巖溶隧道突水突泥預(yù)測預(yù)警技術(shù)研究★

周 仁 強

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

通過對大量的文獻資料調(diào)查得出，工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和實際施工措施這三大要點對富水?dāng)鄬悠扑閹У膸r溶隧道中突水突泥災(zāi)害的發(fā)生有著很大的影響[1]。

在工程地質(zhì)方面，大范圍的地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)，在很大程度上由地形地貌所決定，所以一般來說出現(xiàn)突水涌泥現(xiàn)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(zhì)構(gòu)造內(nèi)的隧道，因受這些特殊地質(zhì)構(gòu)造的特殊物質(zhì)條件等原因的影響，面臨更嚴(yán)重更頻繁的突水涌泥事故困擾。在水文地質(zhì)方面，水文地質(zhì)主要包括三大因素：其一就是隧道所在當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r；其二是隧道所在地區(qū)的水文條件；其三則是隧道周圍巖層的地?zé)嵋蛩?。隧區(qū)的氣象情況對隧區(qū)水文地質(zhì)的影響主要是通過降水實現(xiàn)，降水量的多少會較大程度改變當(dāng)?shù)氐乃牡刭|(zhì)情況；隧道所在地區(qū)的水文條件主要受到當(dāng)?shù)氐臏囟?、降雨這些自然因素的影響；而地?zé)岣歉玫卮龠M了斷層的導(dǎo)水性能以及斷層里泥漿、巖石碎屑的流動性能，導(dǎo)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(shè)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(fā)生。對隧道進行合適的地質(zhì)勘探，并根據(jù)地質(zhì)勘探的成果對隧道進行合理的設(shè)計，才能有效地預(yù)防隧道突水突泥事故，進一步而言，合理的設(shè)計能有效地指導(dǎo)施工，從而保證施工期間隧道的安全穩(wěn)定，確保隧道有序有效率地建設(shè)。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(wěn)定性造成不良影響的，甚至?xí)绊懙絿鷰r周圍的地下水流動狀態(tài)，從而造成難以預(yù)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(nèi)的靜水，使活化的地下水涌入隧道，造成災(zāi)害。通過了解影響巖溶隧道的因素，對巖溶隧道突水突泥預(yù)測預(yù)警有較大的啟示作用，更容易找到預(yù)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(xiàn)場施工信息實時進行監(jiān)控測量，然后反饋給信息管理系統(tǒng)，信息管理系統(tǒng)及時響應(yīng)，提出有效地應(yīng)急對策，實現(xiàn)了對突水涌泥預(yù)警系統(tǒng)的完善；李術(shù)才等[3]詳述了如何綜合利用現(xiàn)存各類超前預(yù)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(zhì)預(yù)測技術(shù)。曲海鋒等[5]提出了一種綜合地質(zhì)預(yù)測方法。新高坡隧道擁有復(fù)雜的地質(zhì)條件，圍巖破碎，圍巖質(zhì)量差，多為Ⅳ級、Ⅴ級，隧區(qū)內(nèi)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(yīng)對巖溶現(xiàn)象的第一步，在新高坡隧道中應(yīng)用好預(yù)測預(yù)警技術(shù)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(dǎo)意義。

1 隧道突水突泥災(zāi)害的預(yù)測

1.1 隧道突水突泥災(zāi)害處理的總體原則

施工原則簡單來說就是“早預(yù)報、先治水、強支護、快封閉、早襯砌”。

要施工先預(yù)報，預(yù)報的目的就是掌握掌子面前方的實際情況，主要著重關(guān)注前方是否存在斷層破碎帶，并關(guān)注其特征。首先要關(guān)注的特征就是斷層的規(guī)模，其次要關(guān)注存在的是何種類型的斷層以及其破碎程度，最后要關(guān)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(yù)報得知的突水涌泥危險較大的區(qū)段，實行注漿方案應(yīng)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(qū)域更細(xì)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(zhì)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(yīng)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(yīng)該盡量均勻。檢查注漿孔時主要關(guān)注以下要求：有無涌泥涌砂，有無塌孔，滲水量是否小于0.2 L/(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(zhì)預(yù)報預(yù)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(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，綜合采用(TSP203地震波法、紅外線探水儀、水平聲波反射法、地質(zhì)調(diào)查和超前鉆探等)，綜合各種預(yù)報方案的優(yōu)點，互相彌補，下面簡要介紹一下本隧道使用的幾項預(yù)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(yù)報軟弱、破碎、巖溶發(fā)育地區(qū)的距離保持在100 m～120 m之間，一前一后兩次使用TSP203有10 m以上的區(qū)段重疊；巖質(zhì)較好的區(qū)段預(yù)報長度保證在120 m～150 m即可，不過前后兩次預(yù)報的區(qū)段的搭接長度仍需達到10 m。

2)超前地質(zhì)水平鉆。

作為一種能夠更直觀驗證掌子面前30 m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30 m，斷裂帶不小于35 m，搭接長度10 m。

根據(jù)超前地質(zhì)水平鉆情況，如果鉆出地下水，則需要在拱頂鉆3個φ108 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(wù)，可額外進行迂回導(dǎo)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(zhì)信息的方法，加深炮孔每次循環(huán)布設(shè)3個～8個，保證掌子面頂部，底部及兩側(cè)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(guān)注其巖性、構(gòu)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(zāi)害監(jiān)控與智能預(yù)警軟件平臺

2.1 隧道監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的選擇原則

使用新技術(shù)保證開挖安全，無論是使用傳統(tǒng)的簡單方法來保證，還是復(fù)雜的監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，都是為了改善環(huán)境，保障人員機械安全。因此，應(yīng)從以下幾個方面考慮選擇監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng):

1)突水突泥隧道災(zāi)害情況。

隧道突水涌岀量、臨界水壓力及富水?dāng)鄬悠扑閹У榷际鞘┕r常常用來選擇隧道突水突泥監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)類型的依據(jù)。

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(nèi)機械電子設(shè)備安裝的位置以及數(shù)量等等都影響到突水突泥監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的裝備容量，但是為了更加穩(wěn)妥起見，應(yīng)該在適用容量的基礎(chǔ)上再增加20%～30%的備用容量。

3)系統(tǒng)的功能。

數(shù)據(jù)處理優(yōu)先選用計算機系統(tǒng)，軟件要同時兼?zhèn)涔δ軓姶蟆⒁子陂_發(fā)、容量足夠等優(yōu)點且能夠用于數(shù)據(jù)統(tǒng)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(yōu)先考慮目標(biāo)，同時方便和工區(qū)計算機聯(lián)網(wǎng)。

4)綜合技術(shù)、經(jīng)濟方面。

選型監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)時，技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面都應(yīng)該得到妥善的考慮，對技術(shù)要求先進、性能應(yīng)該穩(wěn)定且要保證安全性。對于經(jīng)濟方面，經(jīng)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(yīng)綜合考慮上述兩個方面。

2.2 LED顯示系統(tǒng)及預(yù)警系統(tǒng)

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(nèi)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(nèi)一些容易發(fā)生突水突泥的區(qū)域?qū)崨r，讓領(lǐng)導(dǎo)和管理者更方便及時地關(guān)注到隧道施工人員及隧道內(nèi)安全狀況。

預(yù)警系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及監(jiān)測點的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、臨界水壓力預(yù)警系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要在視覺上直觀的關(guān)注隧道內(nèi)的安全情況，隧道內(nèi)有任何地方發(fā)生局部的，少量的突水突泥都能及時發(fā)現(xiàn)，而監(jiān)測點的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、臨界水壓力預(yù)警系統(tǒng)分別通過關(guān)注臨界突泥距離和臨界水壓力，在數(shù)據(jù)上預(yù)警突水突泥的發(fā)生。

網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括采集、編解碼、傳輸及接收端幾個部分。監(jiān)控點采集隧道內(nèi)視頻信息，然后經(jīng)過編解碼后傳輸?shù)奖O(jiān)控室電腦上儲存，同時在LED顯示屏上顯示出來。

該系統(tǒng)功能強大，不僅可以多個點對點實時監(jiān)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(xiàn)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(quán)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(jiān)控器分布圖見圖2。

對于監(jiān)測點的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和臨界水壓力預(yù)警系統(tǒng)，前者通過在掌子面上安裝的監(jiān)測器觀察監(jiān)測點的應(yīng)變，如果監(jiān)測點的應(yīng)變發(fā)生了突變，則說明現(xiàn)在到達了臨界突泥的距離。后者通過檢測掌子面內(nèi)的水壓力，當(dāng)水壓力達到臨界值，說明有了突水突泥的風(fēng)險，應(yīng)及時進行掌子面抽排水。

由此可以看岀預(yù)警系統(tǒng)是綜合利用監(jiān)控攝像機對隧道施工現(xiàn)場具備發(fā)生突水突泥可能性的各視頻點進行24 h的實時監(jiān)控以及監(jiān)測點的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)和臨界水壓力預(yù)警系統(tǒng)對掌子面應(yīng)變和水壓力的及時預(yù)警。

對于一些關(guān)鍵的視屏節(jié)點，可以啟動系統(tǒng)的自動偵測功能并隨后自動啟動報警功能。系統(tǒng)能自動識別危險，并觸發(fā)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(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)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(jiān)管實時預(yù)警的效果。項目部聯(lián)網(wǎng)—綜合遠(yuǎn)程監(jiān)控圖見圖3。

數(shù)據(jù)傳輸方式多種多樣，具體的選擇要以現(xiàn)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?shù)姆€(wěn)定，因為信號傳輸是整個系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)5G傳輸甚至可以利用衛(wèi)星傳輸。綜合搭配各種通訊系統(tǒng)保障數(shù)據(jù)的傳輸。這樣就可以實現(xiàn)把數(shù)據(jù)傳送到指揮部調(diào)動中心的目的，使指揮調(diào)度更方便。

3 結(jié)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(yù)報方法，更是一種對各種預(yù)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(zhǔn)有效。

綜合利用攝像機24 h視頻監(jiān)控隧道施工和利用監(jiān)測點的應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)、臨界水壓力預(yù)警系統(tǒng)對掌子面應(yīng)變和水壓力進行監(jiān)控，構(gòu)建了隧道突水突泥災(zāi)害監(jiān)控與智能預(yù)警軟件平臺，為類似工程突水突泥預(yù)測預(yù)警提供了參考。