巖溶地區隧道施工綜合預報技術案例分析
作者： 成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室 劉智,鄧輝,黃潤秋,黃艾,劉海軍0 引言
進入21 世紀以來，隨著國家西部大開發戰略方針的逐步實施，快速的推動了我國西部地區交通事業的發展，使得在我國西部巖溶地區修建的隧道工程和地下工程猶如雨后春筍一般。由于這些地區具有的特殊地形地貌、復雜地質條件等工程背景，使得在這些巖溶地區修建的隧道極具有復雜性和不可預見性［1］。因此，在巖溶高度發育地區修建大規模的鐵路隧道時將不可避免的會遇到大量的巖溶災害和不良地質問題，在施工過程中常出現突水、突泥、坍塌、瓦斯燃燒等災害，給現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濟損失。結合現有的技術經濟條件，對隧道施工過程中出現的各種不良地質災害實施高準確率的超前預測成為國內外工程地質和隧道工程界關注而又未能很好解決的難題［4，9］。
針對上述情況，為了保證高發育巖溶地區隧道施工的安全和減輕突水突泥等不良地質災害給工程帶來的損失，又能提高預報的準確和減少工程的費用，本文采用綜合超前地質預報方法，以敘大鐵路B 標段尹家巖隧道為工程背景，對高發育巖溶隧道進行地質雷達連續跟蹤預報，有效地指導了隧道施工。
1 工程概況
尹家巖隧道進口位于古藺縣龍山鎮、石屏鄉境內，中心里程K71 + 658，全長3050m，交通極為不便。該區屬于四川盆地南緣山地與云貴高原過渡帶，屬低中山構造侵蝕地貌，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，與構造線基本一致。本區海拔高程多在350 ～ 2000m，相對高差200 ～ 700m，溝谷基本上沿構造線發育，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田，灰巖地區巖溶地貌顯著，表面溶蝕嚴重，多石林、石柱等典型灰巖地貌特征，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，與地表水相通形成本區主要的排水通道。斜坡及山脊處植被較發育，大多地段人煙稀少，山間多溝槽與洼地，坡腳及溝槽內多為旱地及水田。
隧道隧址區穿越二疊系梁山、棲霞組( P1l + q) 灰巖，志留系韓家店群( S1 － 2hn) 頁巖、灰巖、泥巖、砂巖，石牛欄及龍馬溪組( S1l + s) 頁巖、灰巖。隧道內主要斷裂構造體為劉家溝斷層( 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，節理裂隙發育，進口邊坡順層面，出口存在崩坡積碎石土和由于差異風化產生的危石。灰巖( 尤其是梁山棲霞組) 巖溶發育程度強，勘察孔在進口和中部發現多個溶洞( 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，穩定性較差。
綜上所述，尹家巖隧道主要的不良地質現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的坍塌和完整巖體中可能出現的掉塊現象。
2 巖溶隧道綜合超前地質預報
目前，隧道地質超前預報越來越受到重視，其方法也有多種，但每種方法都有自己的特點，針對不同的地質條件和環境，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情況，降低施工的風險，本文在地質分析的基礎上，運用地質雷達預測技術，結合綜合地質預報方法對尹家巖隧道進口DK70+ 803 ～ DK70 + 831 段開展綜合地質超前預報。
2. 1 地質分析法和地球物理探測方法
目前，國內外的隧道施工都把掌子面前方地質情況視作為隧道安全生產的重要環節，根據大量的工程實際，目前對掌子面前方不良地質體的探測方法已有許多種。按照是否使用儀器進行分類，可以分兩類:地質分析法和地球物理探測方法，其中地質分析法是隧道超前預報中的一項基本方法，常見種類有: 地面地質調查、隧道掌子面地質編錄、超前鉆探、斷層預測法和地質經驗法等。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、地質雷達探測、瞬變電磁法等［11 － 12］。
以上各種超前地質預報方法及目前國內外情況可知都有各自的優缺點，以致于在當今國內外隧道工程地質界提高預報的準確性和及時性仍是亟需解決的學術難題。因此，研究綜合超前地質預報技術具有緊迫性和工程必要性，以便更及時、有效地指導隧道施工，完善信息化施工技術。不同的地質超前預報方法的優缺點受限于不同的地質環境條件。表1 是不同預報方法的預測范圍、理論依據以及評價的準確性，表2 是不同預報方法優缺點的比較［2 － 10］。針對不同災害分級等級地段，結合地質情況合理采用不同的預報手段對施工工作掌子面前方地質情況進行預報，巖溶隧道綜合超前地質預報流程圖( 圖1) ，巖溶隧道綜合地質超前預報工作程序框圖( 圖2) 。
2. 2 模糊神經網絡預報方法
巖溶隧道施工過程中，地質災害可能發生的數量、發生地質災害的位置、單點單個地質災害的規模及其對工程的影響范圍都具有隨機性和不可控性，使其無規律可從。因此采用模糊神經網絡方法來對目標隧道建立起預測模型，以到達更好預測目的。首先確定高風險巖溶隧道災害風險評價的主要因素，即因素集Y = { Y1，Y2，Y3，…，Yn} ，其中巖溶隧道主要存在工程地質災害風險的主要影響因素:
Y1———設計階段地質勘察資料;
Y2———掌子面溶蝕發育特征;
Y3———掌子面節理裂隙發育特征;
Y4———掌子面斷層調查情況;
Y5———掌子面地下水出滲特征;
Y6———掌子面巖體強度指標;
D7———掌子面巖性;
D8———地質雷達反射波譜。
針對巖溶隧道風險因素的隨機性和相互組合不可控性的特點，整個綜合超前預報過程仍需進一步改進和提高，使其更具有可操作化。本文采用自適應模糊神經網絡( ANFIS) 方法，建立上述巖溶隧道影響因素的模糊神經網絡綜合預報模型并進行綜合預報［6，14］。自適應模糊神經網絡( ANFIS) 模型結構簡示圖( 圖3) 。
3 巖溶地區隧道施工綜合地質超前預報技術及應用實例
由于尹家巖隧道施工區域的復雜地質環境，對隧道開挖掌子面前方巖層的斷層、裂隙、巖溶、地下水等不良地質因素進行查明已成為該隧道工程建設的必要。結合本文所提出的地質超前綜合預報方法和工作體系，在隧道施工過程中對該隧道進行連續超前地質綜合分析預報，根據開展的預報結果看，預報的準確率較高，為變更施工方案及時提供依據，并且有效的減少了隧道施工所帶來的地質災害的發生，保障施工的安全生產，也為工程建設帶來經濟效益。
3. 1 建立地質災害綜合預報和風險評估模型
根據巖溶隧道的各項影響因素，以自適應模糊神經網絡( ANFIS) 方法為理論基礎建立評價模型，即綜合評定在巖溶隧道施工過程中實際出現的影響因子，可以確定出災害出現的種類及其存在性。即①具體某種災害的存在性; ②災害存在的規模大的情況; ③災害存在的規模小的情況; ④某種災害不存在，以巖溶為例見表3。災害種類大致可分為8 類: 溶洞、瓦斯、突泥、突水、破碎巖體、軟弱巖體、塌方、斷層。根據已經定義出的8 類災害，又用預報評價模型可以確定災害分級，災害風險等級可分為4 種: Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級。具體情況見表4。
3. 2 綜合地質超前預報初判
本次預報位于隧道進口DK70 + 803，預報掌子面前方28m，采用SIR － 3000 型地質雷達現場測試，結合本文提出的ANFIS 綜合超前預報方法來實現預測。其中現場采集到的雷達數據解譯結果如圖4 所示，ANFIS 的訓練樣本取自表3 標準構筑的樣本同時結合尹家巖隧道實際探測結果以建立ANFIS 模型訓練樣本如表5 所示，使用樣本數據的判定結果比較理想，與模型所得到的結果完全吻合。對模型網絡樣本進行調試好了以后，對該預測段巖體巖溶進行綜合預報，其結果見表6。
