在不确定条件下高速铁路长隧道的岩土力学设计方法

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1、在不确定条件下高速铁路长隧道的岩土力学设计方法在不确定条件下高速铁路长隧道的岩土力学设计方法P i e r g i o r g i oG R A S S 0 ，S h u l i nX U ，M o r e n oP E S C A R A ，G i o r d a n oR U S S O 。L u c aR E P E T T 0( 意大利G e o d a t a 公司)摘要：深埋长隧道的岩土力学设计常常是在书件不确定的情况下进行的，而施工和运行期问的安全要求殳十分严厉。在选种情况下，岩土力学设计应采用一种基于风险分析和管理的创新方法来进行，同时采纳概率统计技术来进行岩土力学的特性鉴定和

2、设计分析。这种创新的方法已经由本文作者研究出束井在最近几年已经应用在许多工程项日本文将介绍这种新方法并对一些关键点作解释。应用这种方法的详细步骤将姑舍一十实例予以阐述。最后还要糟出，对于深埋长隧道施工，后方勤务和工作场地的设计与隧道本身的岩土力学设计是同样重要的，不认识这一点可能奢导最工程的不成功。关键调：高速铁路；铁路隧道；长太隧道；深埋隧道；隧道设计，设计方法I 风隆分析 意大利1 引言在进入岩土力学设计的纯技术方面之前，先考查一下下列几个大题目应是有益的。1 1 深埋长隧道的要求国内与国际经济的可持续发展包括建设高教的特大型基础设施的全球化努力要求建造一些深埋长隧道。这些需要可能来自于不

3、同的部门，例如高速铁路网、高速公路网、横穿海峡工程、区域性的区域间的或跨国的调水、送气、输油项目。高速铁路系统代表一种特别的、战略性的、特大型的基本建设项目，因为这种为了今后数代人的未来的生命线工程常常需要建设深埋长隧道，因为它穿越了天然屏障，可以加速区域的联系，或者，因为它将部分系统置于地下，可以减小对环境的影响。以上情况对于中国是特别中肯的。例如在2 0 0 6 年在韩国的I T AW T C 2 0 0 6 活动期间举行的l T A 一中国合作讨论会上，透露了中国的一项雄心勃勃的中长期铁路网计划。按照这项计划，到2 0 2 0 年，在中国运行的铁路线总里程将预计达到i 0 0 0 0 0

4、 k m 。在主要繁忙的干线上做到客、货运分开，双线率和电气化率将提高到5 0 。为达到这些目标，将开展以下项目：( 1 ) 新建1 2 0 0 0k m 客运专线，速度要达到2 0 0 k m h ，这样一个连接省会与中大型城市的四纵四横铁路网以及其他三个城际客运系统将发挥其功能。( 2 ) 在中国大西部建设1 6 0 0 0 k m 新线，从而将改善铁路网的布局。( 3 ) 通过建设1 3 0 0 0 k m 二等线并对现有的1 6 0 0 0 k m 线路进行电气化，对现行线路进行升级，并在铁路网新开一些枢纽点以扩大运力。根据上述计划在高速客运专线将修建总长超过10 0 0 k m 的隧

5、道。在其他客货混用铁路线上将修建超过25 0 0 k m 的隧道。在高速客运专线上的许多新隧道将是深埋长隧道，总长超过4 0 0 k m ( 参见1 2 节中关于深埋长隧道定义) 。1 2 深埋长隧道的主要特点首先，本文中所说的深埋长隧道，如同那些高速铁路隧道，指的是长度通常在i o k m 以上、沿洞线的覆盖粕O2 0 0 6 中国高速铁路隧道国际技术交流会论文集层厚度大于5 0 0 m 的隧道( 洞) 。因此，与浅埋的短隧道相比，这种深埋长隧道有以下主要特点：( 1 ) 需要许多年来规划，常常为2 0 3 0 年，这是由于政治、社会、和财政方面的原因和不确定性。( 2 ) 需要较长时间来建

6、没，常常为7 1 5 年或甚至超过2 0 年。( 3 ) 是复杂的土木工程系统，不仅需要建直径非常大的隧道( 出于空气动力学的理由) ，而且需要建大规模的用于运行安全方面的地下附属建筑物。( 4 ) 要处置的被开挖土石料数量巨大，常常为数百万至数千万立方米，所需的建筑材料( 例如砂石骨料、水泥、钢材等等) 的数量也十分巨大，靠当地的供应源常常难以或甚至不可能满足这要求。( 5 ) 常坐落在边远和高山地区，交通条件困难，现存的基础设施非常有限。( 6 ) 然而在建设阶段，它们对环境的要求常常比较高( 如工地，进和出的后勤供应，交通运输，以及渣土的处置，都涉及环境问题) 。( 7 ) 沿隧道轴线的

7、地层条件比较复杂，比如地质多变化甚至变化剧烈和不均匀性，活性断层，瓦斯气等等。( 8 ) 深的覆盖层意味着高地应力、挤压的状态、岩爆的条件、水压很高的高压水，以及在隧道高程的高地温等等。( 9 ) 如同其他地下建筑工程，受时间和成本的限制条件，由于所需投资的规模在深埋长隧道的情况下这些限制条件要大得多，显著得多。因此，深埋长隧道的特点在于设计与施工的不确定性和高风险性，因为对其地质与水文地质条件以及岩土力学条件常常是知之甚少尤其在项目开发的初期。一般来说，埋深越深，不确定性就越大，在隧道掘进中遇到不利或未知条件的概率也越高，为减少不确定性而进行的现场调查所投人的力量以及成本将越大。换句话说，一

8、般来说困难的自然环境( 大的埋深、复杂的地质、恶劣的气候) 是许多不可预见因素的一个来源，也是施工所需成本和时间变化较大的原因尽管人们作了许多认真的研究。关于典型的不利条件或危险( 风险因素) ，请参见G r a s s o 等人( 2 0 0 6 ) 与G r a s s o 和x u ( 2 0 0 5 ) 所作分析。显然，如同浅埋短隧道的施工，减小不确定性和风险的首要措施是进行现场调查。然而，在深埋长隧道工程，隧道之长、覆盖之深、以及进人条件之难等所有困难条件，要进行广泛的现场调查是非常困难的。理论上说，为了设计一个现场调研计划，为减少地质、水文地质和地质力学条件的不确定性以及与这些条件

9、有关的施工风险，应进行初步的风险分析和成奉效益分析。但是在任何情况下，按照作者的经验，有些技术诸如能钻非常深的孔的定向钻孔技术( 用它一直钻孔到隧道高程) 是非常耗时和昂贵的，而且结论也并不总是那么理想的，再则，也不可能用定向钻调查隧道全线。替代方案可以包括：在主隧道施工前挖一条连续的探洞；或不挖探洞，而是超前隧道掌子面进行系统的连续的水平超前钻探( 超前数百米) 。然而，应当指出，打一条连续的探洞可能会面临与主隧道所面临的同样的不确定性和风险。换句话说，在长隧道项目开始施工的不论已经开展了多少现场调查，在地层条件方面总还存在一定程度的残余不确定性。即使是非常广泛的现场调查也不可能揭露将被深埋

10、长隧道穿过的地层的所有特点，总可能会遇到未预计到的情况。因此，即使在进行了重大的及相关的现场调查以后，仍必须考虑一些依然残存的风险。除此以外，规划和调研工作的连续性应自始至终得以确保，这样能将早期阶段的解释用到详细设计和施工阶段中。1 3 面对设计和施工的主要挑战首先，如同在1 2 节中的分析所作的结论，一个带共性的问题、也是主要的挑战足，深埋长隧道的岩土力学设计不得不在不确定的条件下进行，但足对施工和运行期的安全有严格的要求。岩土力学设计的挑战几乎总是被政治的、社会的、财政方面的挑战所融合。但是，在当今变化快的世界，政治家们和公众的容忍度差，没有耐心等几十年才看见一项战略性项目建完。财政的压

11、力也逼迫人们快速的解决，以便对投资要有快速的确保的经济回报。另一方面，政治家们、项目的融资人以及公众( 既是纳税人也是最终用户) 都要求项目关于成本和延续时间的预算有一个确定性。比如，在L y o n - T u r i n 高速铁路项目中( 它包括两条深埋长隧道，隧道总长度将近6 5k m ) ，为了对其国际段编制一个所谓的“参考设计”，给设计师提出的一个主要目标是，“对实现这项民用工盔! 磊曩在不确定条件下高速铁路长隧道的岩土力学设计方j 去程的成本和时间进行估测，并通过规定有关的不确定性和风险程度给出关于这项估测的可靠性”。然而，R e i l l y ( 2 0 0 1 ) 认为，地下

12、工程和复杂的基本建设项目在成本估测方面的问题长期来一直是这种项目所特有的。对于历史，F l y v b j e r g 考察了2 5 8 个时间跨度有7 0 多年的项目后发现，在那些年代难以作出精确的成本预测是经常的事( 此项发现曾在F l y v b j e r g 等人2 0 0 2 年的文章里报告过，文章用了一个非常引人注目的题目在公共工程中成本总是估计不足，是错误，还是说慌? )上述矛盾的挑战却又是互相关联的，很清楚，其链环就在项目的不确定性和风险上。实际上，风险分析与管理一直是I T A ( 国际隧协) 会议的日程中一个永恒不变的主题，通过会议的活动，为风险鉴别、风险分析和减缓措施以

13、及更好地实践风险管理，建立了有关导则、程序及模型( I T A ，2 0 0 6 ，G r a s s o 等人，2 0 0 2 ，R e i l l y等人1 9 9 9 ) 。特别应该指出的是，华盛顿州交通局( W S D O T ) 在回顾一系列的大型复杂交通工程之后，决定开发一项更好的成本估测程序，委任J o h nR e i l l y 国际协会为咨询和推广人。根据R e i l l y ( 2 0 0 6 ) ，W S D O T 所开发的程序认为：( 1 ) 直到现在，人们一般都未能充分地承认，任一项未来成本或计划的估测都涉及实质上的不确定性( 风险) 。( 2 ) 必须把不确定

14、性包括在成本估测程序中。( 3 ) 成本，特别是施工成本，必须由合格的专业人员，包括有经验的、懂得“真实世界”的招投标和工程建设的施工人员来批准。( 4 ) 大型项目常常经历大规模的和时间表的“改变”，这会影响最终成本。W S D O T 开发了和实施了它的成本估测批准程序( C E V P ) 。C E V P 推出一个概率统计的成本与时间表模型以全面地估测完成每个项目所要求的、可能的成本与时间表的范围，G e o d a t a 公司与麻省理工学院E i n -s t e i n 教授一起多年来一直在推广这种做法。( 见E i n s t e i n 等人。1 9 9 8 a ，和1 9

15、9 8 b ，K a l a m a r a s 等人，2 0 0 0 ，G r a s s o 等人，2 0 0 2 ，C h i r i o t t i 等人2 0 0 3 ，X u 和G r a s s o ，2 0 0 5 )2 关键的概念“可能成本( 与时间) 的范围”为解决在1 3 节中讨论的这些矛盾的挑战，R e i l l y 先生正式提出了一个关于“可能成本( 与时间) 的范围”的关键概念，参见图1 。匿i 未来成本是一个“可能成本的范围”这个关键概念传达了以下信息或意义；( 1 ) 开始时。对于一个工程的最终成本( 以及实现的时间) 存在着一个大的潜在范围，它取决于可能出现

16、的事件。( 2 ) 一个单一的成本数仅代表一项可能的结果，取头于影响成本( 和时间) 的情况与风险事件。( 3 ) 这些情况与风险事件不是直接可控的或绝对可量化的。( 4 ) 如果这些风险出现，便会产生影响以致增加项目的成本或时问。( 5 ) 因此，成本估测必须既包括预期的( 或预见的) 变化，也包括风险( 亦即考虑不确定性) 并采用一种逻辑的结构程序。蠢，是疆02 0 0 6 中国高速铁路隧道国际技术交流会论文寞为便于估测未来的成本( 和时间) ，必须深入分析组成的成本( 和时间) 。为此，我们按照I s a k s s o n ( 2 0 0 2 )所作过的相似分析，对实现一个土木工程的“可能成本范围”作了详细的分解。详细的分解用图2 的成本模型作了说明。概率 8正常成本为巳确定的特性鉴定、巳确定的设计的函数06 01 0 02 0 0 成本概率。缀变化量为地层与施工参数的预期变化、相应的设计趾方的函数一1 004 01 0 02 0 0 成本概率o = + o基础成率芒正常成本十变化量O5 01 0 02 t耵成本横率概率 卜1