岩溶隧道突水突泥预测预警技术研究★

周 仁 强

(四川省公路规划勘察设计院有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

通过对大量的文献资料调查得出，工程地质、水文地质和实际施工措施这三大要点对富水断层破碎带的岩溶隧道中突水突泥灾害的发生有着很大的影响[1]。

在工程地质方面，大范围的地质构造形态，在很大程度上由地形地貌所决定，所以一般来说出现突水涌泥现象的隧道，基本上都位于可溶性岩层和富水的地层中。特别是存在于断层破碎带等特殊地质构造内的隧道，因受这些特殊地质构造的特殊物质条件等原因的影响，面临更严重更频繁的突水涌泥事故困扰。在水文地质方面，水文地质主要包括三大因素：其一就是隧道所在当地的气象情况；其二是隧道所在地区的水文条件；其三则是隧道周围岩层的地热因素。隧区的气象情况对隧区水文地质的影响主要是通过降水实现，降水量的多少会较大程度改变当地的水文地质情况；隧道所在地区的水文条件主要受到当地的温度、降雨这些自然因素的影响；而地热更是更好地促进了断层的导水性能以及断层里泥浆、岩石碎屑的流动性能，导致隧道更容易受到突水突泥的威胁。

同样，实际施工措施也通过隧道设计过程、对施工温度的控制以及开挖、爆破过程等等影响隧道突水突泥的发生。对隧道进行合适的地质勘探，并根据地质勘探的成果对隧道进行合理的设计，才能有效地预防隧道突水突泥事故，进一步而言，合理的设计能有效地指导施工，从而保证施工期间隧道的安全稳定，确保隧道有序有效率地建设。同样值得注意的是，在施工期间由于各类机械排放废气或者其他原因引起的施工温度升高是会对隧道围岩稳定性造成不良影响的，甚至会影响到围岩周围的地下水流动状态，从而造成难以预测的突水涌泥事故。在隧道施工期间的爆破震动一方面破坏隧道围岩整体性，另一方面激活围岩内的静水，使活化的地下水涌入隧道，造成灾害。通过了解影响岩溶隧道的因素，对岩溶隧道突水突泥预测预警有较大的启示作用，更容易找到预测突水突泥的方向。

谭英华[2]通过研究了解了实时反馈的重要性，并通过对现场施工信息实时进行监控测量，然后反馈给信息管理系统，信息管理系统及时响应，提出有效地应急对策，实现了对突水涌泥预警系统的完善；李术才等[3]详述了如何综合利用现存各类超前预报的方法，使之形成综合体系。Wang和Lu[4]建立了一套完整地质预测技术。曲海锋等[5]提出了一种综合地质预测方法。新高坡隧道拥有复杂的地质条件，围岩破碎，围岩质量差，多为Ⅳ级、Ⅴ级，隧区内断层、溶洞众多。破碎的围岩与丰富的水源并存，拥有突水突泥的良好条件，作为应对岩溶现象的第一步，在新高坡隧道中应用好预测预警技术不仅有效保障隧道施工安全，而且对其他的岩溶隧道有着很好的指导意义。

1 隧道突水突泥灾害的预测

1.1 隧道突水突泥灾害处理的总体原则

施工原则简单来说就是“早预报、先治水、强支护、快封闭、早衬砌”。

要施工先预报，预报的目的就是掌握掌子面前方的实际情况，主要着重关注前方是否存在断层破碎带，并关注其特征。首先要关注的特征就是断层的规模，其次要关注存在的是何种类型的断层以及其破碎程度，最后要关注的就是断层往哪个方向延伸及其走向等等。遇溶隙、裂隙水可以以堵为主、限量排放，减小隧道施工对地表水资源的破坏;遇到暗河或管道流，必须以疏、排为主。

针对通过预报得知的突水涌泥危险较大的区段，实行注浆方案应对危险。注浆方案包括大范围大断面的整体式注浆和对相对危险性较高的局部区域更细致的注浆两部分。两部分相互配合，相互补充，对掌子面前方地质做到最良好的改善。同时，对于不同含水量大小的地层，在检查注浆效果时对浆液填充率的要求不一样，含水量不大的地层达到70%的填充率就足够了，而地层含水量丰富时，填充率应该大于80%。实行注浆效果检查的注浆孔要求占总注浆孔的8%左右，且检查孔的分布应该尽量均匀。检查注浆孔时主要关注以下要求：有无涌泥涌砂，有无塌孔，渗水量是否小于0.2 L/(min·m)。在确定注浆止水效果满足一定要求后，才可以进行开挖施工。

1.2 新高坡隧道超前地质预报预测的方法选择

新高坡隧道施工要重视并建立完善的超前地质预报系统，综合采用(TSP203地震波法、红外线探水仪、水平声波反射法、地质调查和超前钻探等)，综合各种预报方案的优点，互相弥补，下面简要介绍一下本隧道使用的几项预报方法：

1)地震波法(TSP203)。

选取相对普通却比较成熟的地震波反射法(TSP法)，全程使用TSP203。每次预报软弱、破碎、岩溶发育地区的距离保持在100 m～120 m之间，一前一后两次使用TSP203有10 m以上的区段重叠；岩质较好的区段预报长度保证在120 m～150 m即可，不过前后两次预报的区段的搭接长度仍需达到10 m。

2)超前地质水平钻。

作为一种能够更直观验证掌子面前30 m实际围岩情况的方法，对其有以下要求：单次钻孔长度不小于30 m，断裂带不小于35 m，搭接长度10 m。

根据超前地质水平钻情况，如果钻出地下水，则需要在拱顶钻3个φ108 的泄水孔，降水提前排走。如果仅仅依靠超前钻孔并不能完成泄水的任务，可额外进行迂回导坑降水，确保掌子面施工安全。

3)加深炮孔。

在隧道开挖工作面上钻小孔径浅孔，以此获取地质信息的方法，加深炮孔每次循环布设3个～8个，保证掌子面顶部，底部及两侧都有炮孔存在。以炮孔出水状况和钻孔时的速度，判定前方围岩情况。不过加深炮孔法禁止在爆破残眼中进行。

4)掌子面素描。

实施对每个掌子面的近距离素描，主要关注其岩性、构造、水文并保留影像。该方法可以直接观测掌子面，但是对于掌子面前方状况难以判断。

2 隧道突水突泥灾害监控与智能预警软件平台

2.1 隧道监控预警系统的选择原则

使用新技术保证开挖安全，无论是使用传统的简单方法来保证，还是复杂的监控预警系统，都是为了改善环境，保障人员机械安全。因此，应从以下几个方面考虑选择监测和预警系统:

1)突水突泥隧道灾害情况。

隧道突水涌岀量、临界水压力及富水断层破碎带等都是施工时常常用来选择隧道突水突泥监测预警系统类型的依据。

2)突水突泥隧道的实际施工情况。

隧道开挖面的多少、隧道内机械电子设备安装的位置以及数量等等都影响到突水突泥监测预警系统的装备容量，但是为了更加稳妥起见，应该在适用容量的基础上再增加20%～30%的备用容量。

3)系统的功能。

数据处理优先选用计算机系统，软件要同时兼备功能强大、易于开发、容量足够等优点且能够用于数据统计、计算及报表编制工作。对计算机进行选型时以工控机为优先考虑目标，同时方便和工区计算机联网。

4)综合技术、经济方面。

选型监测预警系统时，技术和经济两个方面都应该得到妥善的考虑，对技术要求先进、性能应该稳定且要保证安全性。对于经济方面，经济效益是基本要求，且使用和维护要很便利才行。因此，选型分析应综合考虑上述两个方面。

2.2 LED显示系统及预警系统

LED大屏幕比较适合安装在显眼的位置(见图1)，比如隧道入口就是个合适的位置，作为显示端，一方面可以展示隧道内施工人员的信息，方便管理施工人员，使管理更加先进，更加透明化，另一方面也可以显示隧道内一些容易发生突水突泥的区域实况，让领导和管理者更方便及时地关注到隧道施工人员及隧道内安全状况。

预警系统包括网络视频监控系统以及监测点的应变监测系统、临界水压力预警系统。

网络视频监控系统主要在视觉上直观的关注隧道内的安全情况，隧道内有任何地方发生局部的，少量的突水突泥都能及时发现，而监测点的应变监测系统、临界水压力预警系统分别通过关注临界突泥距离和临界水压力，在数据上预警突水突泥的发生。

网络视频监控系统包括采集、编解码、传输及接收端几个部分。监控点采集隧道内视频信息，然后经过编解码后传输到监控室电脑上储存，同时在LED显示屏上显示出来。

该系统功能强大，不仅可以多个点对点实时监控，更具有云端功能，可以随时通过软件控制端进行操作，实现清晰放大、视屏快进快退，观看想看的时间段的视屏。如果拥有管理员权限更是可以下载和点播特定云端视屏。随着5G的普及，这些功能将会更加的便利。监控器分布图见图2。

对于监测点的应变监测系统和临界水压力预警系统，前者通过在掌子面上安装的监测器观察监测点的应变，如果监测点的应变发生了突变，则说明现在到达了临界突泥的距离。后者通过检测掌子面内的水压力，当水压力达到临界值，说明有了突水突泥的风险，应及时进行掌子面抽排水。

由此可以看岀预警系统是综合利用监控摄像机对隧道施工现场具备发生突水突泥可能性的各视频点进行24 h的实时监控以及监测点的应变监测系统和临界水压力预警系统对掌子面应变和水压力的及时预警。

对于一些关键的视屏节点，可以启动系统的自动侦测功能并随后自动启动报警功能。系统能自动识别危险，并触发录像报警功能，及时把前端采集的警报信息，包括图像、声音、异常变形或水压等数据传输到监控室电脑，让管理人员能直观迅速地了解并掌握实施情况，从而达到实时监管实时预警的效果。项目部联网—综合远程监控图见图3。

数据传输方式多种多样，具体的选择要以现场条件为主，尽可能多地选择多种传输通信方式综合使用，确保信号传输的稳定，因为信号传输是整个系统的命脉。

可供选择的传输方式包括：有线传输、光纤传输、无线网络5G传输甚至可以利用卫星传输。综合搭配各种通讯系统保障数据的传输。这样就可以实现把数据传送到指挥部调动中心的目的，使指挥调度更方便。

3 结语

新高坡隧道不仅仅是简单地一块使用了上述先进可靠的预报方法，更是一种对各种预报方法的取长补短的利用，通过让它们之间互相弥补，使施工方案更精准有效。

综合利用摄像机24 h视频监控隧道施工和利用监测点的应变监测系统、临界水压力预警系统对掌子面应变和水压力进行监控，构建了隧道突水突泥灾害监控与智能预警软件平台，为类似工程突水突泥预测预警提供了参考。