談巖溶隧道突水突泥預測預警技術
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摘要:巖溶引發隧道災害主要通過三種不同的機理實現，導致三類不同的災害:其一是突水涌泥現象;其二是造成隧道失穩;其三是可能在隧道頂部底部或者兩側出現大型溶洞。其中突水突泥在巖溶隧道中屬于非常常見的一種災害，許多隧道在施工期間深受其害，通過對敘畢鐵路新高坡隧道進行研究，探尋一種有效的針對巖溶隧道突水涌泥現象的系統措施，研究在隧道施工期間的突水突泥預測預警技術方面比較合適的方法。研究結果表明，在實際處理敘畢鐵路新高坡巖溶隧道突水突泥時，新高坡隧道的三維估量探測技術及突水突泥災害監控與智能預警軟件平臺系統，對巖溶段富水段突水突泥預測預警有較好的參考作用。
關鍵詞:巖溶；隧道；突水突泥；預測預警
引言
通過對大量的文獻資料調查得出，工程地質、水文地質和實際施工措施這三大要點對富水斷層破碎帶的巖溶隧道中突水突泥災害的發生有著很大的影響［1］。在工程地質方面，大范圍的地質構造形態，在很大程度上由地形地貌所決定，所以一般來說出現突水涌泥現象的隧道，基本上都位于可溶性巖層和富水的地層中。特別是存在于斷層破碎帶等特殊地質構造內的隧道，因受這些特殊地質構造的特殊物質條件等原因的影響，面臨更嚴重更頻繁的突水涌泥事故困擾。在水文地質方面，水文地質主要包括三大因素:其一就是隧道所在當地的氣象情況;其二是隧道所在地區的水文條件;其三則是隧道周圍巖層的地熱因素。隧區的氣象情況對隧區水文地質的影響主要是通過降水實現，降水量的多少會較大程度改變當地的水文地質情況;隧道所在地區的水文條件主要受到當地的溫度、降雨這些自然因素的影響;而地熱更是更好地促進了斷層的導水性能以及斷層里泥漿、巖石碎屑的流動性能，導致隧道更容易受到突水突泥的威脅。同樣，實際施工措施也通過隧道設計過程、對施工溫度的控制以及開挖、爆破過程等等影響隧道突水突泥的發生。對隧道進行合適的地質勘探，并根據地質勘探的成果對隧道進行合理的設計，才能有效地預防隧道突水突泥事故，進一步而言，合理的設計能有效地指導施工，從而保證施工期間隧道的安全穩定，確保隧道有序有效率地建設。同樣值得注意的是，在施工期間由于各類機械排放廢氣或者其他原因引起的施工溫度升高是會對隧道圍巖穩定性造成不良影響的，甚至會影響到圍巖周圍的地下水流動狀態，從而造成難以預測的突水涌泥事故。在隧道施工期間的爆破震動一方面破壞隧道圍巖整體性，另一方面激活圍巖內的靜水，使活化的地下水涌入隧道，造成災害。通過了解影響巖溶隧道的因素，對巖溶隧道突水突泥預測預警有較大的啟示作用，更容易找到預測突水突泥的方向。譚英華［2］通過研究了解了實時反饋的重要性，并通過對現場施工信息實時進行監控測量，然后反饋給信息管理系統，信息管理系統及時響應，提出有效地應急對策，實現了對突水涌泥預警系統的完善;李術才等［3］詳述了如何綜合利用現存各類超前預報的方法，使之形成綜合體系。Wang和Lu［4］建立了一套完整地質預測技術。曲海鋒等［5］提出了一種綜合地質預測方法。新高坡隧道擁有復雜的地質條件，圍巖破碎，圍巖質量差，多為Ⅳ級、Ⅴ級，隧區內斷層、溶洞眾多。破碎的圍巖與豐富的水源并存，擁有突水突泥的良好條件，作為應對巖溶現象的第一步，在新高坡隧道中應用好預測預警技術不僅有效保障隧道施工安全，而且對其他的巖溶隧道有著很好的指導意義。
1隧道突水突泥災害的預測
1．1隧道突水突泥災害處理的總體原則
施工原則簡單來說就是“早預報、先治水、強支護、快封閉、早襯砌。要施工先預報，預報的目的就是掌握掌子面前方的實際情況，主要著重關注前方是否存在斷層破碎帶，并關注其特征。首先要關注的特征就是斷層的規模，其次要關注存在的是何種類型的斷層以及其破碎程度，最后要關注的就是斷層往哪個方向延伸及其走向等等。遇溶隙、裂隙水可以以堵為主、限量排放，減小隧道施工對地表水資源的破壞;遇到暗河或管道流，必須以疏、排為主。針對通過預報得知的突水涌泥危險較大的區段，實行注漿方案應對危險。注漿方案包括大范圍大斷面的整體式注漿和對相對危險性較高的局部區域更細致的注漿兩部分。兩部分相互配合，相互補充，對掌子面前方地質做到最良好的改善。同時，對于不同含水量大小的地層，在檢查注漿效果時對漿液填充率的要求不一樣，含水量不大的地層達到70%的填充率就足夠了，而地層含水量豐富時，填充率應該大于80%。實行注漿效果檢查的注漿孔要求占總注漿孔的8%左右，且檢查孔的分布應該盡量均勻。檢查注漿孔時主要關注以下要求:有無涌泥涌砂，有無塌孔，滲水量是否小于0．2L/(min•m)。在確定注漿止水效果滿足一定要求后，才可以進行開挖施工。
1．2新高坡隧道超前地質預報預測的方法選擇
新高坡隧道施工要重視并建立完善的超前地質預報系統，綜合采用(TSP203地震波法、紅外線探水儀、水平聲波反射法、地質調查和超前鉆探等)，綜合各種預報方案的優點，互相彌補，下面簡要介紹一下本隧道使用的幾項預報方法:1)地震波法(TSP203)。選取相對普通卻比較成熟的地震波反射法(TSP法)，全程使用TSP203。每次預報軟弱、破碎、巖溶發育地區的距離保持在100m～120m之間，一前一后兩次使用TSP203有10m以上的區段重疊;巖質較好的區段預報長度保證在120m～150m即可，不過前后兩次預報的區段的搭接長度仍需達到10m。2)超前地質水平鉆。作為一種能夠更直觀驗證掌子面前30m實際圍巖情況的方法，對其有以下要求:單次鉆孔長度不小于30m，斷裂帶不小于35m，搭接長度10m。根據超前地質水平鉆情況，如果鉆出地下水，則需要在拱頂鉆3個108的泄水孔，降水提前排走。如果僅僅依靠超前鉆孔并不能完成泄水的任務，可額外進行迂回導坑降水，確保掌子面施工安全。3)加深炮孔。在隧道開挖工作面上鉆小孔徑淺孔，以此獲取地質信息的方法，加深炮孔每次循環布設3個～8個，保證掌子面頂部，底部及兩側都有炮孔存在。以炮孔出水狀況和鉆孔時的速度，判定前方圍巖情況。不過加深炮孔法禁止在爆破殘眼中進行。4)掌子面素描。實施對每個掌子面的近距離素描，主要關注其巖性、構造、水文并保留影像。該方法可以直接觀測掌子面，但是對于掌子面前方狀況難以判斷。
2隧道突水突泥災害監控與智能預警軟件平臺
2．1隧道監控預警系統的選擇原則
使用新技術保證開挖安全，無論是使用傳統的簡單方法來保證，還是復雜的監控預警系統，都是為了改善環境，保障人員機械安全。因此，應從以下幾個方面考慮選擇監測和預警系統:1)突水突泥隧道災害情況。隧道突水涌岀量、臨界水壓力及富水斷層破碎帶等都是施工時常常用來選擇隧道突水突泥監測預警系統類型的依據。2)突水突泥隧道的實際施工情況。隧道開挖面的多少、隧道內機械電子設備安裝的位置以及數量等等都影響到突水突泥監測預警系統的裝備容量，但是為了更加穩妥起見，應該在適用容量的基礎上再增加20%～30%的備用容量。3)系統的功能。數據處理優先選用計算機系統，軟件要同時兼備功能強大、易于開發、容量足夠等優點且能夠用于數據統計、計算及報表編制工作。對計算機進行選型時以工控機為優先考慮目標，同時方便和工區計算機聯網。4)綜合技術、經濟方面。選型監測預警系統時，技術和經濟兩個方面都應該得到妥善的考慮，對技術要求先進、性能應該穩定且要保證安全性。對于經濟方面，經濟效益是基本要求，且使用和維護要很便利才行。因此，選型分析應綜合考慮上述兩個方面。
2．2LED顯示系統及預警系統
LED大屏幕比較適合安裝在顯眼的位置(見圖1)，比如隧道入口就是個合適的位置，作為顯示端，一方面可以展示隧道內施工人員的信息，方便管理施工人員，使管理更加先進，更加透明化，另一方面也可以顯示隧道內一些容易發生突水突泥的區域實況，讓領導和管理者更方便及時地關注到隧道施工人員及隧道內安全狀況。預警系統包括網絡視頻監控系統以及監測點的應變監測系統、臨界水壓力預警系統。網絡視頻監控系統主要在視覺上直觀的關注隧道內的安全情況，隧道內有任何地方發生局部的，少量的突水突泥都能及時發現，而監測點的應變監測系統、臨界水壓力預警系統分別通過關注臨界突泥距離和臨界水壓力，在數據上預警突水突泥的發生。網絡視頻監控系統包括采集、編解碼、傳輸及接收端幾個部分。監控點采集隧道內視頻信息，然后經過編解碼后傳輸到監控室電腦上儲存，同時在LED顯示屏上顯示出來。該系統功能強大，不僅可以多個點對點實時監控，更具有云端功能，可以隨時通過軟件控制端進行操作，實現清晰放大、視屏快進快退，觀看想看的時間段的視屏。如果擁有管理員權限更是可以下載和點播特定云端視屏。隨著5G的普及，這些功能將會更加的便利。監控器分布圖見圖2。對于監測點的應變監測系統和臨界水壓力預警系統，前者通過在掌子面上安裝的監測器觀察監測點的應變，如果監測點的應變發生了突變，則說明現在到達了臨界突泥的距離。后者通過檢測掌子面內的水壓力，當水壓力達到臨界值，說明有了突水突泥的風險，應及時進行掌子面抽排水。由此可以看岀預警系統是綜合利用監控攝像機對隧道施工現場具備發生突水突泥可能性的各視頻點進行24h的實時監控以及監測點的應變監測系統和臨界水壓力預警系統對掌子面應變和水壓力的及時預警。對于一些關鍵的視屏節點，可以啟動系統的自動偵測功能并隨后自動啟動報警功能。系統能自動識別危險，并觸發錄像報警功能，及時把前端采集的警報信息，包括圖像、聲音、異常變形或水壓等數據傳輸到監控室電腦，讓管理人員能直觀迅速地了解并掌握實施情況，從而達到實時監管實時預警的效果。項目部聯網—綜合遠程監控圖見圖3。數據傳輸方式多種多樣，具體的選擇要以現場條件為主，盡可能多地選擇多種傳輸通信方式綜合使用，確保信號傳輸的穩定，因為信號傳輸是整個系統的命脈。可供選擇的傳輸方式包括:有線傳輸、光纖傳輸、無線網絡5G傳輸甚至可以利用衛星傳輸。綜合搭配各種通訊系統保障數據的傳輸。這樣就可以實現把數據傳送到指揮部調動中心的目的，使指揮調度更方便。
3結語
新高坡隧道不僅僅是簡單地一塊使用了上述先進可靠的預報方法，更是一種對各種預報方法的取長補短的利用，通過讓它們之間互相彌補，使施工方案更精準有效。綜合利用攝像機24h視頻監控隧道施工和利用監測點的應變監測系統、臨界水壓力預警系統對掌子面應變和水壓力進行監控，構建了隧道突水突泥災害監控與智能預警軟件平臺，為類似工程突水突泥預測預警提供了參考。
參考文獻:
［1］翁賢杰．富水斷層破碎帶隧道突水突泥機理及注漿治理技術研究［D］．濟南:山東大學，2014．
［2］譚英華．隧道富水斷層破碎帶突泥災變演化機理及工程應用［D］．濟南:山東大學，2017．
［3］李術才，薛翊國，張慶松，等．高風險巖溶地區隧道施工地質災害綜合預報預警關鍵技術研究［J］．巖石力學與工程學報，2008，27(7):1297-1307．
［5］曲海鋒，劉志剛，朱合華．隧道信息化施工中綜合超前地質預報技術［J］．巖石力學與工程學報，2006，25(6):1246-1251．
作者：周仁強單位：四川省公路規劃勘察設計院有限公司
