巖溶地區(qū)隧道施工綜合預(yù)報技術(shù)案例分析
作者： 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室 劉智,鄧輝,黃潤秋,黃艾,劉海軍0 引言
進(jìn)入21 世紀(jì)以來，隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略方針的逐步實施，快速的推動了我國西部地區(qū)交通事業(yè)的發(fā)展，使得在我國西部巖溶地區(qū)修建的隧道工程和地下工程猶如雨后春筍一般。由于這些地區(qū)具有的特殊地形地貌、復(fù)雜地質(zhì)條件等工程背景，使得在這些巖溶地區(qū)修建的隧道極具有復(fù)雜性和不可預(yù)見性［1］。因此，在巖溶高度發(fā)育地區(qū)修建大規(guī)模的鐵路隧道時將不可避免的會遇到大量的巖溶災(zāi)害和不良地質(zhì)問題，在施工過程中常出現(xiàn)突水、突泥、坍塌、瓦斯燃燒等災(zāi)害，給現(xiàn)場施工帶來極大困難，造成很多人身傷亡事故和大量的工程經(jīng)濟(jì)損失。結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，對隧道施工過程中出現(xiàn)的各種不良地質(zhì)災(zāi)害實施高準(zhǔn)確率的超前預(yù)測成為國內(nèi)外工程地質(zhì)和隧道工程界關(guān)注而又未能很好解決的難題［4，9］。
針對上述情況，為了保證高發(fā)育巖溶地區(qū)隧道施工的安全和減輕突水突泥等不良地質(zhì)災(zāi)害給工程帶來的損失，又能提高預(yù)報的準(zhǔn)確和減少工程的費用，本文采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法，以敘大鐵路B 標(biāo)段尹家?guī)r隧道為工程背景，對高發(fā)育巖溶隧道進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)跟蹤預(yù)報，有效地指導(dǎo)了隧道施工。
1 工程概況
尹家?guī)r隧道進(jìn)口位于古藺縣龍山鎮(zhèn)、石屏鄉(xiāng)境內(nèi)，中心里程K71 + 658，全長3050m，交通極為不便。該區(qū)屬于四川盆地南緣山地與云貴高原過渡帶，屬低中山構(gòu)造侵蝕地貌，斜坡溝谷地形，山高谷深，地形起伏大，總體北低南東高，山體多呈東西走向，與構(gòu)造線基本一致。本區(qū)海拔高程多在350 ～ 2000m，相對高差200 ～ 700m，溝谷基本上沿構(gòu)造線發(fā)育，谷深坡陡，溝谷一般呈“V”字形，局部為“U”字形，寬谷谷底大多辟為農(nóng)田，灰?guī)r地區(qū)巖溶地貌顯著，表面溶蝕嚴(yán)重，多石林、石柱等典型灰?guī)r地貌特征，且溶蝕洼地、溶洞、暗河較多，洼地呈串珠狀相連，暗河時隱時現(xiàn)，與地表水相通形成本區(qū)主要的排水通道。斜坡及山脊處植被較發(fā)育，大多地段人煙稀少，山間多溝槽與洼地，坡腳及溝槽內(nèi)多為旱地及水田。
隧道隧址區(qū)穿越二疊系梁山、棲霞組( P1l + q) 灰?guī)r，志留系韓家店群( S1 － 2hn) 頁巖、灰?guī)r、泥巖、砂巖，石牛欄及龍馬溪組( S1l + s) 頁巖、灰?guī)r。隧道內(nèi)主要斷裂構(gòu)造體為劉家溝斷層( 陡傾正斷層，影響帶寬) ，層面緩傾20°左右，圍巖除洞口外以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主，節(jié)理裂隙發(fā)育，進(jìn)口邊坡順層面，出口存在崩坡積碎石土和由于差異風(fēng)化產(chǎn)生的危石�；�?guī)r( 尤其是梁山棲霞組) 巖溶發(fā)育程度強(qiáng)，勘察孔在進(jìn)口和中部發(fā)現(xiàn)多個溶洞( 2 ～ 6m 深) ，水位較高( 洞身以上) 。隧道埋深較淺，上部巖體多為V 級圍巖或富水巖體，穩(wěn)定性較差。
綜上所述，尹家?guī)r隧道主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象是地層巖性決定的巖溶和斷層破碎帶及其影響帶和其他破碎巖體中可能出現(xiàn)的坍塌和完整巖體中可能出現(xiàn)的掉塊現(xiàn)象。
2 巖溶隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報
目前，隧道地質(zhì)超前預(yù)報越來越受到重視，其方法也有多種，但每種方法都有自己的特點，針對不同的地質(zhì)條件和環(huán)境，選擇采用合適的方法是非常重要的。為了更好地了解隧道的地質(zhì)情況，降低施工的風(fēng)險，本文在地質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測技術(shù)，結(jié)合綜合地質(zhì)預(yù)報方法對尹家?guī)r隧道進(jìn)口DK70+ 803 ～ DK70 + 831 段開展綜合地質(zhì)超前預(yù)報。
2. 1 地質(zhì)分析法和地球物理探測方法
目前，國內(nèi)外的隧道施工都把掌子面前方地質(zhì)情況視作為隧道安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，根據(jù)大量的工程實際，目前對掌子面前方不良地質(zhì)體的探測方法已有許多種。按照是否使用儀器進(jìn)行分類，可以分兩類:地質(zhì)分析法和地球物理探測方法，其中地質(zhì)分析法是隧道超前預(yù)報中的一項基本方法，常見種類有: 地面地質(zhì)調(diào)查、隧道掌子面地質(zhì)編錄、超前鉆探、斷層預(yù)測法和地質(zhì)經(jīng)驗法等。地球物理探測方法主要以電磁反射波理論為主，主要儀器包括: TSP 隧道地震探測、地質(zhì)雷達(dá)探測、瞬變電磁法等［11 － 12］。
以上各種超前地質(zhì)預(yù)報方法及目前國內(nèi)外情況可知都有各自的優(yōu)缺點，以致于在當(dāng)今國內(nèi)外隧道工程地質(zhì)界提高預(yù)報的準(zhǔn)確性和及時性仍是亟需解決的學(xué)術(shù)難題。因此，研究綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)具有緊迫性和工程必要性，以便更及時、有效地指導(dǎo)隧道施工，完善信息化施工技術(shù)。不同的地質(zhì)超前預(yù)報方法的優(yōu)缺點受限于不同的地質(zhì)環(huán)境條件。表1 是不同預(yù)報方法的預(yù)測范圍、理論依據(jù)以及評價的準(zhǔn)確性，表2 是不同預(yù)報方法優(yōu)缺點的比較［2 － 10］。針對不同災(zāi)害分級等級地段，結(jié)合地質(zhì)情況合理采用不同的預(yù)報手段對施工工作掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報，巖溶隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報流程圖( 圖1) ，巖溶隧道綜合地質(zhì)超前預(yù)報工作程序框圖( 圖2) 。
2. 2 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報方法
巖溶隧道施工過程中，地質(zhì)災(zāi)害可能發(fā)生的數(shù)量、發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置、單點單個地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模及其對工程的影響范圍都具有隨機(jī)性和不可控性，使其無規(guī)律可從。因此采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來對目標(biāo)隧道建立起預(yù)測模型，以到達(dá)更好預(yù)測目的。首先確定高風(fēng)險巖溶隧道災(zāi)害風(fēng)險評價的主要因素，即因素集Y = { Y1，Y2，Y3，…，Yn} ，其中巖溶隧道主要存在工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的主要影響因素:
Y1———設(shè)計階段地質(zhì)勘察資料;
Y2———掌子面溶蝕發(fā)育特征;
Y3———掌子面節(jié)理裂隙發(fā)育特征;
Y4———掌子面斷層調(diào)查情況;
Y5———掌子面地下水出滲特征;
Y6———掌子面巖體強(qiáng)度指標(biāo);
D7———掌子面巖性;
D8———地質(zhì)雷達(dá)反射波譜。
針對巖溶隧道風(fēng)險因素的隨機(jī)性和相互組合不可控性的特點，整個綜合超前預(yù)報過程仍需進(jìn)一步改進(jìn)和提高，使其更具有可操作化。本文采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( ANFIS) 方法，建立上述巖溶隧道影響因素的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合預(yù)報模型并進(jìn)行綜合預(yù)報［6，14］。自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( ANFIS) 模型結(jié)構(gòu)簡示圖( 圖3) 。
3 巖溶地區(qū)隧道施工綜合地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)及應(yīng)用實例
由于尹家?guī)r隧道施工區(qū)域的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，對隧道開挖掌子面前方巖層的斷層、裂隙、巖溶、地下水等不良地質(zhì)因素進(jìn)行查明已成為該隧道工程建設(shè)的必要。結(jié)合本文所提出的地質(zhì)超前綜合預(yù)報方法和工作體系，在隧道施工過程中對該隧道進(jìn)行連續(xù)超前地質(zhì)綜合分析預(yù)報，根據(jù)開展的預(yù)報結(jié)果看，預(yù)報的準(zhǔn)確率較高，為變更施工方案及時提供依據(jù)，并且有效的減少了隧道施工所帶來的地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，保障施工的安全生產(chǎn)，也為工程建設(shè)帶來經(jīng)濟(jì)效益。
3. 1 建立地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)報和風(fēng)險評估模型
根據(jù)巖溶隧道的各項影響因素，以自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( ANFIS) 方法為理論基礎(chǔ)建立評價模型，即綜合評定在巖溶隧道施工過程中實際出現(xiàn)的影響因子，可以確定出災(zāi)害出現(xiàn)的種類及其存在性。即①具體某種災(zāi)害的存在性; ②災(zāi)害存在的規(guī)模大的情況; ③災(zāi)害存在的規(guī)模小的情況; ④某種災(zāi)害不存在，以巖溶為例見表3。災(zāi)害種類大致可分為8 類: 溶洞、瓦斯、突泥、突水、破碎巖體、軟弱巖體、塌方、斷層。根據(jù)已經(jīng)定義出的8 類災(zāi)害，又用預(yù)報評價模型可以確定災(zāi)害分級，災(zāi)害風(fēng)險等級可分為4 種: Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。具體情況見表4。
3. 2 綜合地質(zhì)超前預(yù)報初判
本次預(yù)報位于隧道進(jìn)口DK70 + 803，預(yù)報掌子面前方28m，采用SIR － 3000 型地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場測試，結(jié)合本文提出的ANFIS 綜合超前預(yù)報方法來實現(xiàn)預(yù)測。其中現(xiàn)場采集到的雷達(dá)數(shù)據(jù)解譯結(jié)果如圖4 所示，ANFIS 的訓(xùn)練樣本取自表3 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)筑的樣本同時結(jié)合尹家?guī)r隧道實際探測結(jié)果以建立ANFIS 模型訓(xùn)練樣本如表5 所示，使用樣本數(shù)據(jù)的判定結(jié)果比較理想，與模型所得到的結(jié)果完全吻合。對模型網(wǎng)絡(luò)樣本進(jìn)行調(diào)試好了以后，對該預(yù)測段巖體巖溶進(jìn)行綜合預(yù)報，其結(jié)果見表6。
