水利輸水隧洞施工中的位移風險管理

黃萬飛

（中鐵二十一局集團第六工程有限公司，天津 300450）

1 水利輸水隧洞施工中的位移風險的特點

1.1 地質多樣性

水利輸水隧洞施工中的位移風險的首要特點之一是地質多樣性。不同地區的隧洞工程往往需要穿越各種不同類型的巖層，如堅硬的花崗巖、軟弱的泥巖和多孔的砂巖等。每種巖層都具有不同的力學性質和穩定性特點，因此對施工的影響也各不相同。這種地質多樣性要求工程師和施工團隊必須根據具體情況采取不同的支護和固定策略，以適應不同地質條件，從而降低位移風險[1]。

1.2 地下水位和滲透性

地下水位和滲透性是另一個關鍵的位移風險特點。在水利輸水隧洞施工中，地下水位的高低以及地下水的滲透性會對隧洞周圍的巖層穩定性產生直接影響。高地下水位和高滲透性可能導致巖層飽和和水壓升高，增加了位移風險。因此，必須采取適當的排水措施和支護方法，以減輕地下水對隧洞工程的不利影響。

1.3 斷層和地震活動

斷層和地震活動也是水利輸水隧洞施工中位移風險的重要組成部分。隧洞穿越地質斷層帶時，斷層的運動可能引發位移和變形，從而對工程的穩定性構成威脅。此外，部分地區處于地震活動帶，地震引發的地震位移可能導致隧洞結構破壞。因此，在這些地區的隧洞工程中，必須特別關注地震和斷層的影響，并采取相應的地震防護和監測措施，以降低位移風險。

1.4 施工過程中的位移機制

在水利輸水隧洞施工過程中，位移機制也是一個重要的特點。施工工序，如掘進、爆破和支護安裝，都可能引發局部或全局的位移。這些位移機制涉及地下應力的重新分布和巖層的變形，因此必須謹慎規劃和監控施工過程，以最小化潛在的位移風險。合適的施工方法和序列選擇以及支護方案的設計是確保工程安全的關鍵因素。

2 水利輸水隧洞施工中的位移風險因素分析

2.1 地質條件和地質結構

首先，不同地區的地質條件和地質結構差異顯著。某些地區可能具有堅硬的巖石層，而其他地區則可能是軟弱的土壤或泥巖。不僅如此，地下的巖層和地質構造通常是多樣性的，可能包括褶皺、斷層、巖漿巖和其他復雜的地質特征。這種多樣性要求施工團隊在處理不同地質條件時采取靈活的方法，以適應不同地質特點，降低巖層不穩定性和位移風險。

其次，地下水位和滲透性也對地質條件產生直接影響。高地下水位和高滲透性地層可能導致巖層飽和，增加了位移風險。水流的存在可能會改變地下巖石的強度和穩定性，尤其是對于軟弱的地質材料[2]。因此，在施工前需要詳盡的地質勘探和水文地質調查，以準確評估地下水位和滲透性，為位移風險管理提供必要的信息。

2.2 施工方法和設備

首先，施工方法的選擇是一個至關重要的決策因素。不同的施工方法，如盾構、鉆孔爆破法、傳統挖掘等，對地下巖石的影響不同。例如，盾構法在軟土層中施工時可能導致地下的沉降和位移，而傳統挖掘則可能引發巖層的崩塌。因此，在選擇施工方法時必須充分考慮地質條件和工程的位移風險，以最大程度地減少潛在的不穩定性。

其次，施工設備的性能和適用性對位移風險也具有顯著影響。使用的掘進機械、支護設備和監測工具必須能夠適應具體的地質條件，以減少潛在的位移風險。精確控制施工設備的操作和參數是降低位移風險的關鍵，需要確保設備的穩定性和精度，以避免不必要的位移。

此外，施工過程中的操作序列和施工速度也是位移風險的關鍵因素。快速施工可能會引發地下應力的快速釋放，導致位移風險增加。因此，在施工計劃中必須謹慎考慮操作步驟和速度，以減輕位移風險。

2.3 自然和人為因素

水利輸水隧洞施工中的位移風險因素涉及自然和人為因素的綜合影響。自然因素包括水文氣象條件，如雨量、氣溫和氣象事件，這些因素可能引發地下水位升高和加速地表侵蝕，導致位移風險上升。地質條件如地下巖層的多樣性和地震活動也是自然因素的重要組成部分，因為它們對巖層的穩定性和隧洞結構的完整性構成潛在威脅。與此同時，人為因素如設計標準和監管政策，以及施工操作和監測的質量，對位移風險產生直接影響。施工方法和序列的選擇，支護和固定措施的實施，以及地下水的管理都屬于人為因素，需要精心策劃和執行，以降低潛在的位移風險。

3 水利輸水隧洞施工中位移風險管理策略

3.1 預測和評估

3.1.1 地質勘探和調查

地質勘探和調查在這個過程中扮演著關鍵的角色，為位移風險的準確評估提供了必要的數據和信息。地質勘探和調查的目的是深入了解隧洞施工區域的地質條件和地質結構。這包括對不同巖層的類型、強度和分布的詳盡了解，地下水位和滲透性的測定，以及地質斷層和地震活動的可能性評估[3]。通過系統性的勘探和調查，工程團隊可以識別潛在的位移風險因素，了解地下巖石的特性，以及確定可能的地質挑戰。

這一信息的準確性對于制定有效的位移風險管理策略至關重要。具有詳細地質數據的工程團隊可以更準確地預測潛在的位移風險，并采取相應的措施來減輕這些風險。地質勘探和調查還有助于確定適當的施工方法和支護方案，以適應具體地質條件，降低巖層不穩定性的可能性。

3.1.2 數值模擬和分析

數值模擬和分析為工程團隊提供了一種有力的工具，可以更準確地評估位移風險，模擬不同施工情境下的地下巖石響應，并為采取相應措施提供科學依據。

數值模擬是通過使用地質和工程參數，如地層性質、地下水位、施工方法等，來創建數學模型來模擬地下巖石的行為。這些模型可以通過模擬施工過程中可能的位移機制，預測潛在的位移和變形情況。通過數值模擬，工程團隊可以確定哪些地點可能會受到影響，以及位移的幅度，從而為采取針對性的風險管理措施提供指導。

數值分析則是在數值模擬的基礎上，使用計算工具和技術來解釋和分析模型的輸出結果。這種分析能夠為工程團隊提供深入的理解，幫助他們評估位移風險的程度，并確定可能的控制措施。通過數值分析，工程團隊可以識別潛在的問題，如地下水的升降、巖石的裂縫和應力分布不均等，從而采取更精確的措施來降低位移風險。

3.2 風險減輕措施

3.2.1 施工方法和序列優化

通過精心規劃施工流程和操作序列，可以有效減輕位移風險，提高工程的安全性和可靠性。舉例來說，假設一項隧洞工程需要穿越具有高度不均勻性的地下巖層，包括堅硬的花崗巖、軟弱的泥巖和多孔的砂巖。在這種情況下，施工方法和序列的優化將至關重要。工程團隊可以選擇合適的掘進機械和鉆探工具，以適應不同巖層的特性。例如，對于堅硬的花崗巖，可以采用機械挖掘或鉆爆法，而對于軟弱的泥巖，可能需要采取盾構法或其他支護措施。通過選擇適當的施工方法，可以減少巖層不穩定性和位移風險。

此外，施工序列的優化也可以幫助降低位移風險。工程團隊可以安排施工順序，以最小化施工對周圍地質環境的干擾。在前述的巖層多樣性情況下，可以首先處理堅硬的巖石，然后再處理軟弱的巖石，以防止周圍巖層的不穩定性，這種施工順序的優化可以降低位移風險，減少對周圍地質環境的影響。

3.2.2 支護和固定方案改進

在水利輸水隧洞施工中，有效的位移風險管理策略包括改進支護和固定方案，以減輕潛在的風險。支護和固定方案的優化在提高隧洞工程的穩定性和安全性方面發揮著重要作用。

例如，一個隧洞工程穿越了一個地質結構復雜的地區，其中存在多個斷層和巖石類型。在這種情況下，傳統的支護方案可能不足以應對潛在的位移風險。通過改進支護方案，工程團隊可以采用更強大、更靈活的支護材料，以適應不同類型的巖石，并增加隧洞的整體穩定性。這可以包括使用鋼筋混凝土襯砌、錨桿支護和地下墻等高級支護技術，以應對不同地質條件的挑戰。

此外，固定方案的改進也可以顯著減輕位移風險。通過使用先進的監測技術，如位移傳感器和地下水位監測系統，工程團隊可以實時監控隧洞的變形情況。如果出現異常位移或應力分布，即可采取即時的補救措施，例如調整支護結構或增加支撐。這種實時反饋和調整可以最大限度地減少位移風險，確保工程的安全性和可靠性。

3.3 監測和實時數據分析

3.3.1 位移監測系統

位移監測系統的設計和運用可以極大地提高隧洞工程的安全性，通過實時數據分析，工程團隊能夠迅速識別位移風險，采取及時的應對措施。

位移監測系統包括各種傳感器和儀器，用于測量隧洞結構的位移、變形和應力分布。這些監測設備可以安裝在關鍵位置，如隧洞墻壁、頂部、地下支撐結構等，以全面了解隧洞的狀態。通過監測隧洞的實時位移數據，工程團隊能夠密切關注隧洞內部的變化，包括地下巖石的變形、水位的波動以及其他關鍵參數。

以一個示例情景來說明，假設隧洞施工區域位于地震活躍區域，地質條件復雜，存在斷層帶。在這種情況下，位移監測系統可以實時監測隧洞結構的變形情況。如果發生地震或斷層活動，監測系統可以立即檢測到位移或變形的異常情況，并將數據傳輸至中央監控中心。工程團隊可以通過分析這些數據，快速做出反應，例如立即中止施工，以確保工程人員的安全。這種實時數據分析和應急響應有助于最大程度地降低潛在的位移風險，減少人員傷亡和財產損失[4]。

此外，位移監測系統還可以為隧洞工程提供寶貴的歷史數據，用于長期的風險評估和工程改進。通過分析歷史位移數據，工程團隊可以更好地了解隧洞結構的變化趨勢，為今后的工程提供重要的經驗教訓和改進方向。

3.3.2 預警系統的建立

預警系統通常基于位移監測系統的數據和實時數據分析結果。一旦監測數據顯示出異常的變化，如位移速度的加快、地下水位的顯著升高或地震活動的增加，系統會自動觸發警報。這些警報可以通過各種方式傳達給工程團隊，包括聲音警報、短信通知、電子郵件或手機應用程序，確保相關人員能夠及時獲得信息。

例如，一個隧洞工程位于山區，地下巖層多種多樣，存在地震活動的可能性。在這種情況下，預警系統可以設定警戒閾值，一旦地震監測設備檢測到地震活動，系統將自動觸發警報。工程團隊將迅速收到警報通知，并能夠立即采取措施，如中止施工或疏散工程人員，以確保他們的安全。這種實時的預警系統有助于最大限度地減少潛在的風險，減少人員傷亡和財產損失。

3.4 應急響應計劃

3.4.1 突發事件處理

在應急響應計劃中，突發事件處理是一個至關重要的方面。這涉及工程團隊在發生突發事件時采取的措施，以最小化潛在風險和危害。舉例來說，如果發生地震，應急響應計劃可以包括工程人員迅速疏散到安全地點，暫停施工活動，檢查隧洞結構的狀況，并評估可能的損害。此外，預警系統可以在地震發生時自動觸發，提供及時警報，以確保人員的安全。

應急響應計劃還應考慮其他突發事件，如大雨引發的水涌或泥石流。在這些情況下，工程團隊需要有應急措施，如設立防洪設施、實施緊急排水措施，以防止水涌或泥石流對隧洞結構造成損害。這些措施的迅速實施可以減輕潛在的位移風險，并確保工程的可靠性。

3.4.2 人員撤離和安全措施

人員撤離是應急響應計劃的關鍵組成部分，特別是在發生地震、泥石流或其他自然災害時。工程團隊必須制定清晰的撤離程序，包括撤離路徑、安全集結點和通信方式。在突發事件發生時，工程人員必須迅速撤離危險區域，以避免受到潛在的風險和危害。這可能需要進行定期的撤離演練，以確保所有人員了解并能夠執行撤離程序[5]。

安全措施也是應急響應計劃的一部分，用于保護工程人員的安全。這包括提供適當的個人防護裝備，如頭盔、安全帶和呼吸器，以減少潛在的傷害。此外，安全措施還包括為工程人員提供培訓，使他們了解如何應對不同類型的突發事件，以及如何使用應急設備，如滅火器和急救包。這種培訓可以提高工程人員的自我保護能力，并減少潛在傷害的風險。

4 結論

水利輸水隧洞施工中位移風險管理至關重要。結合地質勘探、數值模擬、支護固定、預警系統和應急響應計劃，能夠最大程度地降低風險，確保工程的順利進行和安全完成。位移風險的管理策略需要綜合考慮自然和人為因素，以應對多樣的地質條件和突發事件，以保障工程的成功實施。