公路隧道地質災害預測及其處置措施數據庫管理系統開發

梅宏

（上海同濟檢測技術有限公司，上海200092）

0 引言

隨著當前社會經濟的發展，我國基礎設施的建設也在不斷的加強，在公路隧道設計與施工技術上有了較大的提高，但是隨著技術上的提高，工程施工的難度上也在不斷增加。隧道越修越長，隧道的埋深越來越深，這就使得在隧道施工過程中的工程地質條件愈發的復雜。由于隧道工程本身具有隱蔽性的特點，且目前多以物探、鉆探等方法取得一些地質環境以及相應物探資料，施工人員仍無法掌握到施工工程中詳細的地質情況，這對整個隧道的設計與施工仍帶來極大的風險性和盲目性。對此，需要對隧道工程當中的不良地質進行分析與了解，探討針對不良地質的主要應對處置方案措施，然后依據相關技術探討數據庫管理系統的搭建策略，通過搭建完善的數據庫管理系統，存儲大量有關地質災害的相關資料，更有助于開展隧道地質災害預測與處治工作。

1 公路隧道塌方預測分析研究

1.1 導致隧道塌方的原因分析

在施工中出現塌方事故時，將對整個隧道施工工期和經濟造成損失，同時，也會對隧道后期運營、養護帶來極大不利影響。引起隧道塌方的原因有很多，主要的有以下幾種。

1.1.1 地質地貌

在隧道地質條件中，當地質條件處于溶洞發育和巖體節理的情況下時，容易形成不穩定的危巖體，這些危巖體本身的強度并不高，一旦地層應力大于其強度時，隧道就有可能因為危巖體的變形加速而引起塌方事故。

1.1.2 天氣水文

因為突然的大暴雨以及長期的小雨天氣都會引起巖層地表的地下水位發生變化。一旦在工程施工當中沒有合理地針對地下水的變化進行疏排，則會導致圍巖的抗剪強度銳減，極為容易引發流砂現象導致塌方事故發生。

1.1.3 施工方法

在實際的隧道施工過程當中，容易出現一些施工隊伍不按照規范施工的現象，從而引起了隧道塌方。尤其是當前我國處于高速發展的階段中，各地都有著眾多的工程在同時施工，如果想要確保各個工程的施工人員都具備較高的專業素養，是一件非常難的事情。特別是在一些工期緊張的工程中，為了能在預估的工期內完成項目的建設，可能招募許多臨時工，在一定程度上對工程施工質量造成影響[1]。

1.2 塌方預測

在塌方預測的方式中，可以借助指數平滑模型，通過監測圍巖的變形值提前做好預處理，在經過處理后的數據稱為“平滑值”，如果設定一個權系數作為a，平滑值則可以通過以下的公式獲取：平滑值＝a×（新數據）+（1-a）×（老數據），在計算時，數據的處理是根據分級分次來開展的，可以記為S(1)t、S(2)t、S(3)t，用來對應表示為t 時刻的第1、2、3 次的平滑值，計算公式如下：

計算結果見表1。假設平滑數學的模型為：

表1 指數平滑法中系數計算

式（4）中：yt+T 為t+T 時刻的預測變形值；T 為以t 作為起點向未來進行延展T 時刻之后，也就是t 以后模型的外推時間；at、bt、ct為模型的參數。

2 隧道涌水突泥預測與處置措施研究

在隧道挖掘的過程中，必然對隧道內部的潛在含水圍層起到一定破壞，對部分的地下管水通道有一定影響，導致地下水被破壞之后，大量的水涌入隧道中從而發生涌水災害。當涌水中存在著大量固體物質時，這些固體物質大多是泥質物，被稱為隧道的突泥。

2.1 隧道涌水量的預測

針對隧道涌水的預測，主要采用的是水均衡法，指的是根據水均衡的原理，調查清楚隧道在施工期的時候，水均衡各收入支出部分的關系，從而獲取到施工段的涌水量。采用水均衡法進行預測時，主要可以結合以下幾種方法進行。

2.1.1 地下徑流模數法

該方法主要是針對地下徑流模數進行預測，一是根據測算出來的溪流面流量進行計算，二是根據泉流量的監測最終結果展開分析，在監測泉流量的過程中可以結合水位標尺來進行，如圖1所示。

圖1 水位的測量圖

具體的計算公式如下：

2.1.2 降水入滲法

這種方法在實施的過程中主要考慮到大氣降水的入滲量，并以此來衡量某個地區當中的地下水量，這種方法由于計算的參數涉及較少，因此方法也比較簡單，計算公式如下：

2.2 隧道涌水處置措施

2.2.1 注漿封堵方案

在隧道施工的過程當中，基本上都要遇到溶洞、暗河等，由于遇到暗河等引起的出水情況，可以通過注漿堵水的方式來解決。

2.2.2 裂隙出水點注漿

在施工開挖過程中，對于遇到的巖溶裂隙面出水的情況，可以采取“圍截注漿法”進行注漿堵水，在針對出水點的周圍合適的范圍之內布孔注漿，通過這種方式形成封閉式的止水帷幕。

3 隧道巖爆預測方法研究

3.1 巖爆預測的影響因素以及判別方式

3.1.1 巖爆的影響因素分析

（1）圍巖性質對巖爆的影響

硬巖因為自身具有較強的抗壓強度的特性，在受到荷載的作用下，硬巖的應變曲線會逐漸形成直線型，發生的變形很小，具備較為明顯的變形特征，能夠儲備較高的彈性應變能，當硬巖所處的應力環境發生較為劇烈的變化時，比如受到人工開挖的影響，這時候在硬巖中所儲備的能量就會極速釋放出來，在這個過程中極容易出現巖爆的情況。對此，在施工之前，需要有專門的人員進行圍巖性質的檢測，通過查看施工周邊的圍巖情況，分析在施工過程中，是否會對這些圍巖產生較大的影響[2]。

（2）埋深對巖爆的影響

隨著項目開采的深度不斷增加，巖石破壞的特點也會隨之發生變化，由淺部的斷裂韌度控制的破壞轉為在深部開采時由側向應力來控制的斷裂生長的破壞。有相關的數據表明，隨著開采的深度增加，發生巖爆的可能性就越大。

3.1.2 巖爆預測方法

挪威曾經針對巖爆的預測采用巴頓法，后來在經過陶振宇教授進行優化與總結以后，在巴頓法的基礎之上提出了更具預測性的判別臨界值，見表2，通過該表能夠較為清晰地了解到巖爆的級別，并根據不同的級別采取相對應的措施。

表2 陶振宇教授提出的巖爆判別準則

其中：RC表示的是巖石單軸抗壓強度，Q1表示的是地應力。

3.2 巖爆的防治措施

針對巖爆的防治措施首先要從其源頭開始，就是在工程選址的過程中，就應當有計劃地避開一些極為容易引發巖爆的高地應力的集中區域。如果受到項目的特殊性質影響，在施工時無法避開這些應力集中區，則要考慮盡量使洞軸線與最大主應力的方向呈平行方向來布置，減少應力集中的系數，降低巖爆發生的概率以及在發生巖爆情況時的巖爆烈度級別。

4 其他隧道地質災害預測方法研究

4.1 采空區預測

在隧道開挖的過程中，存在天然或因開采而形成的采空區，為了防止采空區塌陷、涌水等災害，需要通過相關的預測方法及時發現采空區，并采取有效措施進行處理。當前主要的預測方法是在地層、地質調查分析基礎上，采用微動探測技術，結合該技術能夠從微動信號當中獲取面波頻散曲線，通過反演的方式能夠獲得所探測位置的地下介質情況，從而探測出地質構造具體情況。

4.2 瓦斯突出預測

瓦斯突出也被稱為“煤與瓦斯突出”，指的是在開采礦體的過程中，隨著開采深度的增加，礦內瓦斯含量逐步遞增的情況，一旦瓦斯含量過大極為容易發生瓦斯爆炸。對此，在施工的時候需要做好相關的預測，當前針對瓦斯突出的預測，主要采用WTC 瓦斯突出參數測定儀來進行測量，通過該測定儀能夠預測瓦斯突出的情況。

5 隧道地質災害預測及處置措施的數據庫設計策略分析

5.1 系統功能分析

5.1.1 系統用戶管理

在數據庫的設計中，根據內容要求，首先需要設計系統用戶的身份管理。在該系統中，針對使用用戶的性質，可以分為普通用戶和高級用戶兩種。普通用戶具有瀏覽、查詢和導出數據信息的基本功能；而高級用戶作為系統的管理人員，除了具備普通用戶的功能以外，還能對信息進行刪除與添加的操作。

5.1.2 數據錄入以及修改

數據錄入的功能主要是用來載錄正在施工隧道地質勘察設計、施工圖設計相關圖紙或參數等詳細信息，記錄大量典型且具有代表性隧道施工案例，包括完成公路隧道項目的地質與施工信息，特別是不良地質災害發生原因分析與處置方案，同時載入地質災害相關預測方式、方法及計算公式等等。

5.1.3 數據查詢

數據查詢功能主要包括，第一，可隨時查詢施工隧道或已完成隧道已錄入的所有信息；第二，由于系統已將施工隧道和已完成大量典型隧道的地質情況、不良地質災害及預測信息等分析匹配，可以查詢數據庫系統生成的不良地質預測分析報告；第三，查詢隧道施工即將或已經發生的不良地質災害原因分析、處置措施及相關工程案例等等，選擇自己想要了解的內容[3]。

5.1.4 數據輸出

數據輸出指的是用戶可以在查詢完相關信息以后，根據自身的需求導出想要的數據并生成文檔的形式。

5.1.5 數據審核

為避免不同的用戶在操作過程中，出現數據重復錄入的情況，還需要有專門的數據審核。

5.2 系統的設計原則

在設計專門針對公路隧道災害處治的數據管理庫當中，其設計應當要遵循以下的原則。

5.2.1 實用性原則

系統的搭建要從實際出發，數據庫要做到便于管理和使用，同時能夠實現實時的更新與擴充，滿足相關人員的要求。基于實用性的原則，在設計該系統的時候，需要不斷根據實際的需求進行優化，所有功能的研發都應當要符合實際。

5.2.2 簡潔美觀的原則

系統的界面要簡單、直接，能夠讓用戶在能在極短的時間內即可上手。

5.2.3 標準化原則

系統的各部分設計都應當要具備標準化的原則，要求符合國家法律、法規和相關技術標準等。

6 結語

通過將隧道超前地質預報成果資料、數據庫查詢的地質預測分析資料與處置方案資料等相結合，能更全面、準確地預測隧道不良地質災害以及快速、合理采取有效處置方案，所以搭建專門的數據庫是非常有必要的。在數據庫的搭建中，其功能主要包括以下內容：系統用戶管理、數據的錄入與修改、數據的查詢與輸出、數據的審核。除此以外，在設計時還要遵循相關的設計原則，如實用性原則，要從實際層面出發，還要與地質災害預測及處置工作要求相符合。