山区隧道涌突水灾害预警系统研究与应用

潘峰

摘要：岩溶地质以及地下暗河情况下的山区隧道在施工过程中极易引发涌突水灾害，给施工设备及人员的安全带来一定影响，因此，对这类隧道工程中的涌突水灾害进行及时预警显得尤为必要。文章提出了基于多元分析法的隧道涌突水灾害预警系统，并结合工程实例完成相关的试验论证工作。试验结果表明，该系统具有良好的工程应用价值。

关键词：山区隧道;涌突水;预警;研究

中图分类号：U456.33 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.07.028

文章编号：1673-4874（2019）07-0089-03

0引言

山区隧道对于缩短地区间的通车里程、提高交通运力、促进当地经济和社会各领域的发展具有重要作用。随着我国隧道施工技术的不断发展，在山区隧道施工的质量和安全性方面的标准正在逐步提高。广西境内的地形多为山区，山区隧道多因地理位置偏僻、结构复杂而具有较高的施工难度，且常伴随有各类地质灾害，在岩溶地质、水系河流较为密集的山区隧道中，涌突水灾害较为常见，给隧道结构的稳定性带来严重影响，对于车辆的通行也埋下一定的安全隐患。山区隧道涌突水灾害的防治工作一直以来都是工程技术人员所关注的重点问题，长期以来，通过该领域专家和学者们的不断探索，相关的研究已取得了较大突破性进展。本文提出了基于多元分析法的涌突水灾害预警系统，通过工程试验完成了对该系统实际预警功能的论证，具有一定的工程应用价值。

1山区隧道涌突水危害及控制措施

1.1涌突水危害

（1）影响隧道结构稳定

涌突水一般与隧道的长度和埋深情况有关。当隧道工程穿过岩溶地质时，极易发生涌突水地质灾害，给隧道结构的稳定性带来不同程度的影响。据相关统计数据分析，在发生涌突水的山区隧道，其本体结构的稳定性降为原隧道的90%左右，即便是增加相应的支护措施，涌突水所引发的隧道结构应力形变仍对隧道的冲击影响呈不可逆的趋势变化。

（2）冲毁设施，堵塞坑道

发生涌突水的山区隧道内部设施可能被冲毁，如信号电缆、指示标牌等，情况严重时还能引起不规则的连锁效应，使隧道内部的设施损坏程度进一步加剧。涌突水也会堵塞坑道，使山区隧道内部车辆及其他交通运输设施的通行变得困难，并危及到人员的生命安全。

（3）地表塌陷，生态污染

涌突水严重的山区隧道，其地表部分的土质结构会变得疏松，稳定性变差，增加了地表塌陷的概率。另外，涌突水也会使附近地层岩溶、水系分布发生改变，破坏原有的生态平衡，不同的水系会发生渗透作用，造成生态污染。

1.2控制措施

（1）以防为主，排堵结合

我国早期的山区隧道施工过程中无专门的防排水措施，主要以衬砌混凝土自身的防水功能为主。在随后的发展中，我国改变了过去隧道施工的防排水措施，提出了以防为主、排堵结合的施工方案，在山区隧道的施工中取得了良好的效果，极大程度上减少了涌突水情况的发生。

（2）查明涌突水来源，因地制宜

在发生涌突水灾害后，应第一时间查明涌突水的具体来源，切忌盲目处理。在进行排水降压时，应注意当岩溶水压超过1.5MPa时应尽量以排水为主，不宜进行封堵，根据现场地质结构的具体条件进行综合判断。

（3）总结经验，制定可行的防排水方案

山区隧道发生涌突水现象较为常见，除与岩溶地质结构有关外，还与隧道施工工艺和工程技术人员对涌突水的处置经验有关。为此，应详细分析近年来发生在岩溶地质条件下的山区隧道涌突水灾害案例，总结涌突水灾害处置和预防的施工经验并进行推广，根据现场地质条件和施工环境，制定切实可行的防排水方案。

山区隧道涌突水危害及控制措施如表1所示。

2基于多元分析法的隧道涌突水灾害预警系统研究

2.1预警系统主要功能分析

涌突水灾害预警系统应具备以下主要功能：

（1）涌突水预警及时性

及时性是涌突水灾害预警系统应具备的首要功能。系统应在第一时间将发现或检测到的涌突水灾害情况及时发出预警，便于工程技术人员及时了解情况并采取适当的补救措施，避免涌突水灾害程度进一步扩大。

（2）涌突水预警准确性

对于发生涌突水的山区隧道的具体位置，预警系统应能准确定位，为后续涌突水处置方案提供准确的工程预警数据。准确性是对涌突水预警系统的根本要求，提高涌突水预警系统的准确性能够在一定程度上缩短涌突水灾害的处置时间，控制灾害范围的进一步扩大并节约工程维护费用。

（3）涌突水预警必要性

预警系统应设置涌突水灾害报警阈值，当涌突水规模超过所设定的閾值后，通过预警机制发出警报，以提醒工程维护人员及时处置。对于比较轻微的山区隧道涌突水现象，应判断产生的具体原因，如果是由于隧道本体结构问题而引起的涌突水现象，则应发出警报。其他情况下发生的比较轻微的涌突水则可以忽略不计。因此，涌突水灾害预警系统应具备判断灾害处置必要性的功能。

预警系统主要功能分析如表2所示。

2.2预警系统核心架构设计

多元分析法的隧道涌突水灾害预警系统核心架构的设计主要考虑到三个元素，分别是I元-涌突水量、Ⅱ元-振动数据（隧道结构稳定性）和Ⅲ元-水位深度（如图1所示）。其中涌突水量是反映隧道内部涌突水的具体程度;振动数据反映了隧道结构稳定性情况;而水位深度主要衡量岩溶水系的位置，与隧道埋深进行对比，判断涌突水压力情况。这三项预警元素通过部署在隧道内部多个位置的无线传感器完成参数指标的采集和传输工作，由无线信号中继站回传至预警监控中心，预警监控中心具有手动和自动发出涌突水灾害警报的功能。手动部分由工程技术人员通过查看隧道涌突水预警监控数据来自行判断是否发出警报;自动部分由预先设定好的各类参数指标警报阈值来进行判断，达到警报阈值后发出涌突水灾害警报。

3工程试验与结果分析

3.1工程概况

防城港市地处广西南部，南临北部湾。经勘测，防城港市山区地势结构复杂，部分区域分布有岩溶地貌，且地下暗河丰富、水系交织。在这类地质结构情况下进行隧道施工极易引发涌突水灾害。以防城港市四方山隧道K348+262m～K348+250m段的施工为例，通过基于多元分析法的隧道涌突水灾害预警系统进行实际工程施工中涌突水灾害的预警试验。

3.2涌突水预警试验

试验过程中选取施工现场的涌突水量、振动数据和水位深度三项参数指标，通过部署在隧道内部的传感器对涌突水量每小时测量1次，振动数据和水位深度选取3个不同位置进行测量，分别对比实测值与标准值的偏差程度，得出涌突水灾害发生的概率评估结果。四方山隧道涌突水灾害预警试验数据如表3所示。

3.3试验结果分析

表3试验数据表明，所选取的涌突水量、振动数据以及水位深度三项指标的实测值均在标准范围之内，表明该段隧道施工过程中发生涌突水灾害的可能性较低，不必通过预警系统发出警报。通过该段隧道实际施工完成情况可知，在施工全过程中，隧道结构稳定性较好，未发生涌突水等影响隧道施工的地质结构灾害，证明了本文研究的山区隧道涌突水灾害预警系统具有较好的工程应用特性。

4结语

本文分析山区隧道涌突水危害及控制措施，设计了基于多元分析法的隧道涌突水灾害预警系统，阐述了预警系统的主要功能，并以防城港市四方山隧道工程的施工为例，进行了山区隧道涌突水灾害预警试验，证明了本文所提出的基于多元分析法的预警系统在山区隧道涌突水灾害预警中的可行性，工程应用价值明显。