关键词：隧道工程；初期支护；病害；统计分析
中图分类号：U455.7文献标识码：A文章编号：1006-8937（2013）11-0131-03
隧道支护体系中，初期支护是最主要的承力结构，二次衬砌主要作为安全储备。隧道施工过程中，由于开挖引起应力重分布，围岩压应力使支护体系发生变形，一旦支护抗力难以满足围岩压力时，初期支护就会出现不同程度的变形和破坏，轻则出现喷射混凝土裂缝、剥落，重则出现钢支撑扭曲变形，侵入二衬净空界限，甚至引起隧道塌方等严重的事故[1]。初期支护病害的产生严重的影响了工期，提高了工程费用，增加了安全隐患。目前，已有大量文献对出现初期支护病害的工程进行了详细的报道和原因分析。如曾蔚等对宜万铁路159座隧道中发生初支病害的隧道进行了原因分析，并提出了治理方案[2]；齐广林等对大华岭右线初期支护变形下沉垮塌原因进行了分析[3]；杨超等对老寨左幅隧道洞口初期支护严重变形破坏进行了原因分析与处理措施研究[4]。本文收集了57座出现病害的实例资料，对各隧道病害产生的原因进行了整理分析，并采用1-9标度法计算得到了各原因在隧道病害中所占的权重，所得结论对类似工程的设计与施工有一定的参考意义。
1初期支护病害原因统计
就收集的文献报道来看，绝大部分对隧道初支病害原因的分析都是定性的。如文献[5]对火车岭隧道出口右幅YK55+108～+113段拱顶初支严重扭曲并坍塌的原因分析指出，围岩的岩性与产状是造成病害最主要的原因，其次则分别是衬砌支护强度不足、水压力的影响以及构造应力的影响等原因。文献[4]对厦蓉线老寨隧道左幅初期支护变形病害原因分析指出，围岩级别低和降雨是最主要的原因，其次则是施工问题以及隧道浅埋偏压的影响。由于定性的分析不便于统计分析，因此本文引入模糊数学中常用的SattyT.L.1-9标度法[6]，将收集文献的定性分析定量化。1-9标度法含义如表1所示。
根据表1对各工程病害原因进行分析标度，统计每个原因在具体工程病害中所占权重。其具体步骤为：
①根据文献记载中各原因的重要性进行两两比较，构造判断矩阵如下：
A=a11…a1na1n…a1n，其中aij>0，aii=1
②确定各指标的权重，求出判断矩阵最大特征根lmax对应的特征向量W，则AW=lmaxW。将W进行归一化计算，得到各原因的权重分配。如文献[7]对山西古交屯马线屯村隧道初支衬砌渗漏水、裂缝等病害进行分析后指出，最主要的原因是：地下水较丰富，冬季结冰冻胀，且水中含有硫酸盐，对隧道混凝土衬砌具有侵蚀性；施工质量较差，拱部衬砌混凝土厚度严重不足，顶部严重拖空，衬砌背后无排水设施等。可以看出，地下水影响和施工质量较差是隧道发生病害的原因，且两原因占据着几乎同等重要作用，因此其权重分配为A1=（地下水影响，施工质量差）=（0.5，0.5）。按照上述统计方法，得到收集的57座隧道初期支护病害原因统计结果，如表2所示。
2统计结果分析
文献资料的统计结果表明，造成隧道初期支护破坏的主要原因有围岩级别低、不良地质构造、浅埋、偏压、地下水、降雨、施工质量，勘察设计质量以及监控质量等因素。且病害的产生都是在几种因素共同作用下发生的。根据统计数据可以，各影响因素的权重为
A=（围岩级别低，不良地质，浅埋，偏压，地下水，勘察设计原因，施工原因，降雨，监控量测）=（0.2，0.12，0.08，
0.07，0.14，0.07，0.16，0.14，0.01）。
从表2可以看出，57座隧道发生初期支护破坏的隧道中，围岩级别低为最主要原因，有45座受到了该因素的影响，其次分别为施工、地下水影响、降雨影响、不良地质、浅埋、偏压、勘察设计和监控量测。上述原因可划分为两类，一类是受地形、地质、气候等客观影响因素，不良地质、浅埋、偏压，地下水、降雨等均属于该类，而另一类则是与人的行为有关的因素，如施工质量、勘察设计质量以及监控量测是否及时准确等。按上述分析，本文将第一类因素称为客观因素，第二类因素成为主观管理因素。虽然围岩级别低造成隧道初支病害反映了设计、施工等主观认识上的不足，但考虑到这种认知是受客观技术水平、地形、地质等条件影响的，因此本文还是将其化为第一类因素，即客观因素。由此可以看出统计的资料中，客观因素和主观管理因素各占的比例为A2=（客观因素，主观管理因素）=（0.76，
0.24）。也就是说，在引起58座隧道初期支护病害的原因中，人为可控的因素占到了24%。
2.1客观因素
客观因素中，围岩级别低所占的比例最大，其次是地下水、降雨、不良地质、浅埋和偏压。目前隧道几乎都采用的新奥法施工方法是以维护和利用围岩的自承能力为基点的，而级别低的围岩自稳能力差，很难形成自承体系，施工中如果支护不够及时或支护反力不够，围岩会产生松弛破坏，从而导致初支病害的产生。
地下水对隧道衬砌的影响主要体现在：
①地下水中含有丰富的腐蚀性物质，对隧道衬砌产生侵蚀，进而引起衬砌病害，如屯村隧道[7]。
②地下水富集形成巨大的水头压力，并作用于隧道围岩，引起隧道失稳。如京源口隧道[8]，就是拱顶上部的松散破碎体在水头压力作用下涌向掌子面，形成泥石流。
③弱化围岩质量，造成围岩级别进一步降低，如苇元隧道[9]。文献[10]对同一条件下V级和VI级围岩进行的开挖模拟表明，VI级围岩条件下隧道开挖后的位移要远远大于V级围岩。因此水对围岩的弱化影响是绝对不能忽视的，特别是在围岩本事质量就较差的情况下。降雨对隧道的影响主要也是体现在对围岩质量的弱化上，如老寨隧道[4]等。陈伟、阮怀宁[11]等对降雨条件下浅埋偏压隧道的稳定性做了系统分析，指出降雨入渗将使隧道衬砌的最大弯矩增加近1倍。
本文统计资料的不良地质因素主要是受断层破碎带的影响，如旱台子2#隧道进口，富溪隧道以及黄果树隧道均是如此。断层的存在一方面使得围岩极为破碎，而另一方面也为地下水或雨水的下渗和汇集提供了通道。
受浅埋影响的隧道开挖后上方不能形成稳定的自然拱，容易产生塌方和冒顶的病害。偏压对隧道的影响主要体现在衬砌结构受力、洞口边仰坡稳定以及设计施工3个方面：
①由于隧道存在偏压，作用在隧道衬砌上的荷载不对称，容易导致衬砌结构剪切破坏，特别是地形和地质因素引起的偏压，对隧道结构体系影响最大。
②偏压隧道开挖后围岩应力释放，隧道深埋侧山体会产生下滑的偏压推力，挤压浅埋侧围岩，容易导致地表开裂，边坡失稳。
③隧道偏压情况下，对隧道的开挖方法、开挖顺序及其支护形式有很高的要求，工序复杂，技术要求高。
值得注意的是，57座隧道中有41座处于洞口段（见表2），表明洞口段则更容易产生病害。从表2可以看出，洞口段一般围岩级别均较低，且更容易受不良地质的影响。另一方面由于洞口段存在横坡和仰坡，隧道的掘进事实上是一个三维受力问题，因此较洞身段开挖受力更为复杂。
2.2主观管理因素
主观管理因素主要是指与人的行为密切相关的因素，如施工质量、勘察设计质量以及监控量测是否及时准确等。前文分析结果指出，该类因素在隧道初支病害原因中的比例占到了24%，表明主观管理因素对隧道初期支护安全性有较大的影响，尤其是施工质量。显然，主观管理因素较客观因素在管理上更好控制，因此应着重加强主观管理因素的控制，如提醒施工方一定不能盲目施工抢进度，勘察设计一定要尽可能提高质量以及监控量测需及时准确等。尤其是在客观因素影响较为严重且不可避免的情况下则更应如此。
3结论
对57座产生隧道初期支护病害的隧道进行了收集和整理，采用1-9标度法将造成隧道初支病害的原因定量化，得到了如下结论：
①57座隧道发生初期支护破坏的隧道中，围岩级别低为最主要原因，有45座受到了围岩级别低的影响，其次分别为施工质量、地下水原因、降雨影响、不良地质、浅埋、偏压、勘察设计质量和监控量测。各影响因素的权重为A=（围岩级别低，不良地质，浅埋，偏压，地下水，勘察设计质量，施工质量，降雨，监控量测）=（0.2，0.12，0.08，0.07，0.14，
0.07，0.16，0.14，0.01）。
②将影响因素归为客观因素和主观管理因素两类，分析表明，主观管理因素在隧道初支病害原因中的比例占到了24%。该类因素相对更容易管理，在隧道施工过程中应加强控制。尤其是在客观因素影响较为严重且难以避免的情况下则更应如此。
参考文献：
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关键词：隧道工程；发展；前景展望
中图分类号：U445文献标识码：A文章编号
0引言
隧道工程涉及到很多学科，包括力学、物理学、系统工程、现代数理科学、人工智能、材料科学等等，这些学科的发展促进了隧道建设。而隧道建设技术的发展也促使这些学科不断完善。随着人口增长，城市化的发展，土地资源日益变得紧缺，而人类对环境的要求越来越高，隧道位于地下的特点可以有效的节约土地，保护环境使得隧道成为一个很好的选择。随着地下空间利用的普遍化，而且隧道可以保证行车安全、缩短车程、避免灾害等优势也促使隧道建设技术发生质的变化。
1隧道工程发展的状况
随着理论、机械、现代技术等发展，隧道的建设也在不断地发生着变化。隧道公路的发展状况按时间大致可分为下面三个阶段：
1.1古展状况
人类很早以前就知道利用自然洞穴作为住处。当社会发展到能制造挖掘工具时，就出现了人类挖掘的隧道。
在我国最早有文字记录的地下人工建筑物，出现在东周初期（约公元前七百年）。《左传》中有“……掘地及泉，隧而相见……”的记载。最早用于交通的隧道为“石门”隧道，位于今陕西省汉中市褒谷口内，建于东汉明帝永平九年（公元66年）。用作地下通道的还有安徽毫州城内的古地下通道，建于宋末元初（约十三世纪），是我国最早的城市地下通道。
这个时期主要的开挖主要依靠“火焚法”和铁锤钢钎等原始工具，体力劳动和施工难度非常高。隧道建设还处于经验阶段，一切还是根据建造者的长期经验积累，没有什么理论作为指导。
1.2近展状况
岩石力学关于地层压力的研究也在14世纪有所发展。到20世纪初期，岩石力学已经去的了质的飞跃，形成了“连续介质理论”和“地质力学理论”。而这些理论已经被用在地下工程中，前一理论在被用来对隧道开挖、围岩与支护共同作用进行数值分析计算。后一理论是现代信息岩石理论的雏形，该理论就是著名的“新奥法”。
理论研究为隧道建设提供了更多的可能。由于当时的隧道建设规模等不算太大，这些理论在一定程度上对隧道的发展起到了积极的作用。但随着隧道建设的不断发展，这些理论的不足逐渐暴露出来。理论与实际的联系还是有一些滞后，经验性的东西没有足够的理论支持。
1.3现展状况
现在，道路已成为国家的重要资源，对于促进国家经济增长、提高人民生活质量、维护国家安全等都具有重要价值。道路的发展不仅仅是经济的需要，也是人类文明和现代化的组成部分。而隧道作为道路中的重要节点有着至关重要的作用。我国隧道建设在近些年的建设中取得了飞跃式的发展。如秦岭终南山公路隧道，单洞长18.02km，双洞单向交通，建设规模世界第一，中国公路隧道之最。厦门翔安隧道是中国大陆第一座大断面海底隧道，对我国隧道建设技术的进步和发展，缩小与世界先进水平的差距，起到了里程碑式的作用。目前在建的港珠澳跨海大桥中的隧道部分，也代表中国乃至世界隧道发展的最前沿。
新奥法是20世纪40年代开始发展起来的，它是以混凝土和锚杆为主要支护手段的一种方法。新奥法能充分利用地层地质条件。随着理论上的日臻完善，将会在地下工程中得到更加广泛的应用。而计算机的运用，使隧道在开挖前期，就可对隧道的开挖、施工、通风等进行数值模拟，可以得出虽然数值模拟在精确程度上和工程实际上的要求还存在一些差距，但其还是能准确反映出工程的整体力学性状和发展趋势，采用数值模拟指导公路隧道的施工也是十分必要的，十分经济的。
2隧道工程发展前景展望
21世纪，是一个科技发展日新月异的世纪，全球人口已突破60亿，土地资源的短缺日益成为各国共同关注的交点。地下空间的利用也将被更加的重视。展望隧道施工的发展方向，隧道施工应着重开展以下方面的工作：
2.1加强隧道工程理论的研究
理论对实践起到指导的作用。隧道工程中的理论研究主要是对隧道中的围岩进行研究。通过多学科的交叉研究，主要从围岩的物理力学性质出发，研究围岩变形破坏的方式以及围岩的赋存、受力情况，这样就可以选择合适的开挖方法，选择合适的支护时机和方式等等。在未来的发展中，还需要这方面的不断研究来促进对隧道围岩的认识。
2.2加快隧道工程施工新技术的研究
目前，隧道施工中的机械化程度还不是很高，还需要大量的人工，费时费力，隧道施工机械要随着机械工业化的水平不断提高。全断面掘进机、盾构机等的使用到不同岩石、土的限制未来应对它们的适用性、便利性等做更多的改进。
目前应用高压水的射流破岩技术已经过关，它能以很快的速度在花岗岩中打出炮眼，再在坑道周围用高压水切槽，然后爆破破岩。这样可以少用，甚至不用炸药，可以保护环境。但消耗功率较大，设备成本较高，技术上还未达到十分成熟的程度，未来需要在这方面进行更多的研究
2.3加强现代科技在隧道工程的运用的研究
现代计算机的应用遍及各行各业，隧道工程的数值模拟也取得了很大的进步，但由于各个软件的局限性，并不能完全模拟出隧道工程开挖、施工、后期运营等过程，这些在目前只能作为工程参考，这就为我们以及软件行业提出了新的要求。
3结语
隧道工程是一项庞大的工程，涉及的方面很多，包括工程理论的研究，各种新技术、新方法对隧道建设的冲击而带来的不断的技术更新，各种工程方法的模拟等等，这些都为隧道工程的发展提供了条件。随着科学技术的发展，隧道工程也将不断完善，以适应工程建设需要。
参考文献：
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作者简介：
1.“隧道工程”课程特点
(1)“隧道工程”课程内容繁杂而又有较强的独立性。该课程涵盖的知识面广泛,要想学好隧道工程,不但要掌握岩石力学、土力学、工程地质学、结构设计理论等方面的专业知识,而且必须理解隧道自身的理论体系和具体的施工工艺。如隧道新奥法的施工理念、原则和实施流程等。
(2)“隧道工程”课程与工程实践密不可分。在实际设计与施工中,必须遵循行业内的各种规范和规程。在课堂教学中,也必须将这些规范、规程中的核心内容贯穿于教学过程中。因此,该课程与国家制定的行业规范、规程紧密联系。不同行业的地下工程由于其面临的工程地质条件和研究对象不同,导致其设计理论和施工方法差别很大。在本课程的教学过程中,要坚持以各种行业规范为指导方向。同时由于行业规范众多,如同是隧道设计,高速公路隧道设计依据《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004),铁路隧道设计则依据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005),城市交通隧道设计则依据《地铁设计规范》(GB50157-2003),相应的施工规范有公路隧道施工技术规范、铁路隧道施工规范、轨道交通工程施工规范等。因此,该课程在学习过程中要以工程规范为指导方向,掌握隧道设计与施工方面的基本概念、基本原理,又要重视对工程实践经验的积累,授课时不能过度依赖于规范。所以,在教学过程中要以基本理论、基本概念以及基本的设计计算方法作为基石,通过接触工程实例,逐渐掌握乃至以理解工程规范的内容和内涵。
(3)“隧道工程”是一门工程实践学科,是从工程中逐渐发展而来。隧道是一种埋置于地层中的工程建筑物,它是由围岩紧紧包裹的,围岩对隧道结构产生作用,又是主要承载结构之一。围岩与隧道结构存在相互作用,且由于隧道施工过程中遇到的工程地质条件和水文地质条件复杂多变,现有的理论体系还不能较好地解释实际工程问题,当前隧道工程中的许多施工新方法、新技术等不断诞生,但这些都需要从理论上提升对其认识水平。因此,“隧道工程”这门课是一门理论和实践紧密结合的课程,在授课过程中,只有将书本上的理论知识和工程实践紧密结合,方能取得良好的教学效果。
2.“隧道工程”课程存在的问题
(1)教学课时减少与教学内容增多的矛盾。随着隧道工程学科的发展,许多新理论、新方法、新工艺不断涌现,隧道工程课程内容越来越多,而随着高校教育改革的实施,各课程课时精简势在必行,“隧道工程”课时压缩幅度较大,要满足该课程的基本教学内容要求非常紧张,满堂灌现象普遍,学生对该课程内容的掌握和应用难度较大。
(2)课程教学内容的更新与学科发展相比明显滞后。现在隧道工程方面的教材或著作很多,但可作为参考的却为数不多,很多教材或著作知识更新过慢、大同小异。各种教材阐述的重点存在差异,缺乏规范的编写机制,所涵盖的内容也不够完善,尤其隧道的最新施工技术、施工工艺及支护设计理论未能及时更新,大多是泛泛而谈,介绍最新研究成果的内容不多。很多目前应用广泛的新技术在隧道工程教材中并未加入,如光纤监测技术已在隧道工程监控量测中得到较好应用,但在现有的教材中却较少提及。
(3)教学模式比较单一,学生学习积极性差。教学方法或教学模式应紧扣教学大纲,针对不同章节的教学内容,选取合理有效的教学手段,只有这样才能提高本门课的教学质量。现在高校中采用的仍然是传统的注入式教学模式,启发式、讨论式模式较少,学生大多被动接受课程内容,缺乏积极性和主动性知识,加上课外作业过多、负担过重,教学效率很难得到进一步提高,这在一定程度上也影响到高校本科生的专业能力培养。
(4)课堂教学与工程实践脱节严重。“隧道工程”,顾名思义只有与工程紧密联系才能讲好这门课,这就要求授课教师必须做到理论与实践相结合。但由于隧道现场施工时,经常会使用炸药、雷管和一些大型的机械设备,且施工作业面狭窄、洞内环境差,学生的现场安全难以得到保证,很多施工单位也不愿意接受学生去实习或参观。因此,学生只能靠想象,不能对隧道整个施工过程有深刻的理解,难以形成系统的、全面的知识体系。
二、隧道工程案例教改思路
(1)文献检索。利用互联网搜索,查阅国内外隧道工程相关研究及教改最新文献,学习前人的教改思路与经验,了解隧道工程课程教学改革现状与发展趋势,对具有代表性、典型性的工程案例进行收集、整理,然后根据授课内容中的知识点进行类型划分。
(2)现场调研。针对当前隧道工程各种重大灾害,如塌方、失稳、冲击地压、突水突泥等,进行野外调研,获取第一手现场资料。通过平时带领学生实习或参与课题组科研项目的过程中,搜集不同领域的隧道工程案例,如大型水利工程、长大交通隧道工程、深部煤矿工程的文字、图纸、现场照片和录像等相关资料,并运用隧道工程的相关理论对具体工程及灾害进行深入剖析。
(3)课前案例教学准备。对案例进行合理的筛选与设计,首先要将教学内容融入案例之中,将多媒体教学与案例教学相融合;其次根据教学内容和学生特点,选取和设计有针对性的案例,突出关键知识点,拟将工程案例分为课堂引导类、课堂讨论类、课外思考类三类进行分别设计;最后通过对案例进行深入剖析,设置案例思考题,并提出一系列解决方案或思路。
(4)课内案例教学的组织与实施。设计合理的教学过程,通过案例引入、案例分析和讨论、概括总结、布置作业四个环节,调动学生的积极性和创造性,实现工程案例教学的目标,让学生能够通过课堂学习,实现举一反三,触类旁通的效果。
(5)课后案例教学的改进与完善。一方面虚心向教学经验丰富的教师请教、咨询;另一方面积极与学生沟通、交流,探讨工程案例教学效果,认真思考总结各教学环节,找出存在的不足,对案例中所涉及的问题进行必要的补充,从案例的设计和实施方案上不断完善。
(6)典型工程案例库的开发与网上实现。构建隧道工程案例专题库,并基于Web技术实现案例资源信息的整合与共享,建立基于网络的隧道工程案例教学资源平台。将课堂讨论及分析案例在网上予以更新,便于学生对所学知识进行课下复习和及时巩固,通过网络的交互功能,增强学生的学习积极性,提高学习效率和学习质量。
三、小结