浅埋隧道塌方灾害智能预警方法研究

余俊，翁贤杰

(1.江西省交通建设工程质量监督管理局；2.江西交通咨询有限公司)

1 引言

随着我国城市化进程的不断加快，大城市的发展日新月异，由此也带来了一些交通组织的问题。在大城市中，市民日常出行交通流量及交通密度巨大，常规的地面交通网络难以承担如今城市规模的市民出行需求，城市交通通行能力几乎处于瘫痪的边缘。城市地铁修建于城市地表面以下，对地上城市交通不会造成影响，同时可提供巨大的人员输送能力，尤其当城市地铁隧道成网之后，其人员输送能力巨大。目前，城市地铁隧道网络是大城市运行不可缺少的组成部分，地铁可承担巨大流量的城市交通人流，为城市市民出行创造极大的便利。

伴随当前城市隧道的大规模建设，隧道施工建设往往会遇到各种类型的不良地质[1-3]，时刻面临涌水溃砂、塌方等灾害的严重威胁。上述地质灾害会严重影响城市运营安全，导致交通中断、人员伤亡、建筑物损坏等。因此，如何对隧道塌方等灾害进行有效预警，以便提前采取相关控制措施[4]来保证隧道建设运营安全，这对保障城市安全至关重要。

针对城市地铁隧道建设过程中的塌方灾害预警问题，下文提出了一种基于多物理场信息监测的智能预警方法，通过将上述智能预警方法与某地铁塌方案例数据进行对比分析，验证了智能预警方法的有效性。

2 城市地铁隧道塌方灾害智能预警方法

2.1 地铁浅埋隧道塌方灾害理论

以往城市隧道塌方理论多研究由于隔水围岩结构破坏引发的上覆软弱地层垮塌陷落，然而城市地铁隧道埋深较浅，掌子面开挖往往大规模直接露出富水软弱地层，临灾地层具有特殊的边界条件并呈现典型渗透失稳特点，导致现有的塌方理论难以适用。

基于多尺度隧道塌方模拟试验，建立了浅埋隧道塌方破坏过程理论模型（见图1），该模型由刚性块体I（OABC）、块体III（OEF）与剪切变形块体II（OCE）三部分组成，不同块体具有不同的运动速度，富水软弱地层对块体I施加的压力为p，隧道开挖高度、隧道埋深、不良地质厚度、距地表距离分别为D、H、t、h，基于理论分析结果获得了灾变过程中颗粒运移及地下水流场时空分布规律，发现了富水软弱地层自由应力拱的形成条件。分析了渗透作用下砂颗粒流失→孔隙增大→流量增大过程，揭示了水-介质耦合作用下的渗透失稳塌方机理，为地铁浅埋隧道塌方灾害提供理论依据。

图1 隧道塌方理论模型

2.2 塌方灾害智能预警方法

①基于分布式光纤传感技术，构建城市地铁隧道施工期多物理场信息大规模空间连续传感网络，通过该传感网络可实现隧道施工期位移场、应力场、渗流场等多物理场的实时监测。

②获取地铁浅埋隧道施工过程中的多场信息监测数据及多维灾害源感知识别信息，多维灾害源为隧道施工掌子面前方各种不良地质体，如富水砂层、空洞、淤泥地层等易诱发隧道塌方灾害的不良地质体。

③在多场信息监测数据及多维灾害源感知识别信息获取基础上，基于层次分析理论建立地铁浅埋隧道施工期安全预警指标体系及相应的安全风险评估预警理论模型与风险等级划分方法，预警因素考虑施工因素（包括施工工法、隧道规模、隧道埋深、地下水处治措施等）、复杂城市环境因素（市政道路、市政管线、地铁周边建筑物等）、超前处治措施（超前支护措施、超前加固措施等），预警结果进行分级输出，可分为高风险、中风险、低风险。

通过上述地铁浅埋隧道塌方灾害智能预警方法可实现地铁隧道施工过程中灾害的有效规避，为保障城市地铁建设安全。

3 城市地铁浅埋隧道塌方案例验证

某地铁工程区间隧道位于城市某市政道路下方，隧道为分离式单洞单线暗挖隧道，隧道拱顶埋深18m左右，上覆强风化及中风化岩层2m～3m，上覆基岩以上为富水中粗砂层，中粗砂层厚度为10m～15m，隧道开挖过程中存在溃砂塌方风险。

将本文中的塌方灾害智能预警方法应用于本工程中，基于分布式光纤传感技术，构建本工程隧道施工期多物理场信息大规模空间连续传感网络，通过该传感网络模拟实现了隧道施工期位移场、应力场、渗流场等多物理场的实时监测。在隧道开挖施工过程中对隧道掌子面前方的多物理场信息数据进行模拟监测分析，后续在多物理场信息监测数据的基础上，基于层次分析理论，建立了符合本工程特点的塌方风险安全预警指标体系与风险等级划分方法，最终确定本工程塌方风险等级为高风险。

图2 洞内涌出物

图3 地表塌方情况

在隧道施工过程中，当隧道爆破至距离在建车站25m位置掌子面时，隧道发生溃砂塌方灾害，塌方灾害持续发展，洞内涌出物不断增加（见图2），直至地表出现大规模塌陷（见图3），塌陷区面积约为500m2，相应的市政道路交通中断，隧道塌方灾害现状与采用本文智能预警方法所预测的高风险等级相匹配，一定程度上证明了本文智能预警方法的有效性。

4 结语

城市浅埋隧道塌方灾害智能预警方法对于城市地铁隧道建设安全具有重要意义，通过对隧道施工过程风险进行智能预警，提高城市地铁建设过程风险防控水平，必将有效推动行业科技进步。