梅宏

（上海同濟(jì)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海200092）

0 引言

隨著當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也在不斷的加強(qiáng)，在公路隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)上有了較大的提高，但是隨著技術(shù)上的提高，工程施工的難度上也在不斷增加。隧道越修越長(zhǎng)，隧道的埋深越來越深，這就使得在隧道施工過程中的工程地質(zhì)條件愈發(fā)的復(fù)雜。由于隧道工程本身具有隱蔽性的特點(diǎn)，且目前多以物探、鉆探等方法取得一些地質(zhì)環(huán)境以及相應(yīng)物探資料，施工人員仍無法掌握到施工工程中詳細(xì)的地質(zhì)情況，這對(duì)整個(gè)隧道的設(shè)計(jì)與施工仍帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)性和盲目性。對(duì)此，需要對(duì)隧道工程當(dāng)中的不良地質(zhì)進(jìn)行分析與了解，探討針對(duì)不良地質(zhì)的主要應(yīng)對(duì)處置方案措施，然后依據(jù)相關(guān)技術(shù)探討數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的搭建策略，通過搭建完善的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，存儲(chǔ)大量有關(guān)地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)資料，更有助于開展隧道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)與處治工作。

1 公路隧道塌方預(yù)測(cè)分析研究

1.1 導(dǎo)致隧道塌方的原因分析

在施工中出現(xiàn)塌方事故時(shí)，將對(duì)整個(gè)隧道施工工期和經(jīng)濟(jì)造成損失，同時(shí)，也會(huì)對(duì)隧道后期運(yùn)營(yíng)、養(yǎng)護(hù)帶來極大不利影響。引起隧道塌方的原因有很多，主要的有以下幾種。

1.1.1 地質(zhì)地貌

在隧道地質(zhì)條件中，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件處于溶洞發(fā)育和巖體節(jié)理的情況下時(shí)，容易形成不穩(wěn)定的危巖體，這些危巖體本身的強(qiáng)度并不高，一旦地層應(yīng)力大于其強(qiáng)度時(shí)，隧道就有可能因?yàn)槲r體的變形加速而引起塌方事故。

1.1.2 天氣水文

因?yàn)橥蝗坏拇蟊┯暌约伴L(zhǎng)期的小雨天氣都會(huì)引起巖層地表的地下水位發(fā)生變化。一旦在工程施工當(dāng)中沒有合理地針對(duì)地下水的變化進(jìn)行疏排，則會(huì)導(dǎo)致圍巖的抗剪強(qiáng)度銳減，極為容易引發(fā)流砂現(xiàn)象導(dǎo)致塌方事故發(fā)生。

1.1.3 施工方法

在實(shí)際的隧道施工過程當(dāng)中，容易出現(xiàn)一些施工隊(duì)伍不按照規(guī)范施工的現(xiàn)象，從而引起了隧道塌方。尤其是當(dāng)前我國(guó)處于高速發(fā)展的階段中，各地都有著眾多的工程在同時(shí)施工，如果想要確保各個(gè)工程的施工人員都具備較高的專業(yè)素養(yǎng)，是一件非常難的事情。特別是在一些工期緊張的工程中，為了能在預(yù)估的工期內(nèi)完成項(xiàng)目的建設(shè)，可能招募許多臨時(shí)工，在一定程度上對(duì)工程施工質(zhì)量造成影響[1]。

1.2 塌方預(yù)測(cè)

在塌方預(yù)測(cè)的方式中，可以借助指數(shù)平滑模型，通過監(jiān)測(cè)圍巖的變形值提前做好預(yù)處理，在經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)稱為“平滑值”，如果設(shè)定一個(gè)權(quán)系數(shù)作為a，平滑值則可以通過以下的公式獲取：平滑值＝a×（新數(shù)據(jù)）+（1-a）×（老數(shù)據(jù)），在計(jì)算時(shí)，數(shù)據(jù)的處理是根據(jù)分級(jí)分次來開展的，可以記為S(1)t、S(2)t、S(3)t，用來對(duì)應(yīng)表示為t 時(shí)刻的第1、2、3 次的平滑值，計(jì)算公式如下：

計(jì)算結(jié)果見表1。假設(shè)平滑數(shù)學(xué)的模型為：

表1 指數(shù)平滑法中系數(shù)計(jì)算

式（4）中：yt+T 為t+T 時(shí)刻的預(yù)測(cè)變形值；T 為以t 作為起點(diǎn)向未來進(jìn)行延展T 時(shí)刻之后，也就是t 以后模型的外推時(shí)間；at、bt、ct為模型的參數(shù)。

2 隧道涌水突泥預(yù)測(cè)與處置措施研究

在隧道挖掘的過程中，必然對(duì)隧道內(nèi)部的潛在含水圍層起到一定破壞，對(duì)部分的地下管水通道有一定影響，導(dǎo)致地下水被破壞之后，大量的水涌入隧道中從而發(fā)生涌水災(zāi)害。當(dāng)涌水中存在著大量固體物質(zhì)時(shí)，這些固體物質(zhì)大多是泥質(zhì)物，被稱為隧道的突泥。

2.1 隧道涌水量的預(yù)測(cè)

針對(duì)隧道涌水的預(yù)測(cè)，主要采用的是水均衡法，指的是根據(jù)水均衡的原理，調(diào)查清楚隧道在施工期的時(shí)候，水均衡各收入支出部分的關(guān)系，從而獲取到施工段的涌水量。采用水均衡法進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，主要可以結(jié)合以下幾種方法進(jìn)行。

2.1.1 地下徑流模數(shù)法

該方法主要是針對(duì)地下徑流模數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，一是根據(jù)測(cè)算出來的溪流面流量進(jìn)行計(jì)算，二是根據(jù)泉流量的監(jiān)測(cè)最終結(jié)果展開分析，在監(jiān)測(cè)泉流量的過程中可以結(jié)合水位標(biāo)尺來進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 水位的測(cè)量圖

具體的計(jì)算公式如下：

2.1.2 降水入滲法

這種方法在實(shí)施的過程中主要考慮到大氣降水的入滲量，并以此來衡量某個(gè)地區(qū)當(dāng)中的地下水量，這種方法由于計(jì)算的參數(shù)涉及較少，因此方法也比較簡(jiǎn)單，計(jì)算公式如下：

2.2 隧道涌水處置措施

2.2.1 注漿封堵方案

在隧道施工的過程當(dāng)中，基本上都要遇到溶洞、暗河等，由于遇到暗河等引起的出水情況，可以通過注漿堵水的方式來解決。

2.2.2 裂隙出水點(diǎn)注漿

在施工開挖過程中，對(duì)于遇到的巖溶裂隙面出水的情況，可以采取“圍截注漿法”進(jìn)行注漿堵水，在針對(duì)出水點(diǎn)的周圍合適的范圍之內(nèi)布孔注漿，通過這種方式形成封閉式的止水帷幕。

3 隧道巖爆預(yù)測(cè)方法研究

3.1 巖爆預(yù)測(cè)的影響因素以及判別方式

3.1.1 巖爆的影響因素分析

（1）圍巖性質(zhì)對(duì)巖爆的影響

硬巖因?yàn)樽陨砭哂休^強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度的特性，在受到荷載的作用下，硬巖的應(yīng)變曲線會(huì)逐漸形成直線型，發(fā)生的變形很小，具備較為明顯的變形特征，能夠儲(chǔ)備較高的彈性應(yīng)變能，當(dāng)硬巖所處的應(yīng)力環(huán)境發(fā)生較為劇烈的變化時(shí)，比如受到人工開挖的影響，這時(shí)候在硬巖中所儲(chǔ)備的能量就會(huì)極速釋放出來，在這個(gè)過程中極容易出現(xiàn)巖爆的情況。對(duì)此，在施工之前，需要有專門的人員進(jìn)行圍巖性質(zhì)的檢測(cè)，通過查看施工周邊的圍巖情況，分析在施工過程中，是否會(huì)對(duì)這些圍巖產(chǎn)生較大的影響[2]。

（2）埋深對(duì)巖爆的影響

隨著項(xiàng)目開采的深度不斷增加，巖石破壞的特點(diǎn)也會(huì)隨之發(fā)生變化，由淺部的斷裂韌度控制的破壞轉(zhuǎn)為在深部開采時(shí)由側(cè)向應(yīng)力來控制的斷裂生長(zhǎng)的破壞。有相關(guān)的數(shù)據(jù)表明，隨著開采的深度增加，發(fā)生巖爆的可能性就越大。

3.1.2 巖爆預(yù)測(cè)方法

挪威曾經(jīng)針對(duì)巖爆的預(yù)測(cè)采用巴頓法，后來在經(jīng)過陶振宇教授進(jìn)行優(yōu)化與總結(jié)以后，在巴頓法的基礎(chǔ)之上提出了更具預(yù)測(cè)性的判別臨界值，見表2，通過該表能夠較為清晰地了解到巖爆的級(jí)別，并根據(jù)不同的級(jí)別采取相對(duì)應(yīng)的措施。

表2 陶振宇教授提出的巖爆判別準(zhǔn)則

其中：RC表示的是巖石單軸抗壓強(qiáng)度，Q1表示的是地應(yīng)力。

3.2 巖爆的防治措施

針對(duì)巖爆的防治措施首先要從其源頭開始，就是在工程選址的過程中，就應(yīng)當(dāng)有計(jì)劃地避開一些極為容易引發(fā)巖爆的高地應(yīng)力的集中區(qū)域。如果受到項(xiàng)目的特殊性質(zhì)影響，在施工時(shí)無法避開這些應(yīng)力集中區(qū)，則要考慮盡量使洞軸線與最大主應(yīng)力的方向呈平行方向來布置，減少應(yīng)力集中的系數(shù)，降低巖爆發(fā)生的概率以及在發(fā)生巖爆情況時(shí)的巖爆烈度級(jí)別。

4 其他隧道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)方法研究

4.1 采空區(qū)預(yù)測(cè)

在隧道開挖的過程中，存在天然或因開采而形成的采空區(qū)，為了防止采空區(qū)塌陷、涌水等災(zāi)害，需要通過相關(guān)的預(yù)測(cè)方法及時(shí)發(fā)現(xiàn)采空區(qū)，并采取有效措施進(jìn)行處理。當(dāng)前主要的預(yù)測(cè)方法是在地層、地質(zhì)調(diào)查分析基礎(chǔ)上，采用微動(dòng)探測(cè)技術(shù)，結(jié)合該技術(shù)能夠從微動(dòng)信號(hào)當(dāng)中獲取面波頻散曲線，通過反演的方式能夠獲得所探測(cè)位置的地下介質(zhì)情況，從而探測(cè)出地質(zhì)構(gòu)造具體情況。

4.2 瓦斯突出預(yù)測(cè)

瓦斯突出也被稱為“煤與瓦斯突出”，指的是在開采礦體的過程中，隨著開采深度的增加，礦內(nèi)瓦斯含量逐步遞增的情況，一旦瓦斯含量過大極為容易發(fā)生瓦斯爆炸。對(duì)此，在施工的時(shí)候需要做好相關(guān)的預(yù)測(cè)，當(dāng)前針對(duì)瓦斯突出的預(yù)測(cè)，主要采用WTC 瓦斯突出參數(shù)測(cè)定儀來進(jìn)行測(cè)量，通過該測(cè)定儀能夠預(yù)測(cè)瓦斯突出的情況。

5 隧道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)及處置措施的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)策略分析

5.1 系統(tǒng)功能分析

5.1.1 系統(tǒng)用戶管理

在數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)內(nèi)容要求，首先需要設(shè)計(jì)系統(tǒng)用戶的身份管理。在該系統(tǒng)中，針對(duì)使用用戶的性質(zhì)，可以分為普通用戶和高級(jí)用戶兩種。普通用戶具有瀏覽、查詢和導(dǎo)出數(shù)據(jù)信息的基本功能；而高級(jí)用戶作為系統(tǒng)的管理人員，除了具備普通用戶的功能以外，還能對(duì)信息進(jìn)行刪除與添加的操作。

5.1.2 數(shù)據(jù)錄入以及修改

數(shù)據(jù)錄入的功能主要是用來載錄正在施工隧道地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)相關(guān)圖紙或參數(shù)等詳細(xì)信息，記錄大量典型且具有代表性隧道施工案例，包括完成公路隧道項(xiàng)目的地質(zhì)與施工信息，特別是不良地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生原因分析與處置方案，同時(shí)載入地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)預(yù)測(cè)方式、方法及計(jì)算公式等等。

5.1.3 數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢功能主要包括，第一，可隨時(shí)查詢施工隧道或已完成隧道已錄入的所有信息；第二，由于系統(tǒng)已將施工隧道和已完成大量典型隧道的地質(zhì)情況、不良地質(zhì)災(zāi)害及預(yù)測(cè)信息等分析匹配，可以查詢數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)生成的不良地質(zhì)預(yù)測(cè)分析報(bào)告；第三，查詢隧道施工即將或已經(jīng)發(fā)生的不良地質(zhì)災(zāi)害原因分析、處置措施及相關(guān)工程案例等等，選擇自己想要了解的內(nèi)容[3]。

5.1.4 數(shù)據(jù)輸出

數(shù)據(jù)輸出指的是用戶可以在查詢完相關(guān)信息以后，根據(jù)自身的需求導(dǎo)出想要的數(shù)據(jù)并生成文檔的形式。

5.1.5 數(shù)據(jù)審核

為避免不同的用戶在操作過程中，出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)錄入的情況，還需要有專門的數(shù)據(jù)審核。

5.2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

在設(shè)計(jì)專門針對(duì)公路隧道災(zāi)害處治的數(shù)據(jù)管理庫(kù)當(dāng)中，其設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)要遵循以下的原則。

5.2.1 實(shí)用性原則

系統(tǒng)的搭建要從實(shí)際出發(fā)，數(shù)據(jù)庫(kù)要做到便于管理和使用，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的更新與擴(kuò)充，滿足相關(guān)人員的要求?；趯?shí)用性的原則，在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的時(shí)候，需要不斷根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行優(yōu)化，所有功能的研發(fā)都應(yīng)當(dāng)要符合實(shí)際。

5.2.2 簡(jiǎn)潔美觀的原則

系統(tǒng)的界面要簡(jiǎn)單、直接，能夠讓用戶在能在極短的時(shí)間內(nèi)即可上手。

5.2.3 標(biāo)準(zhǔn)化原則

系統(tǒng)的各部分設(shè)計(jì)都應(yīng)當(dāng)要具備標(biāo)準(zhǔn)化的原則，要求符合國(guó)家法律、法規(guī)和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。

6 結(jié)語(yǔ)

通過將隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果資料、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢的地質(zhì)預(yù)測(cè)分析資料與處置方案資料等相結(jié)合，能更全面、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧道不良地質(zhì)災(zāi)害以及快速、合理采取有效處置方案，所以搭建專門的數(shù)據(jù)庫(kù)是非常有必要的。在數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建中，其功能主要包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)用戶管理、數(shù)據(jù)的錄入與修改、數(shù)據(jù)的查詢與輸出、數(shù)據(jù)的審核。除此以外，在設(shè)計(jì)時(shí)還要遵循相關(guān)的設(shè)計(jì)原則，如實(shí)用性原則，要從實(shí)際層面出發(fā)，還要與地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)及處置工作要求相符合。