隧道施工地质灾害预报预警技术研究

熊春发，任少博，王淑英

(1.广西交通科学研究院，广西　南宁　530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西　南宁　530007)



隧道施工地质灾害预报预警技术研究

熊春发1，2，任少博1，2，王淑英1，2

(1.广西交通科学研究院，广西南宁530007；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁530007)

熊春发(1982—)，工程师，研究方向：交通岩土工程；

任少博(1985—)，工程师，研究方向：公路路基路面、隧道岩土；

王淑英(1964—)，教授级高工，研究方向：道路材料检测。

摘要：隧道施工由于不良地质条件和开挖卸荷等原因，存在着涌水、塌方等地质灾害的风险，因此对隧道施工全过程中的地质灾害进行预报预警，提前做好应对措施，对保障隧道施工安全起着十分重要的作用。文章以贵马隧道为例，对同一区间段隧道，在未开挖前采用地质雷达技术对不良地质进行超前预报，在开挖后通过监控量测围岩位移对可能发生的地质灾害进行预警，并将预报预警的结果与隧道实际开挖揭露的围岩状态进行对比分析。结果表明，超前预报与监控量测两种技术相结合，可有效预判隧道施工全过程中可能发生的地质灾害。

关键词：隧道地质灾害；预报预警；超前预报；监控量测

0引言

隧道施工由于不良地质条件和开挖卸荷等原因，存在着涌水、塌方等地质灾害的风险，给施工带来了重大安全隐患。作为隧道信息化施工、动态设计和管理的重要手段，超前地质预报[1-5]和监控量测技术[6，7]可分别获得隧道开挖前的不良地质信息以及隧道开挖后的围岩动态信息，进而对隧道施工全过程中的地质灾害进行预判，是保证隧道工程质量和安全施工的重要环节。因此，对超前地质预报和监控量测技术应用于隧道施工地质灾害预判的工作流程及实际效果开展研究，具有重要意义。

本文以贵州思南至剑河高速公路的贵马隧道为例，对于隧道同一区间段，在未开挖前利用地质雷达技术对不良地质进行超前预报，开挖后则通过监控量测围岩变形对可能引起的地质灾害进行预警，并将预报预警的结果与实际开挖揭露的围岩状态进行对比，以验证超前预报技术和监控量测技术应用于隧道施工地质灾害预判的有效性，所得结论可为类似工程参考借鉴。

1隧道施工地质灾害预报预警方法

隧道施工地质灾害进行预报预警一般按图1所示工作流程进行，预报预警结果需及时反馈施工以采取治理措施。本文将以贵马隧道为例，将检测结果与实际开挖揭露的围岩状况进行对比，以检验该预报预警方法的有效性。

图1　隧道施工地质灾害预报预警流程图

2隧道施工地质灾害预报预警工程实例

2.1工程概况

贵马隧道为双洞单向交通隧道，左、右洞设测线间距12.5～21 m，左洞思南段从洞口K139+600、右洞思南段从洞口至ZK139+580属小净距隧道，其他段属分享式隧道。左洞长度为555 m(ZK139+435～ZK139+990)，右洞长度为520 m(K139+450～K139+970)。

贵马隧道地貌属于构造剥蚀作用形成的中低山地貌。隧道段内地形起伏大，山高坡陡，冲沟发育，冲沟走向以南东向为主，次为北东向，呈“V”字型沟谷。隧道轴线通过地段地面标高802.72～929.46 m，最大高差126.74 m，隧道最大埋深115.40 m，位于K139+640处。地形坡度25°～60°。

贵马隧道岩性单一，主要为凝灰质板岩。水文地质条件简单。隧道区域附近无地表水体分布，地下水主要受大气降水补给，地下水的径流均在节理、裂隙中进行，其地下水分水岭与地表分水岭基本一致，地下水位与地形关系密切，地形切割强烈地段地下水位埋藏深，且地下水位波动幅度较大；平缓地段地下水位埋藏较浅，水位波动幅度较小。该隧道区地势较高，地下水埋藏较深。地下水PH值为7.21，侵蚀性CO2为6.68 mg/L，地下水对混凝土结构不具腐蚀性。

2.2隧道开挖前的不良地质预报

超前地质预报常用方法分为两大类：地质分析法和地球物理法(包括弹性波反射法、地质雷达法、瞬变电磁法、陆地声纳法、红外探测法等)。其中地质雷达法是利用超高频脉冲电磁波为震源，以自激自收的形式，采用连续或间断的方式探测地质介质分布的一种地球物理勘探方法，用于短距离探测隧道的断层破碎带、软弱夹层、地质体含水情况，具有快速、无损、实时显示等特点，本工程预报不良地质即采用该方法，所用设备为LTD-2200型地质雷达(天线频率为100 MHz)。地质雷达探测结果见图1～2，对不良地质体的推断预报结果见表1，由预报结果可知该预报段岩体破碎，节理裂隙发育，局部富含裂隙水。

表1　隧道左洞(ZK)和右洞(K)

图2　隧道掌子面ZK139+480地质雷达探测图

图3　隧道掌子面ZK139+930地质雷达探测图

2.3隧道开挖后围岩变形监控量测

监控量测是新奥法隧道施工中不可缺少的重要组成部分，量测项目一般包括位移监测(周边位移、拱顶下沉和地表下沉等)和应力应变监测(锚杆轴力和围岩压力等)，其中位移监测是掌握隧道围岩动态变化的有效手段，也是隧道监控量测必测项目之一。

根据监控量测的隧道桩号ZK139+485、ZK139+955断面围岩位移、位移速率的结果(见图3～6、表2)可知，上述隧道断面拱顶下沉、净空位移仍未收敛，位移速率已经收敛，仍易发生洞顶掉块、坍塌等事故。由下页表3可知，岩体破碎、节理裂隙发育、局部富含裂隙水的隧道围岩在施工过程中位移往往也不易收敛。同时说明地质超前预报和监控量测技术所得结果可相互验证，两者有机结合可实现隧道施工全过程中地质灾害的有效预判。

表2　监控量测成果汇总表

表3　隧道监控量测与超前预报结果比较表

图3　ZK139+485断面拱顶下沉、净空收敛位移曲线图

图4　ZK139+485断面拱顶下沉、净空收敛位移速率曲线图

图5　ZK139+955断面拱顶下沉、净空收敛位移曲线图

图6　ZK139+955断面拱顶下沉、净空收敛位移速率曲线图

2.4隧道实际开挖后揭露的围岩状态

由隧道掌子面开挖地质素描记录(见表4)可知，施工揭露出岩体破碎、节理裂隙发育、局部富含地下水，拱顶局部掉块，可能会发生坍塌。原设计支护偏弱，需要加强支护措施后方可继续开挖施工。施工揭露出的情形与地质超前预报和监控量测预判的围岩状态基本一致，也说明按图1所示的工作流程开展隧道施工地质灾害的预报预警是可靠和有效的。

表4　隧道围岩预报预警状态与实际开挖状态对比表

3结语

本文利用地质雷达技术和监控量测技术对隧道施工地质灾害进行预报预警，主要得出以下结论：

(1)开展隧道施工地质灾害预报预警，需要在隧道未开挖时对不良地质进行超前预报，在隧道开挖后对围岩变形等进行监控量测，两者相互验证、有机结合，可实现隧道施工全过程中地质灾害的有效预判。

(2)未开挖前在超前预报中发现的存在岩体破碎、节理裂隙发育、富含裂隙水等特征的隧道不良地质段围岩，在开挖施工过程中位移往往也不易收敛，存在涌水、洞顶坍塌的风险，需及时治理后方可继续正常开挖施工。

参考文献

[1]肖书安，吴世林.复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术[J].工程地球物理学报，2004，1(2)：159-165.

[2]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.

[3]刘志刚，刘秀峰.TSP在隧道隧洞超前预报中的应用与发展[J].岩石力学与工程学报，2003，22(8)：1399-1402.

[4]李术才，李树忱，张庆松，等.岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26(2)：217-225.

[5]薛翊国，李术才，张庆松，等.超前预报系统探测岩溶隧道的应用研究[J].地下空间与工程学报，2007，21(6)：1187-1191.

[6]徐林生，孙钧，蒋树屏.洋碰隧道进口右线施工中的现场监控量测[J].岩石力学与工程学报，2002，21(5)：675-678.

[7]蒋树屏，赵阳.复杂地质条件下公路隧道围岩监控量测与非确定性反分析研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(20)：3460-3464.

Research on Geological Hazard Forecasting and Warning Technology in Tunnel Construction

XIONG Chun-fa1，2，REN Shao-bo1，2，WANG Shu-ying1，2

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Structure and Materials，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：Due to adverse geological conditions，excavation unloading and other reasons，the tunnel construction has the risks such as gushing，landslides and other geological disasters，so the forecasting and warning for geological disasters in the whole process of tunnel construction，together with the treatment measures ready in advance，will play a very important role for ensuring the tunnel construction safety.Taking Guima Tunnel as the example，regarding the tunnel within the same range segment，this article conducted the advanced prediction of adverse geology by using the ground penetrating radar technology before excavation，with the early warning of geological disasters which may occur after the excavation through monitoring and measuring the displacement of surrounding rocks，and conducted the comparative analysis between the forecast warning results and the state of surrounding rocks exposed during actual tunnel excavation.The results showed that the combination of advanced prediction and monitoring measurement technologies can effectively predict the geological disasters which may occur in the whole process of tunnel construction.

Keywords：Tunnel geological disaster；Forecasting and warning；Advanced prediction；Monitoring mea-surement

收稿日期：2016-01-25

文章编号：1673-4874(2016)02-0055-05

中图分类号：U456.3+3

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.02.013

作者简介