潘峰

摘要：巖溶地質(zhì)以及地下暗河情況下的山區(qū)隧道在施工過程中極易引發(fā)涌突水災(zāi)害，給施工設(shè)備及人員的安全帶來一定影響，因此，對這類隧道工程中的涌突水災(zāi)害進行及時預(yù)警顯得尤為必要。文章提出了基于多元分析法的隧道涌突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，并結(jié)合工程實例完成相關(guān)的試驗論證工作。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：山區(qū)隧道;涌突水;預(yù)警;研究

中圖分類號：U456.33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.028

文章編號：1673-4874（2019）07-0089-03

0引言

山區(qū)隧道對于縮短地區(qū)間的通車?yán)锍?、提高交通運力、促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟和社會各領(lǐng)域的發(fā)展具有重要作用。隨著我國隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展，在山區(qū)隧道施工的質(zhì)量和安全性方面的標(biāo)準(zhǔn)正在逐步提高。廣西境內(nèi)的地形多為山區(qū)，山區(qū)隧道多因地理位置偏僻、結(jié)構(gòu)復(fù)雜而具有較高的施工難度，且常伴隨有各類地質(zhì)災(zāi)害，在巖溶地質(zhì)、水系河流較為密集的山區(qū)隧道中，涌突水災(zāi)害較為常見，給隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來嚴(yán)重影響，對于車輛的通行也埋下一定的安全隱患。山區(qū)隧道涌突水災(zāi)害的防治工作一直以來都是工程技術(shù)人員所關(guān)注的重點問題，長期以來，通過該領(lǐng)域?qū)＜液蛯W(xué)者們的不斷探索，相關(guān)的研究已取得了較大突破性進展。本文提出了基于多元分析法的涌突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，通過工程試驗完成了對該系統(tǒng)實際預(yù)警功能的論證，具有一定的工程應(yīng)用價值。

1山區(qū)隧道涌突水危害及控制措施

1.1涌突水危害

（1）影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

涌突水一般與隧道的長度和埋深情況有關(guān)。當(dāng)隧道工程穿過巖溶地質(zhì)時，極易發(fā)生涌突水地質(zhì)災(zāi)害，給隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性帶來不同程度的影響。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，在發(fā)生涌突水的山區(qū)隧道，其本體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降為原隧道的90%左右，即便是增加相應(yīng)的支護措施，涌突水所引發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力形變?nèi)詫λ淼赖臎_擊影響呈不可逆的趨勢變化。

（2）沖毀設(shè)施，堵塞坑道

發(fā)生涌突水的山區(qū)隧道內(nèi)部設(shè)施可能被沖毀，如信號電纜、指示標(biāo)牌等，情況嚴(yán)重時還能引起不規(guī)則的連鎖效應(yīng)，使隧道內(nèi)部的設(shè)施損壞程度進一步加劇。涌突水也會堵塞坑道，使山區(qū)隧道內(nèi)部車輛及其他交通運輸設(shè)施的通行變得困難，并危及到人員的生命安全。

（3）地表塌陷，生態(tài)污染

涌突水嚴(yán)重的山區(qū)隧道，其地表部分的土質(zhì)結(jié)構(gòu)會變得疏松，穩(wěn)定性變差，增加了地表塌陷的概率。另外，涌突水也會使附近地層巖溶、水系分布發(fā)生改變，破壞原有的生態(tài)平衡，不同的水系會發(fā)生滲透作用，造成生態(tài)污染。

1.2控制措施

（1）以防為主，排堵結(jié)合

我國早期的山區(qū)隧道施工過程中無專門的防排水措施，主要以襯砌混凝土自身的防水功能為主。在隨后的發(fā)展中，我國改變了過去隧道施工的防排水措施，提出了以防為主、排堵結(jié)合的施工方案，在山區(qū)隧道的施工中取得了良好的效果，極大程度上減少了涌突水情況的發(fā)生。

（2）查明涌突水來源，因地制宜

在發(fā)生涌突水災(zāi)害后，應(yīng)第一時間查明涌突水的具體來源，切忌盲目處理。在進行排水降壓時，應(yīng)注意當(dāng)巖溶水壓超過1.5MPa時應(yīng)盡量以排水為主，不宜進行封堵，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)結(jié)構(gòu)的具體條件進行綜合判斷。

（3）總結(jié)經(jīng)驗，制定可行的防排水方案

山區(qū)隧道發(fā)生涌突水現(xiàn)象較為常見，除與巖溶地質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與隧道施工工藝和工程技術(shù)人員對涌突水的處置經(jīng)驗有關(guān)。為此，應(yīng)詳細(xì)分析近年來發(fā)生在巖溶地質(zhì)條件下的山區(qū)隧道涌突水災(zāi)害案例，總結(jié)涌突水災(zāi)害處置和預(yù)防的施工經(jīng)驗并進行推廣，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件和施工環(huán)境，制定切實可行的防排水方案。

山區(qū)隧道涌突水危害及控制措施如表1所示。

2基于多元分析法的隧道涌突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)研究

2.1預(yù)警系統(tǒng)主要功能分析

涌突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)具備以下主要功能：

（1）涌突水預(yù)警及時性

及時性是涌突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)具備的首要功能。系統(tǒng)應(yīng)在第一時間將發(fā)現(xiàn)或檢測到的涌突水災(zāi)害情況及時發(fā)出預(yù)警，便于工程技術(shù)人員及時了解情況并采取適當(dāng)?shù)难a救措施，避免涌突水災(zāi)害程度進一步擴大。

（2）涌突水預(yù)警準(zhǔn)確性

對于發(fā)生涌突水的山區(qū)隧道的具體位置，預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確定位，為后續(xù)涌突水處置方案提供準(zhǔn)確的工程預(yù)警數(shù)據(jù)。準(zhǔn)確性是對涌突水預(yù)警系統(tǒng)的根本要求，提高涌突水預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性能夠在一定程度上縮短涌突水災(zāi)害的處置時間，控制災(zāi)害范圍的進一步擴大并節(jié)約工程維護費用。

（3）涌突水預(yù)警必要性

預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置涌突水災(zāi)害報警閾值，當(dāng)涌突水規(guī)模超過所設(shè)定的閾值后，通過預(yù)警機制發(fā)出警報，以提醒工程維護人員及時處置。對于比較輕微的山區(qū)隧道涌突水現(xiàn)象，應(yīng)判斷產(chǎn)生的具體原因，如果是由于隧道本體結(jié)構(gòu)問題而引起的涌突水現(xiàn)象，則應(yīng)發(fā)出警報。其他情況下發(fā)生的比較輕微的涌突水則可以忽略不計。因此，涌突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)具備判斷災(zāi)害處置必要性的功能。

預(yù)警系統(tǒng)主要功能分析如表2所示。

2.2預(yù)警系統(tǒng)核心架構(gòu)設(shè)計

多元分析法的隧道涌突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)核心架構(gòu)的設(shè)計主要考慮到三個元素，分別是I元-涌突水量、Ⅱ元-振動數(shù)據(jù)（隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性）和Ⅲ元-水位深度（如圖1所示）。其中涌突水量是反映隧道內(nèi)部涌突水的具體程度;振動數(shù)據(jù)反映了隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性情況;而水位深度主要衡量巖溶水系的位置，與隧道埋深進行對比，判斷涌突水壓力情況。這三項預(yù)警元素通過部署在隧道內(nèi)部多個位置的無線傳感器完成參數(shù)指標(biāo)的采集和傳輸工作，由無線信號中繼站回傳至預(yù)警監(jiān)控中心，預(yù)警監(jiān)控中心具有手動和自動發(fā)出涌突水災(zāi)害警報的功能。手動部分由工程技術(shù)人員通過查看隧道涌突水預(yù)警監(jiān)控數(shù)據(jù)來自行判斷是否發(fā)出警報;自動部分由預(yù)先設(shè)定好的各類參數(shù)指標(biāo)警報閾值來進行判斷，達(dá)到警報閾值后發(fā)出涌突水災(zāi)害警報。

3工程試驗與結(jié)果分析

3.1工程概況

防城港市地處廣西南部，南臨北部灣。經(jīng)勘測，防城港市山區(qū)地勢結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部分區(qū)域分布有巖溶地貌，且地下暗河豐富、水系交織。在這類地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況下進行隧道施工極易引發(fā)涌突水災(zāi)害。以防城港市四方山隧道K348+262m～K348+250m段的施工為例，通過基于多元分析法的隧道涌突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)進行實際工程施工中涌突水災(zāi)害的預(yù)警試驗。

3.2涌突水預(yù)警試驗

試驗過程中選取施工現(xiàn)場的涌突水量、振動數(shù)據(jù)和水位深度三項參數(shù)指標(biāo)，通過部署在隧道內(nèi)部的傳感器對涌突水量每小時測量1次，振動數(shù)據(jù)和水位深度選取3個不同位置進行測量，分別對比實測值與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差程度，得出涌突水災(zāi)害發(fā)生的概率評估結(jié)果。四方山隧道涌突水災(zāi)害預(yù)警試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

3.3試驗結(jié)果分析

表3試驗數(shù)據(jù)表明，所選取的涌突水量、振動數(shù)據(jù)以及水位深度三項指標(biāo)的實測值均在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，表明該段隧道施工過程中發(fā)生涌突水災(zāi)害的可能性較低，不必通過預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警報。通過該段隧道實際施工完成情況可知，在施工全過程中，隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，未發(fā)生涌突水等影響隧道施工的地質(zhì)結(jié)構(gòu)災(zāi)害，證明了本文研究的山區(qū)隧道涌突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)具有較好的工程應(yīng)用特性。

4結(jié)語

本文分析山區(qū)隧道涌突水危害及控制措施，設(shè)計了基于多元分析法的隧道涌突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，闡述了預(yù)警系統(tǒng)的主要功能，并以防城港市四方山隧道工程的施工為例，進行了山區(qū)隧道涌突水災(zāi)害預(yù)警試驗，證明了本文所提出的基于多元分析法的預(yù)警系統(tǒng)在山區(qū)隧道涌突水災(zāi)害預(yù)警中的可行性，工程應(yīng)用價值明顯。