌水、岩溶漏斗涌水三类。隧道突泥、突水事故的发生须具备三大条件：一是有聚集一定势能的大量流体（水携带的泥土、石砂等）物质，二是在隧道周边形成了通道，三是大量流动性填充物在短时间内具备了势能向动能转化的条件。前者是突出的物质基础及地质状态，后者是工程活动导至地层内部物质流平衡失调的结果，三者缺一不可。由此可见，要想预报隧道开挖是否会出现突出，一方面取决于对地质条件的探测，另一方面则是对物质流在隧道周边能否形成通道的分析与判断。（关键词：高势能、大体积、短时间） ●将超前地质预报工作纳入工序进行管理，按照“物探先行，钻探验证，有掘必探，先探后掘”的原则组织施工，是隧道施工预防突出的制度保证。在方法上，TSP2003pluse或TGP12地质预报仪配合YDZ（A）高密度直流电法仪，具有较长的探测距离；探测范围及成果提交时间满足施工要求；探测原理及成果描述上可以起到互为补充的效果，具有较好的准确性，可作为岩溶隧道涌水预报的组合探测手段。 ①地震波在地层中的实际传播过程十分复杂，目前为止，关于探测分辨率还没有一个普遍接受的量值，仅能够对探测尺度有一个量级上的认识。实例：对于岩溶区主频率在200～2000HZ，纵波速度为2600～7000m/s。隧道轴向分辨率为0.25～8.5m，横向理论分辨率为1.3～35m。考虑其他因素影响，通常能够产生反射的波阻抗面尺寸需大于数倍波长，因此，上述岩溶区的探测分辨率应在数米至数十米量级。由于频散效应，分辨率随探测距离的增加而降低。由地震勘探有关规范可知，波阻抗面的厚度需大于四分之一波长时才可被测出，此可视为隧道轴线方向的分辨率；波动理论可知，波长λ、频率f与波速V存在关系，当产生反射的波阻抗面的尺寸小到一定量值时，波动将发生绕射而不能形成反射波，这个临界值可视为是地震法可以探测到的横向最小理论尺度，即横向分辨率。 TSP2003Plus和TGP12可探测与隧道轴线大角度相交的陡倾，具有一定规模的面状地质界面，难以探测走向与隧道轴向小角度相交的缓倾斜地质界面。对岩溶形态的探测尚有一定困难，有待进一步研究；对平直状地质界面（断层、节理、裂隙）的空间位置探测效果较好，准确率通常在80%左右，但存在探测盲区（对于近水平界面，及近隧道走向界面等尚不能有效探出），探测范围在隧道轴线方向可达百米，但垂直轴线方向的探测范围尚有争议；对异形边界的地质界面尚感难以鉴别，不能获得满意的效果。如岩溶形态辨识、起伏较大的不整合面边界等； ②高密度直流电法进行地下含水体的探测具有良好的分辨性能，且矿化度越高，分辨性越好，位置误差越小。在额定输出电压条件下探测分辨率取决于测点间距，测点间距越小，分辨率越高。探测距离较长，效果较好，其成果在一定程度上描述了水体形态及位置，是较理想的探水手段；③钻探法是迄今为止地质预报最为直接、最为可靠的方法。但钻探所需的投资较大、施工干扰大，单孔探测范围小，需要进行较多的钻探工作才能完成调查。因此，这种方法较多用于需重点探测的灾害性地质区域。使用该法时需考虑当钻孔触及到大量水体及含气层时极易同时产生地质灾害的问题，需事前制定应急方案。④上述几种物探法的分辨率存在各向异性，纵向的分辨率远高于横向分辨率，因此，对于岩溶形态的探测，仅凭沿隧道轴向方向高分辨率的测线布置是难以完成的； ⑤探测距离和分辨率存在此消彼长的现象，在选择时应加以权衡，先进行试验，选择合理的探测参数。在满足分辨率要求前提下，取得较大的探测深度。⑥还不能对地质体的性质进行探测。如断层及充填物工程性质、含水构造的水力学与化学特性等内容；⑦对涌水量及水压的预报准确率不到30%。在实践中，隧道最大涌水量的预测方法通常为地下水动力学法。但直到今天，涌水仍然是隧道超前地质预报工作中十分薄弱的环节，涌水量预测的准确性还很低。⑧预报效果的检验方法多为开挖揭露后的肉眼观察结果，评价技术仅限简单统计，评价指标多为定性的正确率指标。这种评价体系还很粗放，也不够科学，应在实践中加以深化与完善，使预报工作形成完整的评价体系。 ⑨探测设备的研制应适应隧道空间环境狭小、黑暗、潮湿及施工干扰源等特点，同时考虑测线布置与探测范围的灵活性，使测点布置更加适应不同的探测需求，以完成各个探测方向的探测任务；探测对象的尺度宜进一步缩小，以满足围岩分级的需要，加强探测分辨率的研究及探测量敏感性研究，研究集探测多种地质对象于一体的多探测量、多功能的设备（系列）。⑩地质预报方法与手段宜采用多源协同预报的思想，才能将地质体的复杂性与施工对地质体的作用及围岩与支护的组合体时空特性有效结合起来，才能达到预报的目的。 第四部分信息化施工与动态反馈设计 在隧道施工中，很多坍方事故原因多出在管理环节。具体情况往往是，当遇到地质变化时，由于信息采集、分析、评判工作滞后，管理程序周期长等原因动态设计不能及时跟进，现场应急措施不力，在手续完善过程中错过了最佳处理时机。隧道工程为线性结构，目前，受地质勘察技术方法、手段及设计深度的限制，很难完全准确的判定隧道工程地质条件和围岩特性，事实上，实践中也没有必要这么做，否则，将大幅度地增加设计周期和投资。关键问题是如何利用好现代隧道施工信息化技术，加强动态管理，把监控量测纳入工序组织，当边界条件发生变化时，及时跟进动态设计。 第一章监控量测——隧道工程信息化施工的基础一、新奥法的提出与命名新奥法是新奥地利隧道施工方法的简称，它的概念是奥地利学者拉布西维兹教授于二十世纪50年代提出的。它是以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础、将锚杆和喷射砼组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法。后经奥地利、瑞典、意大利等国的许多实践和理论研究，于二十世纪60年代取得专利权并被正式命名为“新奥法”。二、新奥法基本概念——监控量测由来新奥法的核心是最大限度地利用和发挥围岩的自承能力，围岩不仅仅是荷载也是结构的重要组成部分。采取各种工程措施，使围岩成为隧道承载体系的一部分。新奥法是应用岩体力学理论，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时地进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，通过对围岩和支护的监控量测来指导隧道设计、施工的方法。监控量测是现代隧道修建技术中不可或缺的组成部分。 三、新奥法的基本要点1、开挖作业采用光面爆破或预裂爆破，尽量采用大断面或较大的断面开挖，全断面开挖比分部开挖有利，能减少对围岩的扰动。2、隧道开挖后，尽量利用围岩的自承能力，充分发挥围岩自身的支护作用；3、根据围岩特征，采用不同的支护参数，及时施作密贴于围岩的柔性喷射砼和锚网初期支护，以控制围岩的变形和松弛；4、在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效地发挥支护体系的作用，从而保证隧道结构的稳定；5、二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑，也就是说初期支护要满足稳定需要，二次衬砌仅作为安全储备；6、尽量使隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突变处应力集中。喷层面圆顺平整，有利于防排水作业质量控制；7、可采用排水的方法降低岩体中水的渗透压力，条件允许也可采用注浆帷幕封堵；8、测定衬砌的应力及围岩的变位，以指导设计变更及施工管理。 四、监控量测现场监控量测贯穿隧道施工的全过程。隧道施工技术规范规定：采用复合式衬砌的隧道，必须将现场监控量测项目列入施工组织设计，制定监控量测计划，并在施工中认真实施。监控量测是隧道在施工过程中，对围岩和支护体系的稳定状态进行监测，为初期支护和二次衬砌设计参数的调整提供依据，是优化施工方案、指导施工程序、确保施工安全的重要手段，在隧道施工过程中必须作为一个独立工序进行管理。隧道施工中的监控量测，分必测项目和选测项目，应根据设计要求和隧道的具体情况以及监理工程师的指示选定。必测项目为：洞内外观察、周边位移量测、拱顶下沉量测等；选测项目为：地表下沉量测、围岩内部变形量测、锚杆轴力量测、围岩压力量测、支护及衬砌应力量测、钢架内力量测等。 1、洞内外观察观察工作面状态、围岩变形、围岩风化变质情况、节理裂隙、断层分布和形态、地下水情况以及喷射混凝土的效果。进行开挖工作面地质素描，填写工作面状态记录表及围岩类别判定卡。对已施工区段的观察也应每天至少进行一次，观察内容包括喷射混凝土、锚杆、钢架的状况。洞外观察包括对洞口地表情况、地表沉陷、边坡及仰坡的稳定以及地表水渗透等的观察。 2、周边位移量测量测开挖断面的收敛情况，包括量测拱顶下沉、净空水平收敛以及底板鼓起（必要时）。拱顶下沉和水平收敛量测断面的间距为：Ⅳ类及以上围岩不大于40m。围岩变化处应适当加密，在各类围岩的起始地段增设拱顶下沉测点1～2个，水平收敛1～2对。当发生较大涌水时，围岩量测断面的间距应缩小至5～10m。各测点应在避免爆破作业破坏测点的前提下，尽可能靠近工作面埋设，一般为0.5～2m，并在下次爆破循环前获得初始读数，初读数应在开挖后12h内读取，最迟不得超过24h，而且在下一循环开挖前，必须完成初期变形值的读数。净空水平收敛测线的布置应根据施工方法、地质条件、量测断面所在位置、隧道埋置深度等确定。在地质条件良好，采用全断面开挖方式时，可设一条水平测线；当采用台阶开挖方式时，可在拱腰和边墙部位各设一条水平测线。拱顶下沉量测应与净空水平收敛量测在同一量测断面内进行，可采用水准仪测定下沉量。当地质条件复杂，下沉量大或偏压明显时，除量测拱顶下沉外，还应量测拱腰下沉及基底隆起量。拱顶下沉量测与净空水平收敛量测应采用相同的量测频率，应从《量测频率表》中根据变形速度和距开挖工作面距离选择较高的一个量测频率。 3、地表下沉量测①根据设计要求或监理工程师指示，应在施工过程中可能产生地表塌陷之处设置观测点，地表下沉观测点按普通水准基点埋设。并在预计破裂面以外34倍洞径处设水准基点，作为各观测点高程测量的基准，从而计算出各观测点的下沉量。地表下沉桩的布置宽度、间距应根据围岩类别、隧道埋置深度和隧道开挖宽度而定。②地表下沉量测频率和拱顶下沉及净空水平收敛的量测频率相同。③地表下沉量测应在开挖工作面前方H+h（隧道埋置深度+隧道高度）处开始，直到衬砌结构封闭、下沉基本停止时为止。4、选测项目①围岩松弛范围量测可采用弹性波法或位移法。②当围岩条件差、变形过大或初期支护破损变形较大时，应进行支护结构内的应力及接触应力量测。③各项量测作业均应持续到变形基本稳定后13周，停止量测作业须经监理工程师批准。 5、数据处理和应用①应及时对现场量测数据绘制时态曲线（或散点图）和空间关系曲线。②当位移-时间曲线趋于平缓时，应进行数据处理或回归分析，以推算最终位移和掌握位移变化规律。③当位移-时间曲线出现反弯点时，则表明围岩和支护已呈不稳定状态，此时应密切监视围岩动态，并加强支护，必要时暂停开挖。④隧道周壁任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的总相对位移值均应小于管理标准。当位移速率无明显下降，而此时实测位移值已接近标准数值，或者喷层表面出现明显裂缝时，应立即采取补强措施，并调整原支护设计参数或开挖方法。⑤埋设量测元件情况和量测资料，均应整理清楚报监理工程师核查，并作为竣工交验资料的一部分。 6、监控量测目的和作用①掌握围岩动态，了解隧道支护结构系统变形变化趋势，判断围岩和支护系统是否稳定；②验证支护结构型式、支护参数，确定初期支护各单元施做顺序及二次支护时间；③了解支护结构在不同工况时的受力状态和应力分布，评价支护结构、施工方法的合理性及其安全性；④为变更设计、调整施工方法提供科学依据。●施工方法变更的建议。●施工工序的更改。●预留变形量的修正。●设计参数的修改与确认。●采用辅助工法及管理措施的建议。 7、监控量测工作流程图1.准备工作2.确定埋设断面3.测点埋设4.数据采集5.数据整理分析6.反馈设计施工 8、监控量测项目 五、量测工作图解1、必测项目－沉降量测 必测项目－周边收敛量测 必测项目－位移量测 2、选测项目－量测计划分离式隧道 双连拱隧道 选测项目－多点位移围岩内部位移量测：a.了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围；b.判断开挖后围岩的松动区、强度下降区；c.根据实测结果优化锚杆参数，指导施工。 选测项目－锚杆轴力a.了解锚杆实际工作状态及轴向力的大小；b.结合多点位移量测，判断围岩发展趋势，分析围岩内强度下降区界限；c.修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果。 选测项目－接触压力了解喷射混凝土与围岩、二次衬砌之间的压力：a.围岩压力的量值及分布状态；b.二次衬砌压力的量值及分布状态；c.判断围岩和支护的稳定性，分析二次衬砌的稳定性和安全度。 选测项目－混凝土环向应力了解喷射混凝土、二次衬砌（模注混凝土）应力：a.混凝土层的变形特性以及混凝土的应力状态；b.掌握喷层所受应力的大小，判断喷射混凝土层的稳定状况；c.判断支护结构长期使用的可靠性以及安全程度；d.检验二次衬砌设计的合理性，积累资料。 衬砌内应力传感器埋设构造图 选测项目－钢支撑应力型钢拱架应力、格栅拱架应力：通过对钢支撑的应力量测，可知钢支撑的实际工作状态，从钢支撑的性能曲线上可以确定在此压力作用下钢支撑所具有的安全系数，视具体情况确定是否需要采用加固措施。 3、量测频率 4、资料整理与成果分析将现场测得的数据整理成：①拱顶下沉时间-变形曲线图深圳站南并线段隧道左侧导坑拱部沉降曲线图 ②周边收敛时间-变形曲线图深圳站南暗挖隧道右侧导坑断面收敛时程曲线图 ③地表沉降观测时间-变形曲线图深圳站南地表建(构)筑物沉降曲线图 第二章动态反馈设计与信息化施工●在隧道施工中，时间与空间是一对矛盾。一般说来，当空间效应解决后隧道施工的安全就一劳永逸地解决了，但做任何工作都需要时间，往往是在锁定空间之前时间效应就发生了作用，坍方也就形成了。施工单位的责任是，在施工过程中加强地质预测预报及支护变形量测的动态管理，及时作出风险判定，作为主体提出设计变更申请。业主、设计、监理等其他管理单位应及时响应，“四方联动”才能快速、准确、高效地完成动态设计。在这里，时效很关键，一个操作性强、分工明确、协调有力、有办事时间限制的变更设计程序文件是确保隧道施工安全的重要保证。多年实践证明，由于责任、风险分配不对称，动态设计往往是四肢不全，很难形成“四方联动”。出现问题，板子多打在施工单位身上。此外，互不信任是问题的另一方面，有的施工单位干脆揭开给大家看，然后在现状研究处理方案，损失浪费严重。（关键词：管理互动） ●确保隧道施工安全的关键是正确处理时间与空间效应这一对矛盾。现实中，由于行政管理不专业，程序流程周期长，而又无应急授权机制，加大了时间效应，错过了最佳处理时机，进而引起灾难性事故的工程时有发生。前面谈到，一个操作性强、分工明确、协调有力、有办事时间限制的变更设计程序文件很重要，但更重要的是要有一个应急授权机制，现场施工管理人员要有一个正确理念以及应急反应能力。判断应急措施的有效性，就是看其是否可以在确保施工人员安全的前提下很快地克服时间效应。大家都清楚，在一些案例中，由于应急处理措施不当，造成的次生灾害比一次灾害还严重。动态反馈设计与信息化施工与一般监控量测的主要区别是：新奥法是根据监控量测的反馈修正设计。动态反馈设计与信息化施工内涵更广泛，内容更多，它是一个完整的信息管理体系和灵活的信息化流程，不仅依靠监控量测的反馈来修正设计，还根据地质预报、施工质量检测来进行动态的设计和施工。（关键词：管理能力即流程能力） 一、组织管理项目管理系统是一个开放系统，有建设、设计、施工、监理等多方参与管理，各单位之间有一个设计科学的管理接口十分重要。业主是这个组织的管理者，为及时、快速处理遇到的各种难题，赢得最佳处治时间并避免决策失误，通常在建设管理单位的统一领导和安排下，成立由建设、设计、施工、监理、监测、地质预报单位组成的隧道动态反馈设计和信息化施工管理决策机构。这个临时机构是否能够做到良性互动，是确保动态反馈设计和信息化施工得以科学、高效地运行的关键环节。 图一隧道动态反馈设计和信息化施工管理决策机构框图 二、动态反馈设计与信息化施工工作流程快捷、简单又实用的工作流程，将为动态反馈设计与信息化施工的顺利开展提供有力的保障。隧道动态反馈设计与信息化施工中，应该坚持“预报超前、监测反馈、理论分析、经验判断”的指导原则，采用力学分析、施工监测、经验方法相结合的手段，在隧道建设的调查、设计、监测和施工四个环节中，在初步地质勘察的基础上，根据经验方法，通过力学验算进行预设计，初步拟定支护参数，然后在施工过程中根据地质超前预报和监控量测获得围岩稳定和支护系统工作状态的信息，对施工方案和支护参数进行调整。以上是制度设计中必不可少的办事程序，但任何程序都有流程时间，为确保隧道施工安全，更重要的是还要有一个应急授权机制。有了这个机制，可以控制事态恶化，为设计变更争取时间。现实中，由于决策流程周期长，而又无应急授权机制，加大了时间效应，错过了最佳处理时机，进而引起灾难性事故的工程案例时有发生。所以说，一个操作性强、分工明确、接口合理、协调有力、有办事时间限制的变更设计程序文件十分重要，在施工现场，一个有正确管理理念、有丰富施工经验以及应急反应能力的承包商更重要。事实上，第一个发现问题，第一个启动程序的往往是施工单位，他施工经验是否丰富，在某种程度上决定了问题的处理方式。 隧道动态反馈设计与信息化施工的基本工作流程如图所示。 三、动态反馈设计与信息化施工的实施要点1、地质超前预报主要依靠洞室开挖之前的地质勘察资料和超前探测，对未开挖部分的安全稳定性进行超前预报，为即将采取的开挖方法、支护技术及工艺方法提供依据。该方法是针对地下工程的隐蔽性和预见性差的具体特点提出的，具有较大的工程应用价值，应作为隧道首先开展的安全预报方法。2、对围岩和初期支护的监控量测是获得围岩和初期支护结构动态变形信息的主要手段，为确保隧道安全提供重要信息。围岩和初期支护变形信息的反馈也是二衬支护设计和支护时机确定的主要依据。3、对初期支护和二次衬砌厚度、强度、背后空洞、锚杆长度、注浆饱满度、钢拱架间距等隐蔽的非常规检测项目的现场质量检测是正确分析的基础和前提。 4、根据施工观察、现场地质调查预报、现场监控量测和现场施工质量检测等信息，对各种信息进行综合分析，互相印证，对预设计支护参数的修正和施工方法的改进是不可缺少的过程。5、建立快捷的信息传递机制，及时整理量测资料，分析研究各项施工信息，及时反馈设计，及时采取加固措施，改变施工对策，使可能发生的塌方事故防患于未然，以保证隧道稳定。6、任何单一分析方法和手段，均有其本身的局限性。监控量测以及隧道前方的超前预报都无法保证其绝对的成功率。隧道工程安全监测中，应将监控量测、地质超前预报和施工质量检测整合形成系统性方法。（关键词：系统方法） 四、结论与建议●项目管理在现代化的大型项目建设中的地位越来越重要，关系到项目的顺利进行和建设质量。应重视动态反馈设计与信息化施工技术中所涉及到的管理与组织问题，优化相应的组织框架和管理流程，明确各相关部门的职责权利。●隧道动态反馈设计的基础和依据是监控量测、地质预报和施工质量检测的基本测量数据，应用现代高新技术，开发传感器系统、数据采集系统和数据处理系统，采用可靠稳定的传感器、方便的埋设手段、数据自动采集和数据处理系统，以使各种量测数据精度更高、更加稳定，将为信息化施工的质量提供强有力的技术支撑。 第三章当前隧道设计与施工存在的突出问题一、三大问题1、不同的设计单位对规范理解、把握不一致，设计经验和习惯不同。2、变更设计依据不足，与围岩分级与量测毫无关系，人为判断，因人而异。3、隧道坍塌频繁，预计不准或贻误最佳时机，监控量测与分析水平低下，预警标准没有建立。 二、施工量测存在问题1、数据记录不及时，无法起到真正监控作用。施工规范规定净空变化、拱顶下沉量测应在每次开挖后12h内取得初读数，最迟不得大于24h，且在下一循环开挖前必须完成。而实际情况是初读数时间大都不符合规定，量测进行较晚，未量测到开挖初期阶段的位移。2、对规范掌握不深，采集数据精度不够，量测频率与管理标准不符。规范规定拱顶下沉测试精度为1mm，而现场大多采用普通水准仪测定，精度很难保证。净空变化速率小于一定值时，围岩达到基本稳定，应再以1次/7d的量测频率量测2～3周后方可结束量测，而现场量测作业大多并不符合规定。当位移速率小于每天0.2mm时，则认为围岩达到基本稳定，而对于浅埋、膨胀性围岩和挤压性围岩等情况应采用其他量测指标进行专门判定。 3、对收集数据未及时进行分析并反馈设计、指导施工。量测所采集的信息可通过经验法、回归法进行分析，结合判定标准反馈指导施工。围岩稳定性判别标准一般可取如下三种：根据实测位移（或净空变化）或预计最终位移值判别；根据位移变化速率来判断；根据围岩位移时态曲线判断。围岩稳定性判断是一项很复杂的也是非常重要的工作，必须结合具体工程情况采用上述几种判别准则进行综合评判。但现实情况是，数据采集不准确，分析方法不科学，导致结论无法指导施工。4、数据采集不全面，关键工序未引起重视。在隧道开挖支护过程中，工序转换很容易产生沉降、形变异常，据此可指导施工采取相应的技术、工艺及工序管理措施加以克服。但现场多数量测工作都没有跟进工序转换，量测布点、量测频率没有作相应调整，也无法发现施工工序的不合理安排，更谈不上针对性地改进工序管理、促进工序合理转换、指导施工工艺控制了。 变形失稳——时态曲线的形态 变形稳定——时态曲线的形态 三、城市地铁施工中控制地表沉降的“五定”原则在地铁工程的施工中，地表沉降事故发生的概率很高。以深圳地铁一号线的建设为例，在施工期内，地面沉降事故占总事故的1/4。事故发生地多位于市区繁华地段，对工程周围的建筑物、地下管线、施工安全、工程进度及工程费用都会产生严重影响。控制地表沉降的“五定”原则：1、沉降观测依据的基准点、工作基点和被观测物上的沉降观测点，点位要稳定；2、所用仪器、设备要稳定；3、观测人员要稳定；4、观测时的环境条件基本一致；5、观测路线、镜位、程序和方法要固定。以上措施在客观上尽量减少观测误差的不定性，使所测的结果具有统一的趋向性，保证各次复测结果与首次观测的结果可比性更一致，使所观测的沉降量更真实。 基准点、工作基点和被观测物上的沉降观测点，点位要稳定： 第五部分隧道工程通过岩溶地质地段安全风险控制技术 隧道工程穿越岩溶地质地段具有危害大、预防难的特点，是目前隧道工程施工中尚未很好解决的难题。其主要表现是：当施工冒然揭露岩溶时，有可能产生大量涌水涌泥或突水突泥，造成重大安全事故。轻的对生态环境造成影响，如引起水土流失、地面沉降、地表及地下水径流改道等，甚至会引起生态环境的改变；重则可能会引起洞毁人亡的灾难性事故，给项目带来重大经济损失。（关键词：防突泥突水） 要保证隧道施工的顺利进行，关键是要预防和控制隧道施工中的地质灾害。如塌方是制约隧道快速施工的最主要因素之一，而断层、岩溶是隧道开挖过程中最常见的不良地质现象，也是引起隧道塌方的“罪魁祸首”之一。据不完全统计，由断层及断层破碎带、岩溶陷落柱等引起的隧道塌方占塌方总数的90％以上，可以说，隧道施工中发生的地质灾害，几乎都与断层、岩溶有关。 经过广大隧道建设者的多年努力，我国在应对异常复杂岩溶地质隧道施工技术方面积累了丰富经验，达到了世界先进水平。采用超前探测、帷幕注浆、管棚预支护、高压富水溶腔释能降压、迂回绕行、桥梁跨越、防灾预警、救援逃生系统等“探”、“堵”、“排”、“迂”、“跨”、“防”等综合施工技术手段和措施，大大增强了隧道施工过程中安全处理大规模岩溶的能力。根据“多源协调原理”，选择一套有效的超前地质预测预报技术，探明隧道开挖面前方隐伏断层及岩溶的规模大小、准确位置、充填性与连通性等，采取针对性地处理方案，不仅可以避免隧道塌方、突泥突水等灾害的发生，还可显著加快隧道施工进度，节约工程施工成本，提高项目的经济效益与社会效益。 下面以岩溶地质隧道施工为案例，论述隧道工程穿越高压富水岩溶地质地段，施工安全风险控制的关键技术问题。 第一章岩溶地质及岩溶地区的工程地质问题 一、岩溶地质1、定义岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层经过化学作用和机械破坏作用而形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称。地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用称为岩溶作用；岩溶是指由岩溶作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象的总和———喀斯特现象。注：可溶性岩石大致可分为如下三大类：①碳酸盐类岩石，如石灰岩、白云岩、硅质灰岩和泥灰岩等；②硫酸盐类岩石，如石膏、硬石膏和芒硝等；③卤盐类岩石，如岩盐和钾盐。 2、岩溶作用结果①形成地下和地表的各种奇特的地貌现象；地表岩溶有：石牙、溶沟、石林、岩溶漏斗、峰林、峰丛、溶蚀洼地、孤峰与岩溶平原、盲谷、断头河、落水洞等。地下岩溶主要是溶洞和地下暗河。②形成特殊的水文地质现象。 3、作用机理岩溶形成过程中溶蚀作用的机理十分复杂。有地下水和地表水的溶蚀和沉淀、地表水的侵蚀、剥蚀和堆积，地下洞穴高压空气的冲爆和低压空气的吸蚀。地下水的机械潜蚀，冲蚀与堆积。地下洞穴的重力崩塌，坍塌与堆积等。其中主要为地表及地下水的溶蚀作用。从工程地质上讲以地下水对碳酸岩溶蚀作用为主。4、岩溶发育的基本条件①具可溶性岩石；②可溶岩能提供水渗透和运移空间；③具溶蚀能力的水；④具良好的水循环条件（补给、排泄）。注：运动的水流加速岩溶过程，并使碳酸盐岩岩体产生“碳、水、钙”物质循环。 5、气候影响：它直接影响参与岩溶作用的水的溶蚀能力。控制着岩溶发育的类型、速度和规模。主要有：气温、降雨量、降水性质、降水季节分配及蒸发量大小的变化。大气降水和气温的演变过程，提供水源和水流运动的梯度场等；6、地貌地形的影响地貌条件是影响地下水循环交替条件的重要因素。区域控制地表水文网的发育特点——控制岩溶发育的总趋势。岩溶发育具有明显的叠加性和由分水岭至河谷明显增强的特征。岩溶发育受可溶岩分布、构造特征和构造线方向控制。 7、地质构造的影响1）断裂；断裂构造破坏了岩层的完整性，断层带附近岩石破碎，节理裂隙特别发育，极利于岩溶水的循环及溶蚀作用的进行，岩溶常沿各种断层带发育。正断层带通常岩溶很发育、逆断层带岩溶一般不发育，通常上盘比下盘发育；在节理裂隙的交叉处或密集带，岩溶易发育。2)褶皱；褶皱轴部岩溶一般较发育，单斜岩层岩溶一般顺层面发育。地层不对称的褶皱中，陡的一翼较缓的一翼发育。●各种岩层产状条件下岩溶发育特点：产状水平或缓倾的可溶岩，其上为非可溶岩时，岩溶一般不发育；其下为非可溶岩时，接触面上部岩溶一般发育；陡倾的可溶岩，上覆与下伏为非可溶岩时，上下接触带处岩溶发育。 3)岩层组合特征影响。①厚而纯的碳酸盐岩，有利于形成岩溶。②可溶性差的碳酸盐岩，不利于形成岩溶。③碳酸盐岩夹非可溶岩。④碳酸盐岩与非可溶岩石互层。8、构造运动的影响①稳定期：侵蚀基准面（地下水位置）稳定，岩溶发育形成水平岩溶系统。②地壳上升：地下水下降，侵蚀基准面下降；侧向岩溶弱，岩溶以垂直发育为主。③地壳下降：地下水循环交替好，岩溶减弱。可能造成垂直、水平向发育岩溶叠加，比较复杂。 9、岩溶发育的三个阶段1)形成阶段：只要满足前述洞穴发育的四个基本条件，即可开始形成洞穴。在这个洞穴形成的初期阶段，洞穴空间规模一般较小，多呈孔隙状，人们无法进入，主要表现为溶蚀现象。2)发展阶段：随着参与洞穴发育的水流流量、流速的增加，洞穴空间逐渐扩大，发展成为具有一定规模的通道系统，主要表现为溶洞和地下暗河。3)衰亡阶段：由于地壳抬升，洞穴逐渐脱离地下水位进入包气带，失去了进一步发展的动力条件，主要表现为崩塌现象显著，钟乳石类次生化学沉积大量发育，洞穴空间逐步壅塞减小。 10、岩溶区稳定程度评价一般依据地面塌陷情况或地表形成的漏斗数目作为评价稳定性依据。极稳定地段：50年内未发生塌陷或漏斗。稳定地段：20—50年内只有一塌陷或漏斗/KM²。中等稳定地段：1－20年内只有一塌陷或漏斗/KM²。不稳定地段：每年1—5个坍塌或漏斗/KM²。极不稳定地段：一年内5-10个坍塌或漏斗/KM²。 二、岩溶地区的工程地质问题与岩溶有关的的工程地质问题有：●可溶岩石强度的降低对地基稳定性影响。●地表岩溶现象：溶沟、石芽、溶蚀漏斗等。●地下水岩溶现象：溶洞、溶蚀裂隙、暗河等。●岩溶地区修建地下工程设施的安全稳定性。●岩溶地区地下水开采对环境的影响。●岩溶地区由于岩溶化作用堆积物上的不均匀沉降问题,引起建筑物地基变形破坏：如地基承载力不足、地基石不均匀沉降、地基滑动、地表塌陷等。 三、岩溶对隧道的危害主要有四种类型1、洞穴的存在使隧道全部或部分悬空，将极大地降低隧道的使用安全可靠度；2、岩溶水特别是当CO3-等可溶性物质含量增高时，水的流通将给隧道结构带来的侵蚀作用，影响隧道的使用寿命；3、洞穴堆积物因松软易坍塌下沉，改变洞穴周边的应力分布形态，影响隧道的结构稳定；4、隧道中地下水流失，使隧道顶部地面岩溶塌陷，导致环境地质被破坏，也是造成隧道结构不稳定的原因。 第二章岩溶高风险隧道防坍、防突技术 一、隧道突泥突水判断标准●按照充足理由律，突出必须同时具备以下三个条件，才能形成：1、溶腔内存在“大体积的可流动性充填物”。小体积无妨——不具有破坏能力，充填物不具有流动性无妨——不具有势能、动能转化条件。2、“高势能且有流动通道”。溶腔处于低位及无流动通道无妨——不具有势能、动能转化条件。3、“短时间”内涌出。若能控制排放，延长涌出时间，小动能也不具有破坏能力。“大体积，高势能”（包括流动性与通道）是地质状态，是必要条件，短时间涌出是充分条件。探明地质，识别必要条件，“留下石门，锁住出口，控制处理”是为了消除突出的充分条件。 二、将地质预测预报纳入工序管理突出往往与冒撞冒进相联系，短时间内巨大能量被释放，现场施工人员避之不及，先脱衣后脱皮，惨剧就这样形成了。防突必须杜绝冒撞冒进，超前地质预报是基本手段。施工现场成立专家组，专门对地质预测预报及重难技术问题进行联合攻关，按照“物探先行，钻探验证，有掘必探，先探后掘”的原则组织施工。隧道穿越岩溶区的地质预测预报工作，主要是对开挖面前方地质条件的预测，对断层、长大节理裂隙、破碎带、接触带、地下水状况以及岩性和围岩等级进行预报。 树立新理念，确保不良地质不坍不突十分重要。在强富水、岩溶发育的不良地质段，“留下石门，锁住出口，控制处理”是我们采用的防突原则。而突出必须在“大体积，高势能，短时间”同时发生时才能形成。“大体积，高势能”是地质状态，但时间是我们可以控制的。依靠科技，探明地质是“留下石门，锁住出口，控制处理”的前提条件。将超前地质预报工作纳入工序进行管理，是隧道施工安全的制度保证。方法上，物探与钻探相结合，是准确无误地探明前方地质状态的技术保证。“留下石门，锁住出口，控制处理”是隧道施工防止突出的重要手段。 三、制定针对性的施工方案1、溶洞处理的难点分析溶洞处理一是方案难制定，二是难实施。溶洞的大小、规模、发育、充填性以及与隧道的相对关系，这些边界条的排列组合，保守计算大于十的二十三方，是一个天文数字。而这些因素恰恰又是制定岩溶处理方案、判断突出条件的重要依据。由于溶洞的边界条十分复杂，决定了处理经验的可复制性是一个小概率事件。也就是说，溶洞处理方法虽有规律可循，但经验不可简单复制。准确、先进的地质预测、预报手段对于溶洞的处理非常重要，探测结果越准确，越有利于作出科学判断，制定针对性的处理措施。如果对地质情况认识不清，措施不当，就会走弯路，甚至带来安全风险。 方案制定流程图超前地质预报突出性判断制定方案：针对性处理置换方式加固方式控释制能排降放压封堵隔断方式管道连通方式桥梁跨越方式绕行方式否是突出判断标准 第三章施工方法 一、溶洞处理动态施工程序隧道施工过岩溶地质段，物探异常区采用超前钻探，依据探测结果针对性地制定处理方案，严格按动态设计程序执行，程序见下图。 溶洞处置动态施工程序 二、处置方法1、洞口岩土交界面溶槽、溶坑、石牙状溶蚀地层段的处理①施工前弄清岩土交界面的岩面起伏状况及其与隧道的空间关系。当地质条件复杂时，提出详细的岩溶地质补充探测建议，对前方不良地质情况进一步探明。在对地质条件有充分了解的基础上，制定安全、切实可行、经济合理的施工方案。②在岩土交界面起伏多变段，加强隧道开挖轮廓线周边岩体厚度的探测，探明隧道开挖轮廓线周边岩层厚度、自身强度、节理裂隙发育情况，在保证围岩稳固的情况下方可采用石质围岩支护参数。③在岩土交界面起伏多变段，当难以保证开挖后围岩自稳的情况下。采用大角度超前小导管预注浆、洞内超前帷幕注浆等措施，在地形条件允许的情况下可采用地表注浆的方式加固围岩。 ④岩土交界面对隧道开挖后围岩自稳能力有影响的地段遵循“强支护、弱爆破”的方式，尽量减少开挖引起的围岩扰动。⑤加强溶洞相对隧道处于不同方位的溶洞探测，对溶洞处于隧道边墙以下、仰拱一下位置而对隧道结构有影响时，可采用封闭仰拱、注浆回填、换填等处理措施。 2、洞身岩溶发育段处理隧道洞身段溶洞分布可能主要有以下六种形式：拱腰以上小溶洞、基础及路面下小溶洞、边墙溶洞、拱腰以上无填充物大溶洞、拱腰以上有填充物大溶洞、基础及路面下大溶洞。分别采用图1～图7所示七种方案进行处理。 图1：小溶洞在拱腰部发育 图2：溶洞在边墙发育图3：溶洞在基础及路面下发育 图4:拱腰以上无充填物大溶洞图5:拱腰以上有充填物大溶洞 图6:大溶洞在基础及路面下发育（1）图7:大溶洞在基础及路面下发育（2） 特别注意：岩溶地段仰拱施工前，对基底进行探测（15米左右），确保仰拱下一定厚度范围无溶洞，以此确保隧道施工期间及运营期间的安全。 3、岩溶高风险隧道施工管理隧道施工通过溶洞发育强烈、暗河体系复杂、高压富水岩溶地质段时，对物探异常区必须采用超前钻探，依据“突出判断标准”首先确认地质状态是否具有突出的必要条件，再针对性地制定处理方案。 ●理念要正确正确的理念是溶洞处理“有规律可循，但经验不可复制”，现实中往往犯“经验”简单复制的错误。探明隧道开挖前方的地质状态，针对性地制定处理方案是隧道施工通过岩溶地质段的基本原则。 ●意识最重要必须提高对高风险岩溶隧道施工安全“如临深渊、如履薄冰、如坐针毡”的危机认识，建立和完善高风险隧道管理专项机制体系及管理办法。分解、细化各项管理目标，明确责任人，落实责任制。强化施工组织设计、专项技术方案及安全预案的编制与管理工作，始终坚持“以人为本”，把保证人的生命安全作为第一目标。针对岩溶隧道的高风险特点，应始终坚持“掘进不探不挖，地质不明不挖”的“两不挖”原则。紧紧抓住超前地质预报和方案制定两个关键技术环节，更新理念，从施工工艺、技术手段、工程措施入手提高施工过程中的预警和防灾能力。强化施工人员的安全意识，重视隧道掌子面安全管理与细节管理，配足经验丰富的专职安全员，杜绝人员的不安全行为。 ●方法要有效方法的选择有很强的针对性，施工方法不同对精度有不同的要求。总体概念是，各种物探方法都有其适应范围，准确率都不高。为了提高准确率，摒弃单一方法，采用“多源协同原理”是一个正确路径。实践证明，在物探异常区施加钻探验证是有效的预报方法。对于采用矿山法施工的隧道，建议采用：TSP203+YDZ直流电法+钻探验证的组合手段。 ●手段是基础物探远近搭配：TSP203（远探）＋地质雷达（近探）；YDZ型直流电法探水（远探）＋红外探水（近探）。钻探长短结合：超前钻探＋常规钻探；地质素描＋综合分析判释。将超前地质预测预报工作纳入工序管理，为隧道安全掘进提供科学依据和制度保证，杜绝突水、突泥等灾难性事故。除物探设备外，还应配备性能优越、方便高效的钻孔设备，长短结合，随时取用。对超前地质预测预报钻孔设计、施钻、验孔、判释实行分级管理，责任到人。做到“物探先行、钻探验证、有疑必探、先探后掘”及坚持“三定三探”原则（定人、定孔、定检，常探、密探、深探），实施地表地质核查、掌子面地质素描、物探、钻探等综合超前地质预报手段，确保施工安全。 ●制度是保证将地质预测预报纳入工序管理、纳入项目评审考核是制度保证。以往在隧道施工中，对超前地质预测预报工作有很大的随意性，存在严重的管理漏洞。事实证明，突出事故往往与冒撞冒进相联系，根本原因是忽视了超前地质预测预报工作。把超前地质预测预报纳入工序管理，现场配足经验丰富的地质专业技术人员，不断提高判识水平，实现时时监控。安全投入纳入计量支付，强化安全储备；应急预案及应急演练纳入内业资料考核，强化安全意识。做好各项应急准备，在隧道的重要位置安装视频监控、声光电预警系统，反坡掌子面里除摆放橡皮艇、游泳圈、救生衣外，还应有逃生绳、逃生爬梯等逃生设备。在各个工作面、逃生通道、隧道口安装摄像头，设立应急指挥中心，一旦发生灾害，应急指挥中心可以根据摄像头对施工人员统一进行指挥。加强进洞人员管理，建立严格的人员进洞登记制度。平时，应组织隧道作业人员定期进行有针对性的安全源、防灾、逃生应急演练，将隧道灾害逃生措施、逃生路径印刷在作业人员的上岗证背后，随时供作业人员查看，确保施工作业人员的人身安全。 谢谢！2012年12月15日修改