關寶樹

(西南交通大學， 四川 成都 610031)

漫談礦山法隧道技術第十三講
——隧道施工精細化管理

關寶樹

(西南交通大學， 四川 成都 610031)

為確保隧道安全,高質量、快速地施工，必須提高現(xiàn)行的施工管理水平，進行精細化的管理。精細化管理包括隧道設計、施工、運營全過程的管理，但重點是施工管理。隧道施工管理的內容基本上可歸納為安全(風險)管理、技術(作業(yè)、質量)管理及環(huán)境管理3類。本講著重分析目前我國精細化隧道施工管理中安全(風險)、技術(作業(yè)、質量)管理存在的問題，并提出解決途徑。1)指出安全管理實質是風險管理，我國在風險管理方面，制定和頒布了有關風險管理的指南、規(guī)定等，但在執(zhí)行和落實中還存在一些問題。風險管理的目的是要把不可接受的風險變成可接受的風險，認為能否實現(xiàn)這一點，決定于精細化管理和技術水平。指出風險預測是風險管理的前提，強調風險管理的主要手段是進行掌子面前方地質預測、掌子面觀察和洞內外變形量測，收集可靠情報，有效管理。2)指出技術管理的重點是對開挖、支護、襯砌的技術管理。目前我國的隧道施工技術管理普遍不到位，管理粗放。其中開挖管理重點應放在對掌子面前方、掌子面、掌子面后方拱腳部位等圍巖的管理；支護管理的最終目的是把可能發(fā)生的位移值控制在容許范圍內；襯砌施工管理的重點是襯砌及仰拱的連接，襯砌的施作時機，潛在的初期缺陷的控制。3)以混凝土襯砌初期缺陷控制為例，列出日本管理的細目表以及襯砌施工核查卡，說明只要管理到位，技術才能到位，質量也才會得到保證。4)最后強調“精細化管理”的目的就是要求“技術精細到位”。不管技術多么好，做不到位，一切免談。對隧道這樣的隱蔽工程，這一點尤為重要。在這方面管理層要下大力氣，不可等閑視之。

隧道； 礦山法； 施工管理； 精細化管理； 安全管理； 技術管理； 環(huán)境管理

0 引言

鑒于隧道工程設計和施工密不可分的關系以及情報化施工組織的特點，為了確保隧道安全，高質量、快速施工，必須提高現(xiàn)行的施工管理水平，進行精細化的管理。精細化管理包括隧道設計、施工、運營全過程的管理，但重點是施工管理，同時在施工管理中體現(xiàn)對設計的管理，例如設計變更就屬于施工管理中的重要內容。因此，本講重點說明隧道施工精細化管理中的幾個問題。

1 精細化施工管理的基本內容

隧道施工的主要目的是利用各種可能的技術，安全、高質量、快速、低成本地修建符合設計要求的隧道結構物。施工管理的重點包括以下內容。

1)安全管理。安全是施工的前提，安全管理實質上是風險管理，要事前預測可能發(fā)生的風險，及可能采取降低風險的對策。

2)技術(作業(yè))管理。充分發(fā)揮各種可能技術功能的管理，如對噴混凝土、錨桿、襯砌等的技術管理或稱為作業(yè)管理。

3)質量管理。質量是實現(xiàn)結構物耐久性的基本保證，消除結構物可能存在的潛在的、顯現(xiàn)的缺陷，對隧道及地下工程這樣的隱蔽結構物來說非常重要，是質量管理的重點。

4)進度管理。隧道施工工期一般都很長，因地質條件的變更而改變開挖方法、開挖方式，計劃進度與實際進度多數(shù)會不一致。要在規(guī)定工期內完成工程，進度管理非常重要。

5)成本管理。一般來說，地下工程與地面工程相比，造價相對較高。在確保安全、質量的前提下，降低工程造價是成本管理的主要目的。

6)斷面管理。由于鐵路隧道斷面內走行高速列車，開挖時，對隧道的線形(直線、曲線、坡度、緩和曲線、縱曲線、線路中心、結構物中心、軌面高程等)進行有效的凈空開挖和凈空斷面管理非常重要。

7)環(huán)境管理。隧道施工會引發(fā)地下水位降低、井水枯竭、地表下沉(對近接結構物的影響)、噪聲、振動等問題，要從環(huán)境保護的角度進行環(huán)境管理。

隧道施工管理的內容多種多樣，基本上可歸納為安全(風險)管理、技術(作業(yè)、質量)管理及環(huán)境管理3類。從目前的工程實踐來看，在隧道施工管理中，特別是精細化管理，雖然與國外有一定的差距，但針對國情我們也有一些成熟的經(jīng)驗。下文著重從安全(風險)管理和技術(作業(yè)、質量)管理方面闡述精細化管理中存在的問題及解決途徑。

2 安全(風險)管理

2.1 安全(風險)管理內容

安全管理的實質是風險管理。在風險管理這方面我國制定和頒布了有關風險管理的指南、規(guī)定等，但在執(zhí)行和落實中還存在一些問題。實際上，風險可以分為2類： 一類是可接受的，一類是不可接受的。風險管理的目的就是要把不可接受的風險轉化成可接受的風險。能否實現(xiàn)這一點，決定于精細化管理和技術水平。

風險管理的前提之一是，要明確哪些風險是可接受的、哪些是不可接受的。風險可以分為4個等級： 低度、中度、高度和極高度。低度風險是完全可接受的，高度和極高度風險是不可接受的，中度風險介于可接受與不可接受之間，視具體情況而定。因此，原則上要采取措施把高度和極高度風險降低到可接受的程度。

風險管理的關鍵是要理清隧道施工中可能發(fā)生的風險事件、發(fā)生的部位、發(fā)生前的預兆，以便制定針對性的應急對策。因此，風險預測是風險管理的前提。

對近幾年礦山法修建的鐵路隧道施工中發(fā)生的風險及原因進行歸納，見表1。

作為風險管理的責任人，對表1所列的風險問題，一定要心中有數(shù)、從容應對。在風險管理中，必須把易于發(fā)生風險的部位(掌子面、支護腳部、拱頂、底部等)作為觀察、監(jiān)視的重點，并選派有經(jīng)驗的人員進行管理。

2.2 安全(風險)管理對策

風險管理的主要手段是對掌子面前方超前地質預測、掌子面觀察和洞內外變形監(jiān)控量測，這是發(fā)現(xiàn)風險的基本手段。沒有可靠的風險情報，很難進行有效的風險管理。如有可能，應委托第三方進行量測及其管理。其中，對掌子面前方圍巖狀態(tài)進行預測非常重要。有的國家，例如挪威，目前規(guī)定： 在不良圍巖中，要全隧道進行掌子面前方圍巖狀態(tài)的預測，并作為施工組織的主要組成部分。過去多采用目視方法觀察，在觀察手段日益發(fā)展的今天，基本上是用數(shù)碼相機代替目視。數(shù)碼相機的應用，為迅速獲取有效的情報，及時反饋，進行情報化施工打下了良好的基礎。

對表1所列的風險事件，應該事前采取對策處理。風險事件及其處理對策見表2。

表1 礦山法鐵路隧道風險事件及原因

表2 風險事件及其對策

3 技術(設計變更、施工作業(yè)、質量)管理

3.1 目前技術管理存在的問題

隧道修建的基本作業(yè)主要有開挖和支護，故技術管理的重點就是對開挖和支護(包括預支護)的技術管理。管理的基本要求是明確的，它包括設計變更、施工作業(yè)及施工質量等內容，其基本要求就是要做到“技術到位”或者說是“質量到位”。由于種種原因，目前開挖、支護技術普遍不到位，如設計變更不及時、各項作業(yè)缺乏明確的管理基準和方法等，這是粗放式管理的結果。例如： 1)噴混凝土1 d的初期強度要求達到10 MPa，現(xiàn)場是否達到這個指標，多數(shù)情況下是不清楚的，這雖然與缺乏快速的測試方法有關，但與管理的關系更大，主要原因沒有明確的管理噴混凝土初期強度的意識。 2)錨桿要設置墊板(特別是在軟弱圍巖中)，可以更好地發(fā)揮錨桿的支護效果，可是現(xiàn)場很少設置墊板,如果都按設計要求配置錨桿，技術到位，其效果完全可以顯示出來，但實際情況很不理想。 3)鋼架也是如此，鋼架與圍巖是點接觸的，不可能與圍巖全周接觸，只能人為地用楔塊等使之均衡地接觸，實際上這一點也沒有做到。諸此種種，在目前的情況下，只要技術到位，質量自然到位，許多問題完全可以避免，這應該成為作業(yè)管理的重點。

作業(yè)管理的基礎是“情報管理”。作業(yè)質量、作業(yè)技術是否到位，可以反映在觀察、量測獲得的“情報”中。雖然在規(guī)范和指南中一再強調觀察、量測作業(yè)是整個施工循環(huán)中不可缺少的組成部分，但實際上，我們遠遠沒有做到。下文談到的技術管理要點，多數(shù)是依靠觀察、量測結果來判斷的。一個合格的技術管理人員，必須把觀察、量測管理作為首要任務，并貫徹始終。

3.2 開挖管理

3.2.1 開挖管理內容

開挖作業(yè)是隧道的基本作業(yè)之一，對開挖作業(yè)的管理非常重要。開挖作業(yè)管理的重點是對圍巖的管理。從目前的施工技術出發(fā)，對圍巖管理，重點應放在對掌子面前方、掌子面以及掌子面后方拱腳部位等的管理。

在開挖前要清楚掌子面前方圍巖的狀態(tài)，此時短距離的超前預報起重要作用，必要時應采用中、長距離的超前預報方法。如果判斷掌子面前方圍巖是不穩(wěn)定的，就必須采取預支護的方法。如采取小導管或長管棚超前支護等來提高掌子面前方圍巖的自穩(wěn)能力或自穩(wěn)時間。

隧道施工的特點就是在開挖完成后到支護效果發(fā)揮前，開挖面應該是保持穩(wěn)定的，或者是暫時穩(wěn)定的。因此，要把掌子面當作支護構件來管理。重點是提高掌子面的自穩(wěn)性、延長其自穩(wěn)時間，為下一工序作業(yè)創(chuàng)造有利條件。如果發(fā)現(xiàn)掌子面出現(xiàn)不穩(wěn)定的跡象，必須毫不遲疑地采取對策?！昂敛贿t疑”就是“當機立斷”，等待和延誤都可能造成不可預料的事故發(fā)生。目前許多事故都是在沒有及時采取對策時發(fā)生的，一定要引以為戒。

3.2.2 掌子面管理

隧道施工中的事故多數(shù)是發(fā)生在掌子面及其附近，故開挖后必須用數(shù)碼相機攝像或目視觀察新揭露掌子面的圍巖狀況，并做出判斷。堅持和建立掌子面觀察制度是非常重要的。

圖1是利用數(shù)碼相機對每次開挖后揭露的掌子面攝像的結果，據(jù)此可以判斷掌子面的穩(wěn)定狀態(tài)，并預測掌子面前方一定距離內的圍巖變化。掌子面數(shù)碼攝像或目視觀察和量測是基本手段，應留意任何微小的征兆，特別是對拱頂?shù)挠^察。

圖1 掌子面攝像

圖2是美國在公路隧道中針對巖質圍巖采用的典型的掌子面地質素描格式表，用于記錄隧道施工中的地質條件。掌子面素描圖反映了每一開挖循環(huán)的情況，是正式記錄，由承包商和業(yè)主代表共同簽字。

新掌子面揭露后，作業(yè)管理人員的首要任務是與前一次開挖的掌子面進行對比。有經(jīng)驗的人員，很容易根據(jù)對比得出圍巖是變好了還是變差了的結論。這種對比非常重要，而且易于實施，特別是在具有現(xiàn)代技術的今天。

3.2.3 圍巖變形管理

開挖面管理的另一個重點是對擠出位移的管理，這在軟弱圍巖隧道開挖中非常重要。過去我們基本上忽視了，其后果是掌子面的崩塌不斷涌現(xiàn)。日本最近開發(fā)的光位移計(Light Emiting Deformation Sensor)可以很好地監(jiān)測圍巖變形，已在一些隧道中試用。所謂光位移計，就是把量測的變形結果在原位置用LED光的顏色表示的方法，也稱為“看得見的量測”方法。光位移計方法原理是利用LED二極管能夠根據(jù)變形量而改變光顏色的功能，來測定圍巖的變形(位移值、開裂狀態(tài)、掌子面崩塌的預兆等)，并根據(jù)光的顏色判斷變形處于何種狀態(tài)(如設定白色為安全狀態(tài)、藍色為警戒狀態(tài)、紅色為危險狀態(tài)等)，是一種更快、更易于感知圍巖變形的方法。光位移計的顯示見圖3。

圖2 掌子面地質素描圖例[1]

圖3 光位移計的顯示

為了驗證本裝置的功能，在室內進行了監(jiān)測掌子面擠出位移的模擬試驗,見圖4。試驗表明，光位移計可以模擬再現(xiàn)掌子面開挖后的動態(tài)。如圖4所示，在初始狀態(tài)時是白色的，擠出位移出現(xiàn)后位移計變?yōu)樗{色，這種變化，作業(yè)人員很容易識別。

目前開發(fā)的具有 “量測”和“視覺結果表示”兩功能兼?zhèn)涞墓馕灰朴?，可配置在施工現(xiàn)場，能夠盡早開始量測，并且一旦變形發(fā)生，周邊作業(yè)人員就可以立即獲得情報。

(a) 白色安全狀態(tài)

(b) 藍色警戒狀態(tài)

日本在長4 323 m的山嶺隧道中埋深約300 m的蛇紋巖地段設置了光位移計，進行了實地試驗。光位移計在掌子面設置的狀況見圖5。

圖5 在掌子面設置的狀況

Fig. 5 Arrangement of light emiting deformation sensor on tunnel face

掌子面后方圍巖管理的重點是初期位移速度，它決定了最終可能發(fā)生的位移值。因此，第1個量測點的設置極為重要。一般來說，應在開挖后不遲于下一循環(huán)開始前，設置好第1個測點。

在軟弱圍巖中要特別關注掌子面的擠出位移。除可根據(jù)最終位移值、初期位移速度、收斂狀況來判定隧道及其周邊圍巖的穩(wěn)定性外，還可以評價量測結果，進而選取合適的支護模式。目前，在圍巖動態(tài)管理中，規(guī)范和強化量測管理非常重要。

3.3 支護管理

支護管理的最終目的是把可能發(fā)生的位移值控制在容許范圍內。一方面要知道可能發(fā)生的位移的大小，另一方面要確定容許位移值的大小，這兩者是密切相關的。前者需要借助解析方法，后者可根據(jù)有關規(guī)定確定。發(fā)生大變形的圍巖是客觀存在的，在這種情況下，如何把變形控制在容許范圍內是管理人員的責任。

3.3.1 預支護管理

在軟弱圍巖中采用的預支護屬于超前支護。一定要做到長度合適(不宜過短)，采用能夠形成拱形構造的超前支護。這些支護構件的變異，發(fā)現(xiàn)時要如實記錄，掌握其變異的發(fā)展狀況。當發(fā)現(xiàn)掌子面有不穩(wěn)定現(xiàn)象時，必須立刻對掌子面采取超前的預補強措施，如掌子面錨桿、噴射混凝土等。

在整個支護管理中，要加強對已支護地段的監(jiān)視。已支護地段的支護發(fā)生的任何征兆，都可以用來作為改善未支護地段支護的依據(jù)。

3.3.2 初期支護管理

初期支護的管理包括噴混凝土、錨桿及鋼架的管理。初期支護是確保開挖后的圍巖保持穩(wěn)定的基本作業(yè)，是把開挖后圍巖的變形控制在容許值內的基本手段。因此，初期支護管理的重點應放在初期支護的技術管理上。

3.3.2.1 噴混凝土的管理

噴混凝土的強度一般分為初期強度、某一齡期強度(如7 d強度)、長期強度(一般指28 d強度或91 d強度等)以及噴混凝土與圍巖的附著強度，其中要重視對初期強度和附著強度的管理。規(guī)范要求噴混凝土1 d的初期強度為8～10 MPa，有的國家(如日本)要求3 h的初期強度達到3 MPa。為此，噴射前要進行配合比試驗，確認其初期強度，在噴射后進行檢驗。此外，為確保大斷面隧道的噴射質量，不能用多臺小容量的噴射機代替大容量的噴射機。必須強調的是： 最佳配合比是通過噴射試驗決定的?，F(xiàn)場必須建立噴混凝土初期強度試驗的制度，規(guī)范噴混凝土初期強度的測定方法。噴混凝土之所以能夠發(fā)揮支護效果，附著強度起重要作用，但現(xiàn)場很少測試噴混凝土與圍巖間的附著強度。因此，建立噴混凝土與圍巖間附著強度的測試制度也是必要的，必須改變目前有強度指標無檢測方法的狀態(tài)。對噴混凝土而言，作為初期支護的仰拱，具有及時閉合開挖斷面的功能，故在早期閉合的施工方法中，一定要重視噴混凝土仰拱的管理，特別是對仰拱與邊墻連接處的作業(yè)管理。

3.3.2.2 錨桿管理

一般來說，錨桿不是開挖后立即施作，而是在離開掌子面一定距離施作，并最好采用機械手施作，以避免無支護地段掉塊的風險。為充分發(fā)揮錨桿的支護功能，墊板的設置是必不可少的，特別是在比較軟弱的圍巖中。而我們基本上不設置墊板，這種情況必須改變。應盡可能地采用已經(jīng)商品化的錨桿；即使現(xiàn)場自行制作，也必須嚴格按照錨桿的基本規(guī)格進行，這是確保錨桿質量的前提。注漿式錨桿的支護效果，取決于注漿的質量，注漿的密實度或充填的否飽滿是極為重要的。建立注漿密實度檢驗的方法刻不容緩，這方面的管理有待加強。

3.3.2.3 鋼架管理

鋼架是在不良圍巖條件下采用的支護構件之一。鋼架變異后要綜合分析包括量測值在內的結果，推定變異產(chǎn)生的原因并采取切實的對策。一般來說，鋼架變異多源于荷載的不均勻作用或局部作用，這和鋼架與圍巖的接觸狀態(tài)有關。在施工中，一定要做到鋼架與圍巖均勻接觸，讓荷載作用均勻。能否讓鋼架均勻承載，是目前鋼架施工中亟待解決的問題。

應該指出，初期支護中的噴混凝土、錨桿和鋼架在多數(shù)情況下是聯(lián)合工作的，發(fā)揮三者的協(xié)調作用非常重要。在管理上，一定要根據(jù)揭露的圍巖狀態(tài)來規(guī)劃三者的施作順序。

3.3.3 二次襯砌管理

3.3.3.1 與仰拱連接管理

二次襯砌與仰拱的連接面要能夠傳遞軸力，一定要按照設計圖施作，讓二次襯砌與仰拱能夠形成一體的封閉構造，這一點非常重要，否則會極大降低二次襯砌的承載能力。

3.3.3.2 施作時機管理

襯砌的施作時機視襯砌的功能決定，在一般圍巖中，二次襯砌基本上是在位移收斂后施作，因不受土壓的作用，開裂是比較少的；也可以在整個隧道開挖完成后施作(這是國外和巖石隧道中的普遍做法，特別是在長度較短的隧道)或者離開開挖面一定距離(一般100～200 m)后施作。但在第三紀的泥巖、凝灰?guī)r、蛇紋巖等圍巖中，因其成因和組成具有膨脹性，開挖后圍巖劣化，產(chǎn)生塑性地壓并隨時間增大，需提前施作仰拱的情況下，二次襯砌可在變形基本收斂后施作。

如果初期支護(包括預支護在內)，都達到“技術到位”的要求，二次襯砌施作時機完全可以從容處理。我們強調“安全步距”，實質上是對初期支護或預支護效果不放心，強調“安全步距”不如強調提高初期支護或預支護的技術質量，兩者的得失是不能比較的。

3.3.3.3 襯砌初期缺陷管理

二次襯砌潛在的初期缺陷是損傷襯砌耐久性的重要因素，襯砌管理必須把可能出現(xiàn)的潛在初期缺陷消滅在施工階段，不留后患。襯砌的初期缺陷包括二次襯砌混凝土不密實、強度不足、背后有空洞、厚度不均勻、拱頂厚度偏薄且有空隙、襯砌混凝土存在潛在的裂縫等。日本根據(jù)造成混凝土開裂的主要原因，列出精細的管理要目(見表3)。

在初期缺陷控制上，制定了襯砌施工核查卡(見表4)。由監(jiān)理與施工人員在模板設置、混凝土澆筑、模板拆除等各施工階段共同簽字確認，確保二次襯砌的施工質量達到設計要求。

表3 混凝土潛在開裂的分類及其發(fā)生原因[2]

綜上所述，只有管理到位，技術才能到位，質量也才會得到保證。歸根結底，還是要“管理到位”。

表5給出了管理項目、施工中應重點關注的現(xiàn)象及其對策。優(yōu)先選定哪種對策，可根據(jù)圍巖條件、施工方法、補修狀態(tài)，同時配合監(jiān)控量測結果來綜合判斷。

表4 襯砌施工核查卡

表5 施工中的現(xiàn)象及對策

4 結語

精細化管理、精準管理、信息化管理等詞語不斷出現(xiàn)，其目的就是要求“技術精細到位”。不管技術多好，做不到位，一切免談。對隧道這樣的隱蔽工程，這一點尤為重要。在這方面管理層要下大力氣，不可等閑視之。

[1] AASHTO. Technical manual for design and construction of

road tunnels: Civil element[S]. Florida: U.S.Department of Transportation,2010.

[2] 東、中、西日本高速道路株式會社.トンネル施工管理要領[S].[S.l.]: 東、中、西日本高速道路株式會社,2013.(East/Central/West Nippon Expressing Company Limited.Construction management points of tunnel[S].[S.l.]: East/Central/West Nippon Expressing Company Limited,2013.(in Japanese))

Tunneling by Mining Method: Lecture XIII:Refined Management of Tunnel Construction

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The tunnel construction management level should be improved and refined management should be carried out so as to guarantee safe, qualified and rapid construction of tunnel. The refined management of tunnel includes design, construction and operation; and the construction management is the key. The tunnel construction management includes safety (risk) management, technology (construction and quality) management and environment management. In this paper, the problems of tunnel safety management, technology management and environment and their countermeasures are analyzed. 1) It is pointed out that the essence of safety management is risk management. There are many relative guidances and standards for risk management in China; but still some problems exist in application. The aim of risk management is to turn unacceptable risk into acceptable risk; and in order to realize it, the refined management level should be improved. The risk prediction is the key to risk management. The geological prediction, tunnel face investigation and deformation monitoring are the most important items to risk management. 2) The managements of excavation technology, supporting technology and lining technology are the key to technology management. The technology management in China still needs to be improved. The managements of arch feet ahead tunnel face, that of tunnel face and that behind tunnel face are the keys to excavation management. The aim of supporting management is to control potential settlement. The connection of lining and invert arch, construction time of lining and control of primary disadvantages are the keys to lining management. 3) A case study of primary disadvantages of concrete lining is made. The items of management and check card of lining construction in Japan are introduced so as to reaffirm the importance of management. 4) The refined technology is the key to refined management. The author reaffirms the importance of refined technology.

tunnel; mining method; construction management; refined management; safety management; technology management; environment management

2015-08-10

關寶樹(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學教授，博士生導師，從事隧道及地下工程教學和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.12.001

U 45

A

1672-741X(2016)12-1403-09