特長公路隧道施工過程安全監控研究的需求分析

李凌峰 敖宗岳 馬瑞

摘要：隧道的施工過程由于受地質災害等影響一直以來存較大安全隱患，特長公路隧道由于其復雜性尤甚。隧道施工過程安全監控研究已取得較大突破，本文客觀論述了已有隧道施工過程安全監控技術，并研究了已有技術的局限性，為實現隧道施工地質災害的實時超前預報和全過程的安全監控和預警，分析了特長公路隧道施工過程安全監控研究的需求。

Abstract： Because of the geological disasters and other factors， the construction process of tunnels always exists a major hidden safety issue， particularly the extra long highway tunnels due to their complexity. The research on safety monitoring of tunnel construction process has made great breakthroughs. This article objectively discusses the existing tunnel construction process safety monitoring technology， and studies the limitations of existing technologies. In order to achieve real-time advance prediction of tunnel construction geological disasters and the entire process safety monitoring and early warning， the need for research on the safety monitoring of the construction process of extra-long highway tunnels is analyzed.

關鍵詞：特長公路隧道；施工過程；安全監控

Key words： extra long highway tunnel；construction process；safety monitoring

中圖分類號：U456.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）14-0111-02

0 引言

隧道的施工安全一直是關系工程質量、進度、投資和正常運營的首要問題，但隧道工程的地質災害依舊存在并較為普遍。如成昆線全線有415座隧道，在施工期間約25座隧道發生過較大型坍方，93.5%發生水害、塌陷、巖爆等；由于隧道服役環境相對較差，長期受地下水侵蝕，圍巖流變、富水地層的高水壓等原因，運營期間的隧道安全風險也較大，安全事故也時有發生。穿越地形及地質條件復雜的秦嶺、大巴山、云貴高原的鐵路線上的隧道，在施工中都發生過大量規模不等的坍方、涌突水等地質災害。

這些事故一旦發生，輕則影響工期及投資，重則造成人員傷亡甚至工程失敗，而且事故處理難度大。一般在隧道建設期處理此類事故，往往都是處于非常被動的應急處理狀態，對社會造成負面影響。隧道安全問題主要是施工中的地質災害引起的，而這些潛在地質災害在施工前很難準確判別。因此，開展隧道施工過程安全監控已成為亟待解決的工程現實問題。

1 特長公路隧道施工過程安全監控研究現狀

1.1 隧道施工地質災害超前預報技術

為更有效地掌握隧道施工期間的地質情況，減少或預防地質災害的發生，國內外學者已在隧道施工過程中的超前探測及地質預報方面的研究取得了較為豐碩的成果，涌現了多種地質預報方法[1]。總體而言，可分為兩大類：地質分析法和地球物理法。地質分析法包括工程地質調查、超前導洞法、超前水平鉆孔法等，地球物理法包括地震反射類（如隧道地震預報TSP，隧道反射成像TRT，極小偏移距地震波法等）、電磁類（如地質雷達GPR，隧道瞬變電磁法等）、電法類（如激發極化法、電阻率法等）以及其他方法（如紅外探水等）。由于受各種條件限制，不同的地質預報方法都有其適用范圍和特點，近些年來，從單一預測方法到綜合超前地質預報技術均已引起人們的重視，并開展了較為廣泛的研究[2]。

單一預報方法對地質預報的準確度并不十分可靠，目前，尚未有某種預報方法能應對各種地質缺陷，因此，結合多種地質預報技術，開展綜合地質預報是實現定量化預報的有效途徑。在綜合地質預報方面，曲海峰等[3]以地面地質調查法、地質雷達、TSP三種超前地質預報技術為手段，基于系統論的觀點建立了綜合超前預報方法。李術才等[4]開發了陸地聲納第三代儀器和全空間地質雷達處理解釋系統，優化了對水的判斷準則和綜合超前地質預報流程，提出了地質災害的四色預警機制，在多個工程中得到了成功應用。

1.2 隧道施工過程安全監控與預警技術

隧道工程施工由于其隱蔽性、不確定性和多變化性等特點，施工難度大，易造成安全事故，嚴重影響施工進度、質量和安全。監控量測作為隧道施工的關鍵要素，是確保施工的重要手段。目前，國內外隧道界從監控量測內容設計、測試儀器研發、監控數據分析與預測，到監控量測系統的開發應用，開展了大量的工作，取得了一些有實用價值的研究成果。

隧道施工的安全監控，主要通過構建隧道施工安全監控系統來實施。如王浩等[5]研制了一套基于地理信息系統（GIS）的“隧道施工期間信息管理系統”。朱合華等[6]建立了隧道施工實時監測信息管理系統，有效實現了監測信息可視化。伍毅敏[7]應用激光技術、單片機技術和通信技術開發了隧道位移實時監測系統，實現了隧道位移的高精度、自動、實時和遠程量測，還采用灰色預測理論進行隧道位移發展預測。張國強[8]提出了基于GPRS傳輸的隧道實時監測系統的設計方案，并結合現場監控量測結果、數值模擬和基于時序立體數據表提出了隧道結構安全實時監測評價標準。李亮[9]開發了基于Web的瀏覽器/服務器架構（即B/S架構）的隧道施工監控數據管理分析系統，實現了監測數據分析圖形可視化設計和互聯網聯機操作的功能。武勝林、李靜等[10，11]基于Access數據庫技術和GTS測量技術，研發了隧道監控量測自動預警管理系統，實現了隧道監控量測數據信息化管理和預警預報。

2 特長公路隧道施工過程安全監控研究需求特征

2.1 特長公路隧道施工地質災害超前預報技術研究需求特征

綜1.1所述，隧道施工地質災害超前地質預報研究雖取得了較重要的進展，但距離實現不良地質體的空間位置、賦存形態和充填特性的定性辨識和定量預報還有一定差距。

具體表現在：

①實際工程中隧道超前地質預報質量偏低對物探結果的解譯往往基于人為經驗，造成隧道超前地質預報質量偏低。

②目前應用的綜合超前地質預報方法，均是多種方法的簡單搭配和組合，是將每種方法的探測結果進行人為的比對分析和檢驗，進而做出綜合性判斷和解譯，雖提高了預報的準確性，但每種探測的信息仍是孤立的，對于物探的多解性問題仍未有改善。

③綜合超前預報技術和監控量測技術進行地質災害預報與預警的研究還較少，在施工地質災害的實時超前預報和災變過程的實時監測方面尚缺乏研究。

鑒于此，有必要綜合地質理論和地球物理探測等手段，按照多階段預報思路，采用系統分析理論和聯合反演解譯方法，開展隧道施工地質災害綜合預報技術研究，以提高預報結果的準確性、可靠性及預報工作效率，實現隧道施工安全的實時監控。研究的需求內容如下：

①針對特長公路隧道所處的地質環境，研究隧道主要地質災害類型、成因及影響因素，建立隧道地質災害判別指標和判別方法。

②綜合地質分析理論和地球物理探測技術，研究施工過程實時綜合超前地質預報技術，重點研究基于TSP和GPR預報數據的聯合反演理論和智能解譯方法，建立災害預報預警的定量化信息，實現隧道施工地質災害的實時超前預報。

2.2 特長公路隧道施工過程安全監控與預警技術

1.2所述研究成果有助于提高隧道監控量測管理水平，為準確把握隧道圍巖穩定性，了解圍巖和支護狀態，降低隧道施工過程中地質災害的發生，確保施工安全提供了重要手段。目前，隧道施工過程安全監控系統多用于城市隧道和海底隧道中，在公路隧道特別是西部山區公路隧道施工中的應用還較少。此外，現有的監控系統多針對監控量測，很少結合超前地質預報來實施地質災害的預報預警，對監測數據的預測手段較為單一，常采用常規回歸模型，缺乏智能預測方法。

針對云南山區深長隧道的大量修建，亟需建立隧道施工過程安全監控體系，研究隧道施工地質災害預報與預警技術，提高云南山區隧道施工管理的信息化和自動化程度，提升隧道安全管理水平。研究的需求內容如下：

①聯合超前地質預報技術和監控量測技術，研究隧道開挖前的不良地質體特征和隧道施工過程中圍巖穩定狀態及隧道結構體系的穩定性變化規律，建立隧道施工地質災害的預警機制、施工安全風險的綜合評價方法和分級控制標準。

②開發隧道施工過程安全監控與預警軟件，將預警機制、評價方法和控制標準納入安全監控軟件分析功能中，形成隧道施工全過程的安全監控和預警技術。

3 總結

本文對特長公路隧道施工地質災害超前預報技術及施工過程安全監測技術已有的研究成果進行客觀論述，介紹了已有研究成果的技術類型及工程應用實例和存在的欠缺。在此前提下，結合云南山區本身存在的不良地質發育和多種災害的耦合疊加效應，以及特長隧道與一般隧道相比存在的各種復雜性，對特長公路隧道施工過程安全監控研究的需求特征做出分析，為下階段特長公路隧道施工安全監控研究提出新思路，并打下堅實的理論基礎。

參考文獻：

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