基于GIS的深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估方法

王錢(qián)款，邱士利，程瑤，陳興強(qiáng)，方越

(1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北武漢，430071；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北武漢，430074；3.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安，710043)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展以及對(duì)水電、交通、能源等基礎(chǔ)設(shè)施的需求大幅度提高，國(guó)家提出了西氣東輸、南水北調(diào)以及川藏鐵路等重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程，我國(guó)基礎(chǔ)工程的建設(shè)逐步向深部巖體發(fā)展，出現(xiàn)了大量高地應(yīng)力下的深埋超長(zhǎng)隧道(洞)工程。這類深埋超長(zhǎng)隧道(洞)工程地質(zhì)條件復(fù)雜、空間形態(tài)多樣且地應(yīng)力水平高，隧洞開(kāi)挖卸荷引發(fā)的地應(yīng)力場(chǎng)重新分布，使得隧道巖體巖爆問(wèn)題不可避免，嚴(yán)重威脅了施工人員以及機(jī)械設(shè)備的安全。巖爆是指開(kāi)挖卸荷條件下，地下工程高地應(yīng)力區(qū)由于應(yīng)力重分布，導(dǎo)致平衡狀態(tài)被破壞，積聚在巖體內(nèi)部的彈性應(yīng)變能急劇釋放，因此發(fā)生破裂、剝落、彈射和崩塌的劈裂脆性和剪切脆性并存的巖石失穩(wěn)導(dǎo)致劇烈破壞的現(xiàn)象[1?2]。深部工程中對(duì)于巖爆問(wèn)題的研究主要集中在3 個(gè)方面：1)巖爆發(fā)生機(jī)理的解析；2)巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，主要為巖爆等級(jí)評(píng)估；3)巖爆災(zāi)害預(yù)警和防治。隨著我國(guó)超長(zhǎng)深埋隧道工程大量建設(shè)，超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估已成為巖爆研究的重要內(nèi)容之一，尤其是對(duì)于存在巖爆傾向性的超長(zhǎng)深埋隧道，規(guī)劃建設(shè)階段對(duì)隧道沿線巖爆等級(jí)及其分布規(guī)律的準(zhǔn)確評(píng)估影響隧道線路優(yōu)選與隧道施工圖設(shè)計(jì)以及工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)程度和經(jīng)濟(jì)投入水平，是決定工程成敗的重要因素。

目前，深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估的主要方法是將隧洞劃分成段，通過(guò)地質(zhì)剖面、鉆孔數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以及室內(nèi)試驗(yàn)獲取所需地應(yīng)力狀態(tài)、圍巖條件以及地質(zhì)構(gòu)造等數(shù)據(jù)，借助擬合或者反演獲取各分段參數(shù)，并根據(jù)巖爆發(fā)生機(jī)理建立的各種判據(jù)進(jìn)行巖爆等級(jí)評(píng)估。如陶振宇[3]根據(jù)Barton判據(jù)、Russenes判據(jù)等巖爆評(píng)估方法在天生橋二級(jí)隧洞、基洛夫礦井等國(guó)內(nèi)外工程中的實(shí)際使用效果提出了陶振宇判據(jù)；馮夏庭等[4?5]采用數(shù)值模擬、RVI(rockburst vulnerability index)指標(biāo)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等評(píng)估方法，在勘察設(shè)計(jì)階段及施工階段通過(guò)預(yù)測(cè)爆坑深度確定巖爆等級(jí)；徐林生等[1]根據(jù)二郎山公路隧道的數(shù)百次巖爆記錄提出了二郎山巖爆判據(jù)；KAISER 等[6]考慮由遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)事件造成的動(dòng)荷載，提出了關(guān)于動(dòng)荷載誘發(fā)巖爆的經(jīng)驗(yàn)尺度率；宮鳳強(qiáng)等[7?8]建立了巖體質(zhì)量等級(jí)分類的距離判別分析模型，并借助Bayes判別法的強(qiáng)大判別分類能力，在距離判別分析模型的基礎(chǔ)上提出了Bayes判別分析方法，應(yīng)用于西康秦嶺隧道和銅陵冬瓜山隧道等深埋工程的巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。這些研究中，通常以百米長(zhǎng)度分段，分段參數(shù)和分段評(píng)估結(jié)果都以表格的形式展現(xiàn)。然而巖爆等級(jí)控制因素涉及地應(yīng)力場(chǎng)、巖體結(jié)構(gòu)與圍巖類別、巖體/巖石強(qiáng)度參數(shù)、地層分布與地質(zhì)構(gòu)造條件、地下水發(fā)育條件等一系列巖爆控制因素，對(duì)于深埋超長(zhǎng)隧道而言，隧道沿線往往地層巖性變化顯著，地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律和地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育條件十分復(fù)雜，如正在籌建的川藏鐵路隧道重大戰(zhàn)略性工程，有7條長(zhǎng)30 km 以上的隧道，埋深可達(dá)2 100 m。對(duì)于此類超長(zhǎng)隧道，取百米長(zhǎng)度來(lái)分段開(kāi)展巖爆等級(jí)評(píng)估工作，需要對(duì)上千隧道洞段分別確定眾多復(fù)雜的巖爆控制因素，工作量尤為繁重。同時(shí)，以評(píng)估表形式開(kāi)展洞段巖爆等級(jí)評(píng)估，在信息更新時(shí)操作十分繁雜，極易發(fā)生錯(cuò)誤，更重要的是展示各等級(jí)巖爆在隧道沿線分布規(guī)律時(shí)，需要另行作分布圖，任務(wù)十分艱巨，成果展示效果與直觀性均較差。

鑒于此，本文在研究影響巖爆傾向性的一系列控制因素的基礎(chǔ)上，嘗試將地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)空間分析技術(shù)與深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估相結(jié)合，構(gòu)建適用于深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估新技術(shù)，發(fā)揮GIS所具有的空間性和動(dòng)態(tài)性、空間分析與管理能力，并依托計(jì)算機(jī)技術(shù)等優(yōu)勢(shì)對(duì)巖爆控制因素的多源復(fù)雜信息進(jìn)行快速高效分析處理，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)分析隧道沿線的巖爆等級(jí)和分布規(guī)律，定量預(yù)測(cè)隧道沿線巖爆高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，有效地指導(dǎo)隧道開(kāi)挖設(shè)計(jì)、預(yù)防巖爆災(zāi)害的形成、制定巖爆災(zāi)害的防治措施。

GIS技術(shù)的發(fā)展已日趨成熟，其在分析處理空間數(shù)據(jù)方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。借助GIS 技術(shù)，在隧道巖爆等級(jí)評(píng)估過(guò)程中，能夠基于隧道、地層、地質(zhì)構(gòu)造等研究對(duì)象的空間分布、幾何形態(tài)和相互關(guān)系，通過(guò)分析算法，從大量的空間數(shù)據(jù)中提取出研究對(duì)象的多種地理空間數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。同時(shí)，由于GIS 依托計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有對(duì)大規(guī)模地理數(shù)據(jù)快速獲取并進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析的能力，因而能夠?qū)Υ罅克淼蓝蔚谋姸鄮r爆控制因素進(jìn)行快捷而準(zhǔn)確地確定并進(jìn)行高效處理與及時(shí)更新，快速完成耗時(shí)耗力且難以完成的巖爆等級(jí)評(píng)估任務(wù)，并且這種能力隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而提高。此外，通過(guò)GIS的符號(hào)系統(tǒng)還能夠直接展示各等級(jí)巖爆在隧道沿線分布規(guī)律和巖爆等級(jí)評(píng)估結(jié)果，同時(shí)大大降低了巖爆等級(jí)評(píng)估工作量。

GIS 技術(shù)自1967年出現(xiàn)以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，逐漸在區(qū)域調(diào)查、環(huán)境保護(hù)和城市規(guī)劃等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，但目前該技術(shù)在巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域的應(yīng)用較少。周科平等[9]將GIS 空間分析技術(shù)與模糊自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，建立了基于GIS的巖爆傾向性模糊自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析模型；劉少軍[10]針對(duì)硐室地質(zhì)信息管理，基于GIS技術(shù)開(kāi)發(fā)了硐室信息管理與預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)系統(tǒng)；張濤等[11]以GIS技術(shù)為手段進(jìn)行了區(qū)域巖爆危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。這些研究的研究對(duì)象多是礦山硐室或是區(qū)域地質(zhì)，評(píng)估單元大都直接以地層劃分，評(píng)估方法多為巖爆控制因素圖層權(quán)重法，研究成果僅能粗略地展現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)的整體巖爆風(fēng)險(xiǎn)水平，并不能定量分析隧道沿線的巖爆等級(jí)和分布規(guī)律、預(yù)測(cè)隧道沿線巖爆高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，難以對(duì)隧道線路優(yōu)選、隧道施工圖設(shè)計(jì)以及工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)防控起到指導(dǎo)作用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)下隧道巖爆等級(jí)評(píng)估的需要。

基于此，本文作者提出了基于地理信息系統(tǒng)(GIS)框架的深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估方法，將傳統(tǒng)巖爆評(píng)估方法與GIS 空間數(shù)據(jù)分析方法相結(jié)合，用GIS的圖元及其空間屬性表征隧道洞段及其巖爆等級(jí)控制因素，并由GIS 空間數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理，以Python 腳本語(yǔ)言為計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)隧道巖爆評(píng)估信息的高效信息查詢、計(jì)算和分析，并以幾何圖形形式對(duì)巖爆等級(jí)評(píng)估成果加以展示，達(dá)到簡(jiǎn)化和高效開(kāi)展隧道沿線巖爆等級(jí)評(píng)估工作的目的。

1 巖爆等級(jí)評(píng)估GIS 方法原理與流程

基于GIS框架的深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估方法基本框架與技術(shù)路線見(jiàn)圖1，其核心內(nèi)容包括巖爆等級(jí)評(píng)估分區(qū)、巖爆等級(jí)控制因素識(shí)別、巖爆類型判別和巖爆烈度等級(jí)評(píng)估4個(gè)部分。

圖1 基于GIS框架的深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估方法技術(shù)路線Fig.1 Technical route for method of evaluation of rockburst classification based on GIS framework for deeply-buried ultra-long tunnel

1)巖爆等級(jí)評(píng)估分區(qū)。為了便于輸入巖爆參數(shù)以及巖爆烈度等級(jí)評(píng)估，需對(duì)隧道進(jìn)行巖爆等級(jí)評(píng)估分區(qū)，該工作可分為粗分區(qū)和細(xì)分區(qū)。粗分區(qū)是根據(jù)精度按照一定間距將隧道均勻劃分為若干個(gè)區(qū)段，每個(gè)區(qū)段可根據(jù)隧道縱向巖性、地應(yīng)力變化速度和數(shù)據(jù)精度明確區(qū)段長(zhǎng)度。細(xì)分區(qū)則是依據(jù)巖性、圍巖類別以及地質(zhì)構(gòu)造單元等進(jìn)行二次劃分，單個(gè)區(qū)段內(nèi)的圍巖等級(jí)、巖性等必須保持一致。此外，巖爆評(píng)估分區(qū)過(guò)程中還需要對(duì)巖爆傾向和圍巖類別是否滿足巖爆發(fā)生條件進(jìn)行初判和篩選，對(duì)不滿足巖爆發(fā)生條件的區(qū)段予以剔除。被剔除區(qū)段的巖爆等級(jí)為“無(wú)巖爆”或者“0”。需要指出的是，被剔除區(qū)段雖然不存在或巖爆發(fā)生可能性極低，但并不意味著該區(qū)域不會(huì)發(fā)生高應(yīng)力類型的圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，仍有可能發(fā)生應(yīng)力型塌方、大變形和深層破裂等圍巖破壞現(xiàn)象。

2)巖爆等級(jí)控制因素識(shí)別。識(shí)別隧道巖爆發(fā)生以及巖爆等級(jí)的控制因素主要包括地應(yīng)力場(chǎng)條件、巖石(體)強(qiáng)度、地質(zhì)構(gòu)造(如斷層、褶皺、結(jié)構(gòu)面組)等，這些控制因素的參數(shù)都必須在隧洞設(shè)計(jì)高程上獲取。由于巖爆等級(jí)評(píng)估是在實(shí)際隧道施工前，因此，只針對(duì)巖石力學(xué)條件和工程地質(zhì)條件進(jìn)行巖爆控制因素識(shí)別，但應(yīng)適當(dāng)考慮施工設(shè)計(jì)可能選用的隧道洞型、開(kāi)挖與支護(hù)條件等，這是因?yàn)樵u(píng)估巖爆等級(jí)時(shí)某些判據(jù)要用到隧道圍巖二次應(yīng)力場(chǎng)量值，如應(yīng)力強(qiáng)度比[12]。巖爆控制因素識(shí)別的重點(diǎn)是明確隧道沿線不同巖性巖石的強(qiáng)度和變形參數(shù)、地應(yīng)力場(chǎng)量值和方向以及地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育位置及其影響范圍等。

3)巖爆類型判別。依據(jù)步驟2)的結(jié)果，初步估計(jì)各隧道評(píng)估區(qū)段可能發(fā)育的巖爆類型。根據(jù)大量水電工程引水隧洞、鐵路隧道工程案例總結(jié)發(fā)現(xiàn)，線性隧道工程最主要的巖爆類型有3 種[13]：第一種為應(yīng)變型巖爆，占隧道巖爆總量的80%～90%，是最為常見(jiàn)的巖爆災(zāi)害類型；第二種為斷裂型巖爆，此類巖爆相對(duì)較少，通常發(fā)育在斷層構(gòu)造影響帶或IV 級(jí)、V 級(jí)硬性結(jié)構(gòu)面附近，但巖爆等級(jí)比應(yīng)變型巖爆的要高得多，造成的工程損失更嚴(yán)重；第三種為混合型巖爆，是等級(jí)為強(qiáng)烈以上的巖爆，通常是上述2種巖爆的綜合體現(xiàn)。

4)巖爆烈度等級(jí)評(píng)估。巖爆等級(jí)評(píng)估的主要內(nèi)容是潛在巖爆位置和巖爆等級(jí)，但對(duì)隧洞沿線而言，位置由步驟1)的巖爆評(píng)估分區(qū)來(lái)劃定。巖爆等級(jí)確定后，不同巖爆等級(jí)在隧洞沿線的分布規(guī)律自然確定。因此，針對(duì)步驟3)中判別的巖爆類型，選用相應(yīng)巖爆等級(jí)評(píng)估方法來(lái)確定巖爆等級(jí)是評(píng)估最關(guān)鍵的步驟。獲得巖爆等級(jí)評(píng)估的初步結(jié)果后，還需根據(jù)斷層、巖性界面等因素對(duì)巖爆等級(jí)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，從而獲得最終結(jié)果。

特別強(qiáng)調(diào)的是，開(kāi)展巖爆等級(jí)評(píng)估過(guò)程中應(yīng)遵循6個(gè)基本原則：1)巖爆評(píng)估分區(qū)的單個(gè)分段必須保證圍巖等級(jí)、巖性等巖爆控制因素一致；2)若圍巖類別低于III 級(jí)或巖石單軸抗壓強(qiáng)度低于60 MPa，則不開(kāi)展巖爆評(píng)估工作，該條件下巖體破壞模式以應(yīng)力型塌方或局部片幫甚至大變形為主，不具備巖爆發(fā)生條件；3)斷層構(gòu)造及其影響帶巖體相對(duì)軟弱破碎，一般不具有巖爆風(fēng)險(xiǎn)，但斷層構(gòu)造及其影響帶兩側(cè)局部應(yīng)力場(chǎng)通常存在異常，形成應(yīng)力集中區(qū)，大量工程案例也證明位于斷層構(gòu)造及其影響帶兩側(cè)的完整巖體具有發(fā)生高烈度等級(jí)巖爆的風(fēng)險(xiǎn)。因此在評(píng)估過(guò)程中，斷層和構(gòu)造影響區(qū)需采用臨域分析算法確定斷層和構(gòu)造影響帶的修正權(quán)值，對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行修正從而獲得更為準(zhǔn)確的巖爆等級(jí)評(píng)估結(jié)果；4)巖性界面或突變區(qū)域以及巖體結(jié)構(gòu)由節(jié)理密集向完整巖體突變的區(qū)域，因?yàn)閯偠炔粎f(xié)調(diào)導(dǎo)致完整巖體積聚較高的應(yīng)變能，完整巖體具有形成高烈度等級(jí)巖爆的風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估時(shí)應(yīng)局部提高巖爆等級(jí)；5)隧道施工擾動(dòng)過(guò)程中，受二次重分布和集中的影響，中等巖爆區(qū)域在硬性結(jié)構(gòu)面賦存的局部洞段可產(chǎn)生強(qiáng)烈或極強(qiáng)巖爆；6)對(duì)于地下水發(fā)育洞段，大量工程經(jīng)驗(yàn)已顯示出巖爆災(zāi)害會(huì)受到抑制[14]，因而在存在地下水發(fā)育洞段應(yīng)開(kāi)展專門(mén)論證。需要明確巖體質(zhì)量和強(qiáng)度特征，并深入研究水文地質(zhì)構(gòu)造單元區(qū)內(nèi)地應(yīng)力場(chǎng)特征。在地下水發(fā)育洞段，巖爆等級(jí)或風(fēng)險(xiǎn)程度降低很大程度上并不是地下水本身的控制作用，而是節(jié)理裂隙或破碎結(jié)構(gòu)巖體構(gòu)成發(fā)育的地下水徑流通道導(dǎo)致了巖體質(zhì)量降低、巖體結(jié)構(gòu)破碎已無(wú)法滿足巖爆的發(fā)生的儲(chǔ)能條件。但對(duì)于地下水發(fā)育區(qū)個(gè)別完整巖體和局部構(gòu)造引起的應(yīng)力集中區(qū)仍會(huì)有輕微到中等巖爆的發(fā)生，這在錦屏二級(jí)水電站引水隧洞工程中有典型的案例體現(xiàn)[15]。

2 深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估的實(shí)現(xiàn)

2.1 巖爆等級(jí)評(píng)估方法與技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)巖爆等級(jí)和傾向性的定量評(píng)估，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度出發(fā)提出了數(shù)十種巖爆傾向性評(píng)價(jià)判據(jù)和方法，這些指標(biāo)多以強(qiáng)度、能量和剛度等理論為基礎(chǔ)，可分為能夠反映硐室開(kāi)挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征的判據(jù)(見(jiàn)表1)和不能反映上述2個(gè)因素的判據(jù)(見(jiàn)表2)。能夠反映硐室開(kāi)挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征的判據(jù)包括以洞周最大切向應(yīng)力為主要因素的Hoek 判據(jù)、Russenes 判據(jù)、Turchaninov 判據(jù)、RVI 指標(biāo)和二郎山隧洞判據(jù)，在確定判據(jù)量值時(shí)，需要評(píng)估洞周最大切向應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)，該計(jì)算過(guò)程需要數(shù)值模擬且多采用為彈性模型，故在計(jì)算過(guò)程中可考慮開(kāi)挖洞型尺寸的影響，如城門(mén)洞型和圓形開(kāi)挖斷面洞周應(yīng)力集中程度會(huì)存在差異。此外，采用數(shù)值計(jì)算確定洞周最大切向應(yīng)力時(shí)，初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征也直接影響應(yīng)力集中程度。表1中Hoek 判據(jù)、Russenes 判據(jù)、Turchaninov 判據(jù)、應(yīng)力強(qiáng)度比法、RVI 指標(biāo)和二郎山隧洞判據(jù)等單指標(biāo)能夠同時(shí)反映硐室開(kāi)挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征。而表2中的Barton判據(jù)、陶振宇判據(jù)和強(qiáng)度應(yīng)力比法則僅以原巖應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力為特征參量，無(wú)法反映硐室開(kāi)挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征，而彈性變形能指數(shù)、沖擊性指數(shù)、脆性判據(jù)、彈性應(yīng)變勢(shì)能判據(jù)和改進(jìn)脆性指數(shù)以巖石的力學(xué)性質(zhì)為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法反映硐室開(kāi)挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征，也沒(méi)有考慮地應(yīng)力的特征。

表1 能夠反映硐室開(kāi)挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征的巖爆傾向性單指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)判據(jù)Table 1 Single index empirical criteria for rockburst tendency that can reflect influence of hamber excavation process and deviatoric stress characteristics of initial stress field

表2 不能反映硐室開(kāi)挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征的巖爆傾向性單指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)判據(jù)Table 2 Single index empirical criteria for rockburst tendency that cannot reflect influence of chamber excavation process and deviatoric stress characteristics of initial stress field

綜合考慮能否反映硐室開(kāi)挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征、行業(yè)規(guī)范要求以及指標(biāo)工程應(yīng)用成效，并基于大量水電、深部采礦等工程巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法研究，馮夏庭等[4]提出了巖爆多指標(biāo)綜合評(píng)估技術(shù)，技術(shù)方法見(jiàn)表3，該技術(shù)包括工程地質(zhì)分析法、巖爆經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)法和數(shù)值指標(biāo)分析法，在勘察設(shè)計(jì)階段能夠?qū)ι盥袼淼?洞)進(jìn)行巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生的潛在部位和烈度等級(jí)；在施工階段，巖爆多指標(biāo)綜合評(píng)估技術(shù)能夠與微震監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合，對(duì)巖爆高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)捕捉隧洞巖體微破裂過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)信號(hào)，分析處理后獲得巖體破裂的時(shí)間、位置以及演變過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)巖爆災(zāi)害的預(yù)警與對(duì)巖爆孕育機(jī)制的研究，提高巖爆預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率，減少人員設(shè)備的損傷。

依據(jù)表3，選用巖石強(qiáng)度應(yīng)力比法、巖石應(yīng)力強(qiáng)度比法和RVI指標(biāo)法3種方法開(kāi)展深埋超長(zhǎng)隧道的巖爆等級(jí)評(píng)估，其中，巖石應(yīng)力強(qiáng)度比法和巖石強(qiáng)度應(yīng)力比法在巖土工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，巖石應(yīng)力強(qiáng)度比法能夠反映硐室開(kāi)挖過(guò)程影響和初始應(yīng)力場(chǎng)的偏應(yīng)力特征，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比法被納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。RVI 指標(biāo)法[5]是基于錦屏二級(jí)水電站和川藏鐵路等國(guó)家重大深埋超長(zhǎng)隧道(洞)工程大量巖爆案例，優(yōu)化刪選深埋隧道(洞)巖爆災(zāi)害關(guān)鍵控制因素后建立的巖爆等級(jí)經(jīng)驗(yàn)評(píng)估方法，已成功用于錦屏二級(jí)水電站以及川藏鐵路等工程，并被寫(xiě)入水電工程巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)規(guī)范(NB/T 10143—2019)中。

表3 巖爆多指標(biāo)綜合評(píng)估技術(shù)[4]Table 3 Multi-index comprehensive evaluation technology for rockburst

2.2 基于GIS的巖爆等級(jí)評(píng)估系統(tǒng)

本研究采用ArcGIS 軟件，以GIS 系統(tǒng)平臺(tái)為基礎(chǔ)建立基于GIS的巖爆等級(jí)評(píng)估系統(tǒng)。首先，建立隧道工程項(xiàng)目文件對(duì)系統(tǒng)中各類文檔進(jìn)行管理；其次，建立隧道巖爆等級(jí)評(píng)估地理數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)的建立流程如圖2所示；然后，建立巖爆控制因素?cái)?shù)據(jù)集和要素類，并根據(jù)現(xiàn)有隧道工程資料數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)圖幅進(jìn)行填繪。最后，對(duì)巖爆控制因素屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、輸入、處理。

圖2 隧道巖爆等級(jí)評(píng)估地理數(shù)據(jù)庫(kù)的建立流程Fig.2 Establishment process of geodatabase of tunnel rockburst classification evaluation

2.2.1 建立隧道巖爆等級(jí)評(píng)估地理數(shù)據(jù)庫(kù)

基于GIS的巖爆等級(jí)評(píng)估系統(tǒng)的核心部分是隧道巖爆等級(jí)評(píng)估相關(guān)的空間數(shù)據(jù)，通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)(Geodatabase)數(shù)據(jù)模型按照GIS所支持的空間數(shù)據(jù)格式建立隧道巖爆等級(jí)評(píng)估地理數(shù)據(jù)庫(kù)。地理空間數(shù)據(jù)庫(kù)能夠使用標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)存儲(chǔ)和管理地理信息，將空間數(shù)據(jù)及其屬性聯(lián)系在一起。同時(shí)，由于支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS)，其還能通過(guò)DBMS 存儲(chǔ)和管理各類數(shù)據(jù)集以及與之關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)[26]。這些優(yōu)勢(shì)有助于實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估信息的高效信息查詢和管理。

2.2.2 巖爆控制因素要素?cái)?shù)據(jù)集、要素類的新建及圖層繪制

首先，根據(jù)實(shí)際填圖需要?jiǎng)?chuàng)建巖爆控制因素要素?cái)?shù)據(jù)集和要素類。巖爆控制因素要素?cái)?shù)據(jù)集是共享一個(gè)空間參考系的一個(gè)或者多個(gè)巖爆控制因素要素類的集合，通過(guò)建立拓?fù)潢P(guān)系，可以對(duì)數(shù)據(jù)集內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行方便、快速地修改與更新。而巖爆控制因素要素類則是一組制圖表達(dá)和幾何特征相同的巖爆控制因素要素的集合，點(diǎn)、線、面和注記是4個(gè)最常用的要素類[27]。根據(jù)巖爆等級(jí)評(píng)估所需表達(dá)的地圖要素和數(shù)據(jù)信息的不同需求靈活選擇要素類，例如里程點(diǎn)、鉆孔要素較小，用點(diǎn)要素創(chuàng)建，等高線、地層界線、地質(zhì)構(gòu)造線、鐵路路線等形狀和位置過(guò)窄而無(wú)法表示為區(qū)域的地理對(duì)象用線要素創(chuàng)建，而巖爆評(píng)估區(qū)段、圍巖巖性區(qū)段等具有一定面積的則用面要素創(chuàng)建。為了保證所創(chuàng)建的地圖既直觀又美觀，根據(jù)每個(gè)巖爆控制因素的屬性選用合適的符號(hào)樣式，并采取特定的方法來(lái)渲染每個(gè)圖層。各類GIS軟件中提供了大量用于創(chuàng)建這些圖層顯示的渲染器，可通過(guò)選擇不同符號(hào)樣式和顯示技術(shù)更有效地表達(dá)地理信息，增強(qiáng)構(gòu)建地圖的呈現(xiàn)效果。

其次，依靠現(xiàn)有的隧道項(xiàng)目地理資料進(jìn)行各個(gè)巖爆控制因素要素圖層的創(chuàng)建及繪制，其中，最重要的是隧道項(xiàng)目地理底圖的創(chuàng)建和坐標(biāo)系統(tǒng)的確定。地理底圖又稱為基礎(chǔ)底圖，一般既需要具備地圖數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，又需要兼具基本地理要素，前者包括地理坐標(biāo)網(wǎng)、比例尺、大地控制網(wǎng)等，后者則包括地層、構(gòu)造、地下水帶等。地理底圖是各專題地圖的定向定位的骨架，同時(shí)也是各專題地圖的背景與重要組成部分。地理底圖的精度與準(zhǔn)確度很大程度上決定各專題地圖的成圖質(zhì)量[28]，因而數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的建立是關(guān)鍵，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)中最重要的便是坐標(biāo)系統(tǒng)的建立。隧道工程地理底圖的建立依賴底圖資料的導(dǎo)入，加載底圖資料時(shí)，由于缺少空間參考，會(huì)導(dǎo)致新建地理底圖與隧道項(xiàng)目底圖資料的坐標(biāo)不一致?？梢酝ㄟ^(guò)先添加空間參考坐標(biāo)系(如北京54、西安80等，根據(jù)隧道項(xiàng)目底圖資料的坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行選擇)，再使用地圖配準(zhǔn)工具條(Georeferencing)添加控制點(diǎn)(至少4 個(gè))并點(diǎn)擊“Update Georeferencing”完成地圖配準(zhǔn)。

最后，根據(jù)巖爆等級(jí)評(píng)估需要表達(dá)的地質(zhì)要素和地理信息依次創(chuàng)建或者導(dǎo)入圖層，可借助符號(hào)、顏色和屬性文本完成對(duì)于圖層中各個(gè)地理元素重要信息的圖面表達(dá)。巖爆等級(jí)評(píng)估相關(guān)圖層的構(gòu)建順序是先地層，后構(gòu)造，最后是隧道和各個(gè)巖爆控制因素圖層，先建的地層和構(gòu)造圖層會(huì)把屬性繼承給隧道單元以及巖爆評(píng)估單元，并起到限定細(xì)化作用。不同圖層的繪制需要依據(jù)屬性繼承關(guān)系、要素的重要程度與最終成圖的美觀等因素，使用符號(hào)級(jí)別對(duì)各要素的疊放次序進(jìn)行控制。同時(shí)導(dǎo)入多個(gè)圖層時(shí)，從下至上的默認(rèn)顯示順序依次為柵格、TIN、面、線、點(diǎn)、注記。

2.2.3 巖爆屬性數(shù)據(jù)的采集、輸入、查詢、處理

通過(guò)隧道工程地形勘察剖面、鉆孔數(shù)據(jù)、地質(zhì)測(cè)繪和現(xiàn)場(chǎng)、室內(nèi)試驗(yàn)等進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造、圍巖條件與應(yīng)力水平等巖爆主要控制因素的數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)輸入相對(duì)應(yīng)巖爆控制因素圖層的屬性表內(nèi)，數(shù)據(jù)的輸入可通過(guò)批量選擇以及字段計(jì)算器快速完成。對(duì)巖爆災(zāi)害發(fā)生具有顯著控制性的斷層和構(gòu)造影響區(qū)，采用臨域分析算法確定影響區(qū)內(nèi)修正權(quán)值并對(duì)影響區(qū)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。輸入的巖爆控制因素地理空間數(shù)據(jù)需要進(jìn)行核驗(yàn)，并根據(jù)GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)在運(yùn)作和分析等方面的要求進(jìn)行編輯、修改，從而保證地理空間數(shù)據(jù)在內(nèi)容和空間上的完整性、在數(shù)值與邏輯上的一致性、數(shù)據(jù)正確性以及對(duì)于巖爆等級(jí)評(píng)估需求的滿足程度等。此外，GIS允許在地理環(huán)境中對(duì)屬性進(jìn)行可視化，既可以查詢地圖位置以了解它們的屬性，也可以查詢屬性以查找具有上述屬性的位置。

根據(jù)所選取的巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估判據(jù)采用屬性運(yùn)算并依靠字段計(jì)算器的python 接口使用獨(dú)立代碼進(jìn)行批量計(jì)算與分類，得到巖爆等級(jí)評(píng)估結(jié)果。最后通過(guò)圖層屬性內(nèi)的符號(hào)系統(tǒng)(Symbology)將不同的巖爆等級(jí)與不同顏色對(duì)應(yīng)，從而使隧道的巖爆等級(jí)評(píng)估成果可視化地顯示在圖層上。

巖爆等級(jí)評(píng)估過(guò)程中，還可以通過(guò)ArcPy實(shí)現(xiàn)巖爆控制因素?cái)?shù)據(jù)的輸入、查詢、轉(zhuǎn)化和分析。ArcPy是一種具有了大量有用函數(shù)和類的Python站點(diǎn)包，用戶通過(guò)ArcPy能夠使用Python代碼控制地理處理工具以及訪問(wèn)、處理GIS數(shù)據(jù)，從而實(shí)用高效地執(zhí)行地理數(shù)據(jù)的查詢、轉(zhuǎn)換、分析、管理以及地圖自動(dòng)化。

隨著隧道工程的逐步開(kāi)展，剖面圖、地應(yīng)力和地質(zhì)構(gòu)造等資料可能會(huì)階段性更新，若是使用其他處理方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而基于GIS的深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估方法則只需將相應(yīng)巖爆控制因素圖層的屬性表對(duì)應(yīng)字段更新即可使巖爆地理數(shù)據(jù)庫(kù)保持最新，高效快捷，同時(shí)避免因多次重復(fù)操作而產(chǎn)生誤操作。字段的更新既可以通過(guò)表窗口操作，也可以通過(guò)屬性窗口完成，并且合理使用圖層拖動(dòng)選擇和屬性表篩選功能可以快速進(jìn)行批量選擇，借助字段計(jì)算器和Python 語(yǔ)言進(jìn)行快速高效更新。

2.3 巖爆等級(jí)評(píng)估指標(biāo)與控制因素的選取與確定

隧道巖爆等級(jí)評(píng)估中，最困難且對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生直接控制作用的是評(píng)估指標(biāo)中參數(shù)的選取與確定，其中地應(yīng)力場(chǎng)和巖石或巖體強(qiáng)度參數(shù)的確定最為重要。

2.3.1 隧道沿線地應(yīng)力估計(jì)

工程可行性研究階段由于缺少數(shù)據(jù)，導(dǎo)致隧道沿線地應(yīng)力的估計(jì)較為困難。在總結(jié)分析了大量國(guó)內(nèi)外深埋超長(zhǎng)隧道重點(diǎn)工程以及眾多研究者提出的方法的基礎(chǔ)上，選取了地應(yīng)力反演、鉆孔數(shù)據(jù)擬合和地應(yīng)力回歸曲線3種方法，分別適用于不同的情況。需要強(qiáng)調(diào)的是，無(wú)論采取何種方法獲取的地應(yīng)力數(shù)據(jù)都切忌直接使用，必須經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，獲取隧洞斷面上的最大主應(yīng)力和洞周切應(yīng)力。而地應(yīng)力方向的確定則可以借鑒工程區(qū)已有工程地應(yīng)力數(shù)據(jù)和謝富仁等[29]對(duì)我國(guó)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)基本特性與分區(qū)的研究成果。

1)地應(yīng)力回歸曲線

在工程前期缺乏鉆孔數(shù)據(jù)的情況下，可以通過(guò)地應(yīng)力回歸曲線來(lái)對(duì)隧道巖爆等級(jí)進(jìn)行初步評(píng)估。常用的地應(yīng)力回歸曲線有朱煥春世界范圍地應(yīng)力回歸曲線和中國(guó)大陸地應(yīng)力實(shí)測(cè)回歸曲線。

朱煥春等[30]收集了世界范圍內(nèi)三大巖類的地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了世界范圍內(nèi)地應(yīng)力經(jīng)驗(yàn)回歸關(guān)系分別為：

其中：H為埋深；σH和σh分別為最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力。

景峰等[31]通過(guò)收集中國(guó)大陸地區(qū)數(shù)百個(gè)實(shí)測(cè)鉆孔資料，建立了中國(guó)大陸地應(yīng)力實(shí)測(cè)分布規(guī)律的回歸公式：

根據(jù)工程所在地區(qū)的不同，可通過(guò)將工程區(qū)已有工程鉆孔數(shù)據(jù)與基于不同地應(yīng)力回歸曲線求出的地應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，選用誤差較小的地應(yīng)力回歸曲線并根據(jù)已有工程鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使之與工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)更加吻合。其中，中國(guó)大陸地應(yīng)力實(shí)測(cè)分布規(guī)律的回歸公式已被運(yùn)用在二郎山公路隧道工程和川藏鐵路工程，驗(yàn)證了其在川藏地區(qū)的較高適用性。

2)鉆孔數(shù)據(jù)擬合

當(dāng)已獲取少量隧洞沿線鉆孔的地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并且?guī)r爆評(píng)估工作期限較短時(shí)，可采取鉆孔數(shù)據(jù)擬合的方法快速獲取工程區(qū)地應(yīng)力與埋深的規(guī)律公式。HAST[32]最早發(fā)現(xiàn)了芬諾斯堪迪亞板塊水平應(yīng)力與埋深呈線性關(guān)系并提出了線性回歸。朱煥春等[30]統(tǒng)計(jì)分析世界范圍地應(yīng)力隨埋深的變化規(guī)律時(shí)也發(fā)現(xiàn)最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力和垂向應(yīng)力沿埋深總體上呈線性關(guān)系變化。

根據(jù)工程實(shí)踐以及前人研究成果，地應(yīng)力場(chǎng)主要分為自重應(yīng)力場(chǎng)和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)2部分，采用線性擬合的方式計(jì)算主應(yīng)力隨深度變化梯度式可靠性和代表性較高。在鉆孔數(shù)據(jù)較少的情況下，可通過(guò)鉆孔線性擬合完成對(duì)隧道沿線巖爆風(fēng)險(xiǎn)的快速初步評(píng)估。

3)地應(yīng)力反演

在獲得多個(gè)隧洞沿線鉆孔的地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，且地質(zhì)構(gòu)造與地層信息及其力學(xué)參數(shù)相對(duì)明確的條件下，可通過(guò)地應(yīng)力反演來(lái)獲取隧洞沿線地應(yīng)力場(chǎng)特征，并研究工程區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律。相對(duì)于鉆孔擬合而言，地應(yīng)力場(chǎng)反演考慮到斷層、褶皺、節(jié)理密集帶等局部地質(zhì)構(gòu)造特征，能夠較好地分析地應(yīng)力場(chǎng)量值和方向。

梅松華等[33]根據(jù)硐室地質(zhì)條件、變形位移提出了三維變形反演分析方法，并通過(guò)實(shí)測(cè)地應(yīng)力以及硐室監(jiān)測(cè)實(shí)際位移對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。郭懷志等[34]提出了有限元數(shù)學(xué)模型回歸分析法，通過(guò)該方法可獲取巖體的三維初始應(yīng)力場(chǎng)。LI等[35]將多變量線性回歸方法與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相結(jié)合，開(kāi)發(fā)了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三維地應(yīng)力場(chǎng)分析查詢系統(tǒng)。楊德林等[36]提出了初始地應(yīng)力場(chǎng)的有限單元法，姚瑞等[37]在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了邊界優(yōu)化和投影誤差修正。

根據(jù)多個(gè)工程的實(shí)際應(yīng)用成效，采用三維有限差分軟件FLAC3D 進(jìn)行數(shù)值仿真模擬。模擬對(duì)象選取隧道沿線處山體模型，同時(shí)需要綜合考慮地形、斷層、節(jié)理密集帶等因素，并根據(jù)現(xiàn)有鉆孔數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)和控制。

2.3.2 巖石強(qiáng)度估計(jì)

巖石性質(zhì)則可通過(guò)鉆孔巖芯樣品獲取，通過(guò)對(duì)各個(gè)鉆孔不同鉆孔深度的樣品進(jìn)行典型巖石抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、典型巖石脆性試驗(yàn)、典型巖石損傷演化規(guī)律試驗(yàn)、典型巖石傾向性試驗(yàn)等室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)獲取巖石強(qiáng)度和脆性等性質(zhì)并進(jìn)行各類巖石的巖爆傾向性預(yù)測(cè)，其中最重要的是巖石強(qiáng)度的測(cè)定。

測(cè)定鉆孔巖芯巖石單軸抗壓強(qiáng)度及變形參數(shù)需要通過(guò)鉆孔獲取隧道典型巖性不同埋深的樣品，開(kāi)展巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并包括2 類測(cè)試條件：1)天然狀態(tài)下巖石試樣單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試；2)飽和狀態(tài)下巖石試樣單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試。保守情況下，通常采用巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度作為巖爆等級(jí)評(píng)估的控制因素開(kāi)展評(píng)估，如采用強(qiáng)度應(yīng)力比方法，此時(shí)獲得的巖爆等級(jí)代表著隧道洞段可能發(fā)生的最大巖爆等級(jí)；而采用天然狀態(tài)下巖石單軸抗壓強(qiáng)度作為評(píng)估參數(shù)時(shí)，通常代表著隧道洞段平均意義上的等級(jí)程度。需要指出的是，因室內(nèi)試驗(yàn)不可避免地存在單軸抗壓強(qiáng)度上的離散性，因而保證試驗(yàn)數(shù)量是非常重要的，從而獲得更具有統(tǒng)計(jì)代表性的巖石單軸抗壓強(qiáng)度參數(shù)。此外，部分學(xué)者采用GSI方法或其他方法估計(jì)巖體強(qiáng)度參數(shù)用于巖爆等級(jí)評(píng)估中，根據(jù)大量深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖體強(qiáng)度的估計(jì)會(huì)放大巖爆等級(jí)評(píng)估指標(biāo)的不確定性，很大程度上是人為主觀判斷的不確定性造成的。因而，作者更建議采用巖石強(qiáng)度作為巖爆等級(jí)評(píng)估的最基本控制因素，而不建議采用巖體強(qiáng)度，尤其是在可行性研究階段大量實(shí)測(cè)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)不充分的條件下，選用巖石強(qiáng)度參數(shù)相對(duì)更能夠降低參數(shù)的不確定性。

如果鉆孔數(shù)據(jù)暫時(shí)還未獲得，則可以搜集工程區(qū)附近區(qū)域巖性相似、埋深相近并處于同一構(gòu)造區(qū)的工程案例進(jìn)行分析，或者根據(jù)工程地質(zhì)手冊(cè)獲取所需巖石強(qiáng)度。需要注意的是，同一巖性不同圍巖等級(jí)的巖石，由于圍巖完整程度不同，巖石強(qiáng)度建議取不同值，從而表征其不同的儲(chǔ)能能力和破裂峰值。

3 應(yīng)用案例

3.1 地圖資料的導(dǎo)入與處理

使用ArcGIS 軟件，建立隧道巖爆等級(jí)評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)，新建巖爆控制因素要素?cái)?shù)據(jù)集和要素類，并繪制隧道地理底圖?？紤]到重新編制地質(zhì)圖工作量大，可以將某隧道的地圖資料例如工程區(qū)地形圖、工程區(qū)地層圖以及工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖以及隧洞路線圖等CAD 文件轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入ArcGIS 軟件中。由于圖件的現(xiàn)勢(shì)性在底圖編制過(guò)程中十分重要，因而還需要搜集一些隧道項(xiàng)目最新的紙質(zhì)圖件等資料作為補(bǔ)充，并通過(guò)掃描轉(zhuǎn)成矢量數(shù)據(jù)，加載到數(shù)據(jù)中。在隧道工程地理底圖的繪制中，根據(jù)隧道工程地圖資料的實(shí)際坐標(biāo)添加空間參考坐標(biāo)系并進(jìn)行地圖配準(zhǔn)，從而保證各圖件坐標(biāo)的一致性與地理底圖的精確性。

統(tǒng)計(jì)隧道巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與可視化呈現(xiàn)需要表達(dá)的地理要素，如隧洞路線、里程樁號(hào)、巖性、斷層、圍巖等級(jí)、圍巖強(qiáng)度、埋深等，并據(jù)此確定各圖層的圖面內(nèi)容與填圖方案。根據(jù)地圖資料繪制各個(gè)地質(zhì)要素圖層，以Point 要素繪制里程樁號(hào)圖層(圖3)，根據(jù)隧道地質(zhì)剖面圖以Line 要素繪制巖性界限圖層、圍巖等級(jí)分界線圖層以及斷層線圖層，見(jiàn)圖4。需要注意的是，圍巖等級(jí)分界線以及斷層線的獲取都必須是在隧洞高程平面上，是圍巖等級(jí)界線和斷層在其與隧洞交點(diǎn)所在高程平面上的投影，而非其地表出露線。

圖3 隧道里程樁號(hào)等點(diǎn)要素圖層的構(gòu)建Fig.3 Construction of such point feature layers as tunnel mileage pile number

圖4 隧道巖爆等級(jí)評(píng)估地理數(shù)據(jù)庫(kù)中線要素圖層Fig.4 Line feature layers in rockburst classification evaluation geodatabase

沿著隧道路線(圖5中紅線)以Polygon 要素繪制巖爆等級(jí)評(píng)估圖層和圍巖等級(jí)圖層等。根據(jù)隧道項(xiàng)目圍巖等級(jí)界線圖層對(duì)圍巖等級(jí)圖層進(jìn)行劃分(圖5(a))，而巖爆等級(jí)評(píng)估圖層則需要先按地層與區(qū)域構(gòu)造劃分子區(qū)，地層與區(qū)域構(gòu)造屬性會(huì)繼承到隧洞分區(qū)內(nèi)，再以125 m里程為間距劃分成均勻圖元，最后根據(jù)沿線地質(zhì)勘察剖面(巖性分界和圍巖等級(jí)分界等)進(jìn)行二次劃分，使得單個(gè)圖元里程范圍內(nèi)的圍巖等級(jí)、巖性一致(圖5(b))。所有層次分區(qū)過(guò)程均采用拓?fù)鋷缀谓：蛯傩岳^承，便于不同圖層之間的同步與更新。圖5中圍巖等級(jí)區(qū)段和巖爆等級(jí)區(qū)段在后期處理中可將圍巖等級(jí)、巖爆等級(jí)與不同顏色匹配，從而進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，圖5尚處于分區(qū)階段，綠色、粉色只是任意選取，不代表具體等級(jí)。

巖爆等級(jí)評(píng)估圖層圖元的劃分可根據(jù)隧道縱向方向上巖性和地應(yīng)力變化快慢選用不同的里程間距從而達(dá)到所需精度，本研究考慮上述因素的同時(shí)兼顧了劃分的效率，1 km 的距離可以通過(guò)中點(diǎn)劃分快速地切割為間距125 m的8個(gè)圖元。巖爆等級(jí)評(píng)估圖層寬度需要考慮隧洞巖爆發(fā)生范圍，開(kāi)挖應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)等因素，圍巖等級(jí)圖層則需要考慮斷層影響帶、隧洞環(huán)向圍巖等級(jí)變化等因素，同時(shí)還要兼顧成圖的清楚直觀，建議巖爆等級(jí)評(píng)估圖層寬度取200 m，圍巖等級(jí)圖層寬度取2 km。

3.2 巖爆控制因素參數(shù)輸入

通過(guò)隧道工程地質(zhì)剖面圖獲取圍巖等級(jí)、巖性以及埋深，根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)鉆孔數(shù)據(jù)以及地應(yīng)力反演獲取地應(yīng)力分量，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)試驗(yàn)獲取圍巖強(qiáng)度及泊松比等巖爆控制因素參數(shù)輸入到巖爆等級(jí)評(píng)估圖層和圍巖等級(jí)圖層的屬性表中，斷層和構(gòu)造影響區(qū)數(shù)據(jù)需要根據(jù)臨域算法求取影響權(quán)值進(jìn)行修正。對(duì)于具有某個(gè)相同參數(shù)的大量圖元可以通過(guò)圖層拖動(dòng)選擇和屬性表篩選功能進(jìn)行批量選擇從而快速賦值，而具有相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，例如埋深和自重、巖性和圍巖強(qiáng)度等，也可以通過(guò)字段計(jì)算器的python代碼接口進(jìn)行批量處理。

圖元賦值完畢，巖爆等級(jí)評(píng)估圖層和圍巖等級(jí)圖層便可通過(guò)屬性中的符號(hào)系統(tǒng)(Symbology)選擇相應(yīng)字段并進(jìn)行顏色匹配從而實(shí)現(xiàn)字段內(nèi)容的可視化呈現(xiàn)，圍巖等級(jí)圖層可以呈現(xiàn)圍巖等級(jí)，巖爆等級(jí)評(píng)估圖層可以呈現(xiàn)巖性，如圖6所示。當(dāng)然，GIS中提供了很多用于描繪地理信息的圖層顯示選項(xiàng)，除了顏色，還可借助符號(hào)和標(biāo)注等多種方式來(lái)表示圖層。此外，由于巖爆等級(jí)評(píng)估圖層用以評(píng)估巖爆風(fēng)險(xiǎn)，該圖層屬性表中會(huì)輸入巖性、埋深、圍巖等級(jí)與圍巖強(qiáng)度等眾多參數(shù)，因而最后圖形可視化所能呈現(xiàn)的要素也是眾多的，包括圍巖等級(jí)、埋深等，并非只能呈現(xiàn)巖爆等級(jí)。

圖6 圍巖等級(jí)以及圍巖巖性的可視化呈現(xiàn)Fig.6 Visualization of surrounding rock classifications and lithology

3.3 巖爆等級(jí)評(píng)估

依據(jù)表1，共選用巖石強(qiáng)度應(yīng)力比法、巖石應(yīng)力強(qiáng)度比法和RVI指標(biāo)法3種方法開(kāi)展某隧道的巖爆等級(jí)評(píng)估。打開(kāi)巖爆等級(jí)評(píng)估圖層的屬性表，根據(jù)這3種巖爆等級(jí)評(píng)估方法進(jìn)行屬性運(yùn)算。由于GIS屬性表的有Python代碼接口，因而可以通過(guò)代碼對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行批量計(jì)算與分類，帶來(lái)了極大便利。例如當(dāng)通過(guò)強(qiáng)度應(yīng)力比公式求得各個(gè)圖元的巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度和圍巖最大地應(yīng)力的比值時(shí)，可通過(guò)python 代碼求出巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。應(yīng)力強(qiáng)度比法和RVI指標(biāo)法的代碼與之相似。

屬性表的數(shù)據(jù)處理完畢，便獲得了某隧道3種巖爆評(píng)估方法的評(píng)估結(jié)果，在屬性表中表現(xiàn)為不同的字段。通過(guò)在圖層屬性的符號(hào)系統(tǒng)選擇不同的字段便可對(duì)某某隧道的巖爆等級(jí)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，通過(guò)對(duì)不同巖爆評(píng)估結(jié)果匹配不同的顏色，從而使得隧洞沿線巖爆等級(jí)預(yù)測(cè)結(jié)果得到直觀體現(xiàn)。圖7所示為某隧道用RVI指標(biāo)法進(jìn)行巖爆等級(jí)評(píng)估的結(jié)果。同樣，可以通過(guò)選擇字段呈現(xiàn)強(qiáng)度應(yīng)力比以及應(yīng)力強(qiáng)度比的結(jié)果。

圖7 基于RVI指標(biāo)法評(píng)估的某隧道沿線巖爆深度及等級(jí)分布Fig.7 Rockburst depth and grade distribution along a certain tunnel evaluated based on RVI index method

4 結(jié)論

1)針對(duì)超長(zhǎng)深埋隧道的巖爆等級(jí)評(píng)估，形成了一套基于GIS的從巖爆屬性數(shù)據(jù)采集—地理數(shù)據(jù)庫(kù)建立—巖爆控制因素參數(shù)輸入—評(píng)估指標(biāo)選取—巖爆等級(jí)評(píng)估—成果展示的完整高效的超長(zhǎng)深埋隧道巖爆等級(jí)研究技術(shù)路線、方法體系和工作流程。這套工作方法和技術(shù)體系對(duì)邊坡、廠房等其他研究對(duì)象以及滑坡、變形等其他地質(zhì)災(zāi)害也有參考借鑒價(jià)值。

2)提出了基于GIS 的深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估方法。該方法將巖爆等級(jí)評(píng)估方法與GIS空間數(shù)據(jù)分析方法相結(jié)合，借助數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、屬性集空間分析和Python 腳本實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估信息的高效智能查詢、計(jì)算、分析和評(píng)估成果圖形化展示，同時(shí)可根據(jù)工程進(jìn)展實(shí)時(shí)更新，減少返工耗時(shí)。

3)基于GIS 的深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估方法已成功應(yīng)用于川藏鐵路多條隧道的巖爆等級(jí)評(píng)估以及川藏鐵路巖爆災(zāi)害研究成果匯報(bào)展示，減少了超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估的任務(wù)量，使巖爆等級(jí)評(píng)估結(jié)果能夠可視化呈現(xiàn)，豐富和發(fā)展了巖爆分析預(yù)測(cè)的方法，為巖爆的預(yù)測(cè)提供了新的手段。

4)基于GIS 的深埋超長(zhǎng)隧道巖爆等級(jí)評(píng)估方法的不足之處：由于地應(yīng)力測(cè)量和巖爆等級(jí)評(píng)估往往由不同單位負(fù)責(zé)，選取的隧道洞段間距不同，需要二次處理；此外，由于節(jié)理、斷層、地下水等因素對(duì)隧道圍巖巖爆傾向性的影響缺乏準(zhǔn)確的數(shù)值結(jié)論，其影響區(qū)巖爆等級(jí)僅進(jìn)行局部提升或降低，有待在相關(guān)研究取得進(jìn)展后進(jìn)一步完善。