我对隧道工程的基本认识

老生常谈----我对隧道工程的基本认识 认识一树立以“围岩为本”的基本理念以“围岩为本”是由围岩的基本特性所决定的。 围岩的基本特性围岩――结构的主体；围岩本身是具有自支护能力的，也就是我们所谓的自稳性或稳定性。在设计施工中，我们要充分发挥和利用围岩的这个能力；围岩――构成结构体的主体材料―其特征是客观存在的多变性和不确定性；围岩――施加结构的荷载－开挖后的变形与支护的相互作用是形成荷载的基本原因；它是由围岩性质和施工技术所决定的，是一个不可捉摸的变量； 作为一个隧道工程技术人员，要牢牢记住：“结构体－作用荷载－构成材料”“三位一体”是隧道工程的重要的，独一无二的特征。这是隧道工程最具特色的、与其他工程截然不同的特性。这个特性决定了隧道工程的设计、施工、维修管理的基本理念。隧道的一切，从规划、调查、设计、施工到维修管理都是由这个特性决定的。 认识二掌握围岩所谓“掌握围岩”首先就是要掌握隧道开挖后的围岩动态。也就是开挖后围岩的稳定性。因此，如何搞清楚围岩开挖后的动态？、如何评价开挖后的围岩稳定性？就成为隧道及地下工程中的重要课题。也是我们一直想解决的问题。 围岩开挖后的动态围岩开挖后的动态，也就是稳定性受到许多因素的影响，是多种多样的。但其外观的综合表现，就是变形、掉块、滑移或松弛。仅仅用变形一词是很难概括隧道开挖后的动态的。开挖后动态的不同，决定了对应的支护对策的不同。变形掉块滑移松弛 围岩开挖后的动态，按围岩构造及特性可按下表分类围岩坚硬、软弱但构造完整的围岩大、中块状围岩，包括层状围岩土砂（包括碎块状）围岩特殊围岩围岩开挖后动态弹性变形掉块松弛挤压性变形塑性变形滑移大变形膨胀性变形流变变形流变变形 从开挖后的稳定性看，可按下表进行定性的划分。围岩级别ⅠⅡⅢ、ⅣⅤ、Ⅵ稳定性长期稳定基本稳定暂时稳定不稳定现象及措施一般不需要支护，仅进行表面防护毛洞有一定的自稳时间，可能有局部掉块或滑移，必要时采用局部锚杆、或喷混凝土支护自稳时间较短，开挖后围岩发生松弛，初期支护基本上可以使变形收敛，无需采用辅助工法开挖后可能立即崩落，仅用初期支护难以控制变形的发展，需要进行预支护，先行控制可能发生的变形及松弛。与围岩构造的关系坚硬、构造完整的围岩大块状、厚层的坚硬围岩中块状围岩，包括层状围岩土砂（包括碎块状）围岩、特殊围岩开挖后的围岩动态稳定、以弹性变形为主以局部掉块为主弹塑性变形为主松弛、坍塌为主、极易发生大变形 隧道周边围岩的动态因此在隧道设计、施工中，掌握隧道开挖后的动态是非常重要的。这里必须指出，隧道的稳定性决定于隧道周边围岩的稳定性。我们知道隧道周边围岩不稳定我们是无法施工的。只要隧道周边围岩是稳定的，隧道就是稳定的。因此，“掌握围岩”的重点，是掌握隧道周边围岩的动态。隧道的周边围岩是三维的，不仅仅指横向范围内的围岩，也包括掌子面前方的围岩。 前面所述的变形、掉块、滑动、松弛等，基本上都是在周边围岩中发生的。隧道开挖对周边围岩的影响是有限的。其范围大致在1~2D（D：隧道开挖的宽度）左右。过去我们十分关注隧道横向的影响范围，初期支护的选定基本上是以此范围的围岩动态决定的。实际上，在软弱围岩中，掌子面前方围岩的稳定性更为重要。必须强调的是：掌子面，实质上也是一个支护构件，开挖过后它起着极为重要的支护作用。施工中出现的问题，多数与掌子面的稳定有关。因此，在隧道施工中，尽可能地掌握由于开挖、支护引发的周边围岩的动态是非常重要的。我们设计、施工的基本出发点，就是千方百计地使隧道周边的围岩稳定下来。而使围岩稳定的基本原则就是维护和提高周边围岩的自支护能力，特别是掌子面的支护能力。这一点必须体现在隧道的规划、调查、设计、施工、维修管理的全过程。 认识三隧道施工必须坚持的两大原则原则一:“施工”要做到：不使周边围岩“松弛”或者“少松弛”原则二:“施工”要做到：围岩、初期支护及二次衬砌成为一体的结构物 原则一“施工”要做到：不使周边围岩“松弛”或者“少松弛”开挖产生的周边围岩的松弛是隧道施工安全的“死敌”，减少松弛就意味提高施工的安全性，两者是密切相关的。松弛的围岩是隧道开挖后产生变形，降低围岩承载性能，加重人工支护负担的主因。因此，施工中不使周边围岩“松弛”或者“少松弛”是非常重要的。目前我们的施工方法和施工技术，还满足不了这个原则。一些隧道中发生的所谓的“大变形”等，均与此有关。。 如何尽可能地不让围岩松弛或少松弛，只有两种方法方法一：开挖后及早使开挖断面闭合；方法二：开挖前预先加固围岩。实质上，在软弱围岩隧道施工中都是两种方法的组合。 及早使开挖断面闭合所谓“断面闭合”有2个概念。一个是横断面的断面闭合，一个是纵断面的断面闭合。两者是相互配合的。实际上，断面闭合多数是指纵向的断面闭合。纵向的断面闭合，可以用时间或距离表示。例如在几小时内闭合，或在几m内闭合。这与围岩条件有极大的关系。围岩越差，要求的断面闭合时间越短，也就是断面闭合的距离越短。 实际上，开挖断面闭合就是隧道底部与上部的闭合。因此要特别关注隧道底部结构的形成。根据日本近期研究的成果，以早期断面闭合（这里称为“早期闭合仰拱”）为重点，把其按时期和程度（刚性）划分3个水准，其概要和优缺点列于表1。水准Ⅰ：主体仰拱闭合初期仰拱早期闭合水准Ⅱ：喷混凝土仰拱早期闭合水准Ⅲ：仰拱横撑早期闭合示意图设置在设计断面内设置在设计断面外设置在设计断面内设置在设计断面外表4早期闭合仰拱设置方法分类 日本建议在台阶法施工条件下，闭合距离一般控制在相当隧道开挖跨度左右的距离（此条件相当于开挖跨度12m左右），开挖跨度越大，闭合距离越短。按此原则来组织隧道的施工作业和机械配置。在软弱围岩隧道中。“快挖、快支、快闭合”已经成为我们的共识，正在一步一步地向这个方向迈进。 开挖前预加固围岩近几年，隧道施工技术一个重要的发展，就是辅助施工方法体系的形成与应用。这是矿山法扩展应用的需要，是提高施工安全的需要，也是爱护围岩意识提高的表现。，仅用初期支护，不管如何加强，也很难把围岩变形或松弛控制住，这已为实践所证实。在这种情况下，唯一的对策，就是对周边围岩进行预加固（补强）。所谓开挖前预加固技术是指：在开挖前对可能造成松弛的围岩或者是已经判定为松弛的围岩，事前进行补强的技术，意图提高周边围岩的承载性能，大幅度地减少围岩开挖后可能发生的松弛。 预加固的重点部位大致如下图所示。图中的“长”，通常指长度超过8m以上的长度。 预加固技术，主要是针对掌子面周边围岩的，包括正面前方的围岩。因此应对周边围岩的稳定性进行判定。在大断面隧道进行大断面开挖的场合，周边围岩的稳定性主要表现在：掌子面的稳定性---掌子面前方围岩的挤出、拱顶崩塌；拱脚围岩的稳定性---拱脚下沉；底部围岩的稳定性---底部鼓起。因此，预加固技术的形成与发展与此有关。预加固技术可以从地表面实施，也可以从洞内进行。 这些技术包括：·控制掌子面前方围岩松弛的技术――先行位移·控制掌子面围岩松弛的技术――掌子面挤出位移·控制脚部下沉的技术――拱脚及底部下沉――整体下沉·控制地表面下沉的技术――地表面下沉――整体下沉不能不承认，在这个领域中我们与国外的差距是比较大的。差距主要表现在施工机械设备上。（详细内容请参考软弱围岩施工技术一书）。 原则二“施工”要做到：围岩、初期支护及二次衬砌成为一体的结构物隧道结构物只有与围岩成为一体才能发挥其功能。特别是要确保围岩与初期支护形成一个具有要求承载能力的支护结构体。这里所谓的成为一体，就是我在施工要点集中一再强调的“三密贴”。喷混凝土与围岩密贴、防水板与喷混凝土密贴、二次衬砌与防水板密贴，在其间不要留有空隙或空洞。而目前的现状是喷混凝土基本上可以做到与围岩密贴，但防水板与围岩是不密贴的，二次衬砌与防水板也不是密贴的。钢架也不是与围岩或喷混凝土密贴的。 锚杆在初期支护中，最有争议的是锚杆。锚杆不是有用和无用的问题，而是如何设置，如何更好地发挥其支护作用的问题。工程实践表明：在任何的支护条件下，锚杆支护都是有效果的。在多数场合是可以采用的。但也有不宜采用的情况。如在拱部采用超前支护的围岩条件下，不宜设置拱部锚杆；在浅埋、易于发生整体下沉的围岩条件下，拱部锚杆的支护效果不能发挥的场合，也可以不设置锚杆等。 层状围岩锚杆配置例其次，在层状围岩中，锚杆的配置应考虑层状围岩的具体情况设置。下图是一些设置事例，可供参考。 初期支护的施工步骤例在初期支护中，一般说锚杆都是最后打设的。下图是日本规范中建议的施设步骤。 钢架问题这里有个重要问题，需要提醒大家关注。就是钢架的问题。特别是型钢钢架。不管开挖如何精心，开挖后的断面也是凹凸不平的。架设型钢钢架很难与围岩密切接触，甚至没有接触。完全失去钢架的支护功能。在型钢钢架上设楔形块，使之与围岩接触，是国内外普遍的做法。下面是日本的钢架试验结果，可供参考。 在其建议的步骤中，锚杆都是最后，而且都是在两榀钢架中间的位置，离开掌子面一定距离施做的，这与我们的做法有所不同。而最先的步骤都是喷混凝土，而后是立钢架。日本在08年的“山岭隧道设计施工技术标准”中，建议“采用钢架，锚杆和喷混凝土的场合，应按钢架、喷混凝土、锚杆的顺序施工，在围岩稳定有问题的场合，开挖后应迅速初喷混凝土，再按钢架、喷混凝土锚杆的顺序施工”。 认识四“工欲善其事，必先利其器”施工机械化是隧道安全快速施工的基本保证，也是确保形成支护结构体的基本保证。 人员技术素质施工装备精细管理隧道施工动态设计 实现隧道安全施工的主要因素中，我们应该认识到与国外存在相当大的差距。主要体现在机械开发上的差距。例如大容量的喷射机及机械手；打设长掌子面锚杆的钻孔注浆一体化机械、特别是适用于事前进行脚部补强的机械以及土质隧道的插板法机械、超长钻孔机械以及机械施工的集约化等方面，差距尤为突出。我们已经充分意识到，在软弱围岩隧道施工中，早期断面闭合的重要性，但实施起来存在许多问题，其中一个困难就是缺乏“顺手”的配套机械。使我们处在“巧妇难为无米之炊”的尴尬的境地。 众所周知，在城市土质隧道中，盾构法是主流方法。这与盾构法，实质上是“断面闭合时间”为0，或者说是“极少松弛”的方法。整个盾构的施工过程是盾壳的保护下完成的。如果说，围岩发生“松弛”，也是在盾尾离开的瞬间出现的。而在采取“同步回填”，这种可能发生的围岩松弛，也得到了控制。因此，日本明确提出“地表面没有下沉的盾构技术“。而矿山法很难做到这一点。 例如日本在矿山法施工中，为了提高施工的安全性和达到快速施工的目的，最近开发了所谓“隧道机组工作站”的施工系统。称之为“TWS”。例如图1就是以钻孔台车为基础把各种专用施工机械组合成一台的台车的多功能型的全断面开挖机（TWS）。 图2TWS的各种施工机械搭载例 以泥岩为主体的软岩为对象，是按早期闭合的快速施工为目的，由自由断面掘进机、凿岩机、喷射机、全周模板、皮带运输机等组成机械开挖方式的全装备型大断面用TWS。 以凝灰角砾岩为主体的中硬岩的复合围岩隧道为对象，组成由凿岩机、喷射机、钢支撑架设机等能够进行爆破开挖及机械开挖的万能型大断面隧道用TWS。以花岗岩为主体的硬岩隧道为对象，组成凿岩机、喷射机等能够进行爆破开挖的快速施工的大断面隧道用TWS。 脚部预加固机械作为支护脚部下沉的对策，我们基本上是采取钢架下设置垫板、扩大拱脚、打锁脚锚杆（管）的方法。日本基本上采用以脚部钢管为代表的脚部补强桩。但在过去的对策中，因为是在上半断面开挖后进行施工，其抑制初期下沉的效果比较小。同时还存在采用水进行钻孔也会扰乱围岩，助长下沉等问题。因此开发出采用弯曲大口径脚部补强桩工法，针对以上问题，预先在围岩开挖前在预计设置钢架的位置打支持桩，而后进行开挖并架立钢架。对控制脚部下沉的效果极佳。 该钻机具有以下特点：1.采用弯曲钻孔能够对掌子面前方脚部围岩进行补强。2.因为采用弯曲干钻钻孔，能够不扰乱围岩施工。3.能够造成φ500mm、深3.5ｍ的大口径・高強度的改良体。4.適応地質范围广，包括粘性土、砂質・礫質土、固結粉砂岩、泥岩等。因此加强隧道施工机械化的研究和开发是非常必要的。 隧道施工机械化的目标第1步是实现单项作业的机械化；第2步是实现掌子面各项作业的自动化（远距离控制），把作业人员从掌子面（最危险地段）撤离出来；第3步实现施工的机组化，把单项作业集中在一个机组中，实现安全、快速施工；第4步是全面实现隧道施工的自动化、机械手化及远距离控制。 一个构思 认识五实现真正的情报化设计施工的关键是“情报”实现情报化设计施工的前提条件是要有能够充分表现隧道开挖后围岩和支护构件动态的“动态情报”；其次是获得这些“情报”的可靠“方法”。这2个条件缺一不可。这里所谓的情报，主要是反映围岩和支护构件的位移和应力、应变等数据。情报的“质”和“量”是分析情报的基础。而获得这些情报的方法，就是观察、量测、试验和前方围岩的探查方法等。在具备“情报”和“方法”的前提条件下，就是如何“处理情报”，“整理情报”、“分析情报”、“评价情报”，进而“利用情报”的问题，这就需要解决以下2个问题，才能真正的实现“管理” 情报化施工实现真正的情报化设计施工管理必须解决的2个问题：·设计、施工、决策一体化，这是体制问题；·管理技术的电子化、信息化和数字化，这是技术问题。从我们目前的管理体制看，实现真正意义上的动态管理，可能是一句空话，也就是说与一些国家相比，差距是很大的。从技术方面看，迅速地组织力量，建立一个完整的信息化、数字化的设计、施工、管理系统，是非常必要的。这也是当前隧道技术发展的一个重要方面，不容忽视。 情报化施工例如，意大利在修建长Vaglia隧道中，采用了ADECO-RS（AnalysisofControlledDeformationinRocksandSoils）系统进行隧道的设计和施工。该系统是一个控制围岩开挖后变形的系统，对该隧道的围岩从调查阶段的地质调查信息，来正确地掌握地质条件的变化，在设计阶段则根据地质条件的工程划分级别，给出基准，最后根据开挖时发生的应力、应变的特性给出适合地质条件的施工方法和支护结构。而其中的开挖后的应力、应变数据（情报）是通过观察、量测方法取得的。 情报化施工最近日本建设省对情报化设计施工管理系统，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连动控制或实现电子网络的一元化施工管理，以提高整个施工的安全性和生产性。这是一个立足于电子技术和信息技术的建设工程生产管理系统。它监控了设计、施工及运营管理全过程。 情报化施工在这个思想的指导下，日本的一些会社，都在开发“动态管理”的应用系统。例如佐藤工业（株）开发的“SIT系统”，是一个把洞内的量测数据、测量数据、机械和运输车辆的运行数据、通信数据等情报信号，用单一的通信线路进行传输，实现洞内施工的一元化管理。西松建设（株）也开发了“隧道综合管理系统”。该系统是由情报化施工、设计支援和质量管理、隧道形状管理四个子系统构成的。其中情报化系统是由TSP（弹性波探查）、DRISS（钻孔探查）、TDEM（电磁探查）三个掌子面地质超前预报技术组合而成。设计支援系统则由过去的施工实绩和支护模式、辅助工法等构成。同样地，在TBM的掘进管理中也开发了类似的系统。总之，欧洲、日本等国已纷纷开始隧道工程动态管理系统的开发和研制，有的已开始产业化应用。对促进产业现代化，提高生产效率、降低成本、减少风险都起着十分重要的作用。实际上在这个领域中，我们也有长足的进步，但问题仍然存在。 情报化施工我们目前存在的问题主要在情报的“质”和“量”上。首先是情报的“质”：情报不可靠或不可信，数量再多也没有价值。其次是情报的“量”，没有足够数量的情报，很难进行统计分析，从情报中找出规律。否则，情报化设计施工就是一句空话。也就是说我们情报的质量和数量还不能真实地反映隧道开挖全过程各个阶段的动态。 情报化施工情报的“质”，要能够满足分析开挖后围岩动态规律的要求。如在量测中必须切实掌握：①初始值（初始位移速度）②距掌子面1D的位移值、③拱顶下沉与拱脚下沉的比值收敛值等的数据（情报）④多点同时量测的可靠性等。 情报化施工情报的“量”，是分析问题的基础数据。（参见各种围岩的动态分析）获取情报的途径和方法是多种多样的。其中从途径上看有：①掌子面前方围岩的探查、②掌子面观察、③量测、④各种试验（室内的、原位的）以及⑤施工数据等。目前我们主要依赖于量测，途径比较单一。日本2009年修改的“观察、量测指南”对此规定如下表，可供参考。 量测项目量测目的量测类型洞内观察调查·掌子面自稳性、毛开挖工作面稳定性·掌握岩质、断层破碎带、褶皱构造、变质带等的性质·掌握喷混凝土等支护构件的变异状况·对围岩分级的再评价A1原位置调查、试验洞内弹性波测定·对围岩分级的再评价·松弛区域·地层的裂隙、变质程度·掌握岩层的强度等B1钻孔调查·掌握岩质、断层破碎带、褶皱构造、变质带、瓦斯等的性质·采取围岩试验用试件利用钻孔的调查·掌握地基承载力（标准贯入试验）、水压、渗透系数（涌水压试验）、变形系数（孔内水平加载试验）等岩层直剪试验·掌握围岩的初期抗剪强度、残余强度及变形系数千斤顶试验·掌握变形系数、地层反力系数点荷载试验·点荷载强度注2）施密特锤试验·施密特锤反弹值注2）针贯入度试验·针贯入坡度调查的项目和内容 围岩试件试验单轴抗压强度试验·掌握单轴抗压强度、静弹性系数、静波松比B2超声波传播速度测定·掌握P波速度、S波速度、动弹性系数、动波松比单位体积重量试验·掌握单位体积重量、含水比吸水率试验·掌握吸水率压裂拉伸试验·掌握压裂拉伸强度蠕变试验·掌握蠕变常数粒度分析试验·土砂围岩的场合，作为判断掌子面稳定性的资料·泥岩、温泉余土等场合，作为判断膨胀性的资料浸水崩解度试验·软岩场合，作为判断对水的稳定性的资料三轴压缩试验·掌握粘着力、内摩擦角及残余强度X线回析试验·判定粘土矿物的种类（有无膨胀性粘土）阳离子交换容量（CEC）·推定粘土矿物的含有量量测拱顶下沉测定·监视隧道拱顶的绝对下沉量，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性A净空位移测定·根据位移值、位移速度、位移收敛状况、断面变形状态等判断隧道周边围岩的稳定性、支护结构的设计施工的妥当与否以及衬砌的施设时间A地表下沉测定·在洞口段和埋深小的区间，测定隧道纵向的地表下沉，评价隧道开挖对地表面的影响和隧道的稳定性A3） 量测拱顶下沉测定·监视隧道拱顶的绝对下沉量，了解断面的变形状态，判断隧道拱顶的稳定性A净空位移测定·根据位移值、位移速度、位移收敛状况、断面变形状态等判断隧道周边围岩的稳定性、支护结构的设计施工的妥当与否以及衬砌的施设时间A地表下沉测定·在洞口段和埋深小的区间，测定隧道纵向的地表下沉，评价隧道开挖对地表面的影响和隧道的稳定性A3）洞内地中位移测定·了解隧道周边的松弛区域和位移值，判断锚杆长度、设计施工妥当与否B锚杆轴力测定·根据锚杆的应变，计算锚杆轴力，确认其效果，判断锚杆长度、直径是否合适喷混凝土应力测定·根据作用在喷混凝土背后的土压、喷混凝土应力，确认其支护效果，判断是否增喷混凝土等B5）地表、地中的位移测定·判断隧道开挖对地表的影响和防止下沉对策的效果。推定隧道周边的松弛区域B钢支撑应力测定根据钢支撑应力，判断钢支撑的大小、间距是否合适。并推定作用在钢支撑上的土压大小、方向、侧压系数衬砌应力测定·确认衬砌的稳定性、双设隧道有无相互干扰底鼓测定·判断仰拱的必要性和效果AE测定·评价岩爆现象发生的危险度锚杆拉拔试验·确认锚杆的锚固效果，根据拉拔承载力选定合适的锚杆锚固方式及锚杆类型注6）前方探查洞内弹性波探查·掌握掌子面前方的断层、破碎带等的位置和宽度钻孔检层法·计算钻孔速度和钻孔能量，掌握围岩状况比较好地掌握断层、破碎带等的位置和宽度钻孔岩粉·简易地掌握掌子面前方的地质状况和地下水状况 （1）收集数据新的矿山法数据库（以下称为DB），收纳了双车道公路隧道施工的量测数据，其中包括1997~2010共14年的数据，180座隧道，210个区间，断面数达10347个。上半断面水平净空位移（最终位移值）的频率分布 初期位移速度和最终位移值的关系 掌子面评价点与净空位移值 隧道情报化施工的目的是积累通过施工中的观察和量测获得的情报，并确实地把分析的结果反馈到施工中，以便从安全性和经济性两方面具体实现隧道施工的合理性。在重视地表面下沉的隧道施工条件中，确保施工安全从确实地保护第三者财产和生命的观点出发，是特别重要的。但为了避免过度的增加工费的对策和合理的管理体制看，考虑经济性的合理施工对策也是必要的。情报化施工是在具有许多不确定性因素的隧道施工条件下，追求安全性和经济性，力图使施工最佳化上起着不可忽视的作用。从这一点看，施工中的设计变更是必然的。是情报化施工的一个基本特征。 认识六解决隧道耐久性问题的根本，是提高混凝土或钢筋混凝土二次衬砌的耐久性 这个问题，我们谈论的很多。但究竟如何认识和解决这个问题？，各自表述。在隧道结构物的性能设计中，结构的耐久性是一个重要的内容。耐久性的定义：随着时间，起因于材料特性的变化使结构物和构件性能变化的抵抗性能。因此，耐久性主要是以起因于材料特性变化而产生的影响为对象的。根据国内外近期的调查显示：·存在混凝土二次衬砌，没有经过补修而使用超过百年的事例；·经过适当补修，补强的二次衬砌可以延长其使用年限；·运营中的隧道有随时间逐渐劣化的趋势。 其劣化的原因多数是由于施工中质量没有达到设计要求所致。把这个原因除外，造成隧道结构劣化的原因主要来自两个方面：一个是二次衬砌背后的围岩的劣化，一个是二次衬砌本身的劣化所造成的。因此，研究隧道的耐久性必须从这两个方面着手。一般说，围岩的劣化，当隧道建成后，围岩受施工影响的部分，在超前支护和初期支护的作用下，基本上是稳定的。如果说，随着时间，施工中施做的支护失效，最多是围岩恢复到没有支护前的状态。此外，既使围岩劣化，其过程也是极为缓慢的，不会是突发性的（地震、暴雨、海啸等突发原因除外）。因此，在耐久性设计中，可用不考虑围岩劣化的问题。 另一个原因是二次衬砌的劣化问题。归根结底，隧道的耐久性还是由二次衬砌来体现。混凝土的耐久性基本上是由其强度决定的。日本在2009年版的JASS5中，计划使用期间的级别改订为超长期、长期、标准及短期4类。耐久设计基准强度为超长期36N/mm2，长期30N/mm2，标准24N/mm2及短期18N/mm2。保护层的厚度，超长期的增加10mm。山岭隧道的二次衬砌主要是素混凝土的，部分是钢筋混凝土的。素混凝土的二次衬砌的劣化是混凝土的劣化。造成素混凝土劣化的原因有：冻融循环；化学侵蚀及碱性－骨料反应。钢筋混凝土二次衬砌的劣化主要是钢筋的腐蚀，而造成钢筋腐蚀的原因有：开裂、炭化及氯离子侵蚀。 从目前国内外的隧道现状看，隧道二次衬砌从耐久性角度出发，应满足以下条件。·尽可能地不采用钢筋混凝土衬砌，必要时可采用纤维混凝土代替；·如必须采用钢筋混凝土，其保护层厚度应满足百年使用期的要求，即不小于50mm（炭化可能的深度）；·混凝土的设计基准强度（混凝土强度等级）不低于C35；·无特别理由，二次衬砌都应设置仰拱，仰拱的厚度（包括喷混凝土之内）应大于拱墙的厚度；或者拱墙采用混凝土，仰拱采用纤维混凝土；加强底部是提高二次衬砌耐久性的重要对策之一，不容忽视；·必须使仰拱和拱墙成为一体的封闭型结构；·改善混凝土配比、浇筑、捣固、养护等一系列作业，尽可能地提高混凝土的质量；·减少混凝土衬砌的初始缺陷，特别是初始潜在的开裂。 为了提高混凝土衬砌的耐久性，日本提出初期开裂为0的技术。此法由以下8项技术构成①品质隧道衬砌拱顶捣固系统（捣固）②浮动管式（带传感器）雷达系统（捣固）③拱顶部水平压入浇筑工法（浇筑）④混凝土充填管理系统（充填压力）⑤喷雾养生工法（养生）⑥隔壁养生工法（养生）⑦省力、省人浇筑系统（浇筑）⑧捣固工法（捣固）这充分说明，减少混凝土衬砌初始缺陷是非常重要的。 根据表2的抗压强度试验结果，前者比后者约大15％。 日本目前对隧道的耐久性的认识，例如以各自治体的隧道维护管理实例（石川县例）为例，在隧道中，是不考虑使用寿命。因为衬砌混凝土剥落等是能够补修的，并不是寿命中止的状态。隧道与桥梁等不同，是基本上不考虑更换的结构物。因此，只按考虑进行适当的维修管理就能够继续永久使用，其耐用年限是永久的，是不考虑寿命的结构物。因此，日本提出预防管理的要求。因此，根据隧道健全度指数THI（TunnelHealthIndex）指标来决定对策前的剩余寿命和应采用的对策。该县的健全度指标TNI示于下表。健全度THI值对策前剩余寿命状态、定义对应不良地质其它1小于201年以内立即采取对策进行调查设计、实施对策220～403年以内及早采取对策340～6010年以内进行重点监视，必要时有计划的采取对策实施调查监视量测定期检查460～8060年以内以后采取对策定期检查580以上无变异，即使有，也没有影响 认识七从对大断面隧道的支护结构正向高强度、薄型化方向发展铁路、公路的高速化，迫使隧道向大断面方向发展，目前日本的东名·名神高速公路隧道的断面，已经达到150~200m2，我国的300km/h时速的铁路隧道的断面积也超过150m2。在这种条件下，隧道的支护结构参数也必然发生变化。解决方法有二：一个是把原来的参数，如喷混凝土加厚、锚杆加密或加长、钢架密或采用重型钢架，二次衬砌加厚并采用钢筋混凝土衬砌等；一个方法是改变材料规格，如采用高强度喷混凝土、锚杆、钢架及二次衬砌，而不改变其厚度或加密等。我们目前基本上是按第一种方法处理的。日本则主要采用第2种方法处理。 为了进行比较，现把日本东名·名神高速公路隧道及我国350km/h的支护结构参数的比较列于下表。 围岩级别支护模式标准一次掘进进尺(m)锚杆喷混凝土(高强度)厚度(cm)钢支撑衬砌变形富裕(cm)长度(m)承载力(kN)横向间距(m)[m2/根]纵向间距(m)上半断面下半断面拱/墙仰拱上半断面超前工法BB2.0上半4.0下半4.0上半170下半1702.0[3.8]2.010(只在上半断面采用纤维喷混凝土)----40-0Ⅱ局部，2.5m5-3535*455C1C11.5上半6.0下半4.0上半290下半1702.0[2.9]1.515HH-154-40550Ⅲ3.01.51.212405010C2C21.2上半6.0下半4.0上半290下半1701.6[1.8]1.215HH-154HH-15440550Ⅳ3.51.21.225隧底10拱墙Φ22格栅1.045*55*15D1D11.0上半6.0下半6.0上半290下半1701.5[1.4]1.020HH-154HH-15450700Ⅴ4.01.21.028全环Φ25格栅0.8或I-20050*60*20D2个别设计D3洞口段设计 从比较中可以看出：1锚杆采用的充填材料是早强砂浆;锚杆的设计承载力,上半断面采用290kN,但根据量测结果认为承载力没有问题的场合,可改为170kN;锚杆在位移大的场合,要采用罗纹棒钢,承载力不足的场合,可增加锚杆的根数;锚杆长度基本上是4~6m；3钢支撑采用高规格的钢支撑;其钢架的高度，基本上不超过160mm,间距1.0m;4喷混凝土采用高强喷混凝土(纤维喷混凝土),设计基准强度36MPa，喷混凝土厚度最大不超过20cm；5二次衬砌，基本上采用素混凝土，必要时可采用单筋混凝土或纤维混凝土，设计基准强度为36MPa；6不留变形富余量；注：日本的隧道开挖断面积150~200m2左右，我国的约在150~170m2左右 认识八地下水问题仍然是当前隧道的主要问题运营隧道发生的许多病害，施工隧道发生的许多灾害几乎都直接或间接地与地下水有关。在这方面我们积累了很多经验和教训。从设计角度出发，地下水处理要符合以下3个原则。原则一：运营中的隧道洞内不能成为地下水流经的通道。我们目前在洞内拱脚两侧设置排水沟的做法是值得商榷的。原则二：必须用防水层把地下水隔断在隧道的外面。要此根本上解决防水层的铺设问题原则三：隧道衬砌背后必须形成一个纵横交错的、不易堵塞的、通畅的排水系统。 实现第1个原则的基本措施是把排水管（沟）移设到仰拱的填充层或仰拱的下面，也有把排水管（沟）设置在衬砌拱脚的外侧。这也是国外隧道中比较普遍的做法。 实现第2个原则的基本措施是在衬砌背后设置隔离地下水进入隧道的防水层。目前我们主要是采用防水板作为防水层的主要方法。这是隔离地下水最基本的方法。我们一定完善铺设防水板的技术，使之真正达到隔离地下水的目的。目前一些国家如日本、欧洲等都在开发喷涂防水层的技术。我们也在研究。今后很可能是防水板和喷涂防水层并用的时代，特别是在洞内一些防水板不易铺设的位置，采用喷涂方法是有利的。 日本，为了改进防水板的铺设工艺，近期在修建东京都最后一条通向筑波的一些铁路隧道中采用了一种改进的防水板铺设方法。此法是把防水板直接铺设在防水板台车上，焊接成要求宽度的防水板。并用活动模板台车把防水板设置在规定的位置，固定好，而后向防水板和喷混凝土间的空隙灌注回填的充填材。其施工顺序示于图。 工程试验的结果证实，此法的特长如下。1）提高防水性·可把一定长度的防水板，在厂内加工成要求的长度搬入，减少了现场的焊接作业；·减少了锚杆头部的突出对防水板的破损；·减少了钢筋组装作业的破损，补修容易；·因为防水板与喷混凝土是密着的，能够形成确实的防水屏障。2）提高衬砌混凝土的品质·拱厚一定而且均匀；·提高衬砌与喷混凝土的隔离作用；·不妨碍防水板侧的混凝土充填，形成与混凝土密着的构造；3）降低成本，与过去的防水板铺设方法，成本基本相同·即使降低防水板的品质，防水效果也是充分的；·不需要修补喷混凝土地凹凸部，对掌子面循环无影响；·能够适应不同情况（全断面、半断面等）的防水要求。4）降低作业环境、周边环境的负荷·防水板的铺设可以采用人力或机械的，作业强度低；·实现了防水板从焊接到铺设、回填压注一体化施工 实现第2个原则的另一个对策就是在富水、大量涌水的隧道中，必须设置一定厚度的注浆防水层。把地下水隔离距隧道一定范围以外。也就是说，适当降低隧道周边一定范围内的围岩的透水性能。必要时要把隧道周边围岩也做成隔离地下水的一个屏障――注浆。日本在青函海底隧道，实际上就是用注浆方法形成渗透系数比较小的防渗透层，而取得成功的。实际上我们在一些隧道中也是这样做的。 以隧道为对象进行注浆的目的大体上分为围岩补强和止水两种。其注浆工法和材料没有特别的不同。日本规定在大坝的注浆中，主要采用水泥浆作为注浆止水的标准工法，作业方法和管理步骤均已标准化。隧道的止水注浆可以参考，其改良目标规定见下图。 从以上条件看，隧道的止水注浆比大坝的条件要严格些。为此，在注浆材料和注浆工法等方面要加以改善，但施工条件是千差万别的，要根据具体情况具体对应。·涌水量不管岩类和强度，均与围岩自身的透水系数有关。如改善透水系数小于10-6cm/s时，就能够开挖；如果与围岩的渗透系数联系起来看，10-5~10-6渗透系数（吕容值小于1），相当于下表中的微渗透的状态。施工是可以接受的。因此，原则上，只要渗透系数在这个范围内，就可以不采取任何措施进行施工。也就是我们所谓的“无水条件”。如果渗透系数大于此范围值，视对周边环境的影响，就需要采取排水或止水的措施。 渗透系数等级标准岩体特征渗透系数k（cm/s）渗透率q（Lu）极微渗透k<10-6q<0.1完整岩石，含等价开度小于0.025mm裂隙的岩体微渗透10-6≤k<10-50.1≤q<1含等价开度0.025~0.05mm裂隙的岩体弱渗透10-5≤k<10-41≤q<10含等价开度0.05~0.10mm裂隙的岩体中等渗透10-4≤k<10-210≤q<100含等价开度0.10~0.50mm裂隙的岩体强渗透10-2≤k<10q≥100含等价开度0.50~2.5mm裂隙的岩体极强渗透k>10含连通孔洞或等价开度大于2.5mm裂隙的岩体我国水利水电工程对岩体（围岩）渗透系数 水荷载问题地下水问题中，如何确定水荷载是另外一个关键问题。在地下水位以下的防水型隧道的二次衬砌及仰拱的设计中，应考虑水压。设计考虑的水压特性值原则上取孔隙水压。考虑确实地掌握孔隙水压有困难，可在实测中假定地下水位计算水压。一般说，在水压极限状态中，水位最好采用高水位（丰水期的水位）或者低水位（枯水期的水位）。但在以下地形、地下水条件下，使用期间水位可能出现显著变化的场合，应假定异常水位，研究其最终极限状态。·谷地形，地表水和地下水易于集中的场合；·扇形地存在丰富的地下水脉，隧道两侧水压产生显著不均衡的场合。在这样水位经常变动的场合，在使用极限状态研究中，要考虑水压变动进行设计。在设定水压时要注意以下几点。·地下水位，不仅随季节的降雨量而变，近接施工也会引起变化；·由于地下水的扬水限制，地下水位年年上升的情况也会发生；·因近接施工产生垂直荷载作用在衬砌上时，设定高水位不一定是安全的，因此，要高水位和低水位进行研究；·谷形地和扇形地等遮断地下水脉的场合，有时会产生偏水压。此时即使水位低，也会使衬砌出现很大弯矩，要按偏水压设计。 日本大万木公路隧道，长4878m，其中位于广岛侧处于小埋深、并通过断层破碎带和河流，如采用排水型隧道有可能造成河水流量降低，从而影响当地的农业用水。为此该隧道，以恢复河流流量为目的，采用了钢筋混凝土衬砌的防水型隧道构造。由于·该地区年降水量变化很大，预计地下水位的波动也大。为此作用在衬砌上的水压研究了通常发生的和异常时发生的5种组合。水位条件概况荷载条件地下水位①雨时降雨多，水位处于地表的场合短期的最大荷载隧道拱顶+②通常时根据钻孔结果的地下水面常时的最大荷载隧道拱顶+③枯水时（水位：在隧道拱顶）枯水期地下水降低到拱顶的场合偏水压荷载隧道拱顶+④枯水时（水位：在隧道拱肩）开始前地下水降低到拱肩的场合偏水压荷载隧道拱顶－⑤水位降低时（水位：在隧道脚部）开始前地下水降低到隧道脚部的场合偏水压荷载隧道拱顶－表3地下水位的组合 认识九技术和管理到位许多问题将“迎刃而解”在大规模的隧道工程建设中，我们存在一个非常实际的问题。就是技术和管理不到位。如果这个问题解决了，很多不应该出现的问题将“迎刃而解”。例如喷混凝土，我们要求一天的初期强度达到8～10MPa，我们要求锚杆都要设置垫板、钢架要求与围岩或喷混凝土密贴等，都存在技术不到位的问题。由此引发的大变形、塌方等事例是不少的。但如何解决这些问题，我提不出建议。因为牵涉到多方面的深层次的问题。 上面提到的认识，基本上都是“老生常谈”，实际上也是今后隧道工程中需要解决的关键问题。这个任务将落在大家的肩上，在大家“与山斗、与水斗、其乐无穷”的战斗中，在推进隧道工程技术发展和进步的过程中，我作为一个“摇旗呐喊的小卒”，为大家“给力”。