漫谈矿山法隧道技术第十三讲
——隧道施工精细化管理

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都 610031)

漫谈矿山法隧道技术第十三讲
——隧道施工精细化管理

关宝树

(西南交通大学， 四川 成都 610031)

为确保隧道安全,高质量、快速地施工，必须提高现行的施工管理水平，进行精细化的管理。精细化管理包括隧道设计、施工、运营全过程的管理，但重点是施工管理。隧道施工管理的内容基本上可归纳为安全(风险)管理、技术(作业、质量)管理及环境管理3类。本讲着重分析目前我国精细化隧道施工管理中安全(风险)、技术(作业、质量)管理存在的问题，并提出解决途径。1)指出安全管理实质是风险管理，我国在风险管理方面，制定和颁布了有关风险管理的指南、规定等，但在执行和落实中还存在一些问题。风险管理的目的是要把不可接受的风险变成可接受的风险，认为能否实现这一点，决定于精细化管理和技术水平。指出风险预测是风险管理的前提，强调风险管理的主要手段是进行掌子面前方地质预测、掌子面观察和洞内外变形量测，收集可靠情报，有效管理。2)指出技术管理的重点是对开挖、支护、衬砌的技术管理。目前我国的隧道施工技术管理普遍不到位，管理粗放。其中开挖管理重点应放在对掌子面前方、掌子面、掌子面后方拱脚部位等围岩的管理；支护管理的最终目的是把可能发生的位移值控制在容许范围内；衬砌施工管理的重点是衬砌及仰拱的连接，衬砌的施作时机，潜在的初期缺陷的控制。3)以混凝土衬砌初期缺陷控制为例，列出日本管理的细目表以及衬砌施工核查卡，说明只要管理到位，技术才能到位，质量也才会得到保证。4)最后强调“精细化管理”的目的就是要求“技术精细到位”。不管技术多么好，做不到位，一切免谈。对隧道这样的隐蔽工程，这一点尤为重要。在这方面管理层要下大力气，不可等闲视之。

隧道； 矿山法； 施工管理； 精细化管理； 安全管理； 技术管理； 环境管理

0 引言

鉴于隧道工程设计和施工密不可分的关系以及情报化施工组织的特点，为了确保隧道安全，高质量、快速施工，必须提高现行的施工管理水平，进行精细化的管理。精细化管理包括隧道设计、施工、运营全过程的管理，但重点是施工管理，同时在施工管理中体现对设计的管理，例如设计变更就属于施工管理中的重要内容。因此，本讲重点说明隧道施工精细化管理中的几个问题。

1 精细化施工管理的基本内容

隧道施工的主要目的是利用各种可能的技术，安全、高质量、快速、低成本地修建符合设计要求的隧道结构物。施工管理的重点包括以下内容。

1)安全管理。安全是施工的前提，安全管理实质上是风险管理，要事前预测可能发生的风险，及可能采取降低风险的对策。

2)技术(作业)管理。充分发挥各种可能技术功能的管理，如对喷混凝土、锚杆、衬砌等的技术管理或称为作业管理。

3)质量管理。质量是实现结构物耐久性的基本保证，消除结构物可能存在的潜在的、显现的缺陷，对隧道及地下工程这样的隐蔽结构物来说非常重要，是质量管理的重点。

4)进度管理。隧道施工工期一般都很长，因地质条件的变更而改变开挖方法、开挖方式，计划进度与实际进度多数会不一致。要在规定工期内完成工程，进度管理非常重要。

5)成本管理。一般来说，地下工程与地面工程相比，造价相对较高。在确保安全、质量的前提下，降低工程造价是成本管理的主要目的。

6)断面管理。由于铁路隧道断面内走行高速列车，开挖时，对隧道的线形(直线、曲线、坡度、缓和曲线、纵曲线、线路中心、结构物中心、轨面高程等)进行有效的净空开挖和净空断面管理非常重要。

7)环境管理。隧道施工会引发地下水位降低、井水枯竭、地表下沉(对近接结构物的影响)、噪声、振动等问题，要从环境保护的角度进行环境管理。

隧道施工管理的内容多种多样，基本上可归纳为安全(风险)管理、技术(作业、质量)管理及环境管理3类。从目前的工程实践来看，在隧道施工管理中，特别是精细化管理，虽然与国外有一定的差距，但针对国情我们也有一些成熟的经验。下文着重从安全(风险)管理和技术(作业、质量)管理方面阐述精细化管理中存在的问题及解决途径。

2 安全(风险)管理

2.1 安全(风险)管理内容

安全管理的实质是风险管理。在风险管理这方面我国制定和颁布了有关风险管理的指南、规定等，但在执行和落实中还存在一些问题。实际上，风险可以分为2类： 一类是可接受的，一类是不可接受的。风险管理的目的就是要把不可接受的风险转化成可接受的风险。能否实现这一点，决定于精细化管理和技术水平。

风险管理的前提之一是，要明确哪些风险是可接受的、哪些是不可接受的。风险可以分为4个等级： 低度、中度、高度和极高度。低度风险是完全可接受的，高度和极高度风险是不可接受的，中度风险介于可接受与不可接受之间，视具体情况而定。因此，原则上要采取措施把高度和极高度风险降低到可接受的程度。

风险管理的关键是要理清隧道施工中可能发生的风险事件、发生的部位、发生前的预兆，以便制定针对性的应急对策。因此，风险预测是风险管理的前提。

对近几年矿山法修建的铁路隧道施工中发生的风险及原因进行归纳，见表1。

作为风险管理的责任人，对表1所列的风险问题，一定要心中有数、从容应对。在风险管理中，必须把易于发生风险的部位(掌子面、支护脚部、拱顶、底部等)作为观察、监视的重点，并选派有经验的人员进行管理。

2.2 安全(风险)管理对策

风险管理的主要手段是对掌子面前方超前地质预测、掌子面观察和洞内外变形监控量测，这是发现风险的基本手段。没有可靠的风险情报，很难进行有效的风险管理。如有可能，应委托第三方进行量测及其管理。其中，对掌子面前方围岩状态进行预测非常重要。有的国家，例如挪威，目前规定： 在不良围岩中，要全隧道进行掌子面前方围岩状态的预测，并作为施工组织的主要组成部分。过去多采用目视方法观察，在观察手段日益发展的今天，基本上是用数码相机代替目视。数码相机的应用，为迅速获取有效的情报，及时反馈，进行情报化施工打下了良好的基础。

对表1所列的风险事件，应该事前采取对策处理。风险事件及其处理对策见表2。

表1 矿山法铁路隧道风险事件及原因

表2 风险事件及其对策

3 技术(设计变更、施工作业、质量)管理

3.1 目前技术管理存在的问题

隧道修建的基本作业主要有开挖和支护，故技术管理的重点就是对开挖和支护(包括预支护)的技术管理。管理的基本要求是明确的，它包括设计变更、施工作业及施工质量等内容，其基本要求就是要做到“技术到位”或者说是“质量到位”。由于种种原因，目前开挖、支护技术普遍不到位，如设计变更不及时、各项作业缺乏明确的管理基准和方法等，这是粗放式管理的结果。例如： 1)喷混凝土1 d的初期强度要求达到10 MPa，现场是否达到这个指标，多数情况下是不清楚的，这虽然与缺乏快速的测试方法有关，但与管理的关系更大，主要原因没有明确的管理喷混凝土初期强度的意识。 2)锚杆要设置垫板(特别是在软弱围岩中)，可以更好地发挥锚杆的支护效果，可是现场很少设置垫板,如果都按设计要求配置锚杆，技术到位，其效果完全可以显示出来，但实际情况很不理想。 3)钢架也是如此，钢架与围岩是点接触的，不可能与围岩全周接触，只能人为地用楔块等使之均衡地接触，实际上这一点也没有做到。诸此种种，在目前的情况下，只要技术到位，质量自然到位，许多问题完全可以避免，这应该成为作业管理的重点。

作业管理的基础是“情报管理”。作业质量、作业技术是否到位，可以反映在观察、量测获得的“情报”中。虽然在规范和指南中一再强调观察、量测作业是整个施工循环中不可缺少的组成部分，但实际上，我们远远没有做到。下文谈到的技术管理要点，多数是依靠观察、量测结果来判断的。一个合格的技术管理人员，必须把观察、量测管理作为首要任务，并贯彻始终。

3.2 开挖管理

3.2.1 开挖管理内容

开挖作业是隧道的基本作业之一，对开挖作业的管理非常重要。开挖作业管理的重点是对围岩的管理。从目前的施工技术出发，对围岩管理，重点应放在对掌子面前方、掌子面以及掌子面后方拱脚部位等的管理。

在开挖前要清楚掌子面前方围岩的状态，此时短距离的超前预报起重要作用，必要时应采用中、长距离的超前预报方法。如果判断掌子面前方围岩是不稳定的，就必须采取预支护的方法。如采取小导管或长管棚超前支护等来提高掌子面前方围岩的自稳能力或自稳时间。

隧道施工的特点就是在开挖完成后到支护效果发挥前，开挖面应该是保持稳定的，或者是暂时稳定的。因此，要把掌子面当作支护构件来管理。重点是提高掌子面的自稳性、延长其自稳时间，为下一工序作业创造有利条件。如果发现掌子面出现不稳定的迹象，必须毫不迟疑地采取对策。“毫不迟疑”就是“当机立断”，等待和延误都可能造成不可预料的事故发生。目前许多事故都是在没有及时采取对策时发生的，一定要引以为戒。

3.2.2 掌子面管理

隧道施工中的事故多数是发生在掌子面及其附近，故开挖后必须用数码相机摄像或目视观察新揭露掌子面的围岩状况，并做出判断。坚持和建立掌子面观察制度是非常重要的。

图1是利用数码相机对每次开挖后揭露的掌子面摄像的结果，据此可以判断掌子面的稳定状态，并预测掌子面前方一定距离内的围岩变化。掌子面数码摄像或目视观察和量测是基本手段，应留意任何微小的征兆，特别是对拱顶的观察。

图1 掌子面摄像

图2是美国在公路隧道中针对岩质围岩采用的典型的掌子面地质素描格式表，用于记录隧道施工中的地质条件。掌子面素描图反映了每一开挖循环的情况，是正式记录，由承包商和业主代表共同签字。

新掌子面揭露后，作业管理人员的首要任务是与前一次开挖的掌子面进行对比。有经验的人员，很容易根据对比得出围岩是变好了还是变差了的结论。这种对比非常重要，而且易于实施，特别是在具有现代技术的今天。

3.2.3 围岩变形管理

开挖面管理的另一个重点是对挤出位移的管理，这在软弱围岩隧道开挖中非常重要。过去我们基本上忽视了，其后果是掌子面的崩塌不断涌现。日本最近开发的光位移计(Light Emiting Deformation Sensor)可以很好地监测围岩变形，已在一些隧道中试用。所谓光位移计，就是把量测的变形结果在原位置用LED光的颜色表示的方法，也称为“看得见的量测”方法。光位移计方法原理是利用LED二极管能够根据变形量而改变光颜色的功能，来测定围岩的变形(位移值、开裂状态、掌子面崩塌的预兆等)，并根据光的颜色判断变形处于何种状态(如设定白色为安全状态、蓝色为警戒状态、红色为危险状态等)，是一种更快、更易于感知围岩变形的方法。光位移计的显示见图3。

图2 掌子面地质素描图例[1]

图3 光位移计的显示

为了验证本装置的功能，在室内进行了监测掌子面挤出位移的模拟试验,见图4。试验表明，光位移计可以模拟再现掌子面开挖后的动态。如图4所示，在初始状态时是白色的，挤出位移出现后位移计变为蓝色，这种变化，作业人员很容易识别。

目前开发的具有 “量测”和“视觉结果表示”两功能兼备的光位移计，可配置在施工现场，能够尽早开始量测，并且一旦变形发生，周边作业人员就可以立即获得情报。

(a) 白色安全状态

(b) 蓝色警戒状态

日本在长4 323 m的山岭隧道中埋深约300 m的蛇纹岩地段设置了光位移计，进行了实地试验。光位移计在掌子面设置的状况见图5。

图5 在掌子面设置的状况

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

掌子面后方围岩管理的重点是初期位移速度，它决定了最终可能发生的位移值。因此，第1个量测点的设置极为重要。一般来说，应在开挖后不迟于下一循环开始前，设置好第1个测点。

在软弱围岩中要特别关注掌子面的挤出位移。除可根据最终位移值、初期位移速度、收敛状况来判定隧道及其周边围岩的稳定性外，还可以评价量测结果，进而选取合适的支护模式。目前，在围岩动态管理中，规范和强化量测管理非常重要。

3.3 支护管理

支护管理的最终目的是把可能发生的位移值控制在容许范围内。一方面要知道可能发生的位移的大小，另一方面要确定容许位移值的大小，这两者是密切相关的。前者需要借助解析方法，后者可根据有关规定确定。发生大变形的围岩是客观存在的，在这种情况下，如何把变形控制在容许范围内是管理人员的责任。

3.3.1 预支护管理

在软弱围岩中采用的预支护属于超前支护。一定要做到长度合适(不宜过短)，采用能够形成拱形构造的超前支护。这些支护构件的变异，发现时要如实记录，掌握其变异的发展状况。当发现掌子面有不稳定现象时，必须立刻对掌子面采取超前的预补强措施，如掌子面锚杆、喷射混凝土等。

在整个支护管理中，要加强对已支护地段的监视。已支护地段的支护发生的任何征兆，都可以用来作为改善未支护地段支护的依据。

3.3.2 初期支护管理

初期支护的管理包括喷混凝土、锚杆及钢架的管理。初期支护是确保开挖后的围岩保持稳定的基本作业，是把开挖后围岩的变形控制在容许值内的基本手段。因此，初期支护管理的重点应放在初期支护的技术管理上。

3.3.2.1 喷混凝土的管理

喷混凝土的强度一般分为初期强度、某一龄期强度(如7 d强度)、长期强度(一般指28 d强度或91 d强度等)以及喷混凝土与围岩的附着强度，其中要重视对初期强度和附着强度的管理。规范要求喷混凝土1 d的初期强度为8～10 MPa，有的国家(如日本)要求3 h的初期强度达到3 MPa。为此，喷射前要进行配合比试验，确认其初期强度，在喷射后进行检验。此外，为确保大断面隧道的喷射质量，不能用多台小容量的喷射机代替大容量的喷射机。必须强调的是： 最佳配合比是通过喷射试验决定的。现场必须建立喷混凝土初期强度试验的制度，规范喷混凝土初期强度的测定方法。喷混凝土之所以能够发挥支护效果，附着强度起重要作用，但现场很少测试喷混凝土与围岩间的附着强度。因此，建立喷混凝土与围岩间附着强度的测试制度也是必要的，必须改变目前有强度指标无检测方法的状态。对喷混凝土而言，作为初期支护的仰拱，具有及时闭合开挖断面的功能，故在早期闭合的施工方法中，一定要重视喷混凝土仰拱的管理，特别是对仰拱与边墙连接处的作业管理。

3.3.2.2 锚杆管理

一般来说，锚杆不是开挖后立即施作，而是在离开掌子面一定距离施作，并最好采用机械手施作，以避免无支护地段掉块的风险。为充分发挥锚杆的支护功能，垫板的设置是必不可少的，特别是在比较软弱的围岩中。而我们基本上不设置垫板，这种情况必须改变。应尽可能地采用已经商品化的锚杆；即使现场自行制作，也必须严格按照锚杆的基本规格进行，这是确保锚杆质量的前提。注浆式锚杆的支护效果，取决于注浆的质量，注浆的密实度或充填的否饱满是极为重要的。建立注浆密实度检验的方法刻不容缓，这方面的管理有待加强。

3.3.2.3 钢架管理

钢架是在不良围岩条件下采用的支护构件之一。钢架变异后要综合分析包括量测值在内的结果，推定变异产生的原因并采取切实的对策。一般来说，钢架变异多源于荷载的不均匀作用或局部作用，这和钢架与围岩的接触状态有关。在施工中，一定要做到钢架与围岩均匀接触，让荷载作用均匀。能否让钢架均匀承载，是目前钢架施工中亟待解决的问题。

应该指出，初期支护中的喷混凝土、锚杆和钢架在多数情况下是联合工作的，发挥三者的协调作用非常重要。在管理上，一定要根据揭露的围岩状态来规划三者的施作顺序。

3.3.3 二次衬砌管理

3.3.3.1 与仰拱连接管理

二次衬砌与仰拱的连接面要能够传递轴力，一定要按照设计图施作，让二次衬砌与仰拱能够形成一体的封闭构造，这一点非常重要，否则会极大降低二次衬砌的承载能力。

3.3.3.2 施作时机管理

衬砌的施作时机视衬砌的功能决定，在一般围岩中，二次衬砌基本上是在位移收敛后施作，因不受土压的作用，开裂是比较少的；也可以在整个隧道开挖完成后施作(这是国外和岩石隧道中的普遍做法，特别是在长度较短的隧道)或者离开开挖面一定距离(一般100～200 m)后施作。但在第三纪的泥岩、凝灰岩、蛇纹岩等围岩中，因其成因和组成具有膨胀性，开挖后围岩劣化，产生塑性地压并随时间增大，需提前施作仰拱的情况下，二次衬砌可在变形基本收敛后施作。

如果初期支护(包括预支护在内)，都达到“技术到位”的要求，二次衬砌施作时机完全可以从容处理。我们强调“安全步距”，实质上是对初期支护或预支护效果不放心，强调“安全步距”不如强调提高初期支护或预支护的技术质量，两者的得失是不能比较的。

3.3.3.3 衬砌初期缺陷管理

二次衬砌潜在的初期缺陷是损伤衬砌耐久性的重要因素，衬砌管理必须把可能出现的潜在初期缺陷消灭在施工阶段，不留后患。衬砌的初期缺陷包括二次衬砌混凝土不密实、强度不足、背后有空洞、厚度不均匀、拱顶厚度偏薄且有空隙、衬砌混凝土存在潜在的裂缝等。日本根据造成混凝土开裂的主要原因，列出精细的管理要目(见表3)。

在初期缺陷控制上，制定了衬砌施工核查卡(见表4)。由监理与施工人员在模板设置、混凝土浇筑、模板拆除等各施工阶段共同签字确认，确保二次衬砌的施工质量达到设计要求。

表3 混凝土潜在开裂的分类及其发生原因[2]

综上所述，只有管理到位，技术才能到位，质量也才会得到保证。归根结底，还是要“管理到位”。

表5给出了管理项目、施工中应重点关注的现象及其对策。优先选定哪种对策，可根据围岩条件、施工方法、补修状态，同时配合监控量测结果来综合判断。

表4 衬砌施工核查卡

表5 施工中的现象及对策

4 结语

精细化管理、精准管理、信息化管理等词语不断出现，其目的就是要求“技术精细到位”。不管技术多好，做不到位，一切免谈。对隧道这样的隐蔽工程，这一点尤为重要。在这方面管理层要下大力气，不可等闲视之。

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

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

[2] 东、中、西日本高速道路株式会社.トンネル施工管理要领[S].[S.l.]: 东、中、西日本高速道路株式会社,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

关宝树(1932—)，男，辽宁人，西南交通大学教授，博士生导师，从事隧道及地下工程教学和科研50余年，隧道与地下工程资深专家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

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

U 45

A

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