基于風險主動控制理念的隧道工程施工方法

(岳陽市公路橋梁基建總公司 湖南 岳陽 414000)

一、引言

隨著我國基礎設施建設的快速發展，在公路、鐵路及水利等工程建設領域中通常會碰到隧道工程的施工問題。由于工程地質條件的復雜性、模糊性及非確定性，在隧道施工過程中通常會遇到高地應力帶、巖溶發育地帶、斷層破碎帶、軟弱地層、高瓦斯地帶及暗河等不良地質而導致如巖爆、突水突泥、坍塌、煤和瓦斯突出等地質災害，從而對施工人員及工程設備帶來巨大安全隱患，造成投資增加、資源浪費及延誤工期等問題。

在設計階段，隧道工程的地質資料一般是取自地表及工程勘察工作，然而受工程地質、水文地質及勘察水平和勘察條件的限制，要想準確獲取不良地質體的分布范圍及所處狀態，尤其是要準確獲取隧道中可能發生的地質災害的規模、性質及具體位置是及其困難的。為減少因不良地質條件而導致的災害事故，施工過程中須采取措施對掌子面前方一定范圍內的不良地質狀況進行探測，并事先主動采取預防及處理措施，防止災害的發生。

為此，采用科學、合理的超前地質預報技術來準確預測和預報隧道前方巖體及其所處狀態，并結合監控量測資料，從而減少隧道施工的盲目性，主動控制并降低地質災害發生的風險，將是當前及今后一段時間內隧道工程施工過程中的重要研究內容。

二、隧道施工風險主動控制方法

超前地質預報和監控量測是當前隧道施工過程中兩個非常重要的環節，尤其是在較復雜的地質環境條件下，為確保隧道工程的安全可靠與經濟合理，需要通過地質預報并結合監控量測來調整開挖和支護參數以滿足實際工程需要，從而實現信息化的施工目的。國內外的信息化施工方法正處于快速發展階段，其實施過程中還存在諸多不成熟的地方。目前就監控量測技術而言，其發展相對比超前地質預報成熟些，下面主要就目前的超前地質預報技術進行闡述。

就目前的超前地質預報沒有構建起一個系統的概念，通常仍然采用一種或幾種方法對掌子面前方的地質體進行預報便認為是超前地質預報，而沒有將其作為一個系統來進行處理，尤其是對地質方面的缺失，導致預報精度非常低，難以滿足實際工程需求。因此，對于隧道等工程的施工，應將各種地質預報方法相互結合，相互印證，才能取得理想的預報效果，從而提高超前地質預報的準確性。對于超前地質預報，當前隧道施工過程中常用的方法有地質調查法、地球物理方法及超前鉆探方法。

地質調查法是依據已有隧道地勘資料及地表調查資料，通過對地層構造線及分界線、地層層序對比，地表與地下的關聯性解析，斷層要素及隧道周圍不良地質體的前兆辨析等，結合常規地質分析方法和理論，推測掌子面前方潛在的不良地質體，其中有地質素描預測法、斷層參數法、地質體投射法、不良地質體前兆預測法等，使用該方法預報的長度可達200m以上。地質調查法的優點是具有可靠的理論基礎，適用性較強，而且成本低，但該方法難以對地質情況進行大范圍的預報，尤其是在地層巖性變化非常復雜的情況下，預報難度將非常大。

地球物理方法主要有TSP、TST、GPR、TGP、紅外探測及地質雷達等，當前在隧道超前地質預報中使用最廣的是TSP及地質雷達方法。TSP方法是采用非均質地層構造中地震波的反射特性來預報隧道掌子面前方一定范圍內的巖石特性及地質變化情況的，同時該方法還能測出一定的巖石力學參數及預測圍巖的級別。

超前鉆探方法是對不良地質體預報最有效、最直觀的措施，該方法可分為取芯與不取芯兩種。取芯鉆探中所取的芯樣對不良地質體類型的準確評定非常重要，但是該方法的不足之處在于所需時間較長、設備費用高、容易卡鉆等；不取芯鉆探常常是通過鉆進速度及出水量來判斷不良地質體的特征，具備對鉆探技術要求低、工作時間短的優點，但其難以區分巖溶區的暗河及巖溶淤泥帶等。

通過前述分析可知，以上三種方法自身均存在一定的優缺點及其使用條件，但如何提高超前地質預報的準確性，及時指導施工，完善信息化技術等，實現風險主動控制的隧道施工方法仍為國內外隧道工程施工過程中急需解決的技術難題。

三、風險主動控制方法發展趨勢

準確性是超前地質預報與監控量測的基礎，依據前述三種超前地質預報方法，結合實際工程地質特征及信息化和科學性的管理技術，利用已經獲取的數據資料，建立對應隧道的信息數據庫，最大程度地消除不同方法導致對預報數據解譯的非唯一性，并在此基礎上以及時性和方便性為預報和監測的目標，在第一時間內將預報和監測獲取的信息提供給施工方，最終構建起一個綜合、及時、準確的監測平臺與預報體系將是隧道工程施工風險主動控制方法發展趨勢。

(1)建立超前地質預報系統：完善超前地質預報工作的系統性與整體性，落實具體的工作內容，尤其是對于地質條件比較復雜及具有一些大型不良地質體的工程，施工中一定要重視地質預報工作，并且必須把超前地質預報作為一個必不可少的環節，加強與現場施工人員的配合，保證原始數據的精度，提高預測的準確性，加強預防措施。其中超前地質預報系統主要包含隧道所在地區的地質分析、不良地質體預報及地質災害預警機制三部分。

(2)超前地質預報新方法、應用新技術的研究：為提高超前地質預報的精度及準確性，有必要對現有的預報技術及其方法進行改進，尤其是對于觀測方法，應采取多方式、全方位的措施進行，對于現場采集到的資料處理，應針對不同地質界面特征建立起不同的辨識模式及方法。

(3)超前地質預報成果便于在現場實施：由于當前的超前地質預報監測的數據必須經過處理才能在實際工程中應用，而現場施工及管理人員大都由于技術的原因直接應用預報成果將存在一定的難度，所以有待研發一些數據處理方法或集成軟件，便于直接、高效對現場采集的數據進行處理，使預報結果能夠快速指導現場施工。

(4)利用獲取的監控量測資料進行合理預測：利用代理模型對施工中監控量測項目獲取的數據資料進行擬合，并建立起具有預測功能的模型，對隧道未來應力應變的發展趨勢作出合理推斷，并及時反饋于實際工程之中，指導現場施工。

四、結語

基于風險主動控制理念的隧道工程施工方法，需要聯合運用監控量測及多種超前地質預報方法、多種措施，將物探與地質分析相結合，洞內與洞外相結合，長短預測結合以及物性參數互補的綜合預報措施，建立較為完善的隧道超前地質綜合預報方法體系和組織機構，實現超前地質預報的高水平、高精度目標，從而有效減低隧道工程施工的風險。