隧道实现动态反馈设计与信息化施工基础条件探讨

隧道实现动态反馈设计与信息化施工基础条件探讨

李志厚　陈树汪　雷　华

（云南省交通规划设计研究院　昆明　650011）

摘　要　隧道动态反馈设计和信息化施工与新奥法的区别主要是：新奥法是根据监控量测的反馈修正设计，而动态反馈设计与信息化施工内涵更广泛，内容更多，它是一个完整的信息管理体系和灵活的信息化流程，不仅依靠监控量测的反馈来修正设计，还根据地质预报、现场采集的信息源来进行动态设计。本文将从组织管理、工作流程、参加单位以及反馈设计等方面对隧道实现动态反馈设计与信息化施工的基础条件进行探讨。

关键词　隧道　动态反馈设计　信息化施工　基础条件

1　前　言

由于隧道及地下工程地质环境的复杂性、不可预见性以及勘察方法和手段的限制，在其预设计阶段取得准确的地质、围岩参数和设计荷载参数等数据极其困难，亦不现实。因此，在隧道建设过程中，设计人员必须随着施工进程，根据现场的地质环境和施工监测分析，不断地对设计参数进行修正、对施工方案进行调整。这一特点，使得动态反馈设计与信息化施工成为目前隧道及地下工程设计与施工发展的主方向。

隧道动态反馈设计与信息化施工与新奥法的区别主要是：新奥法是根据监控量测的反馈修正设计，而动态反馈设计与信息化施工内涵更广泛，内容更多，它是一个完整的信息管理体系和灵活的信息化流程，不仅依靠监控量测的反馈来修正设计，还根据地质预报、现场采集的信息源来进行动态设计。本文将从组织管理、工作流程、参加单位以及反馈设计等方面对隧道实现动态反馈设计与信息化施工的基础条件进行探讨。

2　动态反馈设计与信息化施工的组织管理

良好的组织管理是确保动态反馈设计和信息化施工得以科学、高效地运行的最为关键环节。为及时、快速处理遇到的各种难题，赢得最佳处治时间并避免决策失误，通常应在建设管理单位的统一领导和安排下，专门成立由建设管理、设计、施工、监理、监测、地质预报单位组成的隧道动态反馈设计和信息化施工管理决策机构。建立建设管理单位（即指挥部或业主）为领导的，下辖设计、监理、施工、监测、地质勘察等相关单位的合理完善的组织管理体系，对于保证隧道的安全顺利施工起着关键的作用，如图1所示。

为保证动态反馈设计与信息化施工组织能得到有效而快速地执行，通常由建设管理单位从各方汇集采集信息，并根据各方提出的建议及时组织设计、监理、施工、监测、地质超前预报单位代表，召开技术方案研讨会。对施工现场出现的问题，决策机构要及时赶到现场，查看、分析原因，迅速做出决策，制订处理措施，反馈到设计单位，以调整和修改支护参数；施工单位则依据反馈信息，采取相应的施工对策，使工程得到及时、快速、超前处理，确保工期和处治质量，杜绝重大事故发生。建设管理单位是信息化的平台，是有效汇集各种信息的权威机构，是能有效组织各方按要求实施的重要部门。因此，建设管理单位是能否实现动态反馈设计与信息化施工的关键，是整个过程中最重要的环节。

图1　隧道动态反馈设计与信息化施工管理决策机构框图

动态反馈设计与信息化施工的实施一般是科研单位受建设管理单位的委托，实施隧道现场监控量测和地质预报，完成信息处理，把信息处理结果反馈于设计和施工中。因此，动态反馈设计与信息化施工是由建设管理单位、科研单位、施工单位和设计单位共同完成的。一般情况下，建设管理单位负责协调监测、设计、监理、施工各方的关系，并提供必需的经费；监测单位负责完成现场监测任务，并根据监测结果，对隧道施工过程中遇到的问题提出意见和建议，对施工中出现的质量问题向建设管理单位报告，主要是为业主服务；设计方根据监测单位的意见和建议，对预设计进行修改或变更；施工单位则贯彻落实监测单位提出的合理施工建议。

3　动态反馈设计与信息化施工工作流程

快捷、简单又实用的工作流程，将为动态反馈设计与信息化施工的顺利开展提供有力保障。隧道动态反馈设计与信息化施工中应该坚持“预报超前、监测反馈、理论分析、经验判断”的指导原则，采用力学分析、施工监测、经验方法相结合的手段，在隧道建设的调查、设计、监测和施工4个环节中，在初步地质勘察的基础上，根据经验方法，通过力学验算进行预设计，初步拟定支护参数，然后在施工过程中根据地质超前预报和监控量测获得围岩稳定和支护系统工作状态的信息，对施工方案和支护参数进行调整。隧道动态反馈设计与信息化施工的基本工作流程如图2所示。

动态反馈设计与信息化施工的实施要点：

①地质超前预报主要依靠洞室开挖之前的地质勘察资料和超前探测，在地下洞室开挖之前，对其安全稳定性进行超前预报，为即将进行的开挖施工技术决策提供依据。该方法是针对地下工程的隐蔽性和预见性差的具体特点提出的，具有较大的工程应用价值，应作为公路隧道首先开展的安全预报方法。

图2　隧道动态反馈设计与信息化施工工作流程图

②对围岩和初期支护的监控量测是获得围岩和初期支护结构动态变形信息的主要手段，为确保隧道安全提供重要信息。围岩和初期支护变形信息的反馈也是二衬支护设计和支护时机确定的主要依据。

③根据施工观察、现场地质调查、现场监控量测等信息，对各种信息进行综合分析，互相印证，对预设计支护参数的修正和施工方法的改进是不可缺少的过程。

④及时整理量测资料，分析研究各项施工信息，及时反馈设计，是保证施工安全的需要。

⑤当出现异常现象时，应立即采取加强锚喷支护、注浆等加固措施，改变施工对策及早形成闭合环等措施，使可能发生的塌方事故防患于未然，以保证隧道稳定。

⑥任何单一分析方法和手段，均有其本身的局限性。变形监测技术以及隧道前方的超前预报都无法保证其绝对的成功率。隧道工程安全监测中，应将地质超前预报纳入整个安全预报范畴，并逐步形成系统性方法。隧道工程监测应充分利用多种安全监测手段，结合设计与施工阶段的工程地质、水文地质条件，充分了解支护系统同围岩之间的作用机理，以切实实现动态反馈设计与信息化施工，从而节约工程投资，并确保施工安全、顺利地进行。

4　各参加单位的职责与条件

隧道动态反馈设计与信息化施工是一项技术性很强的系统工程，需要广泛的专业技术知识和丰富的工程经验，对现场技术人员提出了更高要求。因此，为明确责任、保证工作质量，必须对动态反馈设计与信息化施工各参加单位的职责与条件做出明确规定和严格要求。

建设管理单位提供一个客观、公正的技术交流与决策平台，并成立一个独立的、由2或3名隧道技术专家组成的动态反馈设计与信息化施工管理领导小组，以组织、领导和协调动态反馈设计与信息化施工各项工作的开展。业主在整个信息流通中应起至关重要的作用，对监测、预报、设计、施工之间的信息创建共享的渠道和交流的环境，应督促各方都有权利和义务主动地收集和共享信息。

设计单位应现场安排1或2名工程经验丰富、设计分析能力强的隧道工程师，以为支护参数的修正及施工方案的优化提供快速、实用的技术支撑。设计人员应按动态反馈设计的工作流程，及时掌握施工中实际开挖暴露的地质等情况，并结合地质超前预报、监测等信息，快速地对设计进行修正与优化。

施工单位应组建一个责任到人、工序明确、熟悉现场的信息化施工小组，以确保反馈设计方案得到全面、彻底的执行。施工中必须做好现场工程地质、水文地质跟踪和编录以及支护的变形量测，及时向工作组反馈，并根据反馈设计调整和确定合理的开挖方法、顺序以及支护方法。

监理单位必须是独立的第三方，监理工程师须工程经验丰富、熟悉隧道现场施工，以保证动态反馈设计与信息化施工得到最大程度的贯彻执行。监理单位应结合地质预报、监控量测提供的信息及时调整工作重点，进行动态化、信息化、程序化、科学化、规范化管理，严格按设计对工程质量进行把关。

监测单位必须是独立的第三方，其现场专业技术人员须熟练掌握先进的现场数据采集和数据处理技术，并具有丰富的工程经验，对所采集数据的准确性全面负责，对数据的处理及信息的反馈须做到可靠、客观、公正。监测单位须成立动态监测组驻在隧道施工现场，建立快捷、高效的预警及信息反馈机制（如口头报警、紧急监测报告、周监测报告、月监测报告等），以便及时地将信息反馈给相关各方，为设计参数的修正、施工工序的调整提供可靠的依据和切实可行的防治建议。

地质预报单位的现场专业技术人员须具有丰富的地质知识，并熟练掌握先进的现场数据采集和数据处理技术，对所采集数据的准确性全面负责，对信息的反馈与预测须做到可靠、客观、公正。地质预报单位宜为独立的第三方，亦可以与监测单位为同一单位。地质预报单位应采用综合的预测预报手段及时地了解掌子面前方地质情况，准确及时地做出地质超前预报和提出防治措施建议，以有效控制地质灾害的发生，将风险降低到最小。

5　动态反馈设计依据及方法

5．1　依据

动态反馈设计的依据是反馈的信息。对于隧道而言，其反馈的信息是地质超前预报、监控量测数据、掌子面地质描述和实际地质条件信息，通过分析所获取的这些信息，与预设计时的信息对比，得出实际变化状况，然后由设计部门做出修改，报经隧道动态反馈设计决策机构审定，由施工单位具体实施。在实施过程中，监理、监测、地质预报等部门依据动态反馈设计方案，进行监理、监测、探测，再次获得信息，反馈到设计、施工单位，如此反复循环，直至工程完工交付使用。

超前地质探测信息和掌子面地质描述是推断掌子面进深方向地质状况的基础依据。施工单位根据预报信息，及时做出施工决策，或改变开挖方式，或采取应对措施，对围岩进行加固。例如，超前预报探出进深方向可能有断层且富水的断面，这些信息应当看作是向施工单位发出预警，同时引起设计部门关注，研究是否应对预设计进行修改。

监控量测数据信息，既有围岩的动态信息，也反映支护的工作状况，是指导施工和反馈设计部门的最基本、最直接的定量性信息，同时还是判定隧道是否进入稳定状态，评价隧道工程质量的最基本依据。

5．2　方法

围岩地质病害的特征多为突发性，客观要求决策者迅速做出反应，尽快做出动态反馈设计，以便于施工单位采取应对措施，对其进行紧急治理。因此，隧道标准衬砌的支护构件应当尽量标准化、规格化，以适应快速施工的需要。对于同一座隧道衬砌，在动态反馈设计时，应当设法调整超前支护、锚杆、钢支架、喷射混凝土、模筑衬砌等参数，以适应变化了的围岩条件，而不应当随意改变标准的支护构件，给施工带来不必要的困难。

在进行预设计时，对于围岩条件变化不大的情况，其衬砌结构型式应尽量设计成适应多种围岩条件的结构。对于复杂的多变围岩条件，在预设计时衬砌结构应按围岩级别进行设计；每一种级别的围岩，均应设计有相应的衬砌结构；同时设计的衬砌结构组件，应尽量统一规格，彼此之间便于互换。在开挖过程中，若遇到围岩级别发生变化，根据围岩级别的变化，调整为相应的衬砌结构。当遇有特殊地质条件时，及时利用标准设计进行组合，设计出需要的结构，以体现构件互换性，以便于迅速做出决策。

6　结论与建议

项目管理在现代化的大型项目建设中的地位越来越重要，关系到项目的顺利进行和建设质量。本文详细介绍了动态反馈设计与信息化施工技术中所涉及的管理与组织问题，提供了相应的组织框架结构图，明确了与各相关部门的职责权利。这种管理方式已应用于云南思小高速公路的施工建设实践中，取得了较好的效果，可为同类工程参考，为建立科学的施工管理体系提供参照。

隧道动态反馈设计的基础和依据是监测和地质预报单位的基本测量数据，应用现代高新技术，开发传感器系统、数据采集系统和数据处理系统，采用可靠稳定的传感器、方便的埋设手段、数据自动采集和数据处理系统，以使各种量测数据精度更高、更加稳定，将为信息化施工的质量提供强有力的技术支撑。

动态反馈设计与信息化施工技术在我国尚处于起步阶段，相关的技术资料相对比较贫乏，需要在实践中不断的提高与完善。本文对这项技术的组织管理及其工作流程等基础条件进行了简要探讨，希望可以为这项技术的进一步发展起到抛砖引玉的作用。

参考文献

［1］重庆交通科研设计院，等．公路隧道设计规范（JTG D70—2004）［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［2］云南省公路规划勘察设计院，等．连拱隧道建设关键技术的研究总报告［R］．2005．

［3］李国锋，丁文其，李志厚，苏生瑞，等．特殊地质公路隧道动态设计施工技术［M］．北京：人民交通出版社，2005．