基于风险主动控制理念的隧道工程施工方法

(岳阳市公路桥梁基建总公司 湖南 岳阳 414000)

一、引言

随着我国基础设施建设的快速发展，在公路、铁路及水利等工程建设领域中通常会碰到隧道工程的施工问题。由于工程地质条件的复杂性、模糊性及非确定性，在隧道施工过程中通常会遇到高地应力带、岩溶发育地带、断层破碎带、软弱地层、高瓦斯地带及暗河等不良地质而导致如岩爆、突水突泥、坍塌、煤和瓦斯突出等地质灾害，从而对施工人员及工程设备带来巨大安全隐患，造成投资增加、资源浪费及延误工期等问题。

在设计阶段，隧道工程的地质资料一般是取自地表及工程勘察工作，然而受工程地质、水文地质及勘察水平和勘察条件的限制，要想准确获取不良地质体的分布范围及所处状态，尤其是要准确获取隧道中可能发生的地质灾害的规模、性质及具体位置是及其困难的。为减少因不良地质条件而导致的灾害事故，施工过程中须采取措施对掌子面前方一定范围内的不良地质状况进行探测，并事先主动采取预防及处理措施，防止灾害的发生。

为此，采用科学、合理的超前地质预报技术来准确预测和预报隧道前方岩体及其所处状态，并结合监控量测资料，从而减少隧道施工的盲目性，主动控制并降低地质灾害发生的风险，将是当前及今后一段时间内隧道工程施工过程中的重要研究内容。

二、隧道施工风险主动控制方法

超前地质预报和监控量测是当前隧道施工过程中两个非常重要的环节，尤其是在较复杂的地质环境条件下，为确保隧道工程的安全可靠与经济合理，需要通过地质预报并结合监控量测来调整开挖和支护参数以满足实际工程需要，从而实现信息化的施工目的。国内外的信息化施工方法正处于快速发展阶段，其实施过程中还存在诸多不成熟的地方。目前就监控量测技术而言，其发展相对比超前地质预报成熟些，下面主要就目前的超前地质预报技术进行阐述。

就目前的超前地质预报没有构建起一个系统的概念，通常仍然采用一种或几种方法对掌子面前方的地质体进行预报便认为是超前地质预报，而没有将其作为一个系统来进行处理，尤其是对地质方面的缺失，导致预报精度非常低，难以满足实际工程需求。因此，对于隧道等工程的施工，应将各种地质预报方法相互结合，相互印证，才能取得理想的预报效果，从而提高超前地质预报的准确性。对于超前地质预报，当前隧道施工过程中常用的方法有地质调查法、地球物理方法及超前钻探方法。

地质调查法是依据已有隧道地勘资料及地表调查资料，通过对地层构造线及分界线、地层层序对比，地表与地下的关联性解析，断层要素及隧道周围不良地质体的前兆辨析等，结合常规地质分析方法和理论，推测掌子面前方潜在的不良地质体，其中有地质素描预测法、断层参数法、地质体投射法、不良地质体前兆预测法等，使用该方法预报的长度可达200m以上。地质调查法的优点是具有可靠的理论基础，适用性较强，而且成本低，但该方法难以对地质情况进行大范围的预报，尤其是在地层岩性变化非常复杂的情况下，预报难度将非常大。

地球物理方法主要有TSP、TST、GPR、TGP、红外探测及地质雷达等，当前在隧道超前地质预报中使用最广的是TSP及地质雷达方法。TSP方法是采用非均质地层构造中地震波的反射特性来预报隧道掌子面前方一定范围内的岩石特性及地质变化情况的，同时该方法还能测出一定的岩石力学参数及预测围岩的级别。

超前钻探方法是对不良地质体预报最有效、最直观的措施，该方法可分为取芯与不取芯两种。取芯钻探中所取的芯样对不良地质体类型的准确评定非常重要，但是该方法的不足之处在于所需时间较长、设备费用高、容易卡钻等；不取芯钻探常常是通过钻进速度及出水量来判断不良地质体的特征，具备对钻探技术要求低、工作时间短的优点，但其难以区分岩溶区的暗河及岩溶淤泥带等。

通过前述分析可知，以上三种方法自身均存在一定的优缺点及其使用条件，但如何提高超前地质预报的准确性，及时指导施工，完善信息化技术等，实现风险主动控制的隧道施工方法仍为国内外隧道工程施工过程中急需解决的技术难题。

三、风险主动控制方法发展趋势

准确性是超前地质预报与监控量测的基础，依据前述三种超前地质预报方法，结合实际工程地质特征及信息化和科学性的管理技术，利用已经获取的数据资料，建立对应隧道的信息数据库，最大程度地消除不同方法导致对预报数据解译的非唯一性，并在此基础上以及时性和方便性为预报和监测的目标，在第一时间内将预报和监测获取的信息提供给施工方，最终构建起一个综合、及时、准确的监测平台与预报体系将是隧道工程施工风险主动控制方法发展趋势。

(1)建立超前地质预报系统：完善超前地质预报工作的系统性与整体性，落实具体的工作内容，尤其是对于地质条件比较复杂及具有一些大型不良地质体的工程，施工中一定要重视地质预报工作，并且必须把超前地质预报作为一个必不可少的环节，加强与现场施工人员的配合，保证原始数据的精度，提高预测的准确性，加强预防措施。其中超前地质预报系统主要包含隧道所在地区的地质分析、不良地质体预报及地质灾害预警机制三部分。

(2)超前地质预报新方法、应用新技术的研究：为提高超前地质预报的精度及准确性，有必要对现有的预报技术及其方法进行改进，尤其是对于观测方法，应采取多方式、全方位的措施进行，对于现场采集到的资料处理，应针对不同地质界面特征建立起不同的辨识模式及方法。

(3)超前地质预报成果便于在现场实施：由于当前的超前地质预报监测的数据必须经过处理才能在实际工程中应用，而现场施工及管理人员大都由于技术的原因直接应用预报成果将存在一定的难度，所以有待研发一些数据处理方法或集成软件，便于直接、高效对现场采集的数据进行处理，使预报结果能够快速指导现场施工。

(4)利用获取的监控量测资料进行合理预测：利用代理模型对施工中监控量测项目获取的数据资料进行拟合，并建立起具有预测功能的模型，对隧道未来应力应变的发展趋势作出合理推断，并及时反馈于实际工程之中，指导现场施工。

四、结语

基于风险主动控制理念的隧道工程施工方法，需要联合运用监控量测及多种超前地质预报方法、多种措施，将物探与地质分析相结合，洞内与洞外相结合，长短预测结合以及物性参数互补的综合预报措施，建立较为完善的隧道超前地质综合预报方法体系和组织机构，实现超前地质预报的高水平、高精度目标，从而有效减低隧道工程施工的风险。