基于GIS的深埋超长隧道岩爆等级评估方法

王钱款，邱士利，程瑶，陈兴强，方越

(1.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉，430071；2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北武汉，430074；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安，710043)

随着国民经济的飞速发展以及对水电、交通、能源等基础设施的需求大幅度提高，国家提出了西气东输、南水北调以及川藏铁路等重大战略性基础工程，我国基础工程的建设逐步向深部岩体发展，出现了大量高地应力下的深埋超长隧道(洞)工程。这类深埋超长隧道(洞)工程地质条件复杂、空间形态多样且地应力水平高，隧洞开挖卸荷引发的地应力场重新分布，使得隧道岩体岩爆问题不可避免，严重威胁了施工人员以及机械设备的安全。岩爆是指开挖卸荷条件下，地下工程高地应力区由于应力重分布，导致平衡状态被破坏，积聚在岩体内部的弹性应变能急剧释放，因此发生破裂、剥落、弹射和崩塌的劈裂脆性和剪切脆性并存的岩石失稳导致剧烈破坏的现象[1−2]。深部工程中对于岩爆问题的研究主要集中在3 个方面：1)岩爆发生机理的解析；2)岩爆风险评估，主要为岩爆等级评估；3)岩爆灾害预警和防治。随着我国超长深埋隧道工程大量建设，超长隧道岩爆等级评估已成为岩爆研究的重要内容之一，尤其是对于存在岩爆倾向性的超长深埋隧道，规划建设阶段对隧道沿线岩爆等级及其分布规律的准确评估影响隧道线路优选与隧道施工图设计以及工程建设风险程度和经济投入水平，是决定工程成败的重要因素。

目前，深埋超长隧道岩爆等级评估的主要方法是将隧洞划分成段，通过地质剖面、钻孔数据、现场试验以及室内试验获取所需地应力状态、围岩条件以及地质构造等数据，借助拟合或者反演获取各分段参数，并根据岩爆发生机理建立的各种判据进行岩爆等级评估。如陶振宇[3]根据Barton判据、Russenes判据等岩爆评估方法在天生桥二级隧洞、基洛夫矿井等国内外工程中的实际使用效果提出了陶振宇判据；冯夏庭等[4−5]采用数值模拟、RVI(rockburst vulnerability index)指标法、神经网络等评估方法，在勘察设计阶段及施工阶段通过预测爆坑深度确定岩爆等级；徐林生等[1]根据二郎山公路隧道的数百次岩爆记录提出了二郎山岩爆判据；KAISER 等[6]考虑由远场地震动事件造成的动荷载，提出了关于动荷载诱发岩爆的经验尺度率；宫凤强等[7−8]建立了岩体质量等级分类的距离判别分析模型，并借助Bayes判别法的强大判别分类能力，在距离判别分析模型的基础上提出了Bayes判别分析方法，应用于西康秦岭隧道和铜陵冬瓜山隧道等深埋工程的岩爆风险预测。这些研究中，通常以百米长度分段，分段参数和分段评估结果都以表格的形式展现。然而岩爆等级控制因素涉及地应力场、岩体结构与围岩类别、岩体/岩石强度参数、地层分布与地质构造条件、地下水发育条件等一系列岩爆控制因素，对于深埋超长隧道而言，隧道沿线往往地层岩性变化显著，地应力场分布规律和地质构造发育条件十分复杂，如正在筹建的川藏铁路隧道重大战略性工程，有7条长30 km 以上的隧道，埋深可达2 100 m。对于此类超长隧道，取百米长度来分段开展岩爆等级评估工作，需要对上千隧道洞段分别确定众多复杂的岩爆控制因素，工作量尤为繁重。同时，以评估表形式开展洞段岩爆等级评估，在信息更新时操作十分繁杂，极易发生错误，更重要的是展示各等级岩爆在隧道沿线分布规律时，需要另行作分布图，任务十分艰巨，成果展示效果与直观性均较差。

鉴于此，本文在研究影响岩爆倾向性的一系列控制因素的基础上，尝试将地理信息系统(geographic information system，GIS)空间分析技术与深埋超长隧道岩爆等级评估相结合，构建适用于深埋超长隧道岩爆等级评估新技术，发挥GIS所具有的空间性和动态性、空间分析与管理能力，并依托计算机技术等优势对岩爆控制因素的多源复杂信息进行快速高效分析处理，从而达到动态分析隧道沿线的岩爆等级和分布规律，定量预测隧道沿线岩爆高风险区域，有效地指导隧道开挖设计、预防岩爆灾害的形成、制定岩爆灾害的防治措施。

GIS技术的发展已日趋成熟，其在分析处理空间数据方面有着得天独厚的优势。借助GIS 技术，在隧道岩爆等级评估过程中，能够基于隧道、地层、地质构造等研究对象的空间分布、几何形态和相互关系，通过分析算法，从大量的空间数据中提取出研究对象的多种地理空间数据信息并进行存储与管理。同时，由于GIS 依托计算机技术，具有对大规模地理数据快速获取并进行动态分析的能力，因而能够对大量隧道段的众多岩爆控制因素进行快捷而准确地确定并进行高效处理与及时更新，快速完成耗时耗力且难以完成的岩爆等级评估任务，并且这种能力随着计算机技术的发展而提高。此外，通过GIS的符号系统还能够直接展示各等级岩爆在隧道沿线分布规律和岩爆等级评估结果，同时大大降低了岩爆等级评估工作量。

GIS 技术自1967年出现以来，经过多年的发展，逐渐在区域调查、环境保护和城市规划等领域获得广泛应用，但目前该技术在岩爆风险评估领域的应用较少。周科平等[9]将GIS 空间分析技术与模糊自组织神经网络相结合，建立了基于GIS的岩爆倾向性模糊自组织神经网络分析模型；刘少军[10]针对硐室地质信息管理，基于GIS技术开发了硐室信息管理与预报预测系统；张涛等[11]以GIS技术为手段进行了区域岩爆危险性评价。这些研究的研究对象多是矿山硐室或是区域地质，评估单元大都直接以地层划分，评估方法多为岩爆控制因素图层权重法，研究成果仅能粗略地展现区域范围内的整体岩爆风险水平，并不能定量分析隧道沿线的岩爆等级和分布规律、预测隧道沿线岩爆高风险区域，难以对隧道线路优选、隧道施工图设计以及工程建设风险防控起到指导作用，远远不能满足当下隧道岩爆等级评估的需要。

基于此，本文作者提出了基于地理信息系统(GIS)框架的深埋超长隧道岩爆等级评估方法，将传统岩爆评估方法与GIS 空间数据分析方法相结合，用GIS的图元及其空间属性表征隧道洞段及其岩爆等级控制因素，并由GIS 空间数据库统一管理，以Python 脚本语言为计算平台，实现超长隧道岩爆评估信息的高效信息查询、计算和分析，并以几何图形形式对岩爆等级评估成果加以展示，达到简化和高效开展隧道沿线岩爆等级评估工作的目的。

1 岩爆等级评估GIS 方法原理与流程

基于GIS框架的深埋超长隧道岩爆等级评估方法基本框架与技术路线见图1，其核心内容包括岩爆等级评估分区、岩爆等级控制因素识别、岩爆类型判别和岩爆烈度等级评估4个部分。

图1 基于GIS框架的深埋超长隧道岩爆等级评估方法技术路线Fig.1 Technical route for method of evaluation of rockburst classification based on GIS framework for deeply-buried ultra-long tunnel

1)岩爆等级评估分区。为了便于输入岩爆参数以及岩爆烈度等级评估，需对隧道进行岩爆等级评估分区，该工作可分为粗分区和细分区。粗分区是根据精度按照一定间距将隧道均匀划分为若干个区段，每个区段可根据隧道纵向岩性、地应力变化速度和数据精度明确区段长度。细分区则是依据岩性、围岩类别以及地质构造单元等进行二次划分，单个区段内的围岩等级、岩性等必须保持一致。此外，岩爆评估分区过程中还需要对岩爆倾向和围岩类别是否满足岩爆发生条件进行初判和筛选，对不满足岩爆发生条件的区段予以剔除。被剔除区段的岩爆等级为“无岩爆”或者“0”。需要指出的是，被剔除区段虽然不存在或岩爆发生可能性极低，但并不意味着该区域不会发生高应力类型的围岩失稳现象，仍有可能发生应力型塌方、大变形和深层破裂等围岩破坏现象。

2)岩爆等级控制因素识别。识别隧道岩爆发生以及岩爆等级的控制因素主要包括地应力场条件、岩石(体)强度、地质构造(如断层、褶皱、结构面组)等，这些控制因素的参数都必须在隧洞设计高程上获取。由于岩爆等级评估是在实际隧道施工前，因此，只针对岩石力学条件和工程地质条件进行岩爆控制因素识别，但应适当考虑施工设计可能选用的隧道洞型、开挖与支护条件等，这是因为评估岩爆等级时某些判据要用到隧道围岩二次应力场量值，如应力强度比[12]。岩爆控制因素识别的重点是明确隧道沿线不同岩性岩石的强度和变形参数、地应力场量值和方向以及地质构造发育位置及其影响范围等。

3)岩爆类型判别。依据步骤2)的结果，初步估计各隧道评估区段可能发育的岩爆类型。根据大量水电工程引水隧洞、铁路隧道工程案例总结发现，线性隧道工程最主要的岩爆类型有3 种[13]：第一种为应变型岩爆，占隧道岩爆总量的80%～90%，是最为常见的岩爆灾害类型；第二种为断裂型岩爆，此类岩爆相对较少，通常发育在断层构造影响带或IV 级、V 级硬性结构面附近，但岩爆等级比应变型岩爆的要高得多，造成的工程损失更严重；第三种为混合型岩爆，是等级为强烈以上的岩爆，通常是上述2种岩爆的综合体现。

4)岩爆烈度等级评估。岩爆等级评估的主要内容是潜在岩爆位置和岩爆等级，但对隧洞沿线而言，位置由步骤1)的岩爆评估分区来划定。岩爆等级确定后，不同岩爆等级在隧洞沿线的分布规律自然确定。因此，针对步骤3)中判别的岩爆类型，选用相应岩爆等级评估方法来确定岩爆等级是评估最关键的步骤。获得岩爆等级评估的初步结果后，还需根据断层、岩性界面等因素对岩爆等级进行进一步调整，从而获得最终结果。

特别强调的是，开展岩爆等级评估过程中应遵循6个基本原则：1)岩爆评估分区的单个分段必须保证围岩等级、岩性等岩爆控制因素一致；2)若围岩类别低于III 级或岩石单轴抗压强度低于60 MPa，则不开展岩爆评估工作，该条件下岩体破坏模式以应力型塌方或局部片帮甚至大变形为主，不具备岩爆发生条件；3)断层构造及其影响带岩体相对软弱破碎，一般不具有岩爆风险，但断层构造及其影响带两侧局部应力场通常存在异常，形成应力集中区，大量工程案例也证明位于断层构造及其影响带两侧的完整岩体具有发生高烈度等级岩爆的风险。因此在评估过程中，断层和构造影响区需采用临域分析算法确定断层和构造影响带的修正权值，对输入数据进行修正从而获得更为准确的岩爆等级评估结果；4)岩性界面或突变区域以及岩体结构由节理密集向完整岩体突变的区域，因为刚度不协调导致完整岩体积聚较高的应变能，完整岩体具有形成高烈度等级岩爆的风险，评估时应局部提高岩爆等级；5)隧道施工扰动过程中，受二次重分布和集中的影响，中等岩爆区域在硬性结构面赋存的局部洞段可产生强烈或极强岩爆；6)对于地下水发育洞段，大量工程经验已显示出岩爆灾害会受到抑制[14]，因而在存在地下水发育洞段应开展专门论证。需要明确岩体质量和强度特征，并深入研究水文地质构造单元区内地应力场特征。在地下水发育洞段，岩爆等级或风险程度降低很大程度上并不是地下水本身的控制作用，而是节理裂隙或破碎结构岩体构成发育的地下水径流通道导致了岩体质量降低、岩体结构破碎已无法满足岩爆的发生的储能条件。但对于地下水发育区个别完整岩体和局部构造引起的应力集中区仍会有轻微到中等岩爆的发生，这在锦屏二级水电站引水隧洞工程中有典型的案例体现[15]。

2 深埋超长隧道岩爆等级评估的实现

2.1 岩爆等级评估方法与技术

为了实现对岩爆等级和倾向性的定量评估，国内外学者从不同角度出发提出了数十种岩爆倾向性评价判据和方法，这些指标多以强度、能量和刚度等理论为基础，可分为能够反映硐室开挖过程影响和初始应力场的偏应力特征的判据(见表1)和不能反映上述2个因素的判据(见表2)。能够反映硐室开挖过程影响和初始应力场的偏应力特征的判据包括以洞周最大切向应力为主要因素的Hoek 判据、Russenes 判据、Turchaninov 判据、RVI 指标和二郎山隧洞判据，在确定判据量值时，需要评估洞周最大切向应力。一般来说，该计算过程需要数值模拟且多采用为弹性模型，故在计算过程中可考虑开挖洞型尺寸的影响，如城门洞型和圆形开挖断面洞周应力集中程度会存在差异。此外，采用数值计算确定洞周最大切向应力时，初始应力场的偏应力特征也直接影响应力集中程度。表1中Hoek 判据、Russenes 判据、Turchaninov 判据、应力强度比法、RVI 指标和二郎山隧洞判据等单指标能够同时反映硐室开挖过程影响和初始应力场的偏应力特征。而表2中的Barton判据、陶振宇判据和强度应力比法则仅以原岩应力场主应力为特征参量，无法反映硐室开挖过程影响和初始应力场的偏应力特征，而弹性变形能指数、冲击性指数、脆性判据、弹性应变势能判据和改进脆性指数以岩石的力学性质为评判标准，无法反映硐室开挖过程影响和初始应力场的偏应力特征，也没有考虑地应力的特征。

表1 能够反映硐室开挖过程影响和初始应力场的偏应力特征的岩爆倾向性单指标经验判据Table 1 Single index empirical criteria for rockburst tendency that can reflect influence of hamber excavation process and deviatoric stress characteristics of initial stress field

表2 不能反映硐室开挖过程影响和初始应力场的偏应力特征的岩爆倾向性单指标经验判据Table 2 Single index empirical criteria for rockburst tendency that cannot reflect influence of chamber excavation process and deviatoric stress characteristics of initial stress field

综合考虑能否反映硐室开挖过程影响和初始应力场的偏应力特征、行业规范要求以及指标工程应用成效，并基于大量水电、深部采矿等工程岩爆风险评估方法研究，冯夏庭等[4]提出了岩爆多指标综合评估技术，技术方法见表3，该技术包括工程地质分析法、岩爆经验指标法和数值指标分析法，在勘察设计阶段能够对深埋隧道(洞)进行岩爆风险评估，预测岩爆发生的潜在部位和烈度等级；在施工阶段，岩爆多指标综合评估技术能够与微震监测技术结合，对岩爆高风险区域进行实时监测，通过捕捉隧洞岩体微破裂过程中产生的震动信号，分析处理后获得岩体破裂的时间、位置以及演变过程，从而实现岩爆灾害的预警与对岩爆孕育机制的研究，提高岩爆预测的准确率，减少人员设备的损伤。

依据表3，选用岩石强度应力比法、岩石应力强度比法和RVI指标法3种方法开展深埋超长隧道的岩爆等级评估，其中，岩石应力强度比法和岩石强度应力比法在岩土工程领域应用广泛，岩石应力强度比法能够反映硐室开挖过程影响和初始应力场的偏应力特征，岩石强度应力比法被纳入国家标准。RVI 指标法[5]是基于锦屏二级水电站和川藏铁路等国家重大深埋超长隧道(洞)工程大量岩爆案例，优化删选深埋隧道(洞)岩爆灾害关键控制因素后建立的岩爆等级经验评估方法，已成功用于锦屏二级水电站以及川藏铁路等工程，并被写入水电工程岩爆风险评估技术规范(NB/T 10143—2019)中。

表3 岩爆多指标综合评估技术[4]Table 3 Multi-index comprehensive evaluation technology for rockburst

2.2 基于GIS的岩爆等级评估系统

本研究采用ArcGIS 软件，以GIS 系统平台为基础建立基于GIS的岩爆等级评估系统。首先，建立隧道工程项目文件对系统中各类文档进行管理；其次，建立隧道岩爆等级评估地理数据库，数据库的建立流程如图2所示；然后，建立岩爆控制因素数据集和要素类，并根据现有隧道工程资料数据对各个图幅进行填绘。最后，对岩爆控制因素属性数据进行采集、输入、处理。

图2 隧道岩爆等级评估地理数据库的建立流程Fig.2 Establishment process of geodatabase of tunnel rockburst classification evaluation

2.2.1 建立隧道岩爆等级评估地理数据库

基于GIS的岩爆等级评估系统的核心部分是隧道岩爆等级评估相关的空间数据，通过地理空间数据库(Geodatabase)数据模型按照GIS所支持的空间数据格式建立隧道岩爆等级评估地理数据库。地理空间数据库能够使用标准关系数据库技术存储和管理地理信息，将空间数据及其属性联系在一起。同时，由于支持数据库管理系统(DBMS)，其还能通过DBMS 存储和管理各类数据集以及与之关联的属性数据[26]。这些优势有助于实现超长隧道岩爆等级评估信息的高效信息查询和管理。

2.2.2 岩爆控制因素要素数据集、要素类的新建及图层绘制

首先，根据实际填图需要创建岩爆控制因素要素数据集和要素类。岩爆控制因素要素数据集是共享一个空间参考系的一个或者多个岩爆控制因素要素类的集合，通过建立拓扑关系，可以对数据集内的数据进行方便、快速地修改与更新。而岩爆控制因素要素类则是一组制图表达和几何特征相同的岩爆控制因素要素的集合，点、线、面和注记是4个最常用的要素类[27]。根据岩爆等级评估所需表达的地图要素和数据信息的不同需求灵活选择要素类，例如里程点、钻孔要素较小，用点要素创建，等高线、地层界线、地质构造线、铁路路线等形状和位置过窄而无法表示为区域的地理对象用线要素创建，而岩爆评估区段、围岩岩性区段等具有一定面积的则用面要素创建。为了保证所创建的地图既直观又美观，根据每个岩爆控制因素的属性选用合适的符号样式，并采取特定的方法来渲染每个图层。各类GIS软件中提供了大量用于创建这些图层显示的渲染器，可通过选择不同符号样式和显示技术更有效地表达地理信息，增强构建地图的呈现效果。

其次，依靠现有的隧道项目地理资料进行各个岩爆控制因素要素图层的创建及绘制，其中，最重要的是隧道项目地理底图的创建和坐标系统的确定。地理底图又称为基础底图，一般既需要具备地图数学基础，又需要兼具基本地理要素，前者包括地理坐标网、比例尺、大地控制网等，后者则包括地层、构造、地下水带等。地理底图是各专题地图的定向定位的骨架，同时也是各专题地图的背景与重要组成部分。地理底图的精度与准确度很大程度上决定各专题地图的成图质量[28]，因而数学基础的建立是关键，数学基础中最重要的便是坐标系统的建立。隧道工程地理底图的建立依赖底图资料的导入，加载底图资料时，由于缺少空间参考，会导致新建地理底图与隧道项目底图资料的坐标不一致。可以通过先添加空间参考坐标系(如北京54、西安80等，根据隧道项目底图资料的坐标系统进行选择)，再使用地图配准工具条(Georeferencing)添加控制点(至少4 个)并点击“Update Georeferencing”完成地图配准。

最后，根据岩爆等级评估需要表达的地质要素和地理信息依次创建或者导入图层，可借助符号、颜色和属性文本完成对于图层中各个地理元素重要信息的图面表达。岩爆等级评估相关图层的构建顺序是先地层，后构造，最后是隧道和各个岩爆控制因素图层，先建的地层和构造图层会把属性继承给隧道单元以及岩爆评估单元，并起到限定细化作用。不同图层的绘制需要依据属性继承关系、要素的重要程度与最终成图的美观等因素，使用符号级别对各要素的叠放次序进行控制。同时导入多个图层时，从下至上的默认显示顺序依次为栅格、TIN、面、线、点、注记。

2.2.3 岩爆属性数据的采集、输入、查询、处理

通过隧道工程地形勘察剖面、钻孔数据、地质测绘和现场、室内试验等进行地质构造、围岩条件与应力水平等岩爆主要控制因素的数据采集，并将数据输入相对应岩爆控制因素图层的属性表内，数据的输入可通过批量选择以及字段计算器快速完成。对岩爆灾害发生具有显著控制性的断层和构造影响区，采用临域分析算法确定影响区内修正权值并对影响区数据进行修正。输入的岩爆控制因素地理空间数据需要进行核验，并根据GIS 数据库在运作和分析等方面的要求进行编辑、修改，从而保证地理空间数据在内容和空间上的完整性、在数值与逻辑上的一致性、数据正确性以及对于岩爆等级评估需求的满足程度等。此外，GIS允许在地理环境中对属性进行可视化，既可以查询地图位置以了解它们的属性，也可以查询属性以查找具有上述属性的位置。

根据所选取的岩爆风险评估判据采用属性运算并依靠字段计算器的python 接口使用独立代码进行批量计算与分类，得到岩爆等级评估结果。最后通过图层属性内的符号系统(Symbology)将不同的岩爆等级与不同颜色对应，从而使隧道的岩爆等级评估成果可视化地显示在图层上。

岩爆等级评估过程中，还可以通过ArcPy实现岩爆控制因素数据的输入、查询、转化和分析。ArcPy是一种具有了大量有用函数和类的Python站点包，用户通过ArcPy能够使用Python代码控制地理处理工具以及访问、处理GIS数据，从而实用高效地执行地理数据的查询、转换、分析、管理以及地图自动化。

随着隧道工程的逐步开展，剖面图、地应力和地质构造等资料可能会阶段性更新，若是使用其他处理方法费时费力。而基于GIS的深埋超长隧道岩爆等级评估方法则只需将相应岩爆控制因素图层的属性表对应字段更新即可使岩爆地理数据库保持最新，高效快捷，同时避免因多次重复操作而产生误操作。字段的更新既可以通过表窗口操作，也可以通过属性窗口完成，并且合理使用图层拖动选择和属性表筛选功能可以快速进行批量选择，借助字段计算器和Python 语言进行快速高效更新。

2.3 岩爆等级评估指标与控制因素的选取与确定

隧道岩爆等级评估中，最困难且对评估结果产生直接控制作用的是评估指标中参数的选取与确定，其中地应力场和岩石或岩体强度参数的确定最为重要。

2.3.1 隧道沿线地应力估计

工程可行性研究阶段由于缺少数据，导致隧道沿线地应力的估计较为困难。在总结分析了大量国内外深埋超长隧道重点工程以及众多研究者提出的方法的基础上，选取了地应力反演、钻孔数据拟合和地应力回归曲线3种方法，分别适用于不同的情况。需要强调的是，无论采取何种方法获取的地应力数据都切忌直接使用，必须经过坐标转换，获取隧洞断面上的最大主应力和洞周切应力。而地应力方向的确定则可以借鉴工程区已有工程地应力数据和谢富仁等[29]对我国现代构造应力场基本特性与分区的研究成果。

1)地应力回归曲线

在工程前期缺乏钻孔数据的情况下，可以通过地应力回归曲线来对隧道岩爆等级进行初步评估。常用的地应力回归曲线有朱焕春世界范围地应力回归曲线和中国大陆地应力实测回归曲线。

朱焕春等[30]收集了世界范围内三大岩类的地应力实测数据，建立了世界范围内地应力经验回归关系分别为：

其中：H为埋深；σH和σh分别为最大水平主应力和最小水平主应力。

景峰等[31]通过收集中国大陆地区数百个实测钻孔资料，建立了中国大陆地应力实测分布规律的回归公式：

根据工程所在地区的不同，可通过将工程区已有工程钻孔数据与基于不同地应力回归曲线求出的地应力进行对比，选用误差较小的地应力回归曲线并根据已有工程钻孔数据进行修正，使之与工程区地应力场更加吻合。其中，中国大陆地应力实测分布规律的回归公式已被运用在二郎山公路隧道工程和川藏铁路工程，验证了其在川藏地区的较高适用性。

2)钻孔数据拟合

当已获取少量隧洞沿线钻孔的地应力实测数据并且岩爆评估工作期限较短时，可采取钻孔数据拟合的方法快速获取工程区地应力与埋深的规律公式。HAST[32]最早发现了芬诺斯堪迪亚板块水平应力与埋深呈线性关系并提出了线性回归。朱焕春等[30]统计分析世界范围地应力随埋深的变化规律时也发现最大水平主应力、最小水平主应力和垂向应力沿埋深总体上呈线性关系变化。

根据工程实践以及前人研究成果，地应力场主要分为自重应力场和地质构造应力场2部分，采用线性拟合的方式计算主应力随深度变化梯度式可靠性和代表性较高。在钻孔数据较少的情况下，可通过钻孔线性拟合完成对隧道沿线岩爆风险的快速初步评估。

3)地应力反演

在获得多个隧洞沿线钻孔的地应力实测数据，且地质构造与地层信息及其力学参数相对明确的条件下，可通过地应力反演来获取隧洞沿线地应力场特征，并研究工程区的地应力场分布规律。相对于钻孔拟合而言，地应力场反演考虑到断层、褶皱、节理密集带等局部地质构造特征，能够较好地分析地应力场量值和方向。

梅松华等[33]根据硐室地质条件、变形位移提出了三维变形反演分析方法，并通过实测地应力以及硐室监测实际位移对反演结果进行检验。郭怀志等[34]提出了有限元数学模型回归分析法，通过该方法可获取岩体的三维初始应力场。LI等[35]将多变量线性回归方法与人工神经网络方法相结合，开发了基于BP神经网络的三维地应力场分析查询系统。杨德林等[36]提出了初始地应力场的有限单元法，姚瑞等[37]在其基础上进行了边界优化和投影误差修正。

根据多个工程的实际应用成效，采用三维有限差分软件FLAC3D 进行数值仿真模拟。模拟对象选取隧道沿线处山体模型，同时需要综合考虑地形、断层、节理密集带等因素，并根据现有钻孔数据进行检验和控制。

2.3.2 岩石强度估计

岩石性质则可通过钻孔岩芯样品获取，通过对各个钻孔不同钻孔深度的样品进行典型岩石抗压强度试验、典型岩石脆性试验、典型岩石损伤演化规律试验、典型岩石倾向性试验等室内试验来获取岩石强度和脆性等性质并进行各类岩石的岩爆倾向性预测，其中最重要的是岩石强度的测定。

测定钻孔岩芯岩石单轴抗压强度及变形参数需要通过钻孔获取隧道典型岩性不同埋深的样品，开展岩石单轴抗压强度试验，并包括2 类测试条件：1)天然状态下岩石试样单轴抗压强度测试；2)饱和状态下岩石试样单轴抗压强度测试。保守情况下，通常采用岩石的饱和单轴抗压强度作为岩爆等级评估的控制因素开展评估，如采用强度应力比方法，此时获得的岩爆等级代表着隧道洞段可能发生的最大岩爆等级；而采用天然状态下岩石单轴抗压强度作为评估参数时，通常代表着隧道洞段平均意义上的等级程度。需要指出的是，因室内试验不可避免地存在单轴抗压强度上的离散性，因而保证试验数量是非常重要的，从而获得更具有统计代表性的岩石单轴抗压强度参数。此外，部分学者采用GSI方法或其他方法估计岩体强度参数用于岩爆等级评估中，根据大量深埋超长隧道岩爆等级评估经验发现，岩体强度的估计会放大岩爆等级评估指标的不确定性，很大程度上是人为主观判断的不确定性造成的。因而，作者更建议采用岩石强度作为岩爆等级评估的最基本控制因素，而不建议采用岩体强度，尤其是在可行性研究阶段大量实测或试验数据不充分的条件下，选用岩石强度参数相对更能够降低参数的不确定性。

如果钻孔数据暂时还未获得，则可以搜集工程区附近区域岩性相似、埋深相近并处于同一构造区的工程案例进行分析，或者根据工程地质手册获取所需岩石强度。需要注意的是，同一岩性不同围岩等级的岩石，由于围岩完整程度不同，岩石强度建议取不同值，从而表征其不同的储能能力和破裂峰值。

3 应用案例

3.1 地图资料的导入与处理

使用ArcGIS 软件，建立隧道岩爆等级评估数据库，新建岩爆控制因素要素数据集和要素类，并绘制隧道地理底图。考虑到重新编制地质图工作量大，可以将某隧道的地图资料例如工程区地形图、工程区地层图以及工程区地质构造图以及隧洞路线图等CAD 文件转换后导入ArcGIS 软件中。由于图件的现势性在底图编制过程中十分重要，因而还需要搜集一些隧道项目最新的纸质图件等资料作为补充，并通过扫描转成矢量数据，加载到数据中。在隧道工程地理底图的绘制中，根据隧道工程地图资料的实际坐标添加空间参考坐标系并进行地图配准，从而保证各图件坐标的一致性与地理底图的精确性。

统计隧道岩爆风险评估与可视化呈现需要表达的地理要素，如隧洞路线、里程桩号、岩性、断层、围岩等级、围岩强度、埋深等，并据此确定各图层的图面内容与填图方案。根据地图资料绘制各个地质要素图层，以Point 要素绘制里程桩号图层(图3)，根据隧道地质剖面图以Line 要素绘制岩性界限图层、围岩等级分界线图层以及断层线图层，见图4。需要注意的是，围岩等级分界线以及断层线的获取都必须是在隧洞高程平面上，是围岩等级界线和断层在其与隧洞交点所在高程平面上的投影，而非其地表出露线。

图3 隧道里程桩号等点要素图层的构建Fig.3 Construction of such point feature layers as tunnel mileage pile number

图4 隧道岩爆等级评估地理数据库中线要素图层Fig.4 Line feature layers in rockburst classification evaluation geodatabase

沿着隧道路线(图5中红线)以Polygon 要素绘制岩爆等级评估图层和围岩等级图层等。根据隧道项目围岩等级界线图层对围岩等级图层进行划分(图5(a))，而岩爆等级评估图层则需要先按地层与区域构造划分子区，地层与区域构造属性会继承到隧洞分区内，再以125 m里程为间距划分成均匀图元，最后根据沿线地质勘察剖面(岩性分界和围岩等级分界等)进行二次划分，使得单个图元里程范围内的围岩等级、岩性一致(图5(b))。所有层次分区过程均采用拓扑几何建模和属性继承，便于不同图层之间的同步与更新。图5中围岩等级区段和岩爆等级区段在后期处理中可将围岩等级、岩爆等级与不同颜色匹配，从而进行可视化呈现，图5尚处于分区阶段，绿色、粉色只是任意选取，不代表具体等级。

岩爆等级评估图层图元的划分可根据隧道纵向方向上岩性和地应力变化快慢选用不同的里程间距从而达到所需精度，本研究考虑上述因素的同时兼顾了划分的效率，1 km 的距离可以通过中点划分快速地切割为间距125 m的8个图元。岩爆等级评估图层宽度需要考虑隧洞岩爆发生范围，开挖应力扰动区等因素，围岩等级图层则需要考虑断层影响带、隧洞环向围岩等级变化等因素，同时还要兼顾成图的清楚直观，建议岩爆等级评估图层宽度取200 m，围岩等级图层宽度取2 km。

3.2 岩爆控制因素参数输入

通过隧道工程地质剖面图获取围岩等级、岩性以及埋深，根据工程现场钻孔数据以及地应力反演获取地应力分量，根据现场及室内试验获取围岩强度及泊松比等岩爆控制因素参数输入到岩爆等级评估图层和围岩等级图层的属性表中，断层和构造影响区数据需要根据临域算法求取影响权值进行修正。对于具有某个相同参数的大量图元可以通过图层拖动选择和属性表筛选功能进行批量选择从而快速赋值，而具有相互关联的数据，例如埋深和自重、岩性和围岩强度等，也可以通过字段计算器的python代码接口进行批量处理。

图元赋值完毕，岩爆等级评估图层和围岩等级图层便可通过属性中的符号系统(Symbology)选择相应字段并进行颜色匹配从而实现字段内容的可视化呈现，围岩等级图层可以呈现围岩等级，岩爆等级评估图层可以呈现岩性，如图6所示。当然，GIS中提供了很多用于描绘地理信息的图层显示选项，除了颜色，还可借助符号和标注等多种方式来表示图层。此外，由于岩爆等级评估图层用以评估岩爆风险，该图层属性表中会输入岩性、埋深、围岩等级与围岩强度等众多参数，因而最后图形可视化所能呈现的要素也是众多的，包括围岩等级、埋深等，并非只能呈现岩爆等级。

图6 围岩等级以及围岩岩性的可视化呈现Fig.6 Visualization of surrounding rock classifications and lithology

3.3 岩爆等级评估

依据表1，共选用岩石强度应力比法、岩石应力强度比法和RVI指标法3种方法开展某隧道的岩爆等级评估。打开岩爆等级评估图层的属性表，根据这3种岩爆等级评估方法进行属性运算。由于GIS属性表的有Python代码接口，因而可以通过代码对数据进行批量计算与分类，带来了极大便利。例如当通过强度应力比公式求得各个图元的岩石饱和单轴抗压强度和围岩最大地应力的比值时，可通过python 代码求出岩爆风险等级。应力强度比法和RVI指标法的代码与之相似。

属性表的数据处理完毕，便获得了某隧道3种岩爆评估方法的评估结果，在属性表中表现为不同的字段。通过在图层属性的符号系统选择不同的字段便可对某某隧道的岩爆等级评估结果进行可视化呈现，通过对不同岩爆评估结果匹配不同的颜色，从而使得隧洞沿线岩爆等级预测结果得到直观体现。图7所示为某隧道用RVI指标法进行岩爆等级评估的结果。同样，可以通过选择字段呈现强度应力比以及应力强度比的结果。

图7 基于RVI指标法评估的某隧道沿线岩爆深度及等级分布Fig.7 Rockburst depth and grade distribution along a certain tunnel evaluated based on RVI index method

4 结论

1)针对超长深埋隧道的岩爆等级评估，形成了一套基于GIS的从岩爆属性数据采集—地理数据库建立—岩爆控制因素参数输入—评估指标选取—岩爆等级评估—成果展示的完整高效的超长深埋隧道岩爆等级研究技术路线、方法体系和工作流程。这套工作方法和技术体系对边坡、厂房等其他研究对象以及滑坡、变形等其他地质灾害也有参考借鉴价值。

2)提出了基于GIS 的深埋超长隧道岩爆等级评估方法。该方法将岩爆等级评估方法与GIS空间数据分析方法相结合，借助数据库管理系统、属性集空间分析和Python 脚本实现超长隧道岩爆等级评估信息的高效智能查询、计算、分析和评估成果图形化展示，同时可根据工程进展实时更新，减少返工耗时。

3)基于GIS 的深埋超长隧道岩爆等级评估方法已成功应用于川藏铁路多条隧道的岩爆等级评估以及川藏铁路岩爆灾害研究成果汇报展示，减少了超长隧道岩爆等级评估的任务量，使岩爆等级评估结果能够可视化呈现，丰富和发展了岩爆分析预测的方法，为岩爆的预测提供了新的手段。

4)基于GIS 的深埋超长隧道岩爆等级评估方法的不足之处：由于地应力测量和岩爆等级评估往往由不同单位负责，选取的隧道洞段间距不同，需要二次处理；此外，由于节理、断层、地下水等因素对隧道围岩岩爆倾向性的影响缺乏准确的数值结论，其影响区岩爆等级仅进行局部提升或降低，有待在相关研究取得进展后进一步完善。