公路隧道穿越特大型溶洞安全建造智能预警技术_刘旭斌.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022公路隧道穿越特大型溶洞安全建造智能预警技术刘旭斌1,2,秦浩然3(1.中交四公局第三工程有限公司,北京 100123;2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221000;3 汕头大学 土木与环境工程系,广东 汕头 515063)摘要:目前,我国已是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家,已成为名副其实的隧道及地下工程大国。在我国公路大规模建设和快速发展的过程中,公路隧道将不可避免地穿越岩溶地貌区,且今后类似工程还将越来越普遍。以湖北宣鹤高速公路太平隧道工程为依托,结合现场工程地质及水文地质条件,运用探测雷达对岩溶隧道进行超前地质预报,并运用三维成像扫描技术确定溶洞整体情况。结合超前地质预报结果,确定含溶洞岩溶隧道中影响围岩稳定性的主要因素。运用层次分析法,对整体稳定性进行风险评估。计算结果表明,溶洞对隧道围岩稳定性具有较大影响,在施工过程中,需要充分考虑溶洞的发育。关键词:公路隧道;溶洞突水;智能预警;层次分析法中图分类号:U459.2文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0973-10Intelligent Early-Warning Technology for Safety Construction of Highway Tunnel Crossing Super-Large Karst CaveLiu Xubin1,2,Qin Haoran3(1.Third Engineering Co.,Ltd.of CCCC Fourth Highway Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100123,P.R.China;2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou,Jiangsu 221000,P.R.China;3.Department of Civil and Environmental Engineering,Shantou University,Shantou,Guangdong 515063,P.R.China)Abstract:At present,China is a veritable country of tunnel and underground engineering,which has the world s largest scale and number of tunnel and underground engineering,the most complex geological conditions and structural forms,the fastest growing construction technology.In the process of large-scale highway construction in China,highway tunnel will inevitably cross karst area,and similar projects will be more and more common in the future.Based on Taiping tunnel project of Xuanhe expressway in Hubei Province,combined with engineering geology and hydrogeology conditions,the geological prediction of karst tunnel is carried out by using detection radar,and the overall situation of karst tunnel is determined by using 3D imaging scanning technology.The main factors affecting the stability of surrounding rock in karst tunnel are determined based on the results of advanced geological forecast.At the same time,the analytic hierarchy process is used to evaluate the risk of the overall stability.The calculation results show that karst cave has great influence on the stability of surrounding rock.In the construction process,the development of karst cave should be considered.Keywords:highway tunnel;cave water inrush;intelligent warning;analytic hierarchy process收稿日期:2022-04-01(修改稿)作者简介:刘旭斌(1985),男,甘肃天水人,高级工程师,主要从事岩土工程、隧道工程等领域的工程施工与科研工作。E-mail:65237804 通讯作者:秦浩然(1998),男,四川成都人,硕士生,主要从事岩土工程、隧道工程等领域的理论研究。E-mail:925547566 基金项目:国家自然科学基金(51109209,52074268)0引言近年来,隧道建设发展迅速,需要在许多地形、地貌条件复杂的地区修建隧道。在施工过程中常常会遇到许多地质灾害,加大施工难度。岩溶是一种由于地下水对可溶性岩石溶蚀而形成的地质灾害1-2。在有岩溶分布的区域进行工程建设时,常会遇到大型溶洞3,不同类型的溶洞会对工程建设造成程度不同的破坏。在施工过程中,穿越特大型溶洞的公路隧道会出现突水、突泥4-7;隧道顶板溶洞充填物陷落冒顶8;岩溶裂隙水9等问题,造成人员危险和经济损失,影响施工进度。其中,岩溶隧道中所形成的大型溶洞围岩的稳定性评价一直是工程中所关注的重点;一旦溶洞围岩失稳,所造成的风险和损失最为严重。如何科学有效地对特大型溶洞围岩可能出现的失稳现象进行评价预警对于安全施工有着重大的理论和实践意义。钻探和地球物理探测方法等超前地质预报方法在溶洞勘探中有着重要意义8,10-11。钻探能够直接有效地获取详细地地质资料。地球物理探测能够在复杂的地质条件下进行有效探测。常用的物探方法有瞬变电流法7,12-13、直流电法14、陆地声纳法15、红外探测6,16-18、地质雷达8,10,16-17,19和隧道地震勘探(TSP)8,16-17,20-21等。虽然钻探和物探都已经在某些工程中有了良好应用,但是各种方法都有其局限性。岩溶地质条件不尽相同,只采用一种探预报方法较为单一。多种预报方法相结合可以提高预测精度,参数优化组合是预报的必然趋势16-17。风险评估理论广泛应用于各种施工建设灾害预警。通过风险评估能够确定造成风险的因素,经过定性定量分析,确定风险评估结果。层次分析法(AHP)是风险灾害评估领域的常用方法,是多位专家的经验判断结合适当的数学模型,再进一步运算确定权重,是一种较为合理、可行、新颖的系统分析方法22。它强调人的思维判断在科学决策中的作用,通过一定模式使决策思维过程规范化,适于定性与定量因素相结合的决策问题。洞室围岩是一种复杂的自然地质体,一方面洞室工程性质随空间位置不同而有所差异,即使是同一位置在不同时期的稳定性也不尽相同;另一方面影响和制约洞室围岩稳定的因素是多方面的,程度也各不相同。这就造成了洞室围岩性质及稳定性的界限并不清晰,具有很大的模糊性。因此根据单项资料分析无法完全反映对象真实的安全度和可靠性,存在一定的局限,最终还需要对各种资料从变形和强度等多角度经过综合分析,才能全面认识围岩的稳定状态,并对安全性进行合理的评价。因此,AHP 分析方法 能 够 在 洞 室 围 岩 稳 定 性 的 预 测 中 合 理运用23-24。本文结合宣鹤高速公路太平隧道,通过超前地质预报研究大型溶洞失稳灾害的影响因素,并使用层次分析法结合专家打分确定各影响因素在溶洞失稳灾害中所占权重,根据最大隶属度原则对洞室围岩整体稳定性进行模糊综合评价,对溶洞失稳灾害进行全面评估,结果对于岩溶隧道现场施工时灾害防治具有一定参考意义。1工程概况宣鹤高速公路位于湖北省,太平隧道位于太平乡龙潭村西部约 1 km 处,是鹤峰至宣恩的一座分离式中隧道。左洞起讫里程桩号为 ZK56+840 ZK57+495,长 655 m,最大埋深约 118 m;右洞起讫里程桩号为 ZK56+812 ZK57+470,长 658m,最大埋深 145 m;进口端洞门型式采用削竹式,出口处采用端墙式。1.1地形地貌鹤峰县地处鄂西南褶皱山地,地势西北高、东南低,多山间盆地,平均海拔为 1 147 m,是湖北省高山县之一。燕山运动造就的北东向滨太平洋构造域奠定了该区地形地貌骨架,山脉走向、地形地貌受区域构造及地层岩性控制,呈多字型平行褶皱轴向展布。沿线地形起伏变化大,峰丛林立,山高谷深,总体为构造剥蚀溶蚀中山 低山地貌。本工作区位于太平乡至鹤峰县城一带,主要发育第三级、第四级夷平面,且区内三叠系碳酸盐岩地层广泛出露,岩溶发育,沿 NEE 向构造线形成了岩溶谷地和峰丛洼地等岩溶亚地貌形态。1.2地层岩性工作区基岩层序完整,按由老到新的顺序依次出露:寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系地层。其中,志留系、二叠系、三叠系479地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷地层出露较全,广布全区;泥盆系、石炭系地层发育不全,仅沿向斜两翼呈带状分布;第四系地层主要分布于河流两岸及沟谷、洼地底部。1.3地质构造工作区处于新华系湘黔边境褶皱带的北端。由于受长阳东西向构造带的影响,构造线方向呈现往东偏转,同时在总体构造组合形态上带有扭动的迹象。这种构造的特点表现为一系列北东向褶皱和压扭性断裂及与其直交或斜交的张扭性或扭性断裂,在结构形式上组成多字型构造。受区域构造线控制,主要发育三组构造裂隙。隧道区地质构造如图 1 所示。图 1隧道区地质构造Fig.1Geological structure of the tunnel 1.4地下水系统太平 鹤峰地下水系统出口于溇水干流右岸岸边出露,暗合惊险洞垂直纵向发育有 4 层溶洞。该出口充分体现了溶蚀作用的向深性和成层性,其中顶部溶洞规模最大,洞口近圆形;第二层溶洞呈三角形,呈缓坡向洞内延伸 20 余米后与顶部洞体相通,部两层溶洞呈缝隙状。地下河出口断面及现场如图 2 所示。2综合超前地质预报技术2.1 TRT6000 结合现场调查宣鹤高速公路太平隧道掌子面围岩为三叠系下统嘉陵江组中风化中薄层状灰岩,属较硬岩,质地较坚硬,强度较高,层理极其发育,层面光滑,层间夹泥,结合差,岩层产状为 18247。节理、裂隙发育,见一组(条)具有规律性,其产状为 27780,岩体破碎,多呈裂隙块状、块碎镶嵌状结构,隙间夹泥。地下水不甚发育,岩体多较潮湿。围岩自稳能力差,隧道开挖拱部极易掉块。掌子面围岩状况如图 3 所示。溶洞与隧道交叉部位如图 4所示。通过 TRT6000 结合现场地质调查法,可以推断出 ZK56+864 ZK56+986 段围岩地质情况,具体地质情况见表 1。T