李凌峰 敖宗岳 馬瑞

摘要：隧道的施工過程由于受地質(zhì)災(zāi)害等影響一直以來存較大安全隱患，特長公路隧道由于其復(fù)雜性尤甚。隧道施工過程安全監(jiān)控研究已取得較大突破，本文客觀論述了已有隧道施工過程安全監(jiān)控技術(shù)，并研究了已有技術(shù)的局限性，為實現(xiàn)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害的實時超前預(yù)報和全過程的安全監(jiān)控和預(yù)警，分析了特長公路隧道施工過程安全監(jiān)控研究的需求。

Abstract： Because of the geological disasters and other factors， the construction process of tunnels always exists a major hidden safety issue， particularly the extra long highway tunnels due to their complexity. The research on safety monitoring of tunnel construction process has made great breakthroughs. This article objectively discusses the existing tunnel construction process safety monitoring technology， and studies the limitations of existing technologies. In order to achieve real-time advance prediction of tunnel construction geological disasters and the entire process safety monitoring and early warning， the need for research on the safety monitoring of the construction process of extra-long highway tunnels is analyzed.

關(guān)鍵詞：特長公路隧道；施工過程；安全監(jiān)控

Key words： extra long highway tunnel；construction process；safety monitoring

中圖分類號：U456.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0111-02

0 引言

隧道的施工安全一直是關(guān)系工程質(zhì)量、進(jìn)度、投資和正常運(yùn)營的首要問題，但隧道工程的地質(zhì)災(zāi)害依舊存在并較為普遍。如成昆線全線有415座隧道，在施工期間約25座隧道發(fā)生過較大型坍方，93.5%發(fā)生水害、塌陷、巖爆等；由于隧道服役環(huán)境相對較差，長期受地下水侵蝕，圍巖流變、富水地層的高水壓等原因，運(yùn)營期間的隧道安全風(fēng)險也較大，安全事故也時有發(fā)生。穿越地形及地質(zhì)條件復(fù)雜的秦嶺、大巴山、云貴高原的鐵路線上的隧道，在施工中都發(fā)生過大量規(guī)模不等的坍方、涌突水等地質(zhì)災(zāi)害。

這些事故一旦發(fā)生，輕則影響工期及投資，重則造成人員傷亡甚至工程失敗，而且事故處理難度大。一般在隧道建設(shè)期處理此類事故，往往都是處于非常被動的應(yīng)急處理狀態(tài)，對社會造成負(fù)面影響。隧道安全問題主要是施工中的地質(zhì)災(zāi)害引起的，而這些潛在地質(zhì)災(zāi)害在施工前很難準(zhǔn)確判別。因此，開展隧道施工過程安全監(jiān)控已成為亟待解決的工程現(xiàn)實問題。

1 特長公路隧道施工過程安全監(jiān)控研究現(xiàn)狀

1.1 隧道施工地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報技術(shù)

為更有效地掌握隧道施工期間的地質(zhì)情況，減少或預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，國內(nèi)外學(xué)者已在隧道施工過程中的超前探測及地質(zhì)預(yù)報方面的研究取得了較為豐碩的成果，涌現(xiàn)了多種地質(zhì)預(yù)報方法[1]。總體而言，可分為兩大類：地質(zhì)分析法和地球物理法。地質(zhì)分析法包括工程地質(zhì)調(diào)查、超前導(dǎo)洞法、超前水平鉆孔法等，地球物理法包括地震反射類（如隧道地震預(yù)報TSP，隧道反射成像TRT，極小偏移距地震波法等）、電磁類（如地質(zhì)雷達(dá)GPR，隧道瞬變電磁法等）、電法類（如激發(fā)極化法、電阻率法等）以及其他方法（如紅外探水等）。由于受各種條件限制，不同的地質(zhì)預(yù)報方法都有其適用范圍和特點，近些年來，從單一預(yù)測方法到綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)均已引起人們的重視，并開展了較為廣泛的研究[2]。

單一預(yù)報方法對地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確度并不十分可靠，目前，尚未有某種預(yù)報方法能應(yīng)對各種地質(zhì)缺陷，因此，結(jié)合多種地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，開展綜合地質(zhì)預(yù)報是實現(xiàn)定量化預(yù)報的有效途徑。在綜合地質(zhì)預(yù)報方面，曲海峰等[3]以地面地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)雷達(dá)、TSP三種超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)為手段，基于系統(tǒng)論的觀點建立了綜合超前預(yù)報方法。李術(shù)才等[4]開發(fā)了陸地聲納第三代儀器和全空間地質(zhì)雷達(dá)處理解釋系統(tǒng)，優(yōu)化了對水的判斷準(zhǔn)則和綜合超前地質(zhì)預(yù)報流程，提出了地質(zhì)災(zāi)害的四色預(yù)警機(jī)制，在多個工程中得到了成功應(yīng)用。

1.2 隧道施工過程安全監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)

隧道工程施工由于其隱蔽性、不確定性和多變化性等特點，施工難度大，易造成安全事故，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度、質(zhì)量和安全。監(jiān)控量測作為隧道施工的關(guān)鍵要素，是確保施工的重要手段。目前，國內(nèi)外隧道界從監(jiān)控量測內(nèi)容設(shè)計、測試儀器研發(fā)、監(jiān)控數(shù)據(jù)分析與預(yù)測，到監(jiān)控量測系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用，開展了大量的工作，取得了一些有實用價值的研究成果。

隧道施工的安全監(jiān)控，主要通過構(gòu)建隧道施工安全監(jiān)控系統(tǒng)來實施。如王浩等[5]研制了一套基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的“隧道施工期間信息管理系統(tǒng)”。朱合華等[6]建立了隧道施工實時監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，有效實現(xiàn)了監(jiān)測信息可視化。伍毅敏[7]應(yīng)用激光技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)開發(fā)了隧道位移實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了隧道位移的高精度、自動、實時和遠(yuǎn)程量測，還采用灰色預(yù)測理論進(jìn)行隧道位移發(fā)展預(yù)測。張國強(qiáng)[8]提出了基于GPRS傳輸?shù)乃淼缹崟r監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計方案，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果、數(shù)值模擬和基于時序立體數(shù)據(jù)表提出了隧道結(jié)構(gòu)安全實時監(jiān)測評價標(biāo)準(zhǔn)。李亮[9]開發(fā)了基于Web的瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)（即B/S架構(gòu)）的隧道施工監(jiān)控數(shù)據(jù)管理分析系統(tǒng)，實現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圖形可視化設(shè)計和互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)機(jī)操作的功能。武勝林、李靜等[10，11]基于Access數(shù)據(jù)庫技術(shù)和GTS測量技術(shù)，研發(fā)了隧道監(jiān)控量測自動預(yù)警管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了隧道監(jiān)控量測數(shù)據(jù)信息化管理和預(yù)警預(yù)報。

2 特長公路隧道施工過程安全監(jiān)控研究需求特征

2.1 特長公路隧道施工地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報技術(shù)研究需求特征

綜1.1所述，隧道施工地質(zhì)災(zāi)害超前地質(zhì)預(yù)報研究雖取得了較重要的進(jìn)展，但距離實現(xiàn)不良地質(zhì)體的空間位置、賦存形態(tài)和充填特性的定性辨識和定量預(yù)報還有一定差距。

具體表現(xiàn)在：

①實際工程中隧道超前地質(zhì)預(yù)報質(zhì)量偏低對物探結(jié)果的解譯往往基于人為經(jīng)驗，造成隧道超前地質(zhì)預(yù)報質(zhì)量偏低。

②目前應(yīng)用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法，均是多種方法的簡單搭配和組合，是將每種方法的探測結(jié)果進(jìn)行人為的比對分析和檢驗，進(jìn)而做出綜合性判斷和解譯，雖提高了預(yù)報的準(zhǔn)確性，但每種探測的信息仍是孤立的，對于物探的多解性問題仍未有改善。

③綜合超前預(yù)報技術(shù)和監(jiān)控量測技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報與預(yù)警的研究還較少，在施工地質(zhì)災(zāi)害的實時超前預(yù)報和災(zāi)變過程的實時監(jiān)測方面尚缺乏研究。

鑒于此，有必要綜合地質(zhì)理論和地球物理探測等手段，按照多階段預(yù)報思路，采用系統(tǒng)分析理論和聯(lián)合反演解譯方法，開展隧道施工地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)報技術(shù)研究，以提高預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性、可靠性及預(yù)報工作效率，實現(xiàn)隧道施工安全的實時監(jiān)控。研究的需求內(nèi)容如下：

①針對特長公路隧道所處的地質(zhì)環(huán)境，研究隧道主要地質(zhì)災(zāi)害類型、成因及影響因素，建立隧道地質(zhì)災(zāi)害判別指標(biāo)和判別方法。

②綜合地質(zhì)分析理論和地球物理探測技術(shù)，研究施工過程實時綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，重點研究基于TSP和GPR預(yù)報數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演理論和智能解譯方法，建立災(zāi)害預(yù)報預(yù)警的定量化信息，實現(xiàn)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害的實時超前預(yù)報。

2.2 特長公路隧道施工過程安全監(jiān)控與預(yù)警技術(shù)

1.2所述研究成果有助于提高隧道監(jiān)控量測管理水平，為準(zhǔn)確把握隧道圍巖穩(wěn)定性，了解圍巖和支護(hù)狀態(tài)，降低隧道施工過程中地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，確保施工安全提供了重要手段。目前，隧道施工過程安全監(jiān)控系統(tǒng)多用于城市隧道和海底隧道中，在公路隧道特別是西部山區(qū)公路隧道施工中的應(yīng)用還較少。此外，現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)多針對監(jiān)控量測，很少結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報來實施地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報預(yù)警，對監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)測手段較為單一，常采用常規(guī)回歸模型，缺乏智能預(yù)測方法。

針對云南山區(qū)深長隧道的大量修建，亟需建立隧道施工過程安全監(jiān)控體系，研究隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報與預(yù)警技術(shù)，提高云南山區(qū)隧道施工管理的信息化和自動化程度，提升隧道安全管理水平。研究的需求內(nèi)容如下：

①聯(lián)合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)和監(jiān)控量測技術(shù)，研究隧道開挖前的不良地質(zhì)體特征和隧道施工過程中圍巖穩(wěn)定狀態(tài)及隧道結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性變化規(guī)律，建立隧道施工地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警機(jī)制、施工安全風(fēng)險的綜合評價方法和分級控制標(biāo)準(zhǔn)。

②開發(fā)隧道施工過程安全監(jiān)控與預(yù)警軟件，將預(yù)警機(jī)制、評價方法和控制標(biāo)準(zhǔn)納入安全監(jiān)控軟件分析功能中，形成隧道施工全過程的安全監(jiān)控和預(yù)警技術(shù)。

3 總結(jié)

本文對特長公路隧道施工地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報技術(shù)及施工過程安全監(jiān)測技術(shù)已有的研究成果進(jìn)行客觀論述，介紹了已有研究成果的技術(shù)類型及工程應(yīng)用實例和存在的欠缺。在此前提下，結(jié)合云南山區(qū)本身存在的不良地質(zhì)發(fā)育和多種災(zāi)害的耦合疊加效應(yīng)，以及特長隧道與一般隧道相比存在的各種復(fù)雜性，對特長公路隧道施工過程安全監(jiān)控研究的需求特征做出分析，為下階段特長公路隧道施工安全監(jiān)控研究提出新思路，并打下堅實的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]余莉，陳建平.斷裂帶山嶺隧道超前預(yù)報的現(xiàn)代地質(zhì)推斷法[J].公路交通科技，2013（11）：106-111，118.

[2]曾昭發(fā)，劉四新，王者江，等.探地雷達(dá)方法原理與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3]曲海鋒，劉志剛，朱合華.隧道信息化施工中綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2006，25（6）：1246-1251.

[4]李術(shù)才，薛翊國，張慶松，等.高風(fēng)險巖溶地區(qū)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)報預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（7）：1297-1307.

[5]王浩，葛修潤，等.隧道施工期間監(jiān)測信息管理系統(tǒng)的研制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2001，20（z1）：1684-1686.

[6]朱合華，李元海.巖土工程施工監(jiān)測信息系統(tǒng)初探[J].巖土力學(xué)，2002，23（1）：103-106.

[7]伍毅敏.隧道位移實時監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)及其數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)研究[D].長安大學(xué)，2004.

[8]張國強(qiáng).隧道結(jié)構(gòu)安全實時監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[9]李亮.基于BS架構(gòu)的公路隧道施工監(jiān)測管理分析系統(tǒng)的開發(fā)研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2010.

[10]武勝林，鄧洪亮，陳凱江，等.隧道監(jiān)控量測自動預(yù)警管理系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].測繪通報，2013（6）：68-70.

[11]李靜，李長青，張麗麗，等.隧道監(jiān)控量測自動預(yù)警管理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].施工技術(shù)，2015，44（18）：110-113.