山區(qū)隧道涌突水災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)研究與應(yīng)用

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(duì)這類隧道工程中的涌突水災(zāi)害進(jìn)行及時(shí)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(shí)例完成相關(guān)的試驗(yàn)論證工作。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：山區(qū)隧道;涌突水;預(yù)警;研究

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

文章編號(hào)：1673-4874（2019）07-0089-03

0引言

山區(qū)隧道對(duì)于縮短地區(qū)間的通車?yán)锍?、提高交通運(yùn)力、促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)和社會(huì)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(duì)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(diǎn)問題，長(zhǎng)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(jìn)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(yàn)完成了對(duì)該系統(tǒng)實(shí)際預(yù)警功能的論證，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)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(zhǎng)度和埋深情況有關(guān)。當(dāng)隧道工程穿過巖溶地質(zhì)時(shí)，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(jì)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(hù)措施，涌突水所引發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力形變?nèi)詫?duì)隧道的沖擊影響呈不可逆的趨勢(shì)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(hào)電纜、指示標(biāo)牌等，情況嚴(yán)重時(shí)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(jìn)一步加劇。涌突水也會(huì)堵塞坑道，使山區(qū)隧道內(nèi)部車輛及其他交通運(yùn)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(huì)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(huì)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(huì)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(shí)間查明涌突水的具體來源，切忌盲目處理。在進(jìn)行排水降壓時(shí)，應(yīng)注意當(dāng)巖溶水壓超過1.5MPa時(shí)應(yīng)盡量以排水為主，不宜進(jìn)行封堵，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的具體條件進(jìn)行綜合判斷。

（3）總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，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(duì)涌突水的處置經(jīng)驗(yàn)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(yàn)并進(jìn)行推廣，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和施工環(huán)境，制定切實(shí)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(shí)性

及時(shí)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(shí)間將發(fā)現(xiàn)或檢測(cè)到的涌突水災(zāi)害情況及時(shí)發(fā)出預(yù)警，便于工程技術(shù)人員及時(shí)了解情況并采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)救措施，避免涌突水災(zāi)害程度進(jìn)一步擴(kuò)大。

（2）涌突水預(yù)警準(zhǔn)確性

對(duì)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(duì)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(shí)間，控制災(zāi)害范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大并節(jié)約工程維護(hù)費(fèi)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(bào)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(jī)制發(fā)出警報(bào)，以提醒工程維護(hù)人員及時(shí)處置。對(duì)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(bào)。其他情況下發(fā)生的比較輕微的涌突水則可以忽略不計(jì)。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(jì)

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(jì)主要考慮到三個(gè)元素，分別是I元-涌突水量、Ⅱ元-振動(dòng)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(dòng)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(jìn)行對(duì)比，判斷涌突水壓力情況。這三項(xiàng)預(yù)警元素通過部署在隧道內(nèi)部多個(gè)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(hào)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(dòng)和自動(dòng)發(fā)出涌突水災(zāi)害警報(bào)的功能。手動(dòng)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?cái)?shù)據(jù)來自行判斷是否發(fā)出警報(bào);自動(dòng)部分由預(yù)先設(shè)定好的各類參數(shù)指標(biāo)警報(bào)閾值來進(jìn)行判斷，達(dá)到警報(bào)閾值后發(fā)出涌突水災(zāi)害警報(bào)。

3工程試驗(yàn)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(cè)，防城港市山區(qū)地勢(shì)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(jìn)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(jìn)行實(shí)際工程施工中涌突水災(zāi)害的預(yù)警試驗(yàn)。

3.2涌突水預(yù)警試驗(yàn)

試驗(yàn)過程中選取施工現(xiàn)場(chǎng)的涌突水量、振動(dòng)數(shù)據(jù)和水位深度三項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，通過部署在隧道內(nèi)部的傳感器對(duì)涌突水量每小時(shí)測(cè)量1次，振動(dòng)數(shù)據(jù)和水位深度選取3個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，分別對(duì)比實(shí)測(cè)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(píng)估結(jié)果。四方山隧道涌突水災(zāi)害預(yù)警試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

表3試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，所選取的涌突水量、振動(dòng)數(shù)據(jù)以及水位深度三項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)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(bào)。通過該段隧道實(shí)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(jì)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(jìn)行了山區(qū)隧道涌突水災(zāi)害預(yù)警試驗(yàn)，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(jià)值明顯。