隧道安全預(yù)警及安全管理要點分析

楊朝棟，許建文，梁海深，黃 濤，董學(xué)盛

（1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530200；2.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530200；3.廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200）

0 引言

近年來，各類隧道工程施工過程中，由于施工環(huán)境復(fù)雜、地質(zhì)條件差、影響因素多等原因，隧道事故呈現(xiàn)“易發(fā)、頻發(fā)、多發(fā)”等特點[1]。及時有效的安全預(yù)警處置和安全管理機制，是避免安全生產(chǎn)事故發(fā)生的有效手段。超前地質(zhì)預(yù)報是安全預(yù)警的基礎(chǔ)，楊健等[2]結(jié)合光纖光柵數(shù)據(jù)采集技術(shù)，建立了隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道安全信息化監(jiān)測預(yù)警功能。鄧洪亮等[3]采用三維激光掃描系統(tǒng)結(jié)合Leica TPS1200全站儀，實現(xiàn)了隧道施工安全風(fēng)險預(yù)警預(yù)報和風(fēng)險分級管理，表明三維激光掃描能夠建立較準(zhǔn)確的隧道地質(zhì)實景模型。何高峰等[4-5]結(jié)合BIM（建筑信息模型）及GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)建立復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下地鐵隧道三維可視化模型，實現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評估以及安全預(yù)警。陳立潮等[6]基于圖像處理技術(shù)，提出了一種裂縫寬度計算方法，能夠?qū)崿F(xiàn)有效的危害性評級與安全預(yù)警。隨著試驗檢測技術(shù)的發(fā)展，隧道施工的安全性以及預(yù)警機制能夠有效實現(xiàn)。結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)以及TSP探測技術(shù)，結(jié)合三維激光掃描建立曲面數(shù)字化模型，提出隧道預(yù)警處置和安全管理機制，并運用于武忻高速公路隧道溶洞處置過程。

1 工程概況

武忻高速公路起點位于武宣縣二塘鎮(zhèn)渠盞村附近接柳武高速公路，整體由東向西，終點位于忻城縣古蓬鎮(zhèn)板桑屯附近接宜上高速公路（規(guī)劃），如圖1所示。全線設(shè)置隧道17座，其中特長隧道1座，長隧道7座，中隧道7座，短隧道2座。來賓3號隧道（左洞長839.5 m，右洞長835 m）掌子面由小里程向大里程方向掘進(jìn)，開挖方式為上下臺階開挖法。

圖1 來賓3隧道號進(jìn)口無人機現(xiàn)場照片

在隧道開挖和圍巖支護過程中，施工通常存在較高的危險性、突發(fā)性以及傷亡事故等特點，被認(rèn)定為高風(fēng)險施工工程[7]。結(jié)合2-2標(biāo)段來賓3號隧道溶洞處理施工背景，提出隧道預(yù)警處置和安全管理機制，并提出相關(guān)安全管理要點。

2 實景模型建立及溶洞處理方案

在掌子面ZK56+335.5使用地質(zhì)雷達(dá)探測時發(fā)現(xiàn)有異常，監(jiān)控量測單位使用TSP地震波探測給予印證，經(jīng)專家分析發(fā)現(xiàn)前方有較大溶洞。為詳細(xì)探明情況，進(jìn)一步驗證物探所發(fā)現(xiàn)對異常，采用超前鉆進(jìn)一步進(jìn)行印證。為確保洞內(nèi)工作人員安全，停止掌子面施工，封閉現(xiàn)場，總監(jiān)辦專人值守，待進(jìn)一步處置方案確定后再有序開展工作。

2.1 實景模型建立

2.1.1 地質(zhì)雷達(dá)探測

地質(zhì)雷達(dá)探測的工作原理是利用在探測剖面上移動的發(fā)射天線向需探測區(qū)域發(fā)射電磁波，電磁波在巖體內(nèi)傳播時遇到介電參數(shù)差異較大的界面時，就會產(chǎn)生反射、透射和折射等現(xiàn)象；反射回的電磁波被與發(fā)射天線同步移動的接收天線接收后，由地質(zhì)雷達(dá)主機記錄下其波形與運動特征，再經(jīng)過專業(yè)軟件進(jìn)行信號處理，形成全斷面的掃描圖像，通過對該圖像的分析、解譯，判斷反射界面的性質(zhì)與分布情況。通過綜合地質(zhì)編錄資料，進(jìn)而確定探測區(qū)域的不良地質(zhì)體的位置、規(guī)模。

開挖至左洞掌子面里程為ZK56+335.5，掌子面為中風(fēng)化灰?guī)r，青灰色，中厚層狀，巖質(zhì)較硬，巖體較破碎～破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，溶蝕強發(fā)育，巖溶強發(fā)育，發(fā)育較大規(guī)模巖溶，掌子面右側(cè)發(fā)育一規(guī)模高度為7 m，寬度為3m的巖溶，充填砂質(zhì)黏土，黏土為黃褐色，可塑，稍濕，如圖2所示。掌子面拱頂揭露一廳堂式溶洞，溶洞中心線長約108 m，最大寬度約25 m，最高處約13 m。地質(zhì)調(diào)查時掌子面拱腳有成股狀流水，圍巖整體穩(wěn)定性極差，易發(fā)生局部塌方涌泥等地質(zhì)災(zāi)害。

圖2 掌子面地質(zhì)素描

2.1.2 TSP地震波探測

常布置在地層或構(gòu)造的走向與隧道軸向相交成銳角的邊墻，大約24個炮點）用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，如圖3所示。一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號將被高靈敏度的加速度地震傳感器接收并以數(shù)字形式記錄下來。采集數(shù)據(jù)通過AmbergTSP Plus專用軟件處理，通過與掌子面地質(zhì)素描結(jié)合的綜合分析便可了解隧道工作面前方地質(zhì)體的性質(zhì)（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）、位置及規(guī)模，見表1。TSP地震波反射探測儀器采用瑞士產(chǎn)TSP 303 Plus型。

圖3 TSP探測原理

表1 設(shè)計圍巖等級與預(yù)報建議圍巖等級表

2.1.3 超前鉆驗證

7#～10#孔孔深根據(jù)鉆探情況鉆深30～50 m，7#孔斜向上5°～10°，8#孔為中線偏左10°，9#孔為往下與水平方向呈10°，10#孔為水平方向，如圖4所示，進(jìn)一步查明前方地質(zhì)情況。通過超前鉆探，能夠提前確定前方的地質(zhì)情況，確保施工安全，同時可以驗證地質(zhì)雷達(dá)以及TSP地震破探測的檢測準(zhǔn)確性。其中，經(jīng)過探測在掌子面拱頂揭露一廳堂式溶洞，因此在7#孔斜向上5°～10°進(jìn)行鉆探，確保并驗證溶洞的位置，便于建立施工安全預(yù)警機制。

圖4 鉆孔示意圖

2.1.4 三維激光建立實景模型

三維激光掃描技術(shù)是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。通過對隧道溶洞的空間進(jìn)行測量，可快速測得物體的輪廓集合數(shù)據(jù)，并加以建構(gòu)、編輯、修改，生成通用輸出格式的曲面數(shù)字化模型，直觀地展示溶洞規(guī)模及形狀，如圖5所示。

圖5 三維激光掃描成果圖

2.2 溶洞處理方案

通過建立的實景模型，可以確定溶洞的具體位置和大小，在隧道施工中需要對其進(jìn)行處理，確保施工的安全性。其中對于溶洞的處理分為兩種情況。

（1）穿越溶洞段。基底存在熔巖填充物等軟弱體時采用鋼管樁進(jìn)行地基處理，如圖6所示。通過鋼管樁加強軟弱地基的強度，同時鋼管樁穿過軟弱地基，底部固結(jié)于巖石地質(zhì)，結(jié)合兩層鋼筋網(wǎng)和混凝土，實現(xiàn)軟弱地基的處理，加強承載能力以及施工安全性。

圖6 溶洞處置方案1

（2）拱頂溶洞段。設(shè)置護拱，護拱上設(shè)置不小于1 m的泵送C30混凝土或輕質(zhì)泡沫混凝土，預(yù)留直徑為30 cm的泄水孔，如圖7所示。通過護拱以及混凝土，加強隧道的強度，防止溶洞對隧道的直接沖擊。同時結(jié)合泄水孔，實現(xiàn)溶洞的排水，避免溶洞水對隧道的沖蝕。

圖7 溶洞處置方案2

3 隧道預(yù)警處置機制及安全管理要點

通過上訴來賓三號隧道從探明隧道異常，到準(zhǔn)確查明問題，發(fā)出預(yù)警，采取有效防控措施進(jìn)行防范。隧道預(yù)警處置機制建立是有必要的，同時提出安全處置要點為后面的隧道施工做出了指導(dǎo)。地質(zhì)預(yù)報預(yù)警流程如圖8所示；監(jiān)控量測預(yù)警流程如圖9所示。

圖8 地質(zhì)預(yù)報預(yù)警流程

圖9 監(jiān)控量測預(yù)警流程

3.1 隧道預(yù)警處置機制

監(jiān)控量測和超前地質(zhì)預(yù)報實施過程中存在的問題，主要體現(xiàn)在人員素質(zhì)參差不齊、儀器配置不完善、監(jiān)管職責(zé)不到位、設(shè)計施工各方配合不足等方面[8]。建立有效的隧道預(yù)警處置機制，針對性地采取措施，將事故消滅在萌芽狀態(tài)，有效防范事故發(fā)生的有效機制，對地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測進(jìn)行有效管理，確保安全體系的有效運行。

（1）預(yù)警機制：地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控測量和其他（如出現(xiàn)有毒氣體等），經(jīng)分析，均可做出預(yù)警發(fā)布。

（2）預(yù)警組織機構(gòu)：快速響應(yīng)隧道施工預(yù)警，及時提供控制與處理對策，確保隧道施工安全，設(shè)置預(yù)警組織機構(gòu)。

（3）預(yù)警風(fēng)險等級劃分：可將有較大地質(zhì)（監(jiān)控量測）問題（如預(yù)報中的巖溶、突水、突泥、較大的破碎帶，監(jiān)控量測中的變形加速、支護變形、開裂等），存在較大結(jié)構(gòu)、施工安全風(fēng)險的，定義為I級（紅色）；應(yīng)立即停止施工、撤離人員；在確保安全作業(yè)前提下，提出消除安全風(fēng)險進(jìn)一步措施。輕微地質(zhì)（監(jiān)控量測）危害情況，定義為II級（黃色）；謹(jǐn)慎施工，加強動態(tài)巡查；加強監(jiān)控量測、補充地質(zhì)預(yù)報。

（4）預(yù)警信息發(fā)布：地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測單位根據(jù)風(fēng)險等級，及時發(fā)布預(yù)警信息。

（5）分級預(yù)警處置措施：根據(jù)安全風(fēng)險等級，決定是否啟動應(yīng)急預(yù)案和監(jiān)控量測的頻次，邀請專家提出處置方案。

3.2 安全管理要點

兩種不同物探技術(shù)印證，物探和鉆探技術(shù)相互印證，及時把復(fù)雜的物探技術(shù)成果由專家把關(guān)，這就是武忻高速隧道施工中使用的“雙雙印證加專家支持”預(yù)報預(yù)警措施，有效保證了地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性。

（1）地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報和TSP地震波超前地質(zhì)預(yù)報等多種物探手段要結(jié)合使用，保證物探的準(zhǔn)確性和覆蓋面。

（2）對地質(zhì)雷達(dá)等物探技術(shù)，探測方案和圖形識別是需要一定經(jīng)驗性、較難的工作，專家給予把關(guān)非常重要。

（3）對物探發(fā)現(xiàn)有異常掌子面前方，要使用超前水平地質(zhì)鉆探進(jìn)一步探明前方地質(zhì)情況。

（4）探明掌子面前方地質(zhì)情況，迅速啟動預(yù)警體系，采取必要措施，確保人員和財產(chǎn)安全。配備充足的應(yīng)急物資，應(yīng)付各種突發(fā)情況。

4 結(jié)語

隧道工程由于施工環(huán)境復(fù)雜、受地質(zhì)影響大，建立及時有效的安全預(yù)警機制和安全管理程序，是保證施工安全性的有效方法，是避免安全生產(chǎn)事故發(fā)生的有效手段。依托武忻高速來賓三號隧道溶洞處置，分析了監(jiān)控量測和超前地質(zhì)預(yù)報實施過程中存在的問題，建立了隧道安全預(yù)警處置機制及安全管理機制，強調(diào)了“雙雙印證加專家支持”超前地質(zhì)預(yù)報安全管理要點。為確保隧道施工安全及時預(yù)警，避免事故發(fā)生具有一定指導(dǎo)意義。