地下工程施工智能化監(jiān)測及災(zāi)害預(yù)警技術(shù)應(yīng)用綜述

黃躍進

摘?要： 由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，地下工程建設(shè)過程中經(jīng)常面臨巖爆、大變形與大面積塌方、地表沉陷等地質(zhì)與工程災(zāi)害事故，給人民生命和財產(chǎn)安全帶來了損害。事故頻發(fā)的重要原因之一在于地下信息采集和傳遞的不及時，信息的分析處理不完善，加之共享利用的不通暢，使施工人員不能及時掌握地下地質(zhì)情況和事故發(fā)生的機理。本文主要分析地下工程施工智能化監(jiān)測及災(zāi)害預(yù)警技術(shù)應(yīng)用綜述。

關(guān)鍵詞： 地下工程;智能化監(jiān)測;微震;巖爆

【中圖分類號】P208?【文獻標(biāo)識碼】A?【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.41.133

引言：巖土工程智能化監(jiān)測理論與技術(shù)在地下工程施工中的應(yīng)用，重點分析了地下工程微震監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析反饋及巖爆災(zāi)害預(yù)警技術(shù)及智能化監(jiān)測理論與技術(shù)在深部地下工程中的應(yīng)用前景。

1?中國地下工程建設(shè)面臨難題

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，本世紀(jì)前十年，我國交通和水電等地下工程建設(shè)中發(fā)生突涌水災(zāi)害294起、圍巖垮塌災(zāi)害300余起，造成極大的設(shè)備損失、人員傷亡和工期延誤。地下工程災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警及控制是實現(xiàn)地下工程災(zāi)害有效防治的重要手段。然而，地下工程地質(zhì)災(zāi)害演化過程極其復(fù)雜，災(zāi)變機理尚不明晰，現(xiàn)有理論難以準(zhǔn)確描述災(zāi)害演化模式、災(zāi)變機制及前兆信息，已成為制約我國地下工程災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)發(fā)展的瓶頸。特別是，現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)備適用性差、監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性大、監(jiān)測理論尚不完善，傳統(tǒng)監(jiān)測理論、預(yù)警技術(shù)與風(fēng)險控制方法難以滿足主動防控需求，進一步導(dǎo)致地下工程重大地質(zhì)災(zāi)害長期處于被動防治局面。因此，系統(tǒng)開展地下工程地質(zhì)災(zāi)害演化機理、監(jiān)測預(yù)警方法、主動防控技術(shù)研究，實現(xiàn)重大地質(zhì)災(zāi)害由被動治理到主動防控的轉(zhuǎn)化已成燃眉之需。

2?地下工程施工安全裝備及災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展

2.1?地下工程智能化預(yù)警系統(tǒng)及施工裝備

隨著地下工程施工技術(shù)的提高和施工裝備的引進和創(chuàng)新實踐提升了地下工程智能化建造水平。2019年，由中國鐵建重工研發(fā)的千米級水平取芯鉆機成功下線，該設(shè)備擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，處于國際領(lǐng)先水平，設(shè)備發(fā)展的自動化、智能化、一體化趨勢明顯。劉飛香提出圍巖參數(shù)識別與處理系統(tǒng)、三維空間定位與量測系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)處理與共享系統(tǒng)、智能控制決策系統(tǒng)是實現(xiàn)隧道全生命周期智能化的基礎(chǔ)和實現(xiàn)智能建造的支撐技術(shù)。同時，先進的傳感技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析和人工智能及隧道大容量通信網(wǎng)絡(luò)等可以輔助實現(xiàn)隧道內(nèi)裝備與裝備、裝備與環(huán)境、裝備與圍巖的互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)智能建造的裝備保障。

2.2?地下工程智能化預(yù)警系統(tǒng)的重要意義

地下工程信息系統(tǒng)發(fā)展面臨現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫和海量數(shù)據(jù)存儲無法滿足實時性要求、工程信息化語言不通用等問題。目前發(fā)達國家的地下工程監(jiān)測的儀器自動化、數(shù)字化程度很高，數(shù)據(jù)采集、儲存、分析處理環(huán)節(jié)有專業(yè)軟件支持，各類先進三維地質(zhì)建模軟件、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和專家系統(tǒng)等逐步推廣應(yīng)用。由于進口設(shè)備使用維護成本高，且適用性和兼容性較差，微震監(jiān)測數(shù)據(jù)深度分析受制于人，隨著地下工程智能化監(jiān)測技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，加快發(fā)展和完善擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的微震監(jiān)測及地下智能化監(jiān)測軟硬件系統(tǒng)具有重要意義。

2.3?監(jiān)測預(yù)警

目前在地下工程監(jiān)測領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)為監(jiān)控量測技術(shù)，監(jiān)測內(nèi)容集中于圍巖或支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移等信息，信息源和監(jiān)測方案較為單一。傳統(tǒng)的“點式”監(jiān)測方法可能遺漏隧道危險區(qū)域，雖然增設(shè)監(jiān)測密度可提高監(jiān)測效果，但工作量及設(shè)備成本將大為增加。此外不同監(jiān)測設(shè)備自成體系，監(jiān)測信息之間存在差異、共享性差，不利于同時空域內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。隨著光電傳感、無線傳輸、數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)的發(fā)展，有望解決大范圍區(qū)域信息實時高精度感知問題。在預(yù)警機制方面，現(xiàn)有的預(yù)警指標(biāo)體系不夠完善，考慮工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、設(shè)計參數(shù)、施工工藝等綜合信息不夠，單一或有限的信息無法充分反映致災(zāi)因子間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，無法量化災(zāi)害所處狀態(tài)及預(yù)測時間傾向。監(jiān)測以機理為基礎(chǔ)，以機理的差異性來區(qū)別災(zāi)害發(fā)生的類型，通過多物理場信息的不同響應(yīng)來判斷災(zāi)害的時間空間以及強度大小，現(xiàn)有的監(jiān)測設(shè)計方法以及傳感器缺乏針對性，不能對具體災(zāi)害類別做出精準(zhǔn)監(jiān)測，亟需開展專項設(shè)計和定向研發(fā)。預(yù)警是以過程為基礎(chǔ)，通過獲取、分析和判斷變量的變化情況，通過分析多源信息邏輯共生關(guān)系與關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則，昭示存在的風(fēng)險，預(yù)測危害等級并進行時空預(yù)警，對后期主動調(diào)控具有重要的參考價值。

3?重大災(zāi)害主動防控技術(shù)

3.1?加強施工現(xiàn)場監(jiān)管

建設(shè)地下工程的過程中，會影響周邊環(huán)境，若單純地利用理論上的設(shè)計是不能讓地下工程的穩(wěn)定性得到保證的，因而就需對施工現(xiàn)場加強全程監(jiān)管，進而找出存在的問題，并探究科學(xué)的解決方式，增強施工效率和質(zhì)量，避免出現(xiàn)安全事故。與此同時，還需引進先進技術(shù)，通過計算機對圖紙進行設(shè)計，推動施工技術(shù)水平的全面提升，讓經(jīng)濟效益能夠達到最大化。

3.2?注重全面性的地質(zhì)勘查

為了對地下工程項目建設(shè)中環(huán)境工程地質(zhì)問題予以更好地防治，就需以地質(zhì)勘查為著手點，對全面性的地質(zhì)勘查引起重視。在剛開始進行地下工程項目建設(shè)時，建設(shè)施工單位應(yīng)全方位、系統(tǒng)化的勘察工程建設(shè)施工現(xiàn)場周邊地質(zhì)環(huán)境和相關(guān)情況，以讓采集的各項勘察數(shù)據(jù)資料的完整性、真實性和時效性得到充分保證，由此提供依據(jù)給城市地下工程項目總體規(guī)劃建設(shè)。之后將這一系統(tǒng)化的地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)給結(jié)合起來，確定開挖施工方案，如果城市地下工程項目缺乏具備完整性、真實性以及時效性的勘察資料，就一定要重新展開全面性的勘察工作，以起到萬無一失的效果，把地下工程項目建設(shè)施工的安全風(fēng)險降至最低，避免其影響環(huán)境工程，出現(xiàn)相關(guān)地質(zhì)問題。在進行施工的過程中應(yīng)當(dāng)進行不斷的監(jiān)測，在對特殊地形或者是變形變位地層進行開挖的過程中，應(yīng)當(dāng)采取跟蹤補償注漿，對地層中的損失形變進行補償，降低地層的變位控制在一定的范圍之內(nèi)。同時在進行施工的過程中應(yīng)當(dāng)不斷地進行檢測，若在施工過程中發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)當(dāng)及時的進行解決，出現(xiàn)嚴(yán)重的情況時應(yīng)當(dāng)立即停止施工，待安全風(fēng)險處理過之后在繼續(xù)進行施工。在施工時應(yīng)當(dāng)者設(shè)置一些超前的地質(zhì)探孔，為下步的施工打下良好而基礎(chǔ)。

結(jié)束語：近些年來，進化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法由于具有非線性、網(wǎng)絡(luò)的全局作用、大規(guī)模并行分布處理能力等特點，為解決復(fù)雜的巖石力學(xué)問題提供了一條很好的路徑，被不斷應(yīng)用于巖石力學(xué)領(lǐng)域并逐漸成為研究熱點?；谏疃葘W(xué)習(xí)研究深部巖體力學(xué)災(zāi)害發(fā)生機理能夠更好地對各類不良地質(zhì)災(zāi)害情況進行預(yù)判，從而對深部環(huán)境施工工程地質(zhì)災(zāi)害進行有效預(yù)防。

參考文獻

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