隧道超前地質(zhì)預(yù)報快速響應(yīng)機(jī)制研究與應(yīng)用

王 勇，安哲立，馬偉斌，王志偉，柴金飛

(1.北京鐵科工程檢測中心，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

準(zhǔn)確、及時的超前地質(zhì)預(yù)報能夠給隧道施工提供可靠的指導(dǎo)。為了提高預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性，廖煙開等[1-3]提出采用綜合預(yù)報方法，并建立信息數(shù)據(jù)庫進(jìn)行綜合解釋，以提高解釋的唯一性。羅利銳等[4-5]提出利用分級原則進(jìn)行預(yù)報以加強(qiáng)不良地質(zhì)段預(yù)報的準(zhǔn)確性。為了加強(qiáng)預(yù)報結(jié)果預(yù)警，呂喬森等[6-8]進(jìn)行了預(yù)警系統(tǒng)研究。尚億軍[9]進(jìn)行了信息管理系統(tǒng)的研究。但在預(yù)報時效性方面，目前仍然存在反饋速度慢的問題，不僅影響施工進(jìn)度，而且會抬高建設(shè)成本，增加安全風(fēng)險。

本文提出隧道超前地質(zhì)預(yù)報快速響應(yīng)機(jī)制，對傳統(tǒng)預(yù)報過程中的信息反饋方式、預(yù)警處理模式進(jìn)行改進(jìn)，以提高隧道超前地質(zhì)預(yù)報的時效性。

1 隧道超前地質(zhì)預(yù)報快速響應(yīng)機(jī)制

1.1 預(yù)報響應(yīng)延誤分析

傳統(tǒng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報響應(yīng)機(jī)制見圖1。在預(yù)報信息傳遞過程中，傳遞節(jié)點(diǎn)過多，傳遞工作重復(fù)率高，耗時長，且難以進(jìn)行過程監(jiān)管。預(yù)報信息傳遞仍然以紙質(zhì)媒介作為載體，信息化、數(shù)字化程度低，影響傳遞效率。

圖1 傳統(tǒng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報響應(yīng)機(jī)制

1.2 快速響應(yīng)機(jī)制內(nèi)涵

快速響應(yīng)機(jī)制是指及時處理突發(fā)性危機(jī)的可行性方案。在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中，快速響應(yīng)機(jī)制主要包括以下內(nèi)容：

1)信息及時上傳。隧道超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)規(guī)范信息上傳的時限、減少信息流節(jié)點(diǎn)，以提高信息傳遞效率，保障時效性。

2)處理結(jié)果快速反饋。各參建單位在獲取預(yù)報信息后，需要及時對不良地質(zhì)情況進(jìn)行處理，如需設(shè)計變更，應(yīng)及時進(jìn)行多方會審，確定設(shè)計變更內(nèi)容，保證施工正常進(jìn)行。

3)完善的監(jiān)管機(jī)制。對傳遞預(yù)報信息的全過程進(jìn)行監(jiān)管，檢查信息上傳時間是否及時，當(dāng)出現(xiàn)延誤情況，應(yīng)說明具體情況和原因，將責(zé)任落實(shí)到位。

1.3 快速響應(yīng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

1)信息快速共享。通過系統(tǒng)將信息載體電子化，并將信息傳遞到線上，實(shí)現(xiàn)各參建單位之間的扁平化管理，減少信息傳遞環(huán)節(jié)，降低工作重復(fù)率。

2)結(jié)果追蹤。系統(tǒng)對不良地質(zhì)區(qū)段進(jìn)行預(yù)警，提醒各參建單位及時處理，并上傳處理結(jié)果及相關(guān)文件。

3)責(zé)任落實(shí)。系統(tǒng)監(jiān)督并記錄各環(huán)節(jié)操作時間節(jié)點(diǎn)，如有延誤、瞞報、漏報情況發(fā)生，能夠做到責(zé)任追溯。

2 超前地質(zhì)預(yù)報快速響應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2.1 功能組成

超前地質(zhì)預(yù)報快速響應(yīng)系統(tǒng)主要面向隧道工程各參建單位，其功能包括：

1)項目基礎(chǔ)信息管理。通過鐵路工程建設(shè)管理平臺獲取項目基礎(chǔ)信息(標(biāo)段、項目里程、設(shè)計信息等)；并可以進(jìn)行項目基礎(chǔ)信息維護(hù)；創(chuàng)建線路、標(biāo)段、隧道、工點(diǎn)的關(guān)系；完成對各級參建單位的權(quán)限設(shè)置。

2)組織結(jié)構(gòu)管理。獲取各參建單位信息；實(shí)現(xiàn)人員創(chuàng)建、編輯和刪除，完成對人員的權(quán)限設(shè)置。

3)預(yù)報管理。分類上傳數(shù)據(jù)至系統(tǒng)并將數(shù)據(jù)同步上傳至鐵路工程建設(shè)管理平臺。

記得父親喝酒時，實(shí)在沒有“下酒”的菜肴了，就順手捧一捧生花生，堆在眼前的桌面上；一邊剝花生，一邊飲酒。那時候的白酒都是高度酒，喝酒從來不用杯子，一般都是用酒盅，鄉(xiāng)下人習(xí)慣于稱之為“豆皮盅”，言其極小?；ㄉ?，是帶殼的。父親手中，“波波波”地響著，一粒粒的花生，就從殼中剝出來了；眼睛連看也不用看，順手一扔，扔進(jìn)口中，隨即端起酒盅，“滋溜”一聲，一盅酒就進(jìn)肚了。

4)預(yù)報查詢。查詢隧道超前地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)、報告、設(shè)計文件、變更文件等。

5)統(tǒng)計分析。統(tǒng)計掌子面進(jìn)度、圍巖等級、超前地質(zhì)預(yù)報進(jìn)度和預(yù)警情況。

6)報表管理。按照統(tǒng)一的格式自動生成報表，方便保存及查閱。

7)信息預(yù)警。對隧道不良地質(zhì)區(qū)段發(fā)出預(yù)警通知。

2.2 系統(tǒng)預(yù)報信息要求

預(yù)報信息應(yīng)滿足數(shù)據(jù)項完整性要求[10]，系統(tǒng)對預(yù)報信息數(shù)據(jù)項進(jìn)行了規(guī)定，內(nèi)容如下：

1)預(yù)報基本信息。包括從項目基礎(chǔ)信息繼承的信息：工程名稱、里程范圍；需要人工錄入的信息：預(yù)報開始里程、開挖循環(huán)長度、開挖寬度、開挖高度、開挖面積、掌子面尺寸、開挖方式、預(yù)報日期。

2)預(yù)報獲取的原始信息。通過超前地質(zhì)預(yù)報而獲取的原始信息因預(yù)報方法而異。上傳要求見表1。

3)預(yù)報結(jié)果及建議。包括預(yù)報結(jié)論、地質(zhì)風(fēng)險等級、采取的措施、后續(xù)建議和附件。

4)人員信息。包括現(xiàn)場檢查人、復(fù)核人和現(xiàn)場監(jiān)理工程師。

表1 預(yù)報獲取的原始信息上傳要求

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

隧道超前地質(zhì)預(yù)報快速響應(yīng)系統(tǒng)由施工單位將預(yù)報信息上傳，系統(tǒng)自動根據(jù)施工日志判斷預(yù)報信息上傳的時效性，從而對預(yù)報工作以及預(yù)報信息上傳進(jìn)行監(jiān)督。對于需要設(shè)計變更的情況，系統(tǒng)對各參建單位進(jìn)行預(yù)警，提醒各參建單位及時組織設(shè)計變更會審，確定意見后將相關(guān)變更信息及參建單位確認(rèn)文件反饋到系統(tǒng)，最終系統(tǒng)將所有數(shù)據(jù)同步上傳至鐵路工程建設(shè)管理平臺。系統(tǒng)設(shè)計流程見圖2。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計流程

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程背景

新八達(dá)嶺隧道位于北京市延慶縣八達(dá)嶺鎮(zhèn)及昌平區(qū)南口鎮(zhèn)之間的軍都山，隧道進(jìn)口里程為DK59+260，出口里程為DK71+270，全長 12 010 m。預(yù)報區(qū)段DK60+042—DK60+142段的地質(zhì)情況：洞身主要穿越弱風(fēng)化花崗巖，以青灰色為主，巖質(zhì)堅硬。節(jié)理裂隙一般發(fā)育，主要發(fā)育2組，節(jié)理面密閉。巖體整體較完整，按Ⅱ級圍巖設(shè)計。

3.2 預(yù)報結(jié)果

采用掌子面素描和TSP 2種方法進(jìn)行綜合預(yù)報。預(yù)報區(qū)段掌子面位于DK60+042處，TSP203觀測系統(tǒng)布置見圖3。

圖3 TSP203觀測系統(tǒng)布置示意

采用爆炸震源激發(fā)地震波，每炮約50 g乳化炸藥。TSP預(yù)報顯示隧道掌子面前方預(yù)報范圍內(nèi)存在問題區(qū)段：DK60+045—DK60+082段以及DK60+090—DK60+120段。上述問題區(qū)段均出現(xiàn)多組反射界面，縱橫波速度降低，泊松比局部增大，動態(tài)楊氏模量局部降低。推斷上述問題區(qū)段存在節(jié)理密集帶，巖體局部破碎，巖體風(fēng)化不均，地下水較發(fā)育，局部線狀或股狀出水，圍巖整體穩(wěn)定性一般，易掉塊，局部可能產(chǎn)生小塌方。根據(jù)預(yù)報結(jié)果，各參建單位進(jìn)行了會審，并對問題區(qū)段的原始設(shè)計進(jìn)行了變更。

在后續(xù)開挖過程中，根據(jù)每循環(huán)開挖掌子面素描信息對問題區(qū)段及相鄰區(qū)段進(jìn)一步確認(rèn)。隧道施工至DK60+127，圍巖分層明顯，拱頂有明顯掉塊，節(jié)理高度發(fā)育，巖體極度破碎，自穩(wěn)能力極差，掌子面有溜塌現(xiàn)象，并有多處涌水點(diǎn)，與設(shè)計情況不符，因此進(jìn)行了設(shè)計變更，變更段落長度10 m。隧道施工至DK60+137，圍巖分層明顯，中部有土質(zhì)夾層，裂隙發(fā)育，巖體破碎，自穩(wěn)能力差，掌子面局部有溜塌現(xiàn)象，與設(shè)計情況不符，因此進(jìn)行了設(shè)計變更，變更段落長度20 m。

DK60+042—DK60+142段經(jīng)過超前地質(zhì)預(yù)報后設(shè)計變更情況見表2。

表2 設(shè)計變更情況

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用情況分析

本次預(yù)報里程為DK60+042—DK60+142。預(yù)報結(jié)果顯示掌子面前方存在問題區(qū)段，及時將TSP數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)，對設(shè)計單位、建設(shè)單位等進(jìn)行了及時預(yù)警。并由設(shè)計單位進(jìn)行了預(yù)報結(jié)果的確認(rèn)。在后續(xù)開挖過程中，各參建單位在接到每日掌子面地質(zhì)素描的情況及預(yù)警情況后，隨即到現(xiàn)場進(jìn)行查驗，并組織了多次會審，對設(shè)計文件進(jìn)行了變更，最后在系統(tǒng)錄入對預(yù)警信息的處置情況。在系統(tǒng)應(yīng)用的過程中無停工情況，施工進(jìn)展順利，支護(hù)情況良好，未出現(xiàn)險情。

4 結(jié)論

1)隧道超前地質(zhì)預(yù)報快速響應(yīng)機(jī)制改進(jìn)了傳統(tǒng)預(yù)報信息的反饋方式及預(yù)警處理模式，能夠解決預(yù)報信息延誤的問題。

2)隧道超前地質(zhì)預(yù)報快速響應(yīng)系統(tǒng)將超前地質(zhì)預(yù)報信息傳遞過程進(jìn)行信息化管理，能及時發(fā)現(xiàn)預(yù)報過程中的延誤、瞞報、漏報情況，做到責(zé)任追溯。

3)隧道超前地質(zhì)預(yù)報快速響應(yīng)系統(tǒng)改變了隧道各參建單位之間的溝通方式，減少了中間環(huán)節(jié)，加強(qiáng)了隧道超前地質(zhì)預(yù)報的指導(dǎo)作用，提高了隧道施工的信息化程度。

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