隧道工程规范(6篇)
时间：2024-09-09
时间：2024-09-09
关键词：全寿命；隧道结构；风险；分析模型
中图分类号:TN753.94文献标识码：A
一、研究背景
隧道结构具有建造费用高、服役期长、影响因素多等特点，作为地下工程是不可逆工程，不具备拆除重建的条件，因此必须是遗产工程，不允许是遗憾工程和灾害工程。
工程结构的安全性和可靠性问题不仅仅存在于正常使用阶段，也普遍存在于工程结构的整个生命周期，即设计、维护使用和老化各个阶段，因此，需要从结构生命周期的角度对结构的安全性和可靠性进行全面的分析、评价和控制。各种工程结构都有其生命周期，在其服役过程中，由于各种环境、荷载、材料内部因素等的不利影响下工程结构都不可避免地产生累积损伤、抗力衰减、功能退化；同时由于结构的使用期限很长，期间可能出现的各种无法预见的灾害和意外超载情况，也会对工程结构产生损伤。当结构的功能退化和损伤到达一定的程度时，就可能导致工程事故的发生，甚至造成重大灾难，使生命财产受到损失。
工程结构在设计、施工、使用过程中存在大量不确定性因素，例如地质条件的不确定性、材料质量的不确定性、构件尺寸、施工水平以及荷载的不确定性等。鉴于隧道的重要性，研究隧道结构随时间变化的风险性分析模型很有必要，可以为隧道的设计、施工及运营管理提供参考依据。
二、研究现状
1、设计过程中隧道风险性评价
现有结构设计规范并没有完全解决工程结构全寿命周期的安全性与可靠性问题。
(1)造成这样大差距的原因主要是：
1)设计规范侧重于对正常施工条件下结构的安全性与可靠性进行控制；而对结构在施工阶段所面临的各种风险以及与这些风险有关的安全性问题尚缺乏有效的控制措施；
2)设计规范是针对在正常使用条件下各种荷载引起的失效；而很少针对一些特殊事件,例如恐怖活动引起的爆炸、火灾等导致的失效；
3)设计规范没有充分考虑由于环境因素所引起的材料性能劣化的影响。
设计过程中对各种荷载和作用估计不足、对结构性能缺乏充分的理解、过低的强度储备、建筑材料性能的劣化是导致结构失效的主要原因。
(2)隧道结构可靠度指标随设计基准期的变化可分为三个阶段[1][2]:
1)0～30年，混凝土强度先提高后降低，钢筋没有锈蚀，混凝土强度对可靠性指标的影响大于时变荷载的影响，可靠度指标不变；
2)30～60年，随着混凝土强度的降低，时变荷载对可靠度指标的影响成为主要影响因素，可靠度指标缓慢减小；
3)60～100年，钢筋锈蚀成为可靠度指标的主要影响因素，可靠度指标快速减小。
图1拟建隧道可靠度指标在设计基准期的变化趋势
按现行规范进行设计，在设计阶段，无法判断围岩与支护结构在施工开挖和支护后的稳定性问题，只能通过施工中的监控量测，如喷射混凝土是否出现裂缝及其开展情况、洞周相对收敛值和拱顶下沉等数据和现象进行经验上的判断，而且，这些都属于事后判断，往往还未来得及采取工程措施，围岩或支护结构就已经失稳或破坏，有时，即使成功地进行了加强支护，可是发生的补救费用却很高。
2、施工过程中隧道风险性评价
在结构施工建造期，由于结构还未形成整体的受力骨架、混凝土尚未达到设计龄期、施工中的荷载作用与结构使用期的设计荷载作用有显著差别等因素，结构往往表现出较高的失效概率；施工期是工程材料从“图纸结构”变为现实空间实体的过程，因此，结构的耐久性问题伴随着结构的建造过程在施工期己经产生并潜伏于其中。然而，相比服役期混凝土(硬化后)耐久性的研究,施工期混凝土材料特性的研究滞后。因此，应开展相关研究内容，包括：混凝土材料级配，外加剂，施工条件等因素对混凝土早期性能影响规律；混凝土施工期材料特性与其服役期耐久性能指标之间的关系；不同施工条件和混凝土结硬后暴露条件的耦合影响等[3]。
导致施工过程中的质量问题和安全问题的因素大致可归纳为如下几方面：
(1)缺乏有效的规范体系保证；
(2)施工中的各种统计数据不完备；
(3)施工期结构和荷载的时变性；
(4)施工中的人为错误；
3、运营期结构状态风险性评价
实际过程中，在自然环境、使用环境和材料内部因素的共同作用下，隧道结构的材料性能会随时间劣化，从而导致其抗力不断下降，使结构的可靠度下降，安全风险加大。图3给出了结构抗力和荷载效应随时间的变化过程。
图3结构抗力和荷载效应随时间的变化过程
与使用期的安全性问题不同，在结构老化期各种构件的承载能力降低，变异性显著增大，而且结构实际承受的荷载往往与设计时的荷载有较大的差异。新版《混凝土结构设计规范》列入了局限于环境分类和材料方面的要求的耐久性方面的规定，没有对混凝土结构老化期的设计目标进行量化规定，规范的要求无法在设计过程中很好的执行。
4、现有评价模型
在结构施工建造期，由于结构还未形成整体的受力骨架、混凝土尚未达到设计龄期、施工中的荷载作用与结构使用期的设计荷载作用有显著差别等因素，结构往往表现出较高的失效概率；在结构竣工交付使用后，由于这些因素被消除或得到控制，结构的失效概率降低；在结构使用若干年以后，结构由于材料性能的退化、使用过程中累积起来的各种损伤等因素，使得结构的失效概率再次升高。结构在全寿命周期的失效概率的变化形成了所谓的“浴盆曲线”,如图4所示，其中Pf为结构的失效概率，Pf0为容许的失效概率。为确保结构的安全性和可靠性，必须对结构全寿命周期各个阶段的失效概率或者风险进行分析与控制。
图4结构生命周期与失效概率的关系
三、分析模型建立
1、影响因素分析
(1)总结隧道有关可靠度及全寿命周期管理的相关研究，本文重点分析隧道在寿命周期的不同阶段所面对的风险因素，各阶段风险因素见表1，评估各阶段对隧道结构寿命的影响程度，给出隧道全寿命周期结构风险性分析模型。
风险是一个二位概念。其广义表达式为：
R=P[Performance]*Potentialworthofloss(1)
式中：R为风险；
P[Performance]为性能的不确定性(失效概率)；
Potentialworthofloss为对应的潜在损失,包括人员伤亡、财产损失和环境影响等。
(2)风险指数确定[9]
表1隧道结构概率等级划分
概率范围中心值概率等级描述概率等级
>0.31很可能5
0.03-0.30.1可能4
0.003-0.030.01偶然3
0.0003-0.0030.001不可能2
注：(1)当概率值难以取得时，可用频率代替概率；
(2)中心值代表所给区间的对数平均值。
表2隧道结构风险等级划分
后果严重
概率等级轻微的较大的严重的很严重的灾难性的
12345
很可能5高度高度极高极高极高
可能4中度高度高度极高极高
偶然3中度中度高度高度极高
不可能2低度中度中度高度高度
很不可能1低度低度中度中度高度
表3隧道结构风险接受准则
风险等级接受准则处理措施
低度可忽略此类风险较小，不需采取风险处理措施和监测
中度可接受此类风险次之，不需采取风险处理措施，但需予以监测
高度不期望此类风险较大，必须采取风险处理措施降低风险并加强监测，且满足降低风险的成本不高于风险发生后的损失
极高不可接受此类风险最大，必须高度重视并规避，否则要不惜代价将风险至少降低到不期望的程度
表4隧道全寿命周期各阶段风险因素
全寿命周期阶段影响因素风险指数
失效概率潜在损失
设计阶段规范不完善、可操作性不强0.2无
荷载计算偏差
材料性能劣化
安全储备不足
耐久性设计指标无法定量化
地质情况不明确
施工阶段施工荷载估算偏差0.7严重
施工工艺选择不当
地质灾害
人为错误
监控量测不到位
运营阶段日常养护不及时0.1较重
长期超负荷运行
维护方法不当
2、风险分析模型
(1)设计阶段：全寿命设计理念指结构的整个生命周期，而不仅仅是某一个阶段(比如结构使用期)，统筹考虑设计、施工、运营和管理各个环节以寻求恰当方法和措施,使结构的全寿命性能(安全、适用、耐久、经济、美观、生态等)达到最优或优化。该设计理念对于提高结构的耐久性和使用性能、降低全寿命总成本、促进结构技术水平的进步具有现实意义[6]。
(2)施工阶段：在施工期隧道围岩中原有应力平衡被破坏，喷射混凝土及锚杆的强度还在增长过程当中，随时可能遇到各种险情隧道开挖初始时刻，初期支护结构具有较高的可靠度；在一倍洞径左右时可靠度指标达到最小，两倍洞径左右之后，不同开挖速率工况下的可靠度指标基本趋于相同[8]。
(3)运营阶段：隧道进入老化期后，受到自然环境和使用环境腐蚀介质的长期作用,导致结构抗力不断下降，且由于围岩介质具有流变效应，衬砌所受到的作用不断增长，导致隧道结构在这一时期呈现较高的风险。风险率较低的使用期,在灾害性地震作用下，隧道结构风险率又上升到较高的水平。
通过引入全寿命周期结构风险性分析理念，对比已有“浴盆曲线”，建立如图5所示全寿命周期风险性分析模型，该模型给出现有结构经常存在的三种状态，进行比较性分析。
图5隧道结构风险（失效概率）与寿命周期的关系
四、结论
隧道结构在全寿命周期内，面临的各种风险，贯穿设计、施工到运营管理各个阶段，针对目前大规模修建的隧道存在众多风险因子以及安全隐患，有必要对隧道的规划、设计、施工和运营过程建立全寿命的风险管理体系以及数据监测采集系统，针对项目的不同阶段不同工程需求进行工程参数信息化收集、管理、分析、处理，确定项目在各阶段存在的风险因素以及安全隐患，并制定相应的风险处理方案，及时识别、处理隧道在全寿命周期中可能存在的各种风险，降低工程风险，并通过对这些工程资料的收集整理为以后的科学研究以及工程设计提供参考，确保隧道工程的百年大计[7]。
（1）完善结构设计相关规范内容，提高规范条文的可操作性；
目前隧道结构设计亟需解决的问题就是寻求合理的理论和措施改进现有的隧道结构设计方法，使得隧道结构全寿命中的各种不确定性因素及其影响能够得到合理的考虑，以满足隧道结构全寿命安全性、适用性、耐久性和经济性等各方面要求。
隧道工程中存在大量不确定性因素，将风险评估的相关理论知识应用到隧道结构设计中，可以对这些不确定性因素进行定性、定量评价，从而为结构设计和决策提供更全面可靠的信息和依据。
（2）加强施工监管，加强施工及监理单位日常考核，采用新材料、新工艺，提高作业人员整体素质，实行优胜劣汰制度，减少施工过程中产生的各种对隧道结构寿命周期有影响的因素，提高工程质量；
（3）规范隧道结构日常养护管理制度，完善相关机制，加强隧道结构老化的现场观测和试验研究，建立更加符合隧道使用环境的结构抗力衰减模型。使隧道结构老化期可靠度评估更加符合实际情况，从而指导隧道结构的维修与养护。
本文提出的基于风险的隧道结构全寿命设计方法仅仅是概念和框架，里面有许多问题有待解决，如隧道结构设计中不确定性因素的定性与定量评价方法，不同类型隧道结构长期服务性能以及维护方案研究，隧道结构全寿命费用分析的参数研究，隧道结构设计决策准则的研究等,需要尽快开展进一步的研究。
参考文献
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Discussingonthestructuresafetyriskmodelinwholelife-cycleofTunnel
（Ningbo.etc）
(Shaanxirailwayengineeringinstitute,weinan,China,714000)
Abstract:OnthebasisofexistingresearchresultsInthetunnelstructurereliability,Seizethetunnelstructurecharacteristicsofthethreestagesoflifeprocesstoriskanalysis,Inviewoftheexistingproblemsintheprocessofthetunnelstructuredesign、constructionandoperation.bringingintheriskandtheconceptofwholelifeintothetunnelstructure,Applicationofthetheoryofriskassessmenttoimprovetheexistingdesignmethods.Putforwardthetunnelstructurelife-cycleriskanalysismodelbasedonrisk.Thispaperisdiscussedaccordingtothecharacteristicsofthetunnelstructureriskassessmentmethodandconten,Giventhetunnelstructurelife-cycleriskanalysismodelbasedonrisk,anddiscussestheproblemsneededtobestudied.
1.1风险与风险管理
风险发展至今，广义上的含义指的是未来结果的未知性，或者指的是对未来期望结果与未来真实结果所出现的不一性。受不同行业领域就风险侧重点不一致影响，使得社会对风险含义存在各式各样的理解，当前相对而言较为普遍的风险理解包括以下内容:
①风险指的是造成损失形成的未知性;
②风险指的是潜在的损失隐患;
③风险指的是形成损失的可能性;
④风险指的是人身财产损失;
⑤风险指的是未来期望结果与未来真实结果所出现的不一性等等。不同行业领域对于风险的理解存在一定的差异，但这些理解均有着两个基本特点，分别为损失性和未知性。风险管理属于风险的衍生物，风险管理是社会发展阶段，人类根据过往的历史经验以及先进的科学技术，探寻风险控制技术及风险引发规律的一门管理学科。以获得令人满意的成效。
1.2隧道工程安全风险管理
在隧道工程中，风险指的是安全事故引发的可能性与安全事故引发所造成的损失的组合。安全事故指的是在隧道工程中出现人员伤害、伤亡或者财产损失、经济损失等不利情况;安全事故引发所造成的损失指的是在隧道工程施工过程中所有存在的、潜在的不利后果或者负面情况，好比人身财产受损、社会不良影响等。基于上述含义，隧道工程安全风险管理指的是隧道工程施工方经过对施工安全风险展开计划、识别、评估、预测及处置等，对各类风险管理技术进行优化调配，就隧道工程开展针对的风险控制、风险处理，有效缩减由风险所造成的影响，实现通过低成本取得高安全保障的管理活动。
2隧道施工安全风险识别
隧道风险识别过程主要包括两方面主要内容:
①对隧道相关资料进行采集研究，为进行有效的风险识别，第一步应当组建专业的咨询专家队伍，队伍成员应当包括隧道专业工程师、隧道工程项目总工程师、隧道专业教授以及隧道专业工程师等，经咨询专家组对隧道相关资料进行全面的采集，并展开充分的研究，以实现对隧道工程实际情况的科学合理把握，提升隧道风险识别准确程度;
②由咨询专家队伍成员展开头脑风暴，评估预测隧道工程的首要潜在风险，可事先设立头脑风暴的主要目的，即对隧道风险进行识别，并制定相关问题由咨询专家队伍成员进行讨论作答，问题内容是:预测分析隧道工程施工期间存在哪些风险;预测分析造成风险的相关因素有哪些等。经过咨询专家队伍成员对风险的有效识别，得出隧道工程潜在风险情况。
1)隧道工程施工安全风险事故中，塌方事故约占其中的50.0%，导致隧道工程引发塌方风险事故的因素有很多。基于新奥法相关原理，隧道工程塌方的主要原因包括以下方面:
①隧道工程施工环境地质条件不良，围岩自稳水平不足，施工过程中没有采取支护方式便出现塌方;
②施工过程中，没有对相关条件差地质体开展超前支护、注浆支护等预防处理，开挖爆破效果不足，使得围岩应力集中，引发滑塌情况;
③隧道工程规划环节并未对隧道区域地质环节进行准确的分析、判断，未就施工现场实际地质情况展开实时分析，使得在开挖进尺、支护参数设计内容等不规范。
2)导致隧道工程引发瓦斯风险事故的因素多种多样，引起瓦斯爆炸有三种必要条件，分别是一定的瓦斯浓度、一定的温度或者冥火、一定的氧气浓度。瓦斯爆炸事故必须要有一定的氧气浓度，在没有氧气的情况下是不可能出现瓦斯爆炸的。但另一方面，为了确保隧道工程施工人员的人身安全，保证隧道工程施工的顺利进行，不得不供给充分的氧气。相关风险管理研究指出，施工人员的不规范施工行为、施工设施设备的不安全状态以及施工管理制度的不完善情况等，均可能引发瓦斯爆炸。
3隧道施工安全风险管理
3.1风险自留
风险自留，即对风险进行接受，指的是承受风险的主体对风险进行自行承担，同时采取相关的应对工作。隧道工程施工方应用风险自留策略过程中，要求施工方能够对风险有着全面的了解，并组织安排科学合理的风险应急解决计划，实施有效、有针对性的风险防范策略，最大限度的将风险出现的可能性降至最低值，缩减潜在的风险损失。采取风险自留策略包括以下三方面情况:
①主动风险自留情况，即通过评估预测得到风险引发可能性较低，风险出现所导致损失较小，自行承担风险的情况;还有一种对于风险评估预测没有十足把握，自行承担风险的情况;
②被动风险自留情况，即难以对风险进行有效转移、回避，只能够自行承担风险的情况。隧道工程施工方不管是选择哪一种风险自留情况，第一步都应当开展好风险评估预测工作，通过对各式各样潜在的风险进行有效的评估预测，对于风险引发概率、风险损失程度做到心知肚明，尽可能防止受风险评估预测不合理影响，而造成对风险认识不足，最终只能够毫无计划地选应用风险自留策略。若通过有效的风险评估预测，认识到风险引发概率较低、风险损失程度较小，隧道工程施工方就可对风险展开计划性自留。同时，隧道工程施工方采取风险自留策略后，还应当实施相应的风险控制手段，全阶段对风险展开监控，一经发现风险出现转变，应立即更新风险控制手段。风险控制不但能够对风险源、风险因素引发进行防范及缩减，还可以将涉及风险的人、物与风险源及风险因素进行有效剥离，尽可能降低风险导致的损失。
3.2风险转移
风险转移，指的是原风险承担主体经采取相关方法把风险转移至另一主体。风险转移不仅转移了风险，还转移了风险可能产生的收益。现阶段，风险转移策略得到广泛应用，其被认为是当前最行之有效的一种风险处置策略。隧道工程行业通常应用的风险转移方法有:
①采取担保方式，由担保人作为风险转移的主体对象，例如，在相关双方签订合同时，一方要求另一方必须履行合同要求的保证金;
②找寻合作伙伴的方式，受人属性优劣特征有别影响，使得每个人对于风险的承受能力不尽相同，即一些风险对于不同的人可能会出现不同的损失引况，例如，隧道工程施工方可将一些专业性强、难度较大的施工项目通过邀请专业的施工队伍得以完成;
③购买保险的方式，由保险公司作为风险转移的主体对象，例如，我国相关法律法规特别强调，施工单位必须要为从事危险职业的职工办理人身意外保险，并支付保险费用。
3.3风险回避
风险回避指的是风险承担主体对风险源、风险因素进行有效消除，防止风险出现的可能性。风险回避属于防范风险的一种有效手段，但同时风险回避会使得风险造成的收益丧失。由此可见，在应用风险回避前，应全面分析风险实际情况，就风险引发的概率及风险引发的损失程度有着十足的驾驭能力。自另一方面风险管理角度而言，风险回避属于一项负面的风险处置策略。
3.险利用
风险是存在两面性的，一方面风险会给人们造成损失，另一方面风险能够带来一定的收益，即并非任何风险都会使人遭受损失，人们通过对风险的有效利用，同样能够化风险为收益。隧道工程施工方可采取风险利用策略，但不是任何风险都能够被利用，风险也不是任何人都能够利用的。隧道工程施工方采取风险利用策略过程中，应当注意以下几点:
①对风险展开严格密切监控，隧道工程施工方风险管理人员须对风险展开严格密切的监控，对风险损失、收益两面的转变情况进行第一时间反应，实施应对策略，顺着风险发展的趋势，向有利于获取收益的方向加以引导;
②实事求是，隧道工程施工方应客观认清自身实力，并对外界和寻求的实力展开整体评价，只有对自身实力、外界实力有了明确的认识，才不至于在对风险进行利用时力不从心，此外还应当认识到风险利用策略不但要求要有充足的经济实力，而且还要求要有十足的驾驭水平;
③科学合理应对，采取风险利用策略前，应当进行全面充分的前期准备，制定好风险利用成功或失败的应急防范预案，不至于在风险利用失败后没有后路可退。
3.5建立安全管理控制体系
建设单位应当协同施工单位到施工现场开展安全技术交底程序，并结合施工现场相关危险因素，对规划的隧道工程施工、安全技术方案进行分析，辅助规范应急预案，制定监控策略，避免引发安全事故。隧道工程相关方结合自身切实情况，做好严谨的隧道工程施工安全风险引发应急预案。制定预案所涉及的内容务必要全面、规范，同时要具备目标性、针对性以及合理性等特征。加强对隧道工程主体管理的重要性认识，强调指定要求、考核，经指定人员贯彻实施，提升隧道工程全体施工人员的安全风险管理责任。为了确保安全风险控制管理工作的顺利进行，隧道工程施工方还应当将施工建设相关的各个单位部门统一收纳风险控制管理信息系统，建立安全管理控制体系，在隧道工程施工全体人员参与、不同侧重的实施模式，促进隧道工程施工全面安全风险管理工作进一步完善，安全管理工作效果显著。
3.6强化对施工人员的管理
现阶段，我国隧道工程施工存在安全风险管理技术落后的问题，隧道工程安全风险管理技术所涉及的内容十分广泛，且施工环境存在复杂的特征，而我国很大部分隧道工程施工企业中的技术人员所拥有的专业技术并不能满足风险管理需求，使得隧道工程安全风险管理效果不尽如人意。从现阶段隧道工程施工安全风险管理技术落后问题出发，隧道工程施工方应当结合自身实际情况，对安全风险管理人员开展针对性的技术培训、安全教育培训工作，全面整合风险管理技术框架，注重科技创新，逐步完善安全风险管理理念;施工方还应当组织安全风险管理人员对隧道实际工程施工情况进行专题分析，提升安全风险管理人员主观能动性，全面提升安全风险管理人员专业技术水平、风险防范意识;同时在隧道工程施工准备阶段，按照隧道工程特征进行一系列专业技术培训，一方面传授施工实用的技能，包括混凝土常规知识、配比准则、混凝土拌合方法、施工缝隙处理以及钢筋正负筋调节等，应当有针对性地开展风险防范、风险规避等知识的学习，一方面开展工作职责教育，加深施工人员对安全施工重要性的认识，塑造其良好的责任心及道德素养，以在隧道工程施工过程中更好地进行安全风险管理工作。
4结束语
[关键词]隧道施工；安全管理；有效措施；安全风险
安全施工是衡量隧道工程管理水平的主要标志，它直接关系到人身安全和重要设备的安全，并且与工程质量密切相关。为了高质量、高效率的建设公路隧道工程，需要在隧道施工的过程中合理安排和落实安全管理工作，有效控制和处理安全隐患，尽量避免安全风险的发生，如此不仅可以提高隧道施工质量，还能提高隧道工程建设的经济效益[1]。所以，在公路隧道工程施工中切实有效进行安全管理工作是非常必要的。
1公路隧道工程案例说明
重庆市“三环十射三联线”高速公路网规划中重庆忠县至万州的高速公路段需要进行隧道工程建设。此段项目起点位于忠县磨子乡，通过丰忠高速的罗家湾枢纽互通与丰忠高速、垫利高速相接；终点位于万州区长岭镇，与万利高速相接；沿线主要经过西沱、盐井等地。因此，对高速公路工程建设的规划是沿长江南岸布设，从西南向东北方向展开，距2.6~7.8km走廊顺江而下。另外，由于本段高速工程是三峡库区开发的主要通道，是重庆出渝入陕、入鄂的便捷通道，施工单位一定要根据地质条件、施工条件等良好的进行隧道工程建设，促进重庆高速公路网不断完善，实现产业互动，优势互补，提高城市综合竞争力，带动库区社会经济全面发展。
2公路隧道施工过程中安全事故产生原因的分析
基于以上重庆市高速公路段的了解，可以确定此段高速公路隧道工程建设具有一定的难度，在工程施工中不仅要考虑公路隧道本身建设问题，还要思考工程建设对三峡库区的影响，因此，隧道施工的难度，且存在诸多安全隐患，增加隧道工程施工安全风险发生的可能性。为了尽可能的避免重庆市忠县至万州高速公路段隧道工程建设不会引发安全事故，在此笔者结合以往公路隧道工程建设情况，分析隧道施工中安全事故产生的原因。具体为：1）施工场地存在地质灾害。因施工场地的地质灾害而引起的安全事故较多。因隧道施工是在地下进行的，地质情况对隧道施工有直接的影响。所以，施工单位在进行隧道工程项目施工的过程中，需要对施工现场地质进行仔细的勘察，了解施工现场地质具体情况，进而提出有针对性的隧道施工方案，为高质、安全的建成隧道工程创造条件。2）隧道支护强度下降。在隧道工程施工中，主要是利用基岩自身结构的承载力、初期支护层、超前支护加固层、二衬和仰拱的拱圈来共同承载隧道围岩的压力，保证隧道不会出现坍塌的情况。为了达到这一目的，在隧道支护设计中，一定要结合隧道工程建设目的及隧道围岩的压力，明确隧道支护参数，进而提出适合、实用、有效的方案，规范、合理的展开隧道支护施工。而从以往隧道工程支护施工情况来看，一些施工人员在爆破施工中，并未合理分析钻爆力度、钻爆位置、钻爆时间等，导致钻爆施工效果不佳，使岩层遭到破坏，降低围岩结构的承载力，促使隧道支护施工强度减低；一些施工人员在超前支护和初期支护施工中并未结合施工图纸、施工技术要求等，合理设置钢筋、钢架、锚杆等施工材料，导致超前支护和初期支护因为施工材料运用不合理，降低其支护强度，无法有效的承载围岩强大的压力。此种情况的发生，也不利于隧道安全施工。3）开挖方法不当，监控测量不准确。上文已经提及隧道工程施工受地质条件影响较大，在具体隧道施工中需要根据地质条件选用适合的开挖方式来进行隧道开挖，这有利于提高工程质量。但一些施工单位并没有意识到这一点，在隧道施工中盲目选择开挖方法，导致开挖方法应用不佳，这很可能引发塌方事故的发生。另外，隧道施工中监控测量工作不能有效落实，也会给隧道施工带来安全风险。原因是监控测量工作的落实，可以及时了解支护变形情况、盈利变化情况等，以便施工负责人及时处理异常问题，避免安全事故发生。但控制测量人员未提供准确且有效的数据，施工负责人就不能及时发生安全隐患，这会导致安全事故的发生[2]。
3公路隧道施工安全管理的有效措施
综合以上隧道施工安全事故发生原因的分析，可以确定诱发安全事故发生的因素较多，如若想高质量建成重庆忠县至万州高速公路段隧道工程，就要科学、合理、有效的落实安全管理工作。那么，如何在高速公路隧道施工中有效落实安全管理工作？笔者给出的建议是：1）完善隧道施工安全组织机构。隧道施工安全组织机构是由企业安全、质量监督管理组织、项目经理部安全监督组织、基层安全管理组织组成，对高速公路隧道工程施工安全管理予以全方位的把控，合理规划安全管理工作，对隧道施工流程、施工技术、施工人员、施工材料等相关方面进行有效控制，为规范、合理的建设隧道工程创造条件。所以，隧道施工安全组织机构的建立是非常有意义的。2）建立完善的施工管理体系。重庆忠县至万州段高速公路工程建设对公路的使用、三峡库区的使用有很大影响。为了良好的开发忠县至万州段高速公路，促进库区社会经济全面发展。在高速公路隧道工程施工中，为了高质量建成隧道，且不影响三峡库区的正常使用，需要建立完善的施工管理体系，对隧道施工予以严格、合理的监控，提高隧道施工质量。对于隧道施工管理体系的建立，则是了解隧道施工内容，明确隧道施工重点和难点，进而对隧道施工管理提出具体的管理要求，促使管理人员能够严格监控隧道施工。例如在开挖施工中，管理人员需要详细询问施工人员打眼数量、打眼位置、打钻方法等，并将所了解的情况反映给相关单位，制定合理施工和安全管理方案对开挖施工予以合理管理，提高开挖质量。3）制定安全事故的应急预案。由于隧道施工的特殊性，地质条件的复杂性，事故的发生往往具有突发性和不可预见性。为了避免高速公路隧道施工中出现安全事故，影响隧道施工和三峡水库，施工单位需要制定安全事故的应急预案，尽量防范安全事故的发生。对于安全事故应急预案的制定，施工单位应当将所了解的情况及时的反映给业主和设计单位，共同探究和分析隧道施工中可能出现的安全事故，进而制定适合的应急预案，如安排安全措施的落实、准备应急救援设施等，为避免安全事故发生而做出努力。
4结束语
在当前公路隧道工程施工存在诸多危险因素的情况下，为了避免安全事故的发生，合理规划和落实安全管理工作显得尤为必要。统筹安排施工管理工作、安全管理工作等，充分发挥安全管理的作用，尽量将安全隐患扼杀在摇篮，提高隧道施工的安全性。
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1涌水量预测方法的探讨
关于隧道涌水量预测的方法，《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)、《铁路工程地质勘察规范》(TB10012－2007)《水力发电工程地质勘察规范》(GB50487－2008)和《水力发电工程地质勘察规范》(GB50287－2006)中并未提及。《公路工程地质勘察规范》(JTGC20－2011)只提出“隧道的地下水涌水量应根据隧址水文地质条件选择水文地质比拟法、水均衡法、地下水动力学方法等进行综合分析评价。”并未给出具体的计算方法。《铁路工程水文地质勘察规程》(TB10049－2004)给出了几种预测隧道涌水量的方法:简易水均衡法(包括地下径流深度法、地下径流模数法及降雨入渗法)、地下水动力学法(古德曼经验公式、佐藤邦明非稳定流式、裘布依理论公式及佐藤邦明经验式)和水文地质比拟法。
1.1水均衡法水均衡法是地下水资源评价的一种基本方法，根据质量守恒原理，视均衡区为一整体时，某一均衡时段内地下水补给量与消耗量之差，应等于该均衡区含水层中地下水总量的变化量(林坜等，2011)。基于水均衡的原理，可以查明隧道施工期水量的补给与消耗之间的关系，进而可以获得施工段的涌水量。常用的水均衡方法有地下径流深度法(式1)、地下径流模数法(式2)和大气降水入渗法。由式1可见，地下径流深度法预测隧道涌水量，需要考虑的因素很多，包括渗流域的气候、降水量及其强度、植被、地形地貌和地质(岩性、构造)条件等，而且关系复杂。地下径流模数法(式2)和大气降水入渗法(式3):假设隧道涌水是通过大气降水入渗造成的，入渗到隧道的水量受地下径流模数(M)和降水入渗系数(α)的影响。而这两个参数又受地形地貌、植被、地质和水文地质条件的影响。由此可见，水均衡法只能针对独立的地表水流域内或水文地质单元，预测进入施工段总的“可能涌水量”，而不能用来计算单独隧道的涌水量，更不能对隧道进行分段预测涌水量。由于水均衡法考虑的是地下水的补给与排泄之间的关系，而补给的主要来源是大气降水，因此，采用水均衡法计算时，要求有比较丰富的气象、水文及水文地质资料。此外，埋深较大时，水量的变化受外界影响较小，因此，水均衡法一般适用于浅埋隧道。
1.2地下水动力学法1962年Polubarinova-Kochina(1962)导出了隧道单位长度涌水量的近似计算公式，自此之后许多学者以地下水动力学理论为基础，基于如图1所示的计算模型，对隧道涌水量进行了预测研究，推导出来了一系列的公式。这两个公式是用日本2个隧道、前苏联1个坑道和我国2个隧道的最大涌水量、正常涌水量、平均渗透系数、平均含水体厚度和涌水影响宽度等实际资料，经相关分析得出的。所以，这两个公式在实际应用中存在一定的局限性，计算结果一般比上述理论公式要大，和实际结果相比，其预测值也较大。第四纪松散沉积物中的孔隙水分布较均匀，含水层内水力联系密切，具有统一的潜水面或测压面。位于第四纪松散覆盖层中的隧道，在预测其涌水量时，上述各公式计算结果与实际较符合。对于山岭隧道，围岩多为裂隙岩体，地下水以基岩裂隙水为主。相对于孔隙水，裂隙水的分布与运动要复杂得多。简单地利用上述公式进行涌水量预测，误差较大，需要开展专门的研究。但是，对于多数隧道工程，一般不会开展专门的地下水预测研究，而是利用上述公式中的几种进行预测。从上述公式中可以看出，要准确预测隧道涌水量，需要解决两个问题:地下水位和渗透系数。
2地下水位的确定
从式(1)～(10)中可以看出，不论哪一个公式，地下水位的确定是进行计算的关键。在隧道工程中，尤其是山岭隧道，只有在钻孔处知道准确的地下水位。相对于裂隙而言，基岩中的孔隙很小，尤其是在水体的赋存方面，基岩中的孔隙水可以忽略不计。因此，基岩中的地下水一般为裂隙水。和第四纪松散覆盖层中的孔隙水相比，基岩裂隙水的埋藏和分布情况复杂。岩石裂隙是基岩裂隙水的储存空间和运移通道(图2)，而岩体裂隙的大小和形状受地质构造、地层岩性和地貌条件等控制。这些因素造成了基岩裂隙水无统一的地下水面，有时呈无压水和承压水交替出现的情况，很难确定地下水位，依靠几个钻孔，无法建立连续的地下水位线。而且在实际工作中，钻孔数量相对较少，《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)规定，初步勘察时钻孔间距宜100～200m，详细勘察时山区地下洞室钻孔间距不应大于50m;《油气田及管道岩土工程勘察规范》(GB50568－2010)规定，陆上隧道初步勘察时钻孔间距400～600m。如上所述，基岩裂隙水没有统一的地下水面，实际上不存在连续的地下水位线(图2)。而在勘察阶段对涌水量预测时，需要一个连续的地下水位。因此，需要对裂隙岩体的渗流模型进行假设。目前常用的渗流模型有等效连续介质模型、离散裂隙网络模型及二者联合起来的混合模型(王海龙，2012)。从理论上讲，离散裂隙网络模型最符合实际情况，但在应用中需要掌握岩体中每条裂隙的分布情况和几何形态。在实践上是不可能的。因此，目前的计算，一般把裂隙岩体简化为等效连续介质模型，在此基础上确定地下水位。基岩裂隙富水，导致岩体的地球物理特性表现为明显的低阻性;地下水的存在，会在一定程度上对岩石起到软化作用，其波速也会降低。基于含水岩体的这些地球物理特性，可以利用地球物理勘探的方法探测地下水。如地震法、电法等物探方法在探测地下水中得到广泛应用。隧道工程在勘察阶段一般不进行地下水探测，但为查明地下地质条件，一般要采取地球物理勘探方法。如《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)要求地下洞室在初步勘察阶段，应采用在浅层地震剖面法或其他有效方法圈定隐伏断裂、构造破碎带，查明基岩埋深、划分风化带;在详细勘察阶段，可采用浅层地震勘探和孔间地震CT或孔间电磁波CT测试等方法，详细查明基岩埋探、岩石风化程度、隐伏体的位置。在分析地球物理数据时，可以结合当地的实际情况，分析地下水的赋存情况。由于裂隙水不存在连续的地下水位线，在实际工作中应结合物探结果和钻孔中的地下水位，给出虚拟的连续地下水位线。
3渗透系数的确定
从上述各式中可以看出，确定地下水位后，为准确预测涌水量，还需要准确的渗透系数。目前确定渗透系数的方法主要是进行水文地质试验，包括抽水、压水、注水和提水试验等。这些水文地质试验都是在钻孔中进行的。一般在隧道勘察阶段都需要选择一定数量的钻孔，在一定的深度进行水文地质试验，测定岩体的渗透系数。通过水文地质试验求得的岩体渗透系数应该是最符合实际的。但水文地质试验是在钻孔内进行的，所求的渗透系数是地下水向钻孔渗流时的系数。基岩裂隙水在岩体中的流动与裂隙的产状有密切关系，岩体中裂隙的各向异性导致裂隙水渗流的各向异性。也就是说，渗透系数也表现为明显的各向异性。利用地下水向垂直钻孔渗流测得的渗透系数，很难适用于近水平隧道的地下水的渗流。即水文地质试验测得的是水平方向的渗透系数，而隧道涌水量预测时需要的是垂直方向的渗透系数。目前几乎没有在勘察或设计期间求取垂直方向上的渗透系数。一般直接利用钻孔水文地质试验的结果。岩体及其渗透系数的各向异性均受岩体裂隙的控制。渗透系数与裂隙的密度、产状应该有密切的关系。同一岩体，水平方向和垂直方向上的差异应该主要表现为裂隙倾角的差异。勘察阶段进行的工程地质测绘及钻孔岩芯编录，可以得知岩体裂隙的优势倾角。因此，已知岩体水平方向上的渗透系数，可以通过裂隙倾角的修正，求得更符合实际的垂直方向上的渗透系数。
4工程实例
西气东输某隧道围岩主要是上元古界黑云石英片岩、上元古界长英质糜棱岩和断层破碎带，地表覆盖很薄的第四系碎石土(图3)。在勘察阶段，测出了钻孔中的地下水位，如图3中所示;同时进行了钻孔注水试验，测得了不同岩性的渗透系数。在对隧道涌水量进行预测时，首先根据物探结果(图4)，建立了虚拟的连续地下水位线，如图3中所示。其次，根据结构面的发育情况和对渗透系数进行了修正。根据现场调查结果，片理是工程区最主要的结构面，其平均产状为199°∠89°，与隧道轴线(走向131°)方向呈小角度相交。工程区的节理以陡倾角为主(图5)，受区域构造的影响，其主导走向105～114°，间距0.1m～1.0m，与隧道轴线(走向131°)方向呈小角度相交。由此可知，隧洞围岩向隧洞方向的渗透系数要比钻孔测得的渗透系数大。在进行涌水量预测计算时，所取的渗透系数K值比表1所列的值大，黑云石英片岩取K=0.9m/d，长英质糜棱岩取K=0.5m/d。根据上述建立的虚拟的连续地下水位线和修正的渗透系数，对隧洞涌水量进行了预测，其结果和当地其他隧道开挖的实际涌水量相近，符合该隧洞的实际情况。但渗透系数的具体修正值和修正方式，需等到该隧洞开挖后和实际涌水量进行对比，才能得出更可靠的结论。
5结论
关键词:西江引水工程长距离输水有压管道隧道工艺设计
0.前言
近年来，随着城市经济的快速发展，城市面积的扩大，人民生活水平的提高，对供水的水质和水量有了更高的要求。同时也出现了部分城市现有水源被污染，水量水质不能满足供水要求等的现象。故通过长距离输水的方式，把距离城市较远的优质水源引入城市的长距离输水工程成为了一些城市供水发展必然选择。长距离输水工程具有取水量大，输送距离长，建设难度复杂，投资巨大等特点，属于城市大型给水工程。
盾构法作为一种非开挖施工方式在大型输水工程中有很大的应用前景，目前国内已有一些成功实施的工程。已建成的上海长兴岛青草沙取水工程，输水规模为708万m3/d，采用重力流盾构隧道输水方式，输水管全长约13.9km，2010年已建成通水，运行良好[1]。
下表0-1为国内运用盾构法施工的输水隧道情况[2]。
表0-1
1.工程简介
西江引水工程是为广州市民供水的大型市政工程，从广东佛山三水区境内下陈村的西江引水，输送至广州市自来水公司的江村、石门及西村水厂。解决水厂的水源置换以及未来新建水厂的水源供给。西江引水工程规模为350万m3/d，采用压力管道（隧道）输水方式，输水管道（隧道）全长12km，其中小塘立交段、官窑立交和白坭水道段采用单隧道方式压力输水，盾构段隧道内径为4.8米，其余的采用双管道输水，管材为PCCP管，内径为3.6米。
2.设计要点
2.1水力坡降
水力坡降的计算对整个长距离输水工程有较大的影响，如计算损失数值偏小，则输水能力达不到设计要求；如计算损失偏大，则会造成工程投资浪费，管网末端消能难度加大。对水头损失的计算不准，都可能会造成相关的加压水泵长期不在高效段运行，效率偏低，增加工程后期运行费用。
西江引水工程盾构段内径为4.8米，可采用普通地铁施工的盾构进行施工，但由于输水隧道建成运行后，需要承受一定的内水压力，属于压力隧道输水，国内关于此类型的隧道没有相关的经验可以借鉴。已建成的青草沙水源工程，其输水隧道为重力输水，内压相对较小。如何解决输水隧道的内压问题，是本次工程设计的重点难点，也是保障工程建成后顺利实施的重要因素，需要设计阶段重点考虑。
整个管线水力坡降的计算，影响到取水头部水泵的选取、隧道段内压计算、水锤分析及二次泵站的设计等，不同材料的管道摩阻系数在《室外给排水设计规范》中有相应取值范围规定，可直接选取。但是盾构隧道的摩阻系数取值，没有相关规范可以参考，需经过具体分析计算确定。
2.1.1混凝土管片手孔封堵
盾构的混凝土管片有拼装手孔，建成后的隧道断面如图2-1所示，可清晰看见手孔分布。地铁交通隧道中，管片手孔不影响使用，可以不做封堵。但作为输水隧道，手孔会影响隧道内壁光滑，影响水力条件，在管片拼装完毕之后，应对手孔进行封堵抹平，设计需考虑这部分的工程量。
图2-1盾构的混凝土管片有拼装手孔图
2.1.2水力坡降计算
封堵完毕的的输水隧道采用达西公式和Colebrook-White（柯尔勃洛克怀特公式）进行计算[3]：
英国建筑业研究中心根据15条水工隧道的观测及水力试验结果，编写了《CIRIAReport96-HydraulicRoughnessofSegmentallyLinedTunnels》报告建议如下[4]：
在计算水工隧道的水头损失应使用粗糙高度―ks及Colebrook-White公式进行计算；粗糙高度，ks可用下列公式来估算：
（2-3）
西江引水隧道工程环宽1.5m，但环与环的施工误差目前并不知道，因此假设不同的施工误差来计算粗糙高度ks。如表2-1所示，
表2-1
根据目前的施工工艺水平，一般环与环的施工误差不会超出5mm，因此粗糙高度ks不大于1.3mm。根据计算的粗糙高度，可计算出隧道的水力坡度和沿程水头损失。
2.2高内水压隧道段压力计算
输水隧道取水口位于佛山下陈，整个输水段属于高压输水，随着沿程和局部的水头损失，输水管线（隧道）的内压是沿线下降的，参见图2-2
图2-2输水管段（隧道）水力坡降图
输水管道采用预应力钢筒混凝土管（PCCP），其承受内水压最大可达到2.0Mpa，为了施工的便利以及工程的安全可靠，整个输水管道可采用同一承压规格。
但针对隧道管段，需要区别考虑，隧道管片自身通过螺栓连接，无法承受这么高的内水压，因此，需要具体计算每段隧道段的承压能力，采用不同的结构形式。针对四段盾构段不同的内水压力，采用在隧道内侧趁钢内衬或混凝土内衬两种结构形式。
根据内水压的计算结果，在输水段上游内水压力较大，为承受较高的内压，小塘立交、官窑立交及和顺立交采用普通地铁管片内衬钢管的方法，输水管道下游白坭水道至鸦岗泵站采用内衬混凝土管的方法。
3设计难点
3.1备用水源
根据《室外给排水设计规范》，“输水干管不宜少于两条，当有安全贮水池或其它安全供水措施时，也可修建一条”。
西江工程输水隧道段的内径为4.8米，为单隧道输水，设计时必须考虑备用水源的问题。
广州市供水目前依赖流溪河、珠江西航道、东江水源，西江供水工程建成后，应考虑保留现有的西村水厂、石门水厂、江村水厂的取水构筑物，在西江供水工程发生事故时作为备用水源启用，水利等部门要将备用水源规划纳入水资源规划。
3.2管道段与隧道段的连接
内径4.8米的单输水隧道与双管3.6米的钢管如何连接是设计需要重点考虑的，根据设计图3-1，3-2所示，盾构施工时修建工作井施工完毕后可作为双管转单管的工作井，双管通过焊接的45度三通与内径4.8米的钢管在井内连接，通过4.8米内径的钢管与隧道段相连。因为隧道段较管道段埋深要深很多，隧道段的埋深约在15米左右，管道在与隧道的连接处有一个急速的转弯，因此，在转弯的高点设置排气阀，在转弯的低点设置泄水阀，便于日后的运行安全和维修便利。
图3-1管道与隧道连接平面图
图3-2管道与隧道连接剖面图
4结语
本文通过总结大型长距离输水工程的设计要点，总结了有压输水隧道的水力计算方法，针对输水隧道不同于一般重力输水隧道的特点，隧道的结构形式进行了一系列的改变，在普通的地铁管片基础上，增加了钢板内衬及混凝土内衬，以克服不同的内水水压，为输水隧道设计提供了类似的参考经验。
目前，西江引水工程已建成通水，运行效果良好。
参考文献
陆晓如，沈庞勇，季军，王琪.青草沙水源地原水过江管隧道工程综述.给水排水，2009，（07）50-54
吴长征，凌霄.南水北调中线穿黄工程隧洞设计研究.人民黄河，2004，（1）29-30
成都科技大学.水力学（上册）.重庆：人民教育出版社，1983
JDPitt．《CIRIAReport96-HydraulicRoughnessofSegmentallyLinedTunnels》.Ciria.1982
Analysisofmechanicalbehavioroftunnelsupportingunderswellingrockstratum
C.Xu
(ChinaRailwayFirstSurveyandDesignInstituteGroupLtd.Xian710043)
Abstract:Thesafetyoftunnelsupportingstructureisinfluencedbyswellingratio,swellingforceanddistributionrange.UnderthebackgroundofXiningtunnelconstructionofLanzhou-Xinjiangsecondtrack,anestimateandsuggestionoftunnelliningsafetyaredonebasedonthewaterphysicalpropertiesanalysisandtheengineeringcharacteristicsofswellingrock.Itcanserveasareferenceforsimilarengineeringconstruction.
Keywords:swellingrock，tunnelsupporting，mechanicalbehavior
中图分类号：U451文献标识码：A文章编号：
作者通讯方式：西安市雁塔区西影路2号
作者简介：徐冲（1984－），男，工程师，主要从事地下工程、岩土工程方面的研究.。
1.引言
众所周知，膨胀岩是否会表现出其膨胀性受很多因素的制约，包括岩体的初始含水量、干密度、岩石结构等，甚至与相应工程的施工因素也密切相关，如膨胀岩在没有受到扰动时，其膨胀性是极其微弱的。本文根据岩盐（石膏岩）室内水理及力学试验，测定该类岩体膨胀率及膨胀力规模，依据《铁路工程特殊岩土勘察规程》（TB10038-2001）确定西宁隧道围岩—盐岩（石膏岩）的膨胀性等级[1]。为保证隧道施工与结构的长期安全与稳定，采用荷载-结构模型法对西宁隧道典型的膨胀性围岩地段隧道结构分别在不考虑和考虑膨胀力的两种不同情况进行结构力学特性分析，以此评价衬砌结构的安全性与稳定性。
2.项目简介
2.1工程概况
西宁隧道位于青海省西宁市，西宁车站出站端，隧道总长5743m。隧道地质状况极其复杂，其中Ⅵ级围岩1310m，Ⅴ级围岩2740m、Ⅳ级围岩1650m。西宁隧道进口段1368m浅埋段位于西宁市区，洞身拱部基本位于黄土地层，边墙及仰拱位于细砂、卵砾石土或石膏岩、泥岩中，埋深约12～25m，下穿兰西高速公路、小北川河及多处民用建筑物，施工难度极大。
2.2设计概况[2]
表1V级加强围岩初期支护参数表
图1膨胀岩地段V级加强双线复合式衬砌
岩盐（石膏岩）地段往往伴随易溶性、膨胀性、腐蚀性三大工程特性。膨胀性作用直接影响隧道结构的耐久性、安全。针对西宁隧道岩盐（石膏岩）强发育地段，采用V级加强双线隧道复合式衬砌结构，结构设计参数见表1。
3.衬砌结构安全评价
3.1围岩压力计算
根据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）可知，计算深埋隧道衬砌时，围岩压力按松散压力考虑，其垂直及水平匀布压力的作用标准可按下列规定确定[3]。
（1）垂直匀布压力可按式（1）计算确定。
（1）
（2）
式中ω—宽度影响系数，
B—坑道宽度（m）；
i—B每增减1m时的围岩压力增减率：；
q—围岩垂直匀布压力（kPa）；
—围岩重度（kN/m3）；
h—围岩压力计算高度（m）；
s—围岩级别。
对于膨胀岩地段V级加强型双线隧道复合式衬砌，取γ=20kN/m3，s取5，取i=0.1，根据图1坑道宽度在考虑施工预留变形量和施工误差基础上取B=15.26m，则垂直匀布压力为q=20×（0.45×2(5-1)）×（1+0.1×（15.26-5））=291.74kPa。针对膨胀性，检算时分两种工况，工况一：不考虑围岩的膨胀性，围岩压力取上述按照规范计算的结果。V级加强型的侧压力系数取0.5。工况二：考虑围岩的膨胀性，围岩压力在规范计算的结果（即工况一）基础上，加上膨胀力489kPa。
计算衬砌内力时，取初衬承担围岩压力的70%，二衬承担围岩压力的50%。具体如表2所示。
表2隧道衬砌计算荷载汇总
3.2衬砌结构计算
在衬砌检算时，要对衬砌进行节点划分，将衬砌划分为40个单元，如图2所示。衬砌内力离散为有限杆单元采用弹性链杆法FORTRAN编程计算。
图2有限单元离散示意图
以下针对考虑膨胀力和不考虑膨胀力两种情况，对V级加强型衬砌结构断面进行计算复核，对比分析不同工况下结构工作性态，确定膨胀力对结构安全的影响程度。
弹性链杆法FORTRAN程序中初衬及二衬内力计算数据如表3所示。
表3V级加强型衬砌下初支及二衬计算参数
注：括号内数据表示工况二条件下取值
3.3计算结果分析
图3-a工况一初衬轴力图（kN）图3-b工况一初衬轴力图（kN）
图4-a工况二初衬弯矩图（kN）图4-b工况二初衬弯矩图（kN）
上图3~4分别为初支结构的轴力和弯矩分布情况，其中，a图表示工况一不考虑膨胀力，b图表示考虑膨胀力。显而易见，工况一和工况二条件下衬砌的受力规律相同，这是因为本计算考虑为全断面施加膨胀压力的原因，并未分区块、分量级施加膨胀压力，与实际情况稍有区别；此外，从计算数据可知，工况二下衬砌明显负载较大，关键部位受力大小突出。在不调整衬砌参数的条件下会降低衬砌安全系数。限于篇幅，二衬受力情况与初支类似，不再累述。
依据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）第11部分按照破损阶段法和容许应力法检算的相关规定，根据隧道衬砌结构所受不同的荷载组合，进行强度安全系数计算，其单元系数分布如下图5所示。
由图5可见，在考虑膨胀力条件下，无论是初支还是二衬，支护结构整体安全系数下降，初支平均安全系数由3.25变为1.28，二衬安全系数由9.15变为3.77。其中，断面拱脚单元28~31和37~40的安全系数在考虑膨胀力作用下已经不能满足规范要求，结构偏于不安全。
图5-a不同工况下初支安全系数分布图
图5-b不同工况下二衬安全系数分布图
综上所述，V级加强型衬砌在不考虑围岩的膨胀力作用时，基本上满足规范要求。当考虑围岩的膨胀力作用时，从整体上讲，衬砌结构不满足规范要求，其中初衬结构相对于二衬结构安全性更低，就结构部位而言，仰拱部分属于结构的最薄弱环节，在有膨胀力作用时要考虑加强。
考虑到西宁隧道及附近类似的盐岩（石膏岩）地段隧道大部分处于干燥状态，不具备产生膨胀力的条件，因此所设计的隧道结构在不考虑围岩膨胀力的条件下是基本可以满足工程需要的。但考虑到膨胀岩产生膨胀的必要条件——水之外，其膨胀性能还与施工扰动，尤其是施工造成的膨胀岩含水量的变化有很重要的关系。且施工中水会向隧道下部积聚，因此坑道底鼓是可能的主要变形特点与施工病害，故在膨胀岩地段开挖后应尽早进行坑道底部处理以及加强仰拱支护。
4.结论
本文针对岩盐（石膏岩）地区隧道工程衬砌安全控制问题，从工程应用及指导施工角度出发，基于膨胀力实验、数值仿真技术，对该区隧道支护的主要设计原则及参数做出对比分析，得要以下有益结论：
（1）岩盐区隧道结构设计必须充分考虑膨胀岩膨胀率水平，膨胀力发育部位等关键参数影响，有必要结合数值技术进行相应断面参数优化；
（2）膨胀力作用条件下，隧道衬砌整体安全性降低，局部部位如仰拱、拱脚均为高风险部位，可通过加大仰拱刚度、改善拱脚仰拱曲率过渡及矢跨比等措施，提高衬砌整体安全性；
（3）岩盐（石膏岩）不但具有膨胀性，同时受其化学组分的影响，对衬砌结构具有腐蚀性，隧道衬砌设计中亦考虑因侵腐产生的结构弱化作用。
参考文献
[1]《铁路工程特殊岩土勘察规程》（TB10038-2001）[S]背景：中国铁道出版社。2001.
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