0 引言
设计与施工的一体化是隧道工程的特征之一，设计要考虑施工中的“情报”或“动态信息”，施工要根据“情报”或“动态信息”进行再设计，再施工。因此，矿山法隧道设计、施工的基本原则之一是以“情报”或“动态信息”为基础，实现“情报化施工”或“动态施工”。本讲重点说明情报化施工中与“情报“有关的问题。
目前的隧道设计，是以施工前有限的情报为基础进行设计的。由于地质的复杂性和不确定性，事前很难掌握自然围岩的状态和性质。因此，施工图建议的设计参数和施工方法只能是推荐性的，需要在施工中予以验证、修正与完善。也就是说，在施工中要根据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”来进一步掌握围岩的特性，修正设计。这就是所谓的“设计变更”或情报化施工。
情报化施工必须以“施工中的情报”为基础，不断地完善设计与施工过程，才能构筑符合性能要求的隧道结构物。因此，首先要把“设计变更”作为情报化施工的重要组成部分，开展设计变更的基准和方法等内容的研究，是非常重要的; 其次是确立获得这些“情报”的可靠“方法”和技术，在这方面我国与国外有相当大的差距; 最后，在具备“情报”和“方法”的前提条件下，解决如何“处理情报”、“分析情报”、“评价情报”，进而“利用情报”的问题。其最终目标是建立一个为情报化施工服务的数据库。
1 实现真正的情报化施工的关键是“情报”
实现情报化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”。首先，要解决施工中需要什么样的情报( 信息) 的问题;其次，应对各种“情报”提出“质”和“量”的要求。
1． 1 获取什么样的情报
一般来说需要下列情报: 1) 能够判定开挖面是否稳定; 2) 掌子面前方围岩是否发生变化; 3) 已支护地段变形是否收敛; 4) 围岩分级是否合适等。
以量测中的位移量测为例，如图1 所示，施工中必须通过量测，切实掌握下列数据( 情报) : 1) 初始值( 初始位移速度) ，指测点设置后第1 d 量测的位移值，其值与测点设置的时间或距掌子面的距离有关。2)距掌子面一定距离( 例如0． 5D、1D、2D) 的位移值。3)拱顶下沉位移与拱脚下沉位移的比值。4) 最终收敛值。5) 掌子面通过前的位移值。一般是根据围岩级别估计的，在一般围岩条件下，大约为总位移值的20% ～ 30%; 在浅埋隧道中，位移值可以通过地表面量测得到，也可以根据事前的解析方法提供。
图1 隧道开挖后变形动态概念图
在以上量测数据中最重要的是初始位移速度( 测点设置后第1 d 的位移值) 。它对判定围岩好坏以及最终收敛值的大小，具有直接的重要意义。如果量测困难，也可以距掌子面0． 5D 的位移为基准。因此，在隧道情报化施工中，强调尽快、尽早地取得初始位移速度的量值，用以判定可能出现的最终收敛值的大小。《公路隧道观察、量测指南》( 2009，日本) ［1］中，明确规定应在开挖后3 h 内( 不得已时也应在6 h 内) 取得此数据。其他国家如挪威、美国等也有类似的规定，基本上要求在下一循环前获取此情报，否则就失去了量测的意义。
其次是最终收敛值，指隧道开挖后可能发生的总位移值。施工中大多数位移是量测不到的，量测值仅仅是其中的一部分( 见图1) 。而评价隧道是否稳定，基本上是以最终收敛值为基准的。一般来说，最终收敛值是以初始位移速度或支护后的收敛值，或距掌子面一定距离的位移值推定的。因此，确保初始位移速度或支护后的收敛值，或距掌子面一定距离的位移量测值的可靠性，是非常重要的。
1． 2 情报的“量”是基础，“质”是关键
情报的“量”是分析问题的基础数据。从数量上看，我们量测的数据“量”可能是最多的，理所当然地应该从“量”上找出隧道开挖后围岩动态的规律性，为设计施工提供有针对性的指导建议。遗憾的是，我们目前还远远没有做到这一点。因此，还不能真正做到用观察、量测数据指导隧道的设计和施工。以日本的量测事例说明情报“量”的重要性。
日本NEXCO 收集了大量的量测结果，使之数据库化，在对多数的隧道数据分析后，作为以后设计施工的基础资料。
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1998—2010 年共13 年的数据，180 座隧道，210 个区间，断面数达10 388个。研究的断面数共有8 196 个。从研究的围岩断面分布看，软质岩( 层状) 有2 880 个断面，硬质岩( 块状) 有2 196 个断面，中硬质岩、软质岩( 块状) 有2 080个断面，中硬质岩、软质岩( 层状) 有850 个断面。没有采用钢支撑的B、CⅠ、CⅡ－ a 级围岩，块状占大部分。另外，B 级中硬质岩( 块状) 、DⅡ级中软质岩( 层状) 占大部分。
DB 收集的数据中，位移的项目包括拱顶下沉、上半断面水平净空位移、下半断面水平净空位移和脚部下沉等。量测时点包括初始位移速度，距掌子面0． 5D、1． 0D、2． 0D、下半断面通过时以及最终位移值。此外，还包括地中位移、锚杆轴力、喷混凝土应力以及掌子面观察的项目等。
日本以数据库的情报为基础，分析与隧道设计施工有密切关系的各因素之间的规律，并作为施工管理的依据。其中包括: 1) 水平净空位移的频率分布; 2)初始位移速度和最终位移值的关系; 3) 埋深与最终水平位移的关系; 4) 最终位移值与围岩强度应力比的关系; 5) 围岩级别与掌子面评价点的关系; 6) 围岩级别与支护变异的关系。
以初始位移速度与最终位移值的关系为例，如图2 所示，这些关系图已在公路、铁路隧道中作为选定支护模式的大致标准。
图2 初始位移速度和最终位移值的关系
上述分析充分说明，根据一定量的数据，完全可以获得与设计施工有关的规律性的结果，用以指导和完善数据施工。
从我国当前的施工现状看，虽然积累了大量的量测数据，但情报的“质”还不能满足情报化施工的要求。问题出现在情报的“质”上。没有“质”的情报，即使数量再多，也没有用。在隧道施工领域中，利用我们的优势( 数据量巨大) ，只要在情报的“质”上下功夫，就能够进行系统地总结和分析，为情报化施工建立良好的施工平台———情报数据库。
2 获取情报的方法
获取情报的途径和方法是多种多样的，包括: 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)。获取情报的主要方法和目的见表1。
表1 获取情报的方法和目的
虽然获取情报的方法很多，但过去我们过多地依赖量测，而忽视了观察、试验及掌子面前方围岩预测所提供的情报。因此，今后应有针对性地利用除量测以外的一些方法，获取相应的情报，这对于指导隧道的设计和施工具有很重要的作用。
由上述方法获得的情报，其数量是可观的，因此对情报进行整理、分析、评价是十分重要的工作。这只有利用数据库的方法才能解决，因此，有计划、有目的地建立隧道情报数据库是刻不容缓的大事，不能忽视。
2． 1 掌子面前方的超前钻孔探查
在隧道情报化施工中，掌握掌子面前方的围岩状况是非常重要的。目前，掌子面前方围岩探查方法的开发已经成为隧道施工技术发展的重要领域，应给予充分的关注。
日本北海道开发局在其地方规范中指出: 过去对施工中的前方地质研究和对掌子面状态评价只采用经验的、定性的、模式化的方法，只在地质条件恶劣的区间和破碎带等场合采用超前钻孔方法来提高调查精度; 但到今天，由于技术的进步，已经可以采用前方地质确认手段来定量地加以判定。因此，其规范规定:原则上在全线施工中采用超前钻孔进行前方地质调查。
基于北海道开发局的规定，在北海道的公路隧道中，距掌子面大约每掘进100 m 实施超前钻孔，不仅要进行确认地质的P 波检层和岩石试验，也要获取如表2 所列的情报。根据北海道施工16 座隧道的数据，首先用预测的围岩级别和施工围岩级别一致度来表示超前钻孔的效果。研究的对象包括基于事前调查( 岩类、弹性波速度等) 设定的围岩级别、基于超前钻孔设定的围岩级别和实际施工的围岩级别3 个，共1 245个数据。
表3是基于事前调查设定的围岩级别与实际施工的围岩级别的关系。表4 是基于超前钻孔设定的围岩级别与实际施工的围岩级别的关系。基于上述预测与实际施工的围岩级别的一致度统计结果见表5。
表5 说明: 1) 事前调查结果与施工结果一致的约占76%，19%与预计相比降低1—2 级，其中从C1、C2级变更到D1、D2、E 级的占总数的11%。同时也出现施工时比预计的围岩位移大，从无仰拱模式变更到设仰拱模式的情况。2) 超前钻孔结果与施工结果一致的约占90%，9% 与预计相比降低1—2 级，而从C 级变更到D 级的只有2． 5%。施工中没有较大的工法变更。
围岩级别预测一致度的差值可明确地反映到隧道施工时净空位移的差值上。没有实施超前钻孔的隧道与上述实施超前钻孔的隧道比较，后者的净空位移小;特别是在D1、D2 级围岩中，其差值很大。也就是说，采用超前钻孔能够获得详细的围岩地质情报和进行高精度的围岩分级，在施工中工法变更较少，而且净空位移也小。
由此项研究可以看出，利用超前钻孔的情报，可以对掌子面前方围岩的状况予以评价，并力求向建立与超前钻孔对应的围岩分级方法的方向发展。
表2 超前钻孔调查的记载项目［2］
表3 事前调查的围岩级别与施工结果的数据量对比
表4 超前钻孔的围岩级别与施工结果的数据量对比
表5 预测围岩级别的一致度统计结果
2． 2 洞口段开挖前的超前钻孔探查
在隧道施工中，开挖前了解掌子面前方围岩的状况是非常重要的。钻孔探查是最直接的方法，特别是洞口段地质变化频繁的地段。例如日本九州新干线筑紫隧道采用绳索取芯工法( Wire Line Core Method) 进行前方围岩探查。
筑紫隧道山浦工区( 最南方的工区) 小埋深区间长约1 km，埋深约40 m。此区间是由更新世砂砾层构成的丘陵堆积物，其下方是全风化花岗岩。采用电探法得到的几乎是相同的比电阻值，因此进行导向钻孔调查岩芯状况是必要的。
借用农闲期的水田，以17°倾斜角开始钻进，一边钻进一边使钻孔轨迹逐步变成水平方向，而后在隧道下方采用通常的绳索钻进500 m。钻进孔径: 倾斜段为111 mm，导向地段为76 mm。方向测定的频率: 倾斜段每25 m 测1 次，导向段每11 m 测1 次，水平段每20 m 测1 次。最终的容许精度是± 5 m。
钻孔的口部从平地的水田开始钻进，最初采用反铲开挖探坑。在接近隧道位置前，因无需取岩芯故可高速钻进，采用旋转式冲击钻钻至导向位置。从导向区间开始，采用绳索钻进用轴式钻机倾斜17°进行钻进。导向钻进通常采用NQ 绳索钻头，每11 m 测定一次倾斜和方位，只在导向处采用BQ 绳索钻头钻进。钻进至深度为200 m 时，确认沿计划轨迹进行; 进入水平钻进后，在400 m 深度附近调整轨迹上升并再次对导向轨迹进行修正，最终到达计划深度500 m。洞口段绳索取芯工法取得了良好的结果，见图3。
图3 洞口段绳索取芯钻孔图示
在断层区间也采用类似的探查方法调查平等寺断层的位置及其状况和断层的影响范围。从口部开始采用绳索取芯工法。口部采用PQ 绳索钻头( 711mm) ，接着依次采用HQ( 118 mm) 、NQ( 711 mm) 、BQ( 62 mm) 绳索钻头进行钻进，并根据孔径插入套管，计划钻进550 m。
孔口的倾斜角设定在－ 30°开始钻进，但由于计划导向的地点围岩较差，出现向下扎头的现象，因此从110 m 处( 围岩变好的地段) 又开始导向，力求沿隧道钻进，最终钻进至550 m 时，大致处于隧道的下方，钻进280 m 处距离隧道约24 m。在断层区间采用超前钻孔探查发挥了应有的作用，地质调查结果见图4。
3 观察调查及其利用
在情报化施工中，观察和前方围岩探查可能比量测更为重要; 因为施工主要是针对掌子面前方围岩的变化和对掌子面开挖后的即时判定来采取对策的，而量测的数据只能在稍后的时间获取。因此，为确保情报化施工安全、经济和快速，加强掌子面观察和前方围岩探查是很重要的。实际上，在Ⅰ、Ⅱ级围岩中，观察、施工数据是主要的，基本上可以不进行量测; 在Ⅲ、Ⅳ级围岩中，观察和量测是并重的; 而在需要控制变形的围岩中，量测和前方围岩探查是不可缺少的，例如在Ⅴ、Ⅵ级及特殊围岩中。
图4 地质调查结果( 南烟工区)
隧道施工时的观察调查大体上分为洞内观察调查和地表观察2 类。洞内观察调查包括掌子面观察和已施工区间的观察。掌子面观察是以支护施设前的围岩为对象，已施工区间的观察则以施工后的支护结构为对象，将两者的量测数据一起用来判断支护结构的选定和增减是很重要的。
3． 1 掌子面观察
施工初期阶段，即开始揭露围岩阶段，是有经验的工程技术人员用以判断围岩是否符合预计的最佳时期。观察时采用的方法，一是目视加简易的锤击方法，二是用数码相机摄影。在摄影技术发达的今天，数码相机的应用已经普及。
初期阶段的掌子面观察，重点要对初步设计的围岩级别进行核查。随着施工的进展，逐步积累掌子面观察数据和量测数据。通过积累的掌子面观察数据和量测数据，可以整理出掌子面的围岩条件与合理的支护模式的相关关系; 对未施工区间( 新的掌子面) ，掌子面观察结果可用于选定支护模式。
无论是采用目视还是数码相机对掌子面进行观察，其观察项目包括掌子面素描、锤击的开裂形态、风化变质、裂隙间距、裂隙形态及涌水状况等。其中多数项目与判定围岩级别有关。例如，我国铁路隧道规定的施工阶段用以判定围岩级别的判定卡( 见表6) 中的一些项目就可以作为观察项目; 公路隧道建议的判定卡( 见表7) 与此大同小异。根据这些观察结果可以评价围岩并反映到支护选定上。
表6 我国铁路隧道施工阶段围岩级别判定卡
由表6 和表7 可知，通过观察可以获得大部分定性的情报，如辅以简易的方法，也可获得一些定量的情报。
根据观察项目的实际，在《公路隧道观察、量测指南》( 2009，日本) 中，提出的掌子面观察表如表8所示。
统计分析获得的对应各观察项目评级的评价点计算出掌子面评价点的结果见图5。各支护模式的掌子面评价点的平均点数、标准偏差的幅度与支护选定的大致标准的范围是一致的。在现场，采用这样的掌子面评价点进行评价，可以作为选定支护模式的一个大致标准。
图6 是用掌子面评价点判定围岩级别的管理图。如图所示，沿隧道延长方向整理掌子面评价点分布的方法很容易对掌子面评价点和围岩级别做出相对比较，掌子面观察结果和围岩评价在围岩级别管理上是一个有效的方法。
图7 是美国在公路隧道中针对岩质围岩的典型掌子面的素描图，用于记录在该地段遇到的地质条件。掌子面素描图反映了每一开挖循环发生的事态，是正式记录，由承包商和业主代表签署。
由此可见，掌子面观察方法是可以数值化的，我们在这方面尚需努力。
表8 掌子面观察表［1］
图5 掌子面评价点计算结果、支护选定的大致标准
图6 利用掌子面评价点判定围岩级别
图7 掌子面地质素描图［3］
3． 2 已施工区间的观察
已施工区间的观察是为了补充量测和确认设计施工是否合适，如有问题及早发现。一边检查支护的状态一边观察，如有异常立即查找原因并与其他量测项目结合加以综合判断，采取适当的措施。
在已施工区间，以隧道洞内为对象，对以下项目进行检查和观察。
1) 喷混凝土: 与围岩的密贴、开裂( 发生位置、种类、宽度、长度及发展状况) 、涌水等。
2) 锚杆: 打设位置、方向，锚杆、垫板的变形，锚杆头部断裂等。
3) 钢支撑: 变形、屈服的位置和状况，与喷混凝土一体化的状况，侵入围岩、脚部下沉等。
4) 衬砌: 开裂( 位置、种类、宽度和长度) ，涌水状况等。
在认为有变异的场合，参考表9 记载变异的位置、种类和规模等，必要时要描绘位置图和素描图。已施工区间的观察频率原则上为1 次/d，在认为有变异的场合要增加量测频率。
为了发现早期变异和前兆，进行观察是极为必要的。在发生变异的场合，首先要增加观察的频次; 其次，在分析与量测数据相关性的基础上，为更好地利用已施工区间的观察结果，明确记录变异发生后的变异发展过程是很重要的。
根据已施工区间的观察，在认为有变异的场合，首先要分析变异发生的状况; 其次基于分析结果，研究采取的对策和修正未施工区间支护模式选定的基准和再评价管理基准。已施工区间观察结果的利用方法如图8 所示。已施工区间观察的利用方法最好是编制能够与量测结果等对比的管理图，进行量测管理。
对比已施工区间的观察记录和支护模式、掌子面观察结果和量测结果等，掌握变异的发展过程，分析变异发生的原因。喷混凝土发生开裂的种类有剪切开裂( 伴有错台的开裂) 、开口开裂( 张裂) 和温度干燥收缩开裂等。其中剪切开裂是应力过大造成的，比较危险;因此，在发现剪切开裂的场合要强化管理，评价也应以这种开裂为重点。
以喷混凝土为例，根据最终水平位移值和变异发生率的关系( 见图9) ，位移值＜ 80 mm 时，变异发生率成单调增加; 位移值在80 ～ 120 mm 时，变异发生率少许降低，但多发生剪切开裂、挤出，是比较危险的。一般来说，位移值80 mm 是变异发生的上限值。掌握这种关系是很重要的。应该在实际观察中积累这方面的数据，为制定喷混凝土的管理基准打下基础。
表9 已施工区间的观察示例
图8 已施工区间观察结果的利用方法
图9 最终水平位移值和变异发生率的关系
按时序系列整理变形形态，其变异发生时的位移值如图10 所示，可以大致掌握其特征的变化趋势。也就是说，由于干燥收缩产生开裂时位移值几乎都在10mm 以下，开裂、显著开裂、开裂并伴有脱落等发生时的位移值的峰值及平均值( 图中的圆黑点) 逐渐增大。基于图5 和图6 所示的支护变异的管理基准值，水平围岩在20 ～ 40 mm，部分喷混凝土发生剥离。最终位移值在20 mm 以下的场合，变异发生率很小，因此，20mm 可以作为现场判断的大致标准。
图10 变异发生时的位移值
4 结语
本讲重点说明在隧道情报化施工中，“情报”的重要性和获取情报的方法。没有“质”的情报是在做“虚功”，我们一定要在改进情报的“质”上下功夫。其次应该明确在不同围岩级别中，获取情报的方法是不同的，量测不是唯一的，也不是万能的。在块状、岩质围岩中，应把观察放到重要位置; 在软弱围岩中，量测、观察以及掌子面前方围岩预测等方法应同时并举，循环验证。
摘自：隧道建设