隧道信息化施工与动态设计
1 工作流程
施工地质工作是信息化施工与动态设计的基础，应全面纳入信息化施工与动态设计中，工作流程如下图。
图1 工作流程图
2 施工地质
1)施工地质工作必要性
隧道工程地质条件复杂，隧道穿越段断裂位置主要通过地表调绘、贯通性深部物探和有限的钻探确定位置，并向深部推断得到在路线穿越地方的位置。由于断裂构造在空间具有不稳定性，其在隧道穿越部分的准确位置是难于精确确定的，与实际情况会有一定出入；并且由于岩性和构造的差异性在断裂破碎带间存在一定数量的次级断层和节理密集带，均会对施工产生影响，造成围岩级别的改变，并伴生有洞室稳定性降低，拱顶或掌子面的坍塌，以及局部的高压水，对施工造成危害，因此需要在施工中加强施工地质工作，准确掌握隧道开挖掌子面及其前方一定距离的地质条件，针对前方可能出现的重大不良地质
问题，提前采取措施，确保施工安全。修正和完善隧道的地质勘查成果，为完善设计和指导施工服务。
2)施工地质工作内容
施工地质工作内容主要有以下几个部分：
(1)施工地质编录
编录的对象为每个开挖循环的岩面，包括掌子面、边墙、拱顶、底板。编录的内容如下：掌子面全部岩层层位、层序、岩层组合以及各层岩石的岩性、厚度、产状；断层及其破碎带类型、产状、宽度、含水情况及与隧道轴线的空间关系；岩体节理裂隙调查统计；掌子面出水情况，水量水压等。对重大不良地质及具有代表性的地质现象应进行摄影或录像。
施工地质编录应遵循统一性、正确性、及时性原则。结合施工情况及支护情况，绘制完整的隧道地质纵断面图及掌子面素描图。
(2)预测预报前方工程地质条件
通过地质分析、长短距离物探手段、超前钻孔等对掌子面前方工程地质条件进行预测预报。初步判断前方围岩级别、不良地质类型、规模、发育特征。
(3)重大不良地质监测、判断及处治建议
根据超前地质预报结果，结合前期勘察成果、现场揭示情况，对初步判断前方重大不良地质体进行综合分析判断，鉴定和区分不良地质类型、性质和规模，初步提出处治措施建议。同时，对初步预测的岩爆、涌水等重大不良地质段开展现场监测工作，为这些重大不良地质的预警和处治提供可靠依据。
(4)现场测试及室内试验
现场测试主要为地应力现场实测，采用应力解除法对典型岩爆和大变形段进行地应力现场实测。为科学合理判断岩爆和大变形等级及规模提供依据。室内试验包括典型岩土体物理力学试验、地下水水质分析等，为准确划分围岩级别及优化设计提供依据。
(5)综合分析判断
综合分析以上各项工作的成果，准确判断前方工程地质条件、准确判断前方不良地质体、准确划分围岩级别，对施工开挖方法、结构支护及处治措施提出建议。
3)施工地质工作方法
施工地质主要是在隧道施工阶段采用地质探测方法，采用各种探测手段查明和核实掌子面前方的不良地质情况，其核心是超前地质预报。
超前地质预报步骤：工程区工程地质分析与不良地质宏观预报→施工掌子面前方 100m 范围内的主要不良地质长距离超前预报→施工掌子面前方 30m 范围内的不良地质短距离超前预报→施工掌子面前方 20～40m 范围内的重点不良地质超前钻探→施工地质灾害临近警报。
(1)地质分析与不良地质宏观预报技术
隧道所在地区不良地质宏观预报，是以深入的地面地质调查以及掌子面跟踪素描为基础，结合区域地质分析，宏观预报洞体施工可能遇到的不良地质类型、规模、大约位置和方向，宏观预报发生施工地质灾害的类型和发生的可能性。只有在宏观预报的原则指导下，才能更准确、更有效地实施洞体不良体地质超前预报和施工地质灾害监测、判断及临近警报等后续预报工作。
(2)长距离超前地质预报技术
长距离超前地质预报所采用的方法和技术手段，目前，国内外大多只是采用地震波勘探等仪器探测一种手段，最近已成功开发和研制出地面地质体投射法和断层参数预测法等两种长距离超前地质预报新技术。在预报实践中，最好是两种或两种以上方法和手段的综合运用，以达到取长补短、相互验证、提高预报效果的目的。
长距离超前地质预报是在隧道所在地区不良地质分析和宏观预报的基础上进行的。它的主要任务是较准确地预报掌子面前方100m 或者更远距离范围内的主要不良地质体的性质、位置和规模，粗略地预报围岩的级别和地下水的情况。采用不同的预报方法和技术手段，预报的距离、精度和效果也不同；若至少采用前述的两种或两种以上的方法和技术手段，实施综合长距离超前地质预报，应当达到的一般技术指标如下：
预报的距离，一般可达掌子面前方 100～150m 以上；预报断层破碎带等大多数不良地质体的性质，可达基本正确；预报不良地质体的位置，精度可达80%以上；预报不良地质体的规模，精度可达 85%以上；可以预报富水带的存在，但不能预报地下水体的性质；可以预报围岩相对变好变坏，不能准确预报围岩级别。
(3)短距离超前地质预报技术
预报距离一般为掌子面前方 15～20m 以内，最大距离也不超过 30m。
短距离超前地质预报所采用的方法和技术手段，目前，国内外大多数，也只是采用地质雷达、瞬变电磁法、红外线和声波探测仪等探测手段；国内还常常应用掌子面编录预测法和隧道不良地质前兆预测法进行短距离超前地质预报。
短距离超前预报是在长距离超前预报的基础上进一步开展的预报工作，所以，短距离超前地质预报的主要任务是在掌子面前方 30m 范围内更准确地预报：可能出现的岩层，已经邻近的不良地质体的性质，地下水体的可能性质，掌子面及其附近实见的不良地质体向掌子面前方延仲的情况和围岩的级别。同样，采用不同的预报方法和技术手段，预报的距离、精度和效果也不同；若至少采用前述的两种或两种以上的方法和技术手段，实施综合短距离超前地质预报，应当达到的一般技术指标如下：
预报距离，掌子面前方20-30m；预报断层破碎带等大多数不良地质体的性质，完全正确；预报不良地质体的位置，精度达90%以上；预报不良地质体的规模，精度达 85%以上；预报富水带、地下水的性质；预报围岩相对变好变坏，较准确预报围岩级别。
(4)超前钻探
根据宏观预报和长距离、短距离超前地质预报结果，对断层破碎带、严重影响带、密集节理带等软弱、破碎围岩段，特别是富水带，和可能产生岩爆不良地质地段实施超前钻探。
超前钻孔是减少涌突水风险，为进行适当的超前灌浆工作提供足够的信息和资料的一种非常重要的手段，是确保隧道施工涌水处理成功与否的决定性方法。超前钻孔探测是在长短距离地质预报的基础上再采用超前探水进行验证，一般富水地段开挖掌子面施作 5 个超前探孔，钻孔深度平均在 30m以上。
超前钻探的应用范围比短距离超前地质预报应用的范围还要狭窄，主要应用于富水带和规模较大的断层破碎带。
(5)施工地质灾害临近警报技术
即隧道施工地质灾害监测、判断和临近警报技术。它是在隧道所在地区不
良地质宏观预报和不良地质体长距离、短距离超前预报的基础上进行的，主要包括:施工地质灾害的环境监测技术，施工地质灾害发生可能性的判断技术。
施工地质灾害的环境监测技术：主要包括不良地质体性质的鉴定和区分技术，地下水涌水量监测技术，岩爆发生预警监测技术等。
施工地质灾害能否发生的判断技术：主要包括塌方、突泥突水、岩爆等等重大施工地质灾害发生可能性的一系列判断技术。
(6)地应力现场实测
采用应力解除法对典型岩爆和大变形段进行地应力现场实测。根据测试结果，科学合理判断岩爆和大变形等级及规模。
钻孔应力解除法是发展时间最长，技术上较成熟的一种地应力实测方法。目前，应力解除法已形成一套标准化的测量程序。使用钻孔变形计测定测试小孔的孔径变形，通过三个互相不平行钻孔的孔径变形测试，求得岩体中三维应力的大小和方向。
将室内加工制作好的探头现场安装在测试小孔中，测定小孔在套钻应力解除时的孔径变形。一个钻孔中的测试，可以求得垂直于钻孔平面上的主应力大小和方向，这就是平面应力测试。要求确定三维应力时，需要在互相不平行的三个钻孔中测试，这就是所谓的三孔交会。三个钻孔在交会时又有虚交和实交之分，可根据不同位置的具体情况加以确定。
孔径变形法包括制作孔径变形探头→钻大孔至测试部位→钻小孔→安装探头→套钻应力解除→取出岩芯→岩芯弹模测定→应力解除资料的整理→应力计算等工序。
目前，国外最新的地应力测试技术也可以在一个孔内完成三维地应力的测试。
4)施工地质工作流程
建议成立施工地质工作组，项目业主为组长，施工单位、超前地质预报单位、科研单位、监理单位、设计单位等参建各方为组员，共同开展施工地质工作，工作流程如下：
(1)定期召开工作例会（一周一次），总结本周施工地质工作情况，形成
简报；
(2)对一般地质灾害，如小型坍塌、少量涌水、弱岩爆、初级大变形、煤
层等，各方应到现场查看，综合分析判断，形成专题报告；
(3)对重大地质灾害，如坍方、涌水、中等～强烈岩爆、中级～强烈大变
形、瓦斯溢出等，应立即停止施工，各方到现场查看，综合分析判断
地质灾害类型、规模及风险，必要时引入第三方咨询单位，邀请知名
专家共同分析判断，形成专项报告。
3 超前地质预报
指导思想：以工程地质综合分析为核心，坚持粗查与精查相结合、物探与钻探相结合的原则，并结合前期地勘成果及地质调查资料综合判定。
表1 超前地质预报方式
超前地质预报分为四个等级，C1适用于工程地质条件简单的一般地段；C2 适用于不良地质较发育的地层，可能存在涌水、局部挤压破碎带等不良地质；C3 适用于重大不良地质地段，主要是对地勘已经标明的不良地质体如断层破碎带、涌突水段等进行进一步确认；C4为瓦斯专项探测，适用于含瓦斯地层地段。超前地质预报工作顺序如下：
(1)隧道开挖爆破后立即进行地质调查并进行地质素描，一般地段每 10m
记录一次，地质条件发生变化时，增加素描。
(2)利用弹性波法每隔 100m 左右探测一次，粗略掌握掌子面前方的不良
地质分布情况。
(3)采用地质雷达或瞬变电磁仪在接近不良地质体 30m 左右时探测一次，
进一步核实与了解不良地质的分布情况。
(4)若物探方法初步判定前方有不良地质体，当掌子面接近不良地质体
10m 左右时，应采用钻孔进行验证。
(5)根据物探与钻探结果，并结合前期地勘成果及地质调查资料，综合判
定不良地质体的范围与程度。
(6)应对所有开挖工作面进行超前预报，超前预报完成后根据预报结果，
方可进行开挖工作。
4 监控量测
1)监控量测目的
(1)掌握围岩和支护动态，进行日常施工管理。
(2)了解支护构件的作用及效果。
(3)确保隧道施工及运营安全与经济。
(4)将监控量测结果反馈设计及施工中。
2)必测项目
(1)洞内外观察
洞内观察包括开挖面观察和初期支护完成区段观察等。
开挖面观察：每次开挖后进行一次。必须认真填写设计图中要求的《施工围岩调查表》。初期支护完成区段观察：每天至少进行一次，观察内容包括喷砼、锚杆、钢架的状态。洞外观察包括洞口地表情况、地表沉陷、边坡、仰坡的稳定、地表水渗漏的观察等。
(2)周边位移量测
量测坑道断面的收敛情况，包括量测拱顶下沉、净空水平收敛以及底板鼓起。拱顶下沉和水平收敛量测断面的间距为：Ⅲ级围岩不大于30m，Ⅳ级围岩不大于 25m，Ⅴ级围岩应小于 20m。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，Ⅴ级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，并在下一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。
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。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，尚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宜用相同的量测频率。
表2 量测频率
注：B 表示隧道开挖宽度
(3)地表下沉量测
浅埋段地表下沉量测断面布置宜与拱顶下沉量测及水平净空变化量测在同一量测断面内，地表下沉量测应在开挖面前方隧道埋置深度与隧道开挖高度之和处开始，直到衬砌结构封闭、下沉基本停止为止。
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)选测项目
(1)钢架内力及外力
(2)围岩体内位移(洞内设点)
(3)围岩体内位移(地表设点)
(4)围岩压力及两层支护间压力
(5)支护、衬砌内应力
(6)锚杆轴力
选测项目结合围岩性质、开挖方式有选择的进行；围岩压力、支护及衬砌内应力等项目的量测频率开始时与同一断面的变形量测频率相同，当量测值变化不大时可适当降低量测频率。
4)交叉口监控量测
T型交叉，一型洞室布设不少于 7个监控量测断面，拱顶交叉处一个，边墙交叉处 1个，外侧 2个，间距 5m。Ⅰ型洞室布设不少于3个监控量测断面，洞室交汇面一个，洞室内 2个，间距5m。
5)监控量测成果应用
(1)量测资料整理包括以下内容：
①原始记录表(包括断面编号、测点设置时间、施工情况)及实际测点布置图。
②绘制位移随时间变化的曲线——时态曲线。
③绘制位移随开挖面距离变化的曲线——空间曲线。
④绘制位移速度、位移加速度随时间及开挖面距离的变化图。
(2)对时态曲线应进行回归分析，选择与实测数据拟合性好的函数进行
回归，预测可能出现的最大位移。根据最大位移值、位移速率及位
移时态曲线进行施工管理。判断隧道是否稳定的标准参照《施工监
控量测设计图》要求，并应满足《公路隧道施工技术规范》的相关
要求。
6)施工安全性评价
采用位移等级管理，同时参考位移时态曲线、位移速率施工管理进行施工安全性评价，工程对策如下：
表3 工程安全评价及工程对策
注：表中U为实测位移值；Un 为最大允许位移值。
5 信息化施工
充分利用施工地质编录、围岩施工分级、超前地质预报、监控量测反馈的多源信息，指导施工，确保施工及隧道结构安全。由于目前信息化施工多源信息采集技术方法的不成熟性，超前地质预报技术还处于探索和发展阶段，因此，信息化施工可以采用科研与生产相结合的方式进行，以便科研指导生产，确保信息化施工的有效进行。
建议建立可视化视频远程监控系统，实时监控记录洞内掌子面、二衬施作等施工情况。
6 动态设计
1)动态设计目的及原则
动态设计的目的是使隧道的支护措施和衬砌结构与实际地质情况相适应，保证隧道的结构及营运安全。
动态设计的基本原则是随地质变化及时改变设计，在保证隧道安全的前提下，做到支护合理、结构安全、节省投资、质量优良和系统最优。隧道工程动态设计是指在隧道开挖后，根据开挖支护情况、地质条件、现场监控量测等施工信息，对地勘结论、设计方案、结构形式、支护参数等进行检验和修正，如确认原设计条件有较大变化，及时补充、修改、完善原设计的设计方法，是贯穿整个施工过程的设计。
2)施工信息的应用
(1)根据一个断面的施工信息综合分析结果进行参数修正，只适用于该
断面前后不大于 5m 的同级别围岩地段。
(2)隧道较长地段同级别围岩设计参数的修正，特别是降低设计参数，
必须以不少于三个断面的施工信息综合分析为依据。
(3)修正设计参数后的施工地段，其设计参数的正确性和合理性仍应根
据施工信息综合分析予以验证。
3)动态设计的内容
动态设计主要内容包括：开挖方法修改建议、施工工序的更改、预留变形量的修正、设计支护参数的修改和确认、采用辅助施工措施的建议。
(1)采用不同的施工方法隧道的应力状态也不一样，当某种方法不能满
足围岩稳定性要求时，应及时变更为有利于围岩稳定的施工方法或
辅助施工措施。
(2)当施工信息显示出不稳定征兆时，应检查是否由于工序不当造成。
改变施工工序。如：暂停开挖、及时锚喷、二次衬砌紧跟、提前施
作仰拱等都可能促使围岩支护转为趋于稳定。
(3)当设计预留变形量与现场量测结果不符时，应及时修正未开挖段相
同地质条件和相同围岩级别地段的预留变形量。
(4)当设计支护参数或结构形式与围岩地质条件不匹配时，应对设计进
行修改，并通过监控量测予以验证。