隧道施工“实现真正意义上的“动态管理”.ppt

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1、“实现真正意义上的“动态管理”谈三个问题1、动态管理的基本概念2、实现动态管理的基本条件3、量测技术的几个问题 一、动态管理的概念 “动态管理”的概念，很早就已经出现了，过去我们在隧道施工中，也提“动态管理，实际上，由于种种原因，如获取信息手段发展的迟缓、信息传输系统的不完善以及隧道施工环境和管理体制的限制等等原因，并没有实现，也不可能实现真正意义上的“动态管理”。但最近一段时期，由于数字化技术、信息技术、通信技术以及各种获取信息手段和方法的迅速发展，给真正实现隧道的“动态管理”创造了良好的条件和基础。谈到动态管理，就必须了解和认识“动态”的概念和意义。所谓“动态”是指围岩和支护结构的力学状态

2、,在施工过程中，不是静态的，而是动态的。动态管理就是要根据围岩和支护结构的动态变化过程，进行设计和施工过程的管理。因此，了解和认识隧道开挖后围岩围岩和支护结构力学状态的变化，是实施动态管理的基础，不了解这一点，就很难谈到设计和施工的动态管理。这是我要谈的第一个问题。n 既然，动态管理就是要根据围岩和支护结构的动态变化过程，进行设计和施工过程的管理。n 那么，围岩和支护构件的动态是什么？，其动态又是如何变化的？大家知道，隧道开挖后围岩的应力状态发生了变化，其直接的表现，就是位移状态的变化。n 那么，应力状态是如何变化的？，这是首先要解决的问题。隧道开挖后的应力状态的变化隧道开挖后的应力状态的变化

3、 从工程结构的角度看，隧道开挖后的应力状态的变化与施工过程或者说是一定的力学过程，密切相关。这个过程大体上可作如下表达。n 与之相适应的力学过程如下n简单地说，这个过程是动态的，力学状态的变化过程。隧道施工也就是一个应力释放与应力应力释放与应力控制的过程控制的过程。应力释放到什么程度？，是可以通过一定的人为的干涉手段(支护)加以控制的。因此，施工过程就是施工过程就是利用和控制围岩动利用和控制围岩动态变形（应力）的态变形（应力）的过程过程。认识这一点是非常重要的。n与应力状态相对应，隧道开挖后的位移动态可用下图表示。其中一个是二维的，一个是三维的。开挖后位移的二维显示开挖后位移的三维显示n 由图

4、可知，隧道开挖后隧道的变形可分为n 1、掌子面前方的先行位移；掌子面前方的先行位移；n 2、掌子面位移；掌子面位移；n 3、掌子面后方的位移、掌子面后方的位移三种。n 这三种位移是同时产生的，而且也是“动态”的。所谓动态管理实质上就是对这三种位移的发生和发展进行的控制管理。在复杂地形、地质条件下，支护的主要目的就是要抑制这些位移的发展，也就是抑制由这些位移引起的围岩松弛。因此，对设计、施工来说就是要搞清楚这三种位移（变形）的产生条件和发展规律，并通过什么手段来控制其发展。掌子面前方的先行位移n 掌子面前方的位移，是随开挖与掌子面位移、掌子面后方位移，同时出现的，在实际量测中，这部分的位移过去是

5、量测不到的，大多数是通过掌子面后方位移的反分析求出的。n 此部分位移的量值和范围对采用什么样的控制措施至关重要。实际上如果控制掌子面前方的先行位移，就可以大大缓解掌子面位移和掌子面后方位移的发展。因此，意大利法，在确保大断面开挖的前提下，直接用长掌子面锚杆补强掌子面前方的围岩，取得了良好的控制围岩围岩的效果。掌子面位移n 掌子面位移如图所示，是指掌子面挤出位移。实际上能够控制掌子面前方的先行位移，同时也就控制了掌子面的挤出位移。n 掌子面前方先行位移和掌子面挤出位移，直接影响到隧道围岩的稳定性。可惜的是，我们过去一直是以掌子面后方位移，来谈围岩的稳定性，这显然是不充分的。掌子面后方位移n 这是

6、我们目前位移量测的主要内容。在没有解决掌子面前方先行位移和掌子面挤出位移的量测技术的前提下，我们只能用量测掌子面后方位移的方法，来推测掌子面前方先行位移。或者是事先设定掌子面先行位移的量值，如设定为全位移的2030，求出全位移。n n 上述的分析，对地表面下沉也是同样。n 由于地表面下沉的量测，可以从地表面进行，因此就能够获得掌子面前方先行位移和掌子面后方位移的量测结果。n 在浅埋隧道中以及软弱破碎的围岩中，采用台阶法施工时，日本在新的“指南”中，增加了拱脚下沉的量测。我们在类似施工条件下，也发现拱脚下沉量测的重要性。因为拱脚下沉、拱顶下沉与地表面下沉三者是直接相关的，是判定隧道是否发生整体下

7、沉的重要数据。这也是隧道开挖后的一个重要的位移动态。n 由此可见，目前我们的位移量测主要针对掌子面后方的位移，从掌握隧道开挖后的位移动态来说，是不充分的，也是不完善的。这一点，必须引起我们的高度关注。二、动态管理必须具备的条件二、动态管理必须具备的条件n实现动态管理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“动态数据”；其次是获得这些“数据”的可靠“方法”。这2个条件缺一不可。n这里所谓的数据，主要是反映围岩和支护构件的位移和应力、应变等数据。而获得这些数据的方法，就是观察、量测、试验和前方围岩的探查方法。n在具备“数据”和“方法”的前提条件下，就是如何处理数据，“整理数据”、

8、“分析数据”、“评价数据”，进而“利用数据”的问题，这就需要解决以下2个问题，才能真正的实现“动态管理”实现真正的动态管理必须解决的2个问题：设计、施工、决策一体化设计、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。例如，意大利在修建长Vaglia 隧道中，采用了ADECO-RS（An

9、alysis of Controlled Deformation in Rocks and Soils）系统进行隧道的设计和施工。该系统是一个控制岩土变形的系统，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。最近日本建设省对动态管理系统，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，

10、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。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）、DR

11、ISS（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。从目前已经开发的系统看，一个能够收集传输信息、分析评价决策以及实施作业的系统。主要由以下子系统构成。1）信息收集和通信子系统信息收集和通信子系统；2）信息整理、分析和评价子系统信息整理、分析和评价子系统；3）决策及实施子系统决策及实施子系统；这几个子系统，有

12、机地构成了一个用电子网络联系在一起的大系统。该系统的概念图示于图2。隧道工程的信息化管理系统收集、通信子系统分析、评价子系统决策、实施子系统施工管理系统信息收集项目声音图像量测数据文字图表控制数据信息范围固定时间移动体间固定移动体间隧道外部 目的信息化设计、施工、管理的监从目前已经开发的系统看，一个能够收集传输信息、分析评价决策以及实施作业的系统。系统输出文字图表决策（设计施工的效率化合理化）质量、进度、造价等信息化管理系统的功能框图a、信息收集、通信子系统 信息形式及内容：应包括隧道设计、施工文件、竣工文件及各种图表、超前地质预报、施工监控量测、掌子面地质素描、地下水及掌子面涌水量、施工管理

13、（质量、进度、材料消耗、成本核算等）、工程实验及试验、运营过程的病害监控及整治等信息。信息采集尽可能采用信息技术，如数码相机、自动采集等，以便能够及时可靠地、原样地传递到计算机中。信息的形式是多种多样的，它包括：声音、图像、数据、文字、图表等。应以最简洁、方便计算机处理的形式表示。b、分析、评价子系统 对各种信息进行分析，根据分析结果做出评价的系统。重点在：超前地质预报信息的分析和评价；量测数据的分析和评价；设计变更的分析和评价；施工管理数据的分析和评价；隧道病害监控数据的分析和评价等。c、决策、实施子系统 在分析、评价的基础上，做出决策并予以实施的系统。此系统在某些情况下，可能要采用专家系统

14、的方法编制。系统的实施部分应包括：设计反馈系统设计反馈系统和施工反馈系统施工反馈系统2部分。前者是把决策建议，反馈到设计中的系统。而后者则是根据决策建议，反馈到施工中实施的系统。因为有的需要设计后，才能实施的，有的可以直接反馈到施工中实施的。这2种情况应分别予以考虑。d、观察、量测信息数据库 上述子系统都与一个完善的观察、量测数据库直接相关。这是对观察、量测数据进行与相关因素统计分析的基础素材。因为这些素材，基本上反映了隧道开挖后的围岩与支护结构力学动态变化的规律，也是实现动态管理的基本条件。三、关于量测技术的几个问题1）量测对象及其与围岩动态的关系；2）掌子面观察的重要性3）位移量测中的注意

15、事项4）注意已施工区间的量测和数据管理；5）加强辅助工法中的量测技术的研究和开发；6)加强量测数据的统计分析7）建立重要工程的长期观察和量测的必要性。一、量测对象及其与围岩动态的关系 在隧道施工过程中以及隧道使用过程中，量测是必不可少的一项作业。这里所说的量测包括量测，也包括观察和试验。应该说，观察、量测、试验是一体的。由观察、量测和试验获得的定性的、定量的数据，可以互相补充、互相验证，因此，三者是缺一不可。其次观察、量测和试验的对象，也是一致的。观察、量测和试验，可以分为以下几类：1、有关围岩和支护稳定性的观察、量测 2、有关围岩物性的调查、试验 3、有关围岩和支护动态的量测 4、其它 表1

16、是日本2006年版山岭隧道技术规范要求的以围岩和支护为对象的主要观察、量测项目。分类观察、量测项目位置对象的事项结果的利用量测类型有关围岩和支护稳定性的观察、量测观察调查洞内开挖面的围岩及已施工区间的支护、衬砌、涌水状况开挖面稳定性的判断围岩级别的再评价位移状况和位移动态相关性的研究今后围岩、地下水状况的推定使用时的维修管理A洞外地表面状态开挖影响范围的研究周边围岩稳定性的研究A、B有关围岩物性的 调 查、试验围岩试件试验及原位置调查、试验洞内围岩试件试验：作为构成围岩材料的物理力学性质围岩级别的再评价变形特性、强度特性的研究掌子面前方的地质预测变形特性、强度特性的研究B洞内原位置调查、试验：

17、作为围岩的物性、工程性质围岩条件的详细确认围岩级别的再评价掌子面前方的地质预测变形特性、强度特性的研究B有关围岩和支护动态的观察和量测净空位移测定洞内 璧面间距离变化各测定的位移周边围岩稳定性的研究支护构件效果的研究衬砌浇筑时期的研究A拱顶下沉测定洞内 拱顶、侧壁的下沉拱顶周边围岩稳定性的研究A脚部下沉脚部下沉测测定定洞内洞内 支支护护脚部的下沉脚部的下沉脚部承脚部承载载力的研究力的研究A底鼓测定洞内 底鼓状况仰拱部围岩稳定性的研究B地中位移测定洞内 周边围岩的径向位移松弛区域的掌握锚杆长度的研究B洞外 周边围岩的地中下沉周边围岩的地中水平位移开挖前围岩动态的研究围岩的三维动态的掌握掌子面前方

18、及周边围岩稳定性的研究B地表面下沉测定 洞内 下沉滑坡开挖影响范围的研究掌子面前方围岩稳定性的研究滑坡状况的监视A、B有关支护功能的量测锚杆轴力测定洞内锚杆发生的轴力锚杆长度、根数、位置、锚固方法等的研究B喷混凝土应力测定洞内喷混凝土的应力作用荷载喷混凝土厚度、强度的研究喷混凝土与钢支撑荷载分担的研究B钢支撑应力测定洞内钢支撑的应力、内力钢支撑的规格、间距的研究喷混凝土与钢支撑荷载分担的研究B衬砌应力测定洞内衬砌混凝土的应力钢筋应力衬砌稳定性的研究衬砌浇筑时期、设计的研究衬砌动态的监视与管理B衬砌位移测定洞内璧面间距离变化个测定的位移衬砌稳定性的研究B其它周边结构物位移测定洞外结构物下沉结构物

19、倾斜爆破时的振动对结构物的影响B地下水位测定洞内洞外地下水位孔隙水压地下水对策的研究复水状况的评价作用在衬砌上外水压的评价Bn日本道路协会2009年改订的“公路隧道观察、量测指南”，规定的主要观察、量测项目及其内容如下。其特点之一，是把掌子面前方围岩的探查，列于观察、量测的内容。实际上就是我们所谓的地质超前预测和预报。因此日本从2009年开始，隧道观察、量测的内容就包括观察、量测、试验及围岩前方探查四部分内容。这一点，对我们应该有所启发。n在隧道施工过程中，必须用这四方面的数据或情报，来管理施工过程，这就是所谓的动态管理。因此，从这个意义上，我们的动态管理是不全面的量测项目量测目的量测类型洞内

20、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值围岩试件试验

21、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

22、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

23、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二次衬砌的稳定性、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）4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探孔简易地掌握掌子面前方的地质状况和地下水状况n从上表可以看出：进行动态管理离不开有关围岩、支护构件等的“数据”或“情报”。这些数据和情报主要是由观察、量测与

24、试验三方面获得的。也就是说，观察、量测与试验是一体的。其中，特别是有关围岩物性的试验，我们极为忽视。我们重视量测，但忽视观察与试验，是一个亟待解决的问题。观察、量测项目的选定，应综合考虑以下条件选定：1、围岩条件及划分，如硬岩、软岩、土砂围岩、膨胀性围岩等；2、围岩的状况：如硬岩要考虑裂隙多少，也没有夹粘土，是否破碎等；3、围岩强度应力比：4、掌子面的稳定性；5、可能产生的土压性质等。下表列出各种围岩条件的观察、量测项目选定的基本要求。观察、量测项目的选定围岩条件及划分着重点观察、量测项目观察调查净空位移测定拱顶下沉测定脚脚部部下下沉沉测测定定底鼓测定围岩试件试验原位置调查试验地表面位移测定地

25、中位移测定锚杆轴力测定喷混凝土应力测定钢支撑应力测定衬砌应力测定硬岩裂隙少岩块掉落 裂隙多，但没有夹粘土岩块掉落松弛土压 裂隙多、破碎岩块掉落松弛土压、真土压掌子面稳定性 软岩围岩强度应力比大岩块掉落 围岩强度应力比小松弛土压真土压 围岩强度应力比显著小松弛土压真土压掌子面稳定性 土砂围岩松弛土压掌子面稳定性 膨胀性围岩松弛土压真土压 有关围岩强度应力比的概念n 围岩强度应力比评价地质（围岩）条件的重要指标n 隧道设计中如何评价隧道所处围岩条件，它对结构设计究竟具有什么影响是一个现实而不可回避的问题。为了解决这个问题目前采用的方法是用上述两个因素的比值，即：“围岩强度应力比围岩强度应力比”这个

26、概念来评价的。n 围岩强度应力比Gn的定义是：围岩内部的最大地应力值（max）与围岩强度（RB）的比值。即：n GnRb/max (1)n 式中max：围岩内最大的初始地应力值n Rb：围岩的抗压强度值n 也可以用其倒数表述。n 构造应力会改变自重应力的初始状态，围岩中的最大初始地应力max可能不是垂直方向的，而是水平方向的。应根据实际量测的数据而定。在没有量测数据的条件下，可采用垂直应力为最大地应力值或采用经验公式的计算值。n 围岩强度通常采用围岩的抗压强度的实测值，对岩质围岩来说，例如、级可采用岩石的抗压强度，而其它级别的岩质围岩，则应考虑对岩石强度进行折减确定，对土质围岩则应根据实测的c

27、、值通过计算决定。n在日本道路公团的隧道围岩分级中，也把围岩强度应力比作为中硬岩、软岩及土砂围岩分级的一个重要参考指标加以考虑。围岩种类中硬岩软岩土砂围岩级别D岩类E岩类F岩类粘性土砂质土INGN24GN2GN2IS2GN1.52GN1.52GN1.5IL特S1.5GN1.5GN1.5GN二、观察的重要性及其应用n掌子面观察是新掌子面出现进行的最初的观察，要编绘素描图和进行摄影。在靠近掌子面描绘时，要十分注意拱顶的掉块和掌子面的落石。掌子面观察，主要是为获得在决定支护规模时，只用量测不能掌握的围岩情报为目的而实施的。主要以目视调查来确认掌子面的地质状态和地质的变化状况。特别是，在围岩强度大的硬

28、岩的场合，隧道开挖产生的位移很小，隧道动态是受裂隙等不连续面支配的。在这种场合，为经验地选定隧道的支护规模，进行能够直接目视掌子面处的不连续面状态的掌子面观察是非常重要的，因此，在一个新掌子面出现时，就要观察裂隙的走向、倾斜和风化、变质等掌子面的地质状况，确认有无问题，如有问题就要采取相应的措施。特别是，对有突发的崩塌和涌水的危险性，根据地质状态的变化力求早期发现。n观察者要以适当的比例尺描绘素描图，并记载必要的事项。认为地质状况有变差的场合，要立即研究对策并实施之。n掌子面观察，每次开挖后都要进行，其记录可连续的标记在洞内的地质平面图或者纵断面图上，原则上1次/1天记录。基于洞内观察的掌子面

29、状况，利用平面、纵断面，如立体地表现，则如图3.2.2所示。与掌子面素描同样也可用掌子面状况摄影做同样的处理，获取更正确的情报。特别是发生变更支护模式、涌水状况的变化及掌子面状况的变化的场合，最好添加掌子面状况的摄影。n掌子面观察的评价，目前主要是定性的评价和半定量的评价，还做不到完全的定量评价。下表是日本采用的掌子面评价表。该表中，通过9个项目（1、掌子面状态；2、自稳性；3、抗压强度；4、风化变质；5、裂隙间隔；6、裂隙状态；7、裂隙形态；8、涌水及9、水的影响），每个项目分为5级，由观察人员判定各项目的级别，而后通过综合分析进行评价。之后通过最掌子面评价事例的整理分析，又提出了新的掌子面

30、观察表。1.随机、方形2.柱状3.层状、片状、板状埋深综合判断判定围岩级别岩类 岩石名称地质时代 特殊条件状态膨胀性土压、偏压、流动性、小埋深、接近重要结构物、谷的正下方、其他开挖地点的围岩状态和动态A掌子面状态1.稳定2.掌子面岩块掉落3.掌子面挤出4、掌子面不能自稳，崩塌或流出5.其他B素掌子面状态1.自稳2.随时间而松弛、掉块3.自稳困难，开挖后需及早支护4需要开挖前进行支护5.其他C抗压强度1.c大于100MPa锤击反弹2.10020 3.2054.小于5MPa5.其他D风化变质1.无、健全2.沿裂隙变色、强度稍有降低3.全体变色、强度相当降低4.土砂状、粘土状，破碎5.其他E裂隙频度

31、1.间距大于1m2.间距1m20cm3.间距20cm5cm4.间距小于5cm、破碎5.其他F裂隙状态1.密着2.部分开口3.开口4.夹有粘土5.其他G裂隙形态4.土砂状、细片状5.其他H涌水1.无、渗水程度2.滴水程度3、集中涌水4.全面涌水5.其他I由于水的劣化1.无2.不产生松弛3.软化4.崩塌、流出5.其他n通过上面的说明，我们可以看到，隧道施工过程中的观察是非常重要的。对围岩稳定性的判断来说，观察是最直接的信息。各个国家都很重视，例如RMR法是1973年Bieniawski以南非等硬岩为对象提出的方法。其后并基于300多事例的分析和修正而不断完善。在欧洲一些国家得到广泛的应用。因此，在

32、施工中，我们必须把观察置于重要的地位，予以重视。特别是在观察评价的量化技术上下功夫。分类的指标和评价点指标评价级别1岩石试件强度点荷载强度指数10MPa4102412最好进行单轴抗压强度试验单轴抗压强度250MPa100250501002550525151评价点1512742102岩心性状（RQD）9010075905075255025评价点201713833 不连续面间距2m0.620.20.60.20.060.06评价点201510854不连续面状态非常粗糙、不连续、密闭、新鲜比较粗糙、开口宽度1mm、少许风化比较粗糙、开口宽度1mm、强风化有滑面或断层粘土5mm、或开口宽度15mm软弱、

33、断层粘土5mm或开口宽度5mm评价点3025201005地下水隧道每10m的涌水量无10l/min10252512512500.00.10.10.20.20.50.5一般状况完全干燥湿润水迹涌水流水评价点1510740 按评价点的围岩分级评价点1008180616041402120围岩分级分级评价特别良好良好普通不良特别不良围岩级别的评价围岩级别平均自稳时间15m宽10年8m宽6个月5m宽1周2.5m宽10小时1m宽30分钟围岩凝聚力400kPa300400200300100200100围岩内摩擦角4535452535152515三、位移量测中的注意事项n 位移数据是我们分析开挖后围岩动态的重

34、要数据和情报，也是量测的主要对象。它的“质”和“量”，决定了我们对出现问题判断的可靠性和正确性。因此，在位移量测中，必须规范我们的量测“行为”。n1）位移量测方法位移量测方法n 到目前为止以钢尺和塔尺等方法进行的拱顶、拱脚下沉及净空位移测定的方法，随测量仪器的进步，已经逐步向采用已经实用化的三维测定系统进行量测了。因此，因此日本2009年的指南，对位移量测都是采用三维测定系统的位移测定方法。n 所谓三维测定系统，就是根据视准间距离和角度，求出视准位置的坐标的测定系统。它可以求出每个测点的垂直成分和水平成分的变化量。拱顶测点的垂直方向的变化量就是拱顶下沉，侧壁测点的垂直方向的变化量就是脚部下沉，

35、水平方向的变化量就是净空位移。n 实际上，我们在许多隧道中，也已经开始采用三维测定系统进行量测，但不普及、不完善。因此普及、完善位移的三维测定系统技术，使之成为位移量测的基本方法是我们要努力的方向。n2）初始值的测定初始值的测定n 在通常的位移量测中，一般说，量测值都不包括先行位移，因此，尽可能早地量测初始值是非常必要的。n 初始值的测定，不管位移大小，正确地了解开挖后初期的位移值是很重要的。初始值原则上应在出碴后3小时以内测定，由于施工上的理由不得已的场合，也要在6小时以内，而且在下一开挖循环以前进行测定。n 在隧道施工中，位移一般是随掌子面的推进，位移增大而后收敛。为此，在量测中，初期值量

36、测越晚，就会得到比实际位移值小量测位移值，可能对围岩动态作出过小的评价。因此，初期值量测，要尽可能早地进行。n3)初始位移速度的测定 作为施工阶段的一般位移，是指量测开始1天后表示位移速度的初始位移速度，量测断面和掌子面距离相当开挖宽度时的1D的位移值。这些位移值因受到开挖过后的位移值的获取方法和地质、开挖断面以及施工方法等的影响，变化比较明显，对围岩稳定性和最终位移值，具有很大的影响，因此要确实地掌握开挖过后的初始位移速度。n4）位移量测精度位移量测精度n 日本对位移量测的精度，要求不高，“指南”中规定，测定精度应采用能够确保2mm以下的测定仪器。测定仪器，应在到达现场时和以后每年进行一次定

37、期检定。n 5）位移管理基准值 铁路隧道净空位移基准位移量测评价的参考例（隧道开挖宽度约10m）基准内容位移量测的实绩量测断面的最终水平净空位移的中央值（从小的方向50的累积值）约10mm。硬岩的中央值约5mm，软岩约30mm大的位移速度（例如20mm/日），可能是急剧崩塌的预兆支护变异实态最终水平净空位移值在020mm，喷混凝土的变异发生率微小，在20120mm时，喷混凝土变异发生率为1020，120mm以上，发生率达30以上计算一般计算用的喷混凝土的抗压强度在应变为1左右时，应力约18MPa，即：接近设计强度围岩应变根据位移量测结果的反分析，求出围岩的物性常数，进行正分析求出围岩的应变，与

38、破坏应变比较。适用于具有弹性动态的硬岩净空位移值围岩级别单线双线、新干线特S100mm以上150mm以上S75100mm100150mmN-12575mm50100mmN-2N25mm以下50mm以下n 位移管理基准值并不是一成不变的，是要根据具体的工程对象，具体的围岩条件及环境条件确定的。因此，基准值不能强求一律，每一个隧道都应根据自身的特点，制定管理基准值。国外在规范中，虽然给出了管理基准值，但其范围较大，是一个限制值，也就是说，在设计施工中，一定要千方百计地把位移值控制在管理基准值之内，确保结构物的安全。因此，在实际的施工中，日本多数隧道是基于量测开始初期阶段出现的最大位移速度（mm/日

39、）和该点的最终位移值（mm）的相关关系，考虑开挖断面和工法，来求出最终位移值的。例如 下图就是其中的一个方法。6）位移收敛的判定 在位移值小时（净空位移，在新干线为50mm以下、单线为25mm以下），一般说，位移收敛（位移增加为0mm）也早，位移收敛后，约在1周左右，可以1次/2日的频率，确认位移有无增加。反之，位移值大（净空位移在双线、新干线为50mm以上、单线为25mm以时，位移收敛后，2周左右应以1次/2日的频率确认。一般说，位移收敛所需的时间，当位移值在100mm以上时，约2个月左右，位移值在50mm以下时约1个月左右。四、注意已施工区间的量测和数据管理 在量测中，我们非常重视施工地段

40、的量测及其数据管理，但却忽视了已施工区间的观察和量测。应该说，已施工区间的观察和量测与施工地段的观察和量测是同等重要的。已施工地段的观察、量测是以确认和评价采用的支护模式是否合适为目的而进行的。认为有异常的场合，应与量测结果一起追求其原因，并采取相应的措施。因此，一定不要忽视已施工区间的量测。已施工区间的观察主要检查以下项目。喷混凝土 有无开裂（发生位置、种类、宽度、长度及其发展状况；有无涌水（位置、状态、量）；锚杆 锚杆、垫板等有无变异（变形、挤入围岩、头部断裂）；钢支撑 有无变形、屈服（位置、状况）；有无挤入围岩、有无脚部下沉 衬砌 有无开裂（发生位置、种类、宽度、长度及其发展状况）；有无

41、漏水（地点、状态、量）。认为有异常的场合，应记录变异位置、种类、规模等，必要时应编制位置图和素描图。在隧道洞口附近，埋深小的区间施工时，隧道开挖会影响到地表面，会产生地表面下沉，对地面结构物可能产生不良影响，因此，进行洞内观察的同时也要观察隧道上部的地表面状况。特别是，对既有结构物有影响的接近区间，要进行隧道开挖引起的近接结构物的变异和水系、植被的变化等观察，并与洞内观察和关注量测结果一起进行评价。变异支护变异2变形3屈服喷混凝土开裂2开裂，对开 挖 无 影响3显著开裂4剪切开裂，挤出5混凝土片剥离6脱落锚杆异状2头部变异3头部脱落4破断仰拱变异2破损二次衬砌变异2开裂3显著开裂4剪切开裂5破

42、损特殊施工有无增喷2有（）cm有无增打锚杆2有（）cm仰拱早期闭合2有拆反1变形富余值2有3小导坑变 形 富 余（）cm背板2超前背板3斜锚杆4管棚有无正面支护1无喷 混 凝土3有4正面锚杆喷 混 凝 土 正 面 锚杆横撑2变形3屈服是否环形开挖1无是断面形状1马蹄形2蛋形卵形4圆形辅助工法有无注浆2单管注浆3压注泥浆排水措施2排水钻孔3井点降水4排水措施5迂回导坑围岩动态SL变异2流动化3底鼓泥土化2少许3有记事 发生该种情况或当初设计的画五、加强量测技术的研究和开发n 前面介绍的位移量测，都是针对掌子面后方位移的。但在不良地质、地形条件下，仅仅量测掌子面后方位移是不能确保围岩稳定性的。因为

43、在这种场合，施工中必须采用辅助工法，来控制掌子面前方的先行位移和掌子面的挤出位移。如何能够通过量测来掌握掌子面前方围岩的动态和掌子面的动态，就是一个亟待解决的问题。目前，这方面的技术还不成熟，只能通过一些事例加以说明。掌子面前方先行位移的量测，多数是通过在掌子面前方设置倾斜计进行量测的。实际上，就是把长钢管超前支护的一部分钢管，用水平倾斜计代替。n长超前支护，主要是控制地表面下沉，在超前部分插入倾斜计，可以量测下沉的分布。在其中设置应变计也可以测定轴应力、弯曲应力等。n量测各掌子面位置的拱顶纵向下沉分布，可以掌握掌子面的影响范围、或者先行位移率（掌子面通过前拱顶下沉/位移收敛后的下沉），并反映

44、到下一步施工的预测解析中。n量测超前部分的应变，就可以推测超前支护是否合适或者先行松弛荷载的分布、大小等。n掌子面锚杆主要是控制正面的挤出而打设的，锚杆出现轴拉力的作用比较多（图5），因此，设置应变计测定轴力。根据掌子面锚杆的应变分布，可以推定掌子面锚杆是否合适，或者掌子面前方的影响范围、土压的大小等。六、加强量测数据的统计分析 我国目前已修建了几千公里的铁路、公路、水工隧道，积累了大量的量测数据，这是一笔非常宝贵的财富，应该得到充分的利用。可惜的是，这笔无形资产被浪费了。日本与我们一样，也修筑了大量的隧道工程，数量比我们少，但对量测数据的整理、统计、分析比我们深入，通过理论上的研究和统计上的

45、分析，获得了许多有益的经验和规律，对实现动态管理建立了良好的基础条件。下面列举日本在这方面进行的工作成果，可以看出：我们与之差距是相当大的。我们应该充分利用我们的观察、量测数据，进行统计分析，以便指导我们的隧道的设计、施工及维修管理。（1）基于位移量测实绩的管理基准 基于位移量测实绩的管理基准就是用实际的量测值与过去的施工实绩的量测值比较对量测值进行评价。特殊场合除外，一般说，位移的发生量，在硬岩、中硬岩等坚硬围岩中是比较小的，软岩中会发生比较大的位移。图4.3.64.3.9表示围岩级别的净空位移和拱顶下沉及初期位移速度的发生状况的分布图。初期上半断面净空位移速度初期拱顶下沉速度上半断面最终净

46、空位移值最终拱顶下沉值（2）基于解析支护构件变异的管理基准 设定基于支护构件变异的管理基准，要掌握变异发生时的位移值和变形状态的关系。因此，首先要研究支护构件变异与上半断面最终位移值的关系。支护构件变异发生的频率 喷混凝土：48854断面（5.6）锚杆：20881（2.2）钢支撑：9874（1.0）锚杆、钢支撑的数据比较少，其统计关系推定很困难。以下只研究喷混凝土。根据图4.3.11，位移值在80mm前，变异发生频率成单调增加，但在80120mm间，发生频率少许降低。都是在D2模式的变异3（发生剪切开裂、挤出），位移值在80mm以下除D2外，如图4.3.12所示，几乎发生所有的变异。因此，除D

47、2模式外，一般说，位移值80mm是变异发生的上限值。最终水平位移值和变异发生频率的关系n横轴的净空位移值是表示变异发生时的位移值。因为数据少只能大概给出变异划分的标准，如变异划分4在30mm左右，变异划分3（剪切开裂、挤出）在60mm左右。变异与其最终净空位移值的关系（3）基于围岩应变的管理基准单轴抗压强度和极限应变的关系岩类总数据平 均 净 空位移值平 均 净 空位移值+深成岩花岗岩482815班砾岩2346花岗闪绿岩471016脉岩花岗班岩981017石英斑岩61123变质岩角页岩2236黑色片岩1702455绿色片岩193691千枚岩1280138火成岩流纹岩8659安山岩441758石

48、英安山岩422235中古生层 角砾岩2356砂岩1081631燧石401938粘板岩5993070第三纪层 砂岩47915凝灰角砾岩82915砾岩481424凝灰岩1502690泥岩、页岩40588808各种岩类的净空位移量测结果 根据日本的施工事例，净空位移的实测值与围岩强度应力比、内摩擦角的关系示于图7。拱顶下沉的实测值与围岩强度应力比及内摩擦角的关系示于图8。洞内位移的实测值和围岩条件 在图7、8中以施工上的限界值（净空位移值50mm，拱顶下沉值40mm）为基准，比它们大的场合，按位移程度划分几个区来表示。从这些图可以看出，能够划分5个区域。各个区域的主要位移值和围岩条件及支护变异状态说

49、明如下。区域1：是日本最困难的膨胀性围岩的锅立山隧道（泥岩），采用超前导坑等特殊工法，支护变异处于极严重的状态；区域2：是典型的膨胀性围岩的隧道（折瓜隧道，凝灰岩）采用特殊工法和多重支护，洞内位移显著增大；区域3：相当一般的膨胀性围岩的隧道，采用比标准支护刚性大的支护，洞内位移比较大；区域4：相当所谓的膨胀性围岩的隧道，有时因支护刚性不足，洞内位移增大的情况，内摩擦角在30以上的固结度低的砂质、砂砾质围岩中，洞内位移比较小，但拱顶下沉比较大；区域5：没有形成塑性区，适用于标准支护模式，洞内位移小。n这里必须要强调的是：对观察、量测、试验数据必须进行记录、整理、分析、评价及利用。这五者是统一的，

50、不可分离的。n以拱顶下沉、拱脚下沉和净空位移量测为例说明如下。n加强观察、量测数据的统计分析的关键是做好数据的记录。下面是日本采用台阶法施工时的记录格式之一，可供参考。n量测数据也要进行同样的整理和分析。下图是沿隧道长度整理的量测数据一例。n而后根据记录，判定上下半断面掌子面的稳定的评价级别。掌子面稳定的判定卡上半断面12345下半断面12345拱顶下沉、拱脚下沉及净空位移的量测结果的应用例。当拱脚下沉大于或等于拱顶下沉的场合，说明隧道上方围岩处于整体下沉的状态，是非常危险的。必须采取控制拱脚下沉的措施七、衬砌状态的长期监视系统 如果能够经常了解进行量测的结构物的状态，就能够如果能够经常了解进