巖溶發育區隧道超前地質預報管理及風險評估研究

田 忠 陳禹成 趙遠慶 馮 升 丁 潔

(1.湖北交投鄂西高速公路建設管理有限公司 武漢 430051； 2.湖北省交通規劃設計院股份有限公司 武漢 430051)

鄂西南地區以山區地形為主，天坑、地縫、絕壁、峰叢、巖柱群、溶洞等巖溶地貌一應俱全。巖溶帶來奇特的自然風光，同時也給工程建設帶來不利影響，特別是隧道施工。

地質超前預報工作是巖溶區隧道施工必要環節，例如，康全國等[1]對鄂西南地區重要巖溶地貌地質遺跡進行調查和歸類，并對巖溶地貌形態特征和成因進行了分析。郭明[2]依托鄂西山區巖溶隧道，探討了巖溶發育機制及特征，并提出了隱伏溶洞影響隧道圍巖穩定性評估方法。孟凡濱[3]結合汶馬高速米亞羅3號隧道突水突石及瓦斯異常涌出事故，對所采取的超前地質鉆探預測預報措施進行了介紹和分析。李術才[4]研發了性能更強的具有自主知識產權的陸地聲納第三代儀器。房昱緯[5]提出了一種基于神經網絡的鉆探測試數據智能分析和地層識別方法。馮春萌等[6]重點分析了意大利Casagrande C6系列多功能水平鉆的實際應用情況，對設備性能、原理等作了詳細闡述。周輪等[7]依托齊岳山隧道工程，提出隧道綜合超前地質預報技術，闡述了綜合超前地質預報流程，并根據預報結果采取相應處治措施。李志林等[8]利用神經網絡理論和小臂分析及模糊評價法，建立了巖溶突水安全風險評估模型，并成功預測了齊岳山隧道掌子面前方巖溶水。

目前關于隧道超前地質預報研究主要集中在技術方面，將超前地質預報技術與現場管理相結合的研究很少。筆者認為超前地質預報管理是超前地質預報和現場施工之間必不可少的銜接環節，一套好的管理辦法對超前地質預報具有重要指導意義。

本文依托鄂西南地區在建的張南高速公路和建成的利萬高速公路項目，在現有研究基礎上，從項目管理角度出發，提出扁平化管理體系、三級預警制度和巖溶隧道地質災害風險評估方法，并在工程中驗證其有效性。

1 隧道超前地質預報

1.1 超前地質預報技術

隧道超前地質預報是指利用鉆探和現代物探等技術，探測隧道、隧洞等地下工程的巖土體開挖面前方的地質情況，力求在施工前掌握前方的巖土體結構、性質、狀態，以及地下水、瓦斯等的賦存情況、地應力情況等地質信息的一種手段。

隧道地質預報方法主要有：地質調查法、超前鉆探法、物理勘探法(TSP法、TGP法和TRT法)、超前導洞法、水利聯系觀測法等。地質調查法是隧道施工超前地質預報的基礎，適用于各種地質條件；物理勘探法適用于長、特長隧道或地質條件復雜隧道的超前地質預報；超前導洞可采用平行超前導洞和隧道超前導洞法，兩座并行隧道根據先行開挖的隧道，預測后開挖隧道的地質條件。

1.2 巖溶隧道地質災害

受地下隱伏溶洞影響，隧道圍巖地應力重新分布，從而導致隧道支護結構發生開裂、變形等病害；受溶洞填充物的影響，隧洞施工時易發生突泥涌水、塌方等嚴重的地質災害；地下溶洞揭露襲奪地表水，易造成地表沉降、水源枯竭等惡性后果。故突泥涌水、塌方是巖溶發育區隧道超前地質預報重點預測的地質災害。

2 隧道超前地質預報管理模式

當前，鄂西南地區隧道施工主要采用新奧法施工，隧道超前地質預報是隧道圍巖級別鑒定、隧道地質災害預測的必要環節。

隧道超前地質預報管理過程中，主要有以下問題：隧道施工現場情況復雜，超前地質預報現場工作與隧道現場施工沖突；涉及多個參建單位，各參建單位溝通不暢，信息傳遞效率低；現場超前地質預報過程監管困難，預報準確度缺乏保障。針對以上問題，借鑒成功的項目管理經驗，提出扁平化管理模式。

2.1 扁平化管理模式

扁平化管理模式是20世紀90年代興起的管理模式，倡導各層管理人員之間、管理者與執行者之間平等的項目管理理念，其方法是縮減管理層次、擴大管理幅度，從而提高組織機構執行力、效率。

根據扁平化管理模式理念，設計隧道超前地質預報管理體系，隧道超前地質預報管理體系流程圖見圖1。該管理體系改變以往多層管理模式，僅分3層。

圖1 隧道超前地質預報管理體系流程圖

2.2 三級預警管理制度

根據《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》，對隧道地質預報實行三級預警管理制度，由超前預報單位及時發出預警。I級警報暫停施工，由建設單位組織各方商討解決，必要時邀請專家召開研討會；II級警報謹慎施工，由技術管理處組織各方商討解決；III級警報正常施工，監理單位牽頭組織施工單位和預報單位應密切關注洞內外情況，必要時升級警報等級。

隧道超前預報總體歸口建設單位(總監辦)管理，技術管理處協助管理，項目分部、設計單位、監理單位、施工單位和預報單位共同參加。建設單位(總監辦)負責全面工作，負責組織各單位商討I級警報的應對措施；項目分部負責現場協調各相關單位的工作，組織各單位商討II級警報的應對措施；設計單位負責提供有關的設計資料，參與風險等級為I～III級警報的“實施方案”的評審工作；監理單位負責現場管理工作，對風險等級為III級的警報進行處理；施工單位協助開展隧道超前預報工作，嚴格按設計要求、超前預報要求及指令進行施工；超前預報單位負責現場實施，建立隧道預報和監測的預警制度，及時提交預警報告。

超前預報單位根據搜集到的資料，結合各隧道總體風險等級有針對性地編制超前預報實施方案，依規報批獲得施工許可后方可展開實施，再依據超前預報實施效果向相關單位發出I～III級警報，最后按不同權限組織各參建方討論處治措施并實施。

3 巖溶隧道地質災害風險評估法

為了動態掌握掌子面前方地質情況、降低對掌子面前方巖溶和其它不良地質的預報誤判率、明確可能誘發地質災害的風險源，以便對原設計地質情況進行辨識和再分析，并根據反饋信息提出規避風險的實施方案，進行動態設計和施工，隧道超前地質預報動態設計流程圖見圖2。

圖2 隧道超前地質預報動態設計流程圖

3.1 涌水突泥事故評估

涌水突泥是巖溶區隧道的主要地質災害之一。地下水的力學作用有靜水壓作用和勁水壓作用，這2種作用都能使巖體發生水力劈裂，使裂隙連鎖增加張開度增大，從而增加滲透力，使局部隔水屏障作用被突破，地下水位高出，從而形成涌水突泥。

隧道施工區段涌水突泥事故分值計算方法見式(1)。

P=γ·B1(A1+C1)

(1)

式中：γ為折減系數；A1為巖溶發育程度；B1為斷層發育段；C1為周圍水體情況。A1，B1，C1取值方法見表1。

表1 涌水突泥事故可能性評估

涌水突泥事故可能性和預警等級標準見表2。

表2 涌水突泥事故可能性和預警等級標準

3.2 坍塌事故評估

隧道施工區段坍塌事故分值計算方法見式(2)。

P2=γ(C2×A2+B2+D2+E2+F2)

(2)

式中：A2為圍巖級別；B2為斷層破碎情況；C2為滲水狀態；D2為地質符合性；E2為施工方法；F2為施工步距。A2～F2取值見《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》。

坍塌事故可能性和預警等級標準見表3。

表3 坍塌事故可能性和預警等級標準

4 實施效果

通過對巖溶隧道地質災害風險評估，再選擇合適的超前地質預報技術，提高了超前地質預報效率，從而避免多起潛在的涌水突泥、坍塌地質災害發生，節約了工程費用，可產生良好的經濟效益和社會效益。以利萬高速齊岳山隧道為例，按上述地質災害風險評估方法及超前預報管理模式進行管理，超前地質預報精準率見表4。

5 結語

實施隧道超前地質預報扁平化管理模式、三級預警管理制度和巖溶隧道地質災害風險評估法為鄂西南巖溶發育區隧道工程按期完工提供了保障，節約了投資，為施工創造了便利條件，實踐證明管理模式合理可行。

隧道超前地質預報扁平化管理模式減少管理層級、精簡人員，三級預警管理制度細化了隧道超前地質預報管理流程，利于超前地質預報工作推進和監管。

巖溶隧道地質災害評估法充分考慮隧道現場實際，對事故風險進行定量化的評估，為巖溶區隧道安全施工提供有力保障。