隧道施工地質災害預報預警技術研究

熊春發，任少博，王淑英

(1.廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西　南寧　530007)

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隧道施工地質災害預報預警技術研究

熊春發1，2，任少博1，2，王淑英1，2

(1.廣西交通科學研究院，廣西南寧530007；2.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西南寧530007)

熊春發(1982—)，工程師，研究方向：交通巖土工程；

任少博(1985—)，工程師，研究方向：公路路基路面、隧道巖土；

王淑英(1964—)，教授級高工，研究方向：道路材料檢測。

摘要：隧道施工由于不良地質條件和開挖卸荷等原因，存在著涌水、塌方等地質災害的風險，因此對隧道施工全過程中的地質災害進行預報預警，提前做好應對措施，對保障隧道施工安全起著十分重要的作用。文章以貴馬隧道為例，對同一區間段隧道，在未開挖前采用地質雷達技術對不良地質進行超前預報，在開挖后通過監控量測圍巖位移對可能發生的地質災害進行預警，并將預報預警的結果與隧道實際開挖揭露的圍巖狀態進行對比分析。結果表明，超前預報與監控量測兩種技術相結合，可有效預判隧道施工全過程中可能發生的地質災害。

關鍵詞：隧道地質災害；預報預警；超前預報；監控量測

0引言

隧道施工由于不良地質條件和開挖卸荷等原因，存在著涌水、塌方等地質災害的風險，給施工帶來了重大安全隱患。作為隧道信息化施工、動態設計和管理的重要手段，超前地質預報[1-5]和監控量測技術[6，7]可分別獲得隧道開挖前的不良地質信息以及隧道開挖后的圍巖動態信息，進而對隧道施工全過程中的地質災害進行預判，是保證隧道工程質量和安全施工的重要環節。因此，對超前地質預報和監控量測技術應用于隧道施工地質災害預判的工作流程及實際效果開展研究，具有重要意義。

本文以貴州思南至劍河高速公路的貴馬隧道為例，對于隧道同一區間段，在未開挖前利用地質雷達技術對不良地質進行超前預報，開挖后則通過監控量測圍巖變形對可能引起的地質災害進行預警，并將預報預警的結果與實際開挖揭露的圍巖狀態進行對比，以驗證超前預報技術和監控量測技術應用于隧道施工地質災害預判的有效性，所得結論可為類似工程參考借鑒。

1隧道施工地質災害預報預警方法

隧道施工地質災害進行預報預警一般按圖1所示工作流程進行，預報預警結果需及時反饋施工以采取治理措施。本文將以貴馬隧道為例，將檢測結果與實際開挖揭露的圍巖狀況進行對比，以檢驗該預報預警方法的有效性。

圖1　隧道施工地質災害預報預警流程圖

2隧道施工地質災害預報預警工程實例

2.1工程概況

貴馬隧道為雙洞單向交通隧道，左、右洞設測線間距12.5～21 m，左洞思南段從洞口K139+600、右洞思南段從洞口至ZK139+580屬小凈距隧道，其他段屬分享式隧道。左洞長度為555 m(ZK139+435～ZK139+990)，右洞長度為520 m(K139+450～K139+970)。

貴馬隧道地貌屬于構造剝蝕作用形成的中低山地貌。隧道段內地形起伏大，山高坡陡，沖溝發育，沖溝走向以南東向為主，次為北東向，呈“V”字型溝谷。隧道軸線通過地段地面標高802.72～929.46 m，最大高差126.74 m，隧道最大埋深115.40 m，位于K139+640處。地形坡度25°～60°。

貴馬隧道巖性單一，主要為凝灰質板巖。水文地質條件簡單。隧道區域附近無地表水體分布，地下水主要受大氣降水補給，地下水的徑流均在節理、裂隙中進行，其地下水分水嶺與地表分水嶺基本一致，地下水位與地形關系密切，地形切割強烈地段地下水位埋藏深，且地下水位波動幅度較大；平緩地段地下水位埋藏較淺，水位波動幅度較小。該隧道區地勢較高，地下水埋藏較深。地下水PH值為7.21，侵蝕性CO2為6.68 mg/L，地下水對混凝土結構不具腐蝕性。

2.2隧道開挖前的不良地質預報

超前地質預報常用方法分為兩大類：地質分析法和地球物理法(包括彈性波反射法、地質雷達法、瞬變電磁法、陸地聲納法、紅外探測法等)。其中地質雷達法是利用超高頻脈沖電磁波為震源，以自激自收的形式，采用連續或間斷的方式探測地質介質分布的一種地球物理勘探方法，用于短距離探測隧道的斷層破碎帶、軟弱夾層、地質體含水情況，具有快速、無損、實時顯示等特點，本工程預報不良地質即采用該方法，所用設備為LTD-2200型地質雷達(天線頻率為100 MHz)。地質雷達探測結果見圖1～2，對不良地質體的推斷預報結果見表1，由預報結果可知該預報段巖體破碎，節理裂隙發育，局部富含裂隙水。

表1　隧道左洞(ZK)和右洞(K)

圖2　隧道掌子面ZK139+480地質雷達探測圖

圖3　隧道掌子面ZK139+930地質雷達探測圖

2.3隧道開挖后圍巖變形監控量測

監控量測是新奧法隧道施工中不可缺少的重要組成部分，量測項目一般包括位移監測(周邊位移、拱頂下沉和地表下沉等)和應力應變監測(錨桿軸力和圍巖壓力等)，其中位移監測是掌握隧道圍巖動態變化的有效手段，也是隧道監控量測必測項目之一。

根據監控量測的隧道樁號ZK139+485、ZK139+955斷面圍巖位移、位移速率的結果(見圖3～6、表2)可知，上述隧道斷面拱頂下沉、凈空位移仍未收斂，位移速率已經收斂，仍易發生洞頂掉塊、坍塌等事故。由下頁表3可知，巖體破碎、節理裂隙發育、局部富含裂隙水的隧道圍巖在施工過程中位移往往也不易收斂。同時說明地質超前預報和監控量測技術所得結果可相互驗證，兩者有機結合可實現隧道施工全過程中地質災害的有效預判。

表2　監控量測成果匯總表

表3　隧道監控量測與超前預報結果比較表

圖3　ZK139+485斷面拱頂下沉、凈空收斂位移曲線圖

圖4　ZK139+485斷面拱頂下沉、凈空收斂位移速率曲線圖

圖5　ZK139+955斷面拱頂下沉、凈空收斂位移曲線圖

圖6　ZK139+955斷面拱頂下沉、凈空收斂位移速率曲線圖

2.4隧道實際開挖后揭露的圍巖狀態

由隧道掌子面開挖地質素描記錄(見表4)可知，施工揭露出巖體破碎、節理裂隙發育、局部富含地下水，拱頂局部掉塊，可能會發生坍塌。原設計支護偏弱，需要加強支護措施后方可繼續開挖施工。施工揭露出的情形與地質超前預報和監控量測預判的圍巖狀態基本一致，也說明按圖1所示的工作流程開展隧道施工地質災害的預報預警是可靠和有效的。

表4　隧道圍巖預報預警狀態與實際開挖狀態對比表

3結語

本文利用地質雷達技術和監控量測技術對隧道施工地質災害進行預報預警，主要得出以下結論：

(1)開展隧道施工地質災害預報預警，需要在隧道未開挖時對不良地質進行超前預報，在隧道開挖后對圍巖變形等進行監控量測，兩者相互驗證、有機結合，可實現隧道施工全過程中地質災害的有效預判。

(2)未開挖前在超前預報中發現的存在巖體破碎、節理裂隙發育、富含裂隙水等特征的隧道不良地質段圍巖，在開挖施工過程中位移往往也不易收斂，存在涌水、洞頂坍塌的風險，需及時治理后方可繼續正常開挖施工。

參考文獻

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Research on Geological Hazard Forecasting and Warning Technology in Tunnel Construction

XIONG Chun-fa1，2，REN Shao-bo1，2，WANG Shu-ying1，2

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：Due to adverse geological conditions，excavation unloading and other reasons，the tunnel construction has the risks such as gushing，landslides and other geological disasters，so the forecasting and warning for geological disasters in the whole process of tunnel construction，together with the treatment measures ready in advance，will play a very important role for ensuring the tunnel construction safety.Taking Guima Tunnel as the example，regarding the tunnel within the same range segment，this article conducted the advanced prediction of adverse geology by using the ground penetrating radar technology before excavation，with the early warning of geological disasters which may occur after the excavation through monitoring and measuring the displacement of surrounding rocks，and conducted the comparative analysis between the forecast warning results and the state of surrounding rocks exposed during actual tunnel excavation.The results showed that the combination of advanced prediction and monitoring measurement technologies can effectively predict the geological disasters which may occur in the whole process of tunnel construction.

Keywords：Tunnel geological disaster；Forecasting and warning；Advanced prediction；Monitoring mea-surement

收稿日期：2016-01-25

文章編號：1673-4874(2016)02-0055-05

中圖分類號：U456.3+3

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.013

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