隧道工程：信息反馈-隧道工程

在隧道工程中所采用的反馈方法可归纳为两大类，即理论反馈法和经验反馈法。

1．理论反馈法

理论反馈法是基于初勘地质成果、初步设计及施工效果对初步设计和施工效果进行理论分析（量测数据的回归分析或时间序列分析、宏观围岩参数的位移反分析、理论解析或数值方法的隧道稳定性分析），判别隧道稳定性，修正设计参数和施工方法的一种反馈方法。它又分为直接反馈法和间接反馈法两种。

在隧道支护结构设计计算中，所需要的计算参数为表征岩体物理力学特性的参数（如变形模量、泊松比、黏结力及内摩擦角等）和反映岩体环境条件的初始地应力。对隧道支护结构进行设计计算时，首先要根据结构物的具体情况选取力学模式，其次要确定计算参数。由于勘探及洞内取样试验结果针对的是隧道局部岩块的结构与隧道总体的岩体结果有一定差距，在软弱、裂隙岩体中差距更大。为了提高计算的正确性，除对所选取的力学模式做到尽量合理外，理论反馈法还利用施工现场量测信息进行反馈，求解其计算参数。

（1）直接反馈法。

直接反馈法，亦称正算法，即先按工程类比法确定计算参数后，用分析方法求解隧道周边的位移值，并与量测到的隧道周边位移值进行比较；当两者有差异时，修正原先假定的计算参数，重复计算直至两者之差符合计算精度要求时为止。最后所用计算参数即为同样条件下今后设计采用的参数值。

（2）间接反馈法。

间接反馈法，亦称逆算法、反分析法。它是根据施工中量测到的隧道周边位移值，用数值分析方法来反算出主要的计算参数，并依此进行支护结构的设计计算。由于所需反算的主要参数（如初始地应力状态、围岩的物理力学指标等）不同，其采用的计算方法也不同。除弹塑性模型下的反分析法外，也可以进行弹黏塑性模型反分析；除定期反分析外，还可以进行随机反分析。

在软弱破碎围岩地段信息反馈修正设计往往需要进行多次。

2．经验反馈法

经验反馈法是根据工程类比建立一些判断准则，然后直接利用量测数据与这些经验准则进行比较，依此来判断围岩的稳定性和支护结构的工作状态的方法，一般可用下面三个判断准则进行判断。

（1）根据位移量测值或预计最终位移值判断。

铁路隧道实测最大相对位移值或预测相对位移值不大于表6-5-1、表6-5-2所列极限相对位移值的2/3，可认为初期支护达到稳定；如果大于极限相对位移值的2/3，则意味着围岩不稳定或支护系统工作状态不安全，需要加强。

表6-5-1　跨度B≤7 m隧道初期支护极限相对位移

注：① 本表适用于复合式衬砌的初期支护，硬质围岩隧道取表中较小值，软质围岩隧道取表中较大值。表列数值可在施工中通过实测资料积累作适当修正。
② 拱脚水平相对净空变化指两侧拱脚测点间净空水平变化值与其距离之比；拱顶相对下沉指拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高度之比。
③ 墙腰水平相对净空变化极限值可按拱脚水平相对净空变化值乘以1.2～1.3后采用。

表6-5-2　7 m＜跨度B≤12 m隧道初期支护极限相对位移

注：① 本表适用于复合式衬砌的初期支护，硬质围岩隧道取表中较小值，软质围岩隧道取表中较大值。表列数值可在施工中通过实测资料积累作适当修正。
② 拱脚水平相对净空变化指两侧拱脚测点间净空水平变化值与其距离之比；拱顶相对下沉指拱顶下沉值减去隧道下沉值后与原拱顶至隧底高度之比。
③ 墙腰水平相对净空变化极限值可按拱脚水平相对净空变化值乘以1.1～1.2后采用。

隧道稳定性或可靠性分析的关键和难点是位移极限值（或称位移强度）的确定。位移极限值是所处围岩性质、支护结构形状和施工等条件的综合反映，受到很多因素影响，如地形地质条件、原始地应力、洞室形态、开挖方法、开挖速度、支护方式、支护时机等，需要根据隧道洞室的变形动态信息反推的围岩参数和支护结构实际所受的荷载作为输入参数，进行洞室极限位移的计算模拟，并结合室内模拟试验和现场资料进行综合确定。

（2）根据位移速率判断。

位移速率是以每天的位移量来表示的。对某一开挖断面来讲，从开始产生位移到它稳定为止，每天的位移变化速率都是不同的。位移速率是由大变小递减的过程，从变形曲线上可将其分为三个阶段：

① 变形急剧增长阶段——变形速率大于1 mm/d。

② 变形速率缓慢增长阶段——变形速率为0.2～1 mm/d。

③ 基本稳定阶段——变形速率小于0.2 mm/d。

根据位移速率来判断围岩的稳定程度，也是目前国内外广泛采用的方法，但还没有统一的数值标准。我国根据下坑、金家岩、大瑶山等十余座铁路隧道制定的位移变化速率标准为：当净空收敛速率小于0.2 mm/d时，认为围岩已达到基本稳定。我国大秦铁路复合式衬砌隧道提出达到围岩基本稳定的标准为：隧道跨度＜10 m时，水平收敛速率为0.1 mm/d；隧道跨度≥10 m时，水平收敛速率为0.2 mm/d。

（3）根据位移-时间曲线（位移时态曲线）形态判断。(www.xing528.com)

由于岩体具有流变特性，岩体破坏前变形曲线可分为三个阶段：

① 基本稳定区。其主要标志为变形速率逐渐下降，即，表明围岩趋于稳定状态。

② 过渡区。变形速率保持不变，即，表明围岩向不稳定状态发展，须发出警告，加强支护系统。

③ 破坏区。变形速率逐渐增大，即，表明围岩已进入危险状态，须停工，进行加固。根据量测结果可按表6-5-3所列变形管理等级指导施工。

表6-5-3　变形管理等级

注：U—实测位移值；U0—最大允许位移值。

围岩稳定性判断是很复杂的，也是非常重要的问题，应结合具体工程实践采用上述经验判别准则综合判断。

（4）经验反馈修正设计。

信息反馈修正设计的内容包括：施工方法变更的建议；施工工序的更改；预留变形量的修改或确认；设计参数的修改或确认；采用辅助施工措施的建议。

当施工信息给出不稳定征兆时，应立即采取补强措施，并改变施工方法或改变参数，增强支护，如暂停开挖、及时喷锚、二次喷混凝土紧跟或提前施作、仰拱及早形成闭合环等，都可能促使支护体系趋于稳定。隧道失稳的经验先兆有：局部块石坍塌或层状劈裂，喷层的大量开裂；累积位移量已达极限位移的2/3，且仍未出现收敛减缓的迹象；每日的位移量超过极限位移的10%；洞室变形有异常加速，即在无施工干扰时的变形速率加大。

遇下列情况之一时，应改变设计参数，适当降低初期支护级别：

① 确认围岩级别、工程地质和水文地质条件比预计的明显要好或具有工程类比。

② 初期支护未全部完成，位移已收敛达到施作二次衬砌的指标。

③ 初期支护全部施作完毕，位移值已接近规定的允许位移时，可降低其他地段初期支护设计。

【例6-5-1】某单线铁路隧道，对量测数据进行回归分析后，可得位移时态曲线方程为u =18 +2.8ln(1+t)，已知隧道极限相对位移值为36 mm，开挖15 d后洞周实测相对位移值为28 mm。试从位移值、位移速度、位移加速度三方面判断开挖15d后的隧道稳定性。

【解】将t=0代入u =18 +2.8ln(1+t)，得u0=18 mm

① 求第15 d施工实测相对位移：

u15=18 +2.8ln(1 +15)=26 mm ＜36 mm，稳定。

② 位移速度：

第15 d时，

③ 位移加速度：

结论：隧道稳定。