隧道安全預警及安全管理要點分析

楊朝棟，許建文，梁海深，黃 濤，董學盛

（1.廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530200；2.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530200；3.廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200）

0 引言

近年來，各類隧道工程施工過程中，由于施工環境復雜、地質條件差、影響因素多等原因，隧道事故呈現“易發、頻發、多發”等特點[1]。及時有效的安全預警處置和安全管理機制，是避免安全生產事故發生的有效手段。超前地質預報是安全預警的基礎，楊健等[2]結合光纖光柵數據采集技術，建立了隧道結構健康監測信息化系統，實現隧道安全信息化監測預警功能。鄧洪亮等[3]采用三維激光掃描系統結合Leica TPS1200全站儀，實現了隧道施工安全風險預警預報和風險分級管理，表明三維激光掃描能夠建立較準確的隧道地質實景模型。何高峰等[4-5]結合BIM（建筑信息模型）及GIS（地理信息系統）技術建立復雜地質環境下地鐵隧道三維可視化模型，實現隧道結構安全風險評估以及安全預警。陳立潮等[6]基于圖像處理技術，提出了一種裂縫寬度計算方法，能夠實現有效的危害性評級與安全預警。隨著試驗檢測技術的發展，隧道施工的安全性以及預警機制能夠有效實現。結合地質雷達以及TSP探測技術，結合三維激光掃描建立曲面數字化模型，提出隧道預警處置和安全管理機制，并運用于武忻高速公路隧道溶洞處置過程。

1 工程概況

武忻高速公路起點位于武宣縣二塘鎮渠盞村附近接柳武高速公路，整體由東向西，終點位于忻城縣古蓬鎮板桑屯附近接宜上高速公路（規劃），如圖1所示。全線設置隧道17座，其中特長隧道1座，長隧道7座，中隧道7座，短隧道2座。來賓3號隧道（左洞長839.5 m，右洞長835 m）掌子面由小里程向大里程方向掘進，開挖方式為上下臺階開挖法。

圖1 來賓3隧道號進口無人機現場照片

在隧道開挖和圍巖支護過程中，施工通常存在較高的危險性、突發性以及傷亡事故等特點，被認定為高風險施工工程[7]。結合2-2標段來賓3號隧道溶洞處理施工背景，提出隧道預警處置和安全管理機制，并提出相關安全管理要點。

2 實景模型建立及溶洞處理方案

在掌子面ZK56+335.5使用地質雷達探測時發現有異常，監控量測單位使用TSP地震波探測給予印證，經專家分析發現前方有較大溶洞。為詳細探明情況，進一步驗證物探所發現對異常，采用超前鉆進一步進行印證。為確保洞內工作人員安全，停止掌子面施工，封閉現場，總監辦專人值守，待進一步處置方案確定后再有序開展工作。

2.1 實景模型建立

2.1.1 地質雷達探測

地質雷達探測的工作原理是利用在探測剖面上移動的發射天線向需探測區域發射電磁波，電磁波在巖體內傳播時遇到介電參數差異較大的界面時，就會產生反射、透射和折射等現象；反射回的電磁波被與發射天線同步移動的接收天線接收后，由地質雷達主機記錄下其波形與運動特征，再經過專業軟件進行信號處理，形成全斷面的掃描圖像，通過對該圖像的分析、解譯，判斷反射界面的性質與分布情況。通過綜合地質編錄資料，進而確定探測區域的不良地質體的位置、規模。

開挖至左洞掌子面里程為ZK56+335.5，掌子面為中風化灰巖，青灰色，中厚層狀，巖質較硬，巖體較破碎～破碎，節理裂隙發育，溶蝕強發育，巖溶強發育，發育較大規模巖溶，掌子面右側發育一規模高度為7 m，寬度為3m的巖溶，充填砂質黏土，黏土為黃褐色，可塑，稍濕，如圖2所示。掌子面拱頂揭露一廳堂式溶洞，溶洞中心線長約108 m，最大寬度約25 m，最高處約13 m。地質調查時掌子面拱腳有成股狀流水，圍巖整體穩定性極差，易發生局部塌方涌泥等地質災害。

圖2 掌子面地質素描

2.1.2 TSP地震波探測

常布置在地層或構造的走向與隧道軸向相交成銳角的邊墻，大約24個炮點）用小量炸藥激發產生。當地震波遇到巖石波阻抗差異界面（如斷層、破碎帶和巖性變化等）時，一部分地震信號反射回來，如圖3所示。一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的加速度地震傳感器接收并以數字形式記錄下來。采集數據通過AmbergTSP Plus專用軟件處理，通過與掌子面地質素描結合的綜合分析便可了解隧道工作面前方地質體的性質（軟弱巖帶、破碎帶、斷層、含水巖層等）、位置及規模，見表1。TSP地震波反射探測儀器采用瑞士產TSP 303 Plus型。

圖3 TSP探測原理

表1 設計圍巖等級與預報建議圍巖等級表

2.1.3 超前鉆驗證

7#～10#孔孔深根據鉆探情況鉆深30～50 m，7#孔斜向上5°～10°，8#孔為中線偏左10°，9#孔為往下與水平方向呈10°，10#孔為水平方向，如圖4所示，進一步查明前方地質情況。通過超前鉆探，能夠提前確定前方的地質情況，確保施工安全，同時可以驗證地質雷達以及TSP地震破探測的檢測準確性。其中，經過探測在掌子面拱頂揭露一廳堂式溶洞，因此在7#孔斜向上5°～10°進行鉆探，確保并驗證溶洞的位置，便于建立施工安全預警機制。

圖4 鉆孔示意圖

2.1.4 三維激光建立實景模型

三維激光掃描技術是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量的密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。通過對隧道溶洞的空間進行測量，可快速測得物體的輪廓集合數據，并加以建構、編輯、修改，生成通用輸出格式的曲面數字化模型，直觀地展示溶洞規模及形狀，如圖5所示。

圖5 三維激光掃描成果圖

2.2 溶洞處理方案

通過建立的實景模型，可以確定溶洞的具體位置和大小，在隧道施工中需要對其進行處理，確保施工的安全性。其中對于溶洞的處理分為兩種情況。

（1）穿越溶洞段。基底存在熔巖填充物等軟弱體時采用鋼管樁進行地基處理，如圖6所示。通過鋼管樁加強軟弱地基的強度，同時鋼管樁穿過軟弱地基，底部固結于巖石地質，結合兩層鋼筋網和混凝土，實現軟弱地基的處理，加強承載能力以及施工安全性。

圖6 溶洞處置方案1

（2）拱頂溶洞段。設置護拱，護拱上設置不小于1 m的泵送C30混凝土或輕質泡沫混凝土，預留直徑為30 cm的泄水孔，如圖7所示。通過護拱以及混凝土，加強隧道的強度，防止溶洞對隧道的直接沖擊。同時結合泄水孔，實現溶洞的排水，避免溶洞水對隧道的沖蝕。

圖7 溶洞處置方案2

3 隧道預警處置機制及安全管理要點

通過上訴來賓三號隧道從探明隧道異常，到準確查明問題，發出預警，采取有效防控措施進行防范。隧道預警處置機制建立是有必要的，同時提出安全處置要點為后面的隧道施工做出了指導。地質預報預警流程如圖8所示；監控量測預警流程如圖9所示。

圖8 地質預報預警流程

圖9 監控量測預警流程

3.1 隧道預警處置機制

監控量測和超前地質預報實施過程中存在的問題，主要體現在人員素質參差不齊、儀器配置不完善、監管職責不到位、設計施工各方配合不足等方面[8]。建立有效的隧道預警處置機制，針對性地采取措施，將事故消滅在萌芽狀態，有效防范事故發生的有效機制，對地質預報、監控量測進行有效管理，確保安全體系的有效運行。

（1）預警機制：地質預報、監控測量和其他（如出現有毒氣體等），經分析，均可做出預警發布。

（2）預警組織機構：快速響應隧道施工預警，及時提供控制與處理對策，確保隧道施工安全，設置預警組織機構。

（3）預警風險等級劃分：可將有較大地質（監控量測）問題（如預報中的巖溶、突水、突泥、較大的破碎帶，監控量測中的變形加速、支護變形、開裂等），存在較大結構、施工安全風險的，定義為I級（紅色）；應立即停止施工、撤離人員；在確保安全作業前提下，提出消除安全風險進一步措施。輕微地質（監控量測）危害情況，定義為II級（黃色）；謹慎施工，加強動態巡查；加強監控量測、補充地質預報。

（4）預警信息發布：地質預報、監控量測單位根據風險等級，及時發布預警信息。

（5）分級預警處置措施：根據安全風險等級，決定是否啟動應急預案和監控量測的頻次，邀請專家提出處置方案。

3.2 安全管理要點

兩種不同物探技術印證，物探和鉆探技術相互印證，及時把復雜的物探技術成果由專家把關，這就是武忻高速隧道施工中使用的“雙雙印證加專家支持”預報預警措施，有效保證了地質預報的準確性。

（1）地質雷達超前地質預報和TSP地震波超前地質預報等多種物探手段要結合使用，保證物探的準確性和覆蓋面。

（2）對地質雷達等物探技術，探測方案和圖形識別是需要一定經驗性、較難的工作，專家給予把關非常重要。

（3）對物探發現有異常掌子面前方，要使用超前水平地質鉆探進一步探明前方地質情況。

（4）探明掌子面前方地質情況，迅速啟動預警體系，采取必要措施，確保人員和財產安全。配備充足的應急物資，應付各種突發情況。

4 結語

隧道工程由于施工環境復雜、受地質影響大，建立及時有效的安全預警機制和安全管理程序，是保證施工安全性的有效方法，是避免安全生產事故發生的有效手段。依托武忻高速來賓三號隧道溶洞處置，分析了監控量測和超前地質預報實施過程中存在的問題，建立了隧道安全預警處置機制及安全管理機制，強調了“雙雙印證加專家支持”超前地質預報安全管理要點。為確保隧道施工安全及時預警，避免事故發生具有一定指導意義。