公路隧道地质灾害预测及其处置措施数据库管理系统开发

梅宏

（上海同济检测技术有限公司，上海200092）

0 引言

随着当前社会经济的发展，我国基础设施的建设也在不断的加强，在公路隧道设计与施工技术上有了较大的提高，但是随着技术上的提高，工程施工的难度上也在不断增加。隧道越修越长，隧道的埋深越来越深，这就使得在隧道施工过程中的工程地质条件愈发的复杂。由于隧道工程本身具有隐蔽性的特点，且目前多以物探、钻探等方法取得一些地质环境以及相应物探资料，施工人员仍无法掌握到施工工程中详细的地质情况，这对整个隧道的设计与施工仍带来极大的风险性和盲目性。对此，需要对隧道工程当中的不良地质进行分析与了解，探讨针对不良地质的主要应对处置方案措施，然后依据相关技术探讨数据库管理系统的搭建策略，通过搭建完善的数据库管理系统，存储大量有关地质灾害的相关资料，更有助于开展隧道地质灾害预测与处治工作。

1 公路隧道塌方预测分析研究

1.1 导致隧道塌方的原因分析

在施工中出现塌方事故时，将对整个隧道施工工期和经济造成损失，同时，也会对隧道后期运营、养护带来极大不利影响。引起隧道塌方的原因有很多，主要的有以下几种。

1.1.1 地质地貌

在隧道地质条件中，当地质条件处于溶洞发育和岩体节理的情况下时，容易形成不稳定的危岩体，这些危岩体本身的强度并不高，一旦地层应力大于其强度时，隧道就有可能因为危岩体的变形加速而引起塌方事故。

1.1.2 天气水文

因为突然的大暴雨以及长期的小雨天气都会引起岩层地表的地下水位发生变化。一旦在工程施工当中没有合理地针对地下水的变化进行疏排，则会导致围岩的抗剪强度锐减，极为容易引发流砂现象导致塌方事故发生。

1.1.3 施工方法

在实际的隧道施工过程当中，容易出现一些施工队伍不按照规范施工的现象，从而引起了隧道塌方。尤其是当前我国处于高速发展的阶段中，各地都有着众多的工程在同时施工，如果想要确保各个工程的施工人员都具备较高的专业素养，是一件非常难的事情。特别是在一些工期紧张的工程中，为了能在预估的工期内完成项目的建设，可能招募许多临时工，在一定程度上对工程施工质量造成影响[1]。

1.2 塌方预测

在塌方预测的方式中，可以借助指数平滑模型，通过监测围岩的变形值提前做好预处理，在经过处理后的数据称为“平滑值”，如果设定一个权系数作为a，平滑值则可以通过以下的公式获取：平滑值＝a×（新数据）+（1-a）×（老数据），在计算时，数据的处理是根据分级分次来开展的，可以记为S(1)t、S(2)t、S(3)t，用来对应表示为t 时刻的第1、2、3 次的平滑值，计算公式如下：

计算结果见表1。假设平滑数学的模型为：

表1 指数平滑法中系数计算

式（4）中：yt+T 为t+T 时刻的预测变形值；T 为以t 作为起点向未来进行延展T 时刻之后，也就是t 以后模型的外推时间；at、bt、ct为模型的参数。

2 隧道涌水突泥预测与处置措施研究

在隧道挖掘的过程中，必然对隧道内部的潜在含水围层起到一定破坏，对部分的地下管水通道有一定影响，导致地下水被破坏之后，大量的水涌入隧道中从而发生涌水灾害。当涌水中存在着大量固体物质时，这些固体物质大多是泥质物，被称为隧道的突泥。

2.1 隧道涌水量的预测

针对隧道涌水的预测，主要采用的是水均衡法，指的是根据水均衡的原理，调查清楚隧道在施工期的时候，水均衡各收入支出部分的关系，从而获取到施工段的涌水量。采用水均衡法进行预测时，主要可以结合以下几种方法进行。

2.1.1 地下径流模数法

该方法主要是针对地下径流模数进行预测，一是根据测算出来的溪流面流量进行计算，二是根据泉流量的监测最终结果展开分析，在监测泉流量的过程中可以结合水位标尺来进行，如图1所示。

图1 水位的测量图

具体的计算公式如下：

2.1.2 降水入渗法

这种方法在实施的过程中主要考虑到大气降水的入渗量，并以此来衡量某个地区当中的地下水量，这种方法由于计算的参数涉及较少，因此方法也比较简单，计算公式如下：

2.2 隧道涌水处置措施

2.2.1 注浆封堵方案

在隧道施工的过程当中，基本上都要遇到溶洞、暗河等，由于遇到暗河等引起的出水情况，可以通过注浆堵水的方式来解决。

2.2.2 裂隙出水点注浆

在施工开挖过程中，对于遇到的岩溶裂隙面出水的情况，可以采取“围截注浆法”进行注浆堵水，在针对出水点的周围合适的范围之内布孔注浆，通过这种方式形成封闭式的止水帷幕。

3 隧道岩爆预测方法研究

3.1 岩爆预测的影响因素以及判别方式

3.1.1 岩爆的影响因素分析

（1）围岩性质对岩爆的影响

硬岩因为自身具有较强的抗压强度的特性，在受到荷载的作用下，硬岩的应变曲线会逐渐形成直线型，发生的变形很小，具备较为明显的变形特征，能够储备较高的弹性应变能，当硬岩所处的应力环境发生较为剧烈的变化时，比如受到人工开挖的影响，这时候在硬岩中所储备的能量就会极速释放出来，在这个过程中极容易出现岩爆的情况。对此，在施工之前，需要有专门的人员进行围岩性质的检测，通过查看施工周边的围岩情况，分析在施工过程中，是否会对这些围岩产生较大的影响[2]。

（2）埋深对岩爆的影响

随着项目开采的深度不断增加，岩石破坏的特点也会随之发生变化，由浅部的断裂韧度控制的破坏转为在深部开采时由侧向应力来控制的断裂生长的破坏。有相关的数据表明，随着开采的深度增加，发生岩爆的可能性就越大。

3.1.2 岩爆预测方法

挪威曾经针对岩爆的预测采用巴顿法，后来在经过陶振宇教授进行优化与总结以后，在巴顿法的基础之上提出了更具预测性的判别临界值，见表2，通过该表能够较为清晰地了解到岩爆的级别，并根据不同的级别采取相对应的措施。

表2 陶振宇教授提出的岩爆判别准则

其中：RC表示的是岩石单轴抗压强度，Q1表示的是地应力。

3.2 岩爆的防治措施

针对岩爆的防治措施首先要从其源头开始，就是在工程选址的过程中，就应当有计划地避开一些极为容易引发岩爆的高地应力的集中区域。如果受到项目的特殊性质影响，在施工时无法避开这些应力集中区，则要考虑尽量使洞轴线与最大主应力的方向呈平行方向来布置，减少应力集中的系数，降低岩爆发生的概率以及在发生岩爆情况时的岩爆烈度级别。

4 其他隧道地质灾害预测方法研究

4.1 采空区预测

在隧道开挖的过程中，存在天然或因开采而形成的采空区，为了防止采空区塌陷、涌水等灾害，需要通过相关的预测方法及时发现采空区，并采取有效措施进行处理。当前主要的预测方法是在地层、地质调查分析基础上，采用微动探测技术，结合该技术能够从微动信号当中获取面波频散曲线，通过反演的方式能够获得所探测位置的地下介质情况，从而探测出地质构造具体情况。

4.2 瓦斯突出预测

瓦斯突出也被称为“煤与瓦斯突出”，指的是在开采矿体的过程中，随着开采深度的增加，矿内瓦斯含量逐步递增的情况，一旦瓦斯含量过大极为容易发生瓦斯爆炸。对此，在施工的时候需要做好相关的预测，当前针对瓦斯突出的预测，主要采用WTC 瓦斯突出参数测定仪来进行测量，通过该测定仪能够预测瓦斯突出的情况。

5 隧道地质灾害预测及处置措施的数据库设计策略分析

5.1 系统功能分析

5.1.1 系统用户管理

在数据库的设计中，根据内容要求，首先需要设计系统用户的身份管理。在该系统中，针对使用用户的性质，可以分为普通用户和高级用户两种。普通用户具有浏览、查询和导出数据信息的基本功能；而高级用户作为系统的管理人员，除了具备普通用户的功能以外，还能对信息进行删除与添加的操作。

5.1.2 数据录入以及修改

数据录入的功能主要是用来载录正在施工隧道地质勘察设计、施工图设计相关图纸或参数等详细信息，记录大量典型且具有代表性隧道施工案例，包括完成公路隧道项目的地质与施工信息，特别是不良地质灾害发生原因分析与处置方案，同时载入地质灾害相关预测方式、方法及计算公式等等。

5.1.3 数据查询

数据查询功能主要包括，第一，可随时查询施工隧道或已完成隧道已录入的所有信息；第二，由于系统已将施工隧道和已完成大量典型隧道的地质情况、不良地质灾害及预测信息等分析匹配，可以查询数据库系统生成的不良地质预测分析报告；第三，查询隧道施工即将或已经发生的不良地质灾害原因分析、处置措施及相关工程案例等等，选择自己想要了解的内容[3]。

5.1.4 数据输出

数据输出指的是用户可以在查询完相关信息以后，根据自身的需求导出想要的数据并生成文档的形式。

5.1.5 数据审核

为避免不同的用户在操作过程中，出现数据重复录入的情况，还需要有专门的数据审核。

5.2 系统的设计原则

在设计专门针对公路隧道灾害处治的数据管理库当中，其设计应当要遵循以下的原则。

5.2.1 实用性原则

系统的搭建要从实际出发，数据库要做到便于管理和使用，同时能够实现实时的更新与扩充，满足相关人员的要求。基于实用性的原则，在设计该系统的时候，需要不断根据实际的需求进行优化，所有功能的研发都应当要符合实际。

5.2.2 简洁美观的原则

系统的界面要简单、直接，能够让用户在能在极短的时间内即可上手。

5.2.3 标准化原则

系统的各部分设计都应当要具备标准化的原则，要求符合国家法律、法规和相关技术标准等。

6 结语

通过将隧道超前地质预报成果资料、数据库查询的地质预测分析资料与处置方案资料等相结合，能更全面、准确地预测隧道不良地质灾害以及快速、合理采取有效处置方案，所以搭建专门的数据库是非常有必要的。在数据库的搭建中，其功能主要包括以下内容：系统用户管理、数据的录入与修改、数据的查询与输出、数据的审核。除此以外，在设计时还要遵循相关的设计原则，如实用性原则，要从实际层面出发，还要与地质灾害预测及处置工作要求相符合。