岩溶发育区隧道超前地质预报管理及风险评估研究

田 忠 陈禹成 赵远庆 冯 升 丁 洁

(1.湖北交投鄂西高速公路建设管理有限公司 武汉 430051； 2.湖北省交通规划设计院股份有限公司 武汉 430051)

鄂西南地区以山区地形为主，天坑、地缝、绝壁、峰丛、岩柱群、溶洞等岩溶地貌一应俱全。岩溶带来奇特的自然风光，同时也给工程建设带来不利影响，特别是隧道施工。

地质超前预报工作是岩溶区隧道施工必要环节，例如，康全国等[1]对鄂西南地区重要岩溶地貌地质遗迹进行调查和归类，并对岩溶地貌形态特征和成因进行了分析。郭明[2]依托鄂西山区岩溶隧道，探讨了岩溶发育机制及特征，并提出了隐伏溶洞影响隧道围岩稳定性评估方法。孟凡滨[3]结合汶马高速米亚罗3号隧道突水突石及瓦斯异常涌出事故，对所采取的超前地质钻探预测预报措施进行了介绍和分析。李术才[4]研发了性能更强的具有自主知识产权的陆地声纳第三代仪器。房昱纬[5]提出了一种基于神经网络的钻探测试数据智能分析和地层识别方法。冯春萌等[6]重点分析了意大利Casagrande C6系列多功能水平钻的实际应用情况，对设备性能、原理等作了详细阐述。周轮等[7]依托齐岳山隧道工程，提出隧道综合超前地质预报技术，阐述了综合超前地质预报流程，并根据预报结果采取相应处治措施。李志林等[8]利用神经网络理论和小臂分析及模糊评价法，建立了岩溶突水安全风险评估模型，并成功预测了齐岳山隧道掌子面前方岩溶水。

目前关于隧道超前地质预报研究主要集中在技术方面，将超前地质预报技术与现场管理相结合的研究很少。笔者认为超前地质预报管理是超前地质预报和现场施工之间必不可少的衔接环节，一套好的管理办法对超前地质预报具有重要指导意义。

本文依托鄂西南地区在建的张南高速公路和建成的利万高速公路项目，在现有研究基础上，从项目管理角度出发，提出扁平化管理体系、三级预警制度和岩溶隧道地质灾害风险评估方法，并在工程中验证其有效性。

1 隧道超前地质预报

1.1 超前地质预报技术

隧道超前地质预报是指利用钻探和现代物探等技术，探测隧道、隧洞等地下工程的岩土体开挖面前方的地质情况，力求在施工前掌握前方的岩土体结构、性质、状态，以及地下水、瓦斯等的赋存情况、地应力情况等地质信息的一种手段。

隧道地质预报方法主要有：地质调查法、超前钻探法、物理勘探法(TSP法、TGP法和TRT法)、超前导洞法、水利联系观测法等。地质调查法是隧道施工超前地质预报的基础，适用于各种地质条件；物理勘探法适用于长、特长隧道或地质条件复杂隧道的超前地质预报；超前导洞可采用平行超前导洞和隧道超前导洞法，两座并行隧道根据先行开挖的隧道，预测后开挖隧道的地质条件。

1.2 岩溶隧道地质灾害

受地下隐伏溶洞影响，隧道围岩地应力重新分布，从而导致隧道支护结构发生开裂、变形等病害；受溶洞填充物的影响，隧洞施工时易发生突泥涌水、塌方等严重的地质灾害；地下溶洞揭露袭夺地表水，易造成地表沉降、水源枯竭等恶性后果。故突泥涌水、塌方是岩溶发育区隧道超前地质预报重点预测的地质灾害。

2 隧道超前地质预报管理模式

当前，鄂西南地区隧道施工主要采用新奧法施工，隧道超前地质预报是隧道围岩级别鉴定、隧道地质灾害预测的必要环节。

隧道超前地质预报管理过程中，主要有以下问题：隧道施工现场情况复杂，超前地质预报现场工作与隧道现场施工冲突；涉及多个参建单位，各参建单位沟通不畅，信息传递效率低；现场超前地质预报过程监管困难，预报准确度缺乏保障。针对以上问题，借鉴成功的项目管理经验，提出扁平化管理模式。

2.1 扁平化管理模式

扁平化管理模式是20世纪90年代兴起的管理模式，倡导各层管理人员之间、管理者与执行者之间平等的项目管理理念，其方法是缩减管理层次、扩大管理幅度，从而提高组织机构执行力、效率。

根据扁平化管理模式理念，设计隧道超前地质预报管理体系，隧道超前地质预报管理体系流程图见图1。该管理体系改变以往多层管理模式，仅分3层。

图1 隧道超前地质预报管理体系流程图

2.2 三级预警管理制度

根据《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》，对隧道地质预报实行三级预警管理制度，由超前预报单位及时发出预警。I级警报暂停施工，由建设单位组织各方商讨解决，必要时邀请专家召开研讨会；II级警报谨慎施工，由技术管理处组织各方商讨解决；III级警报正常施工，监理单位牵头组织施工单位和预报单位应密切关注洞内外情况，必要时升级警报等级。

隧道超前预报总体归口建设单位(总监办)管理，技术管理处协助管理，项目分部、设计单位、监理单位、施工单位和预报单位共同参加。建设单位(总监办)负责全面工作，负责组织各单位商讨I级警报的应对措施；项目分部负责现场协调各相关单位的工作，组织各单位商讨II级警报的应对措施；设计单位负责提供有关的设计资料，参与风险等级为I～III级警报的“实施方案”的评审工作；监理单位负责现场管理工作，对风险等级为III级的警报进行处理；施工单位协助开展隧道超前预报工作，严格按设计要求、超前预报要求及指令进行施工；超前预报单位负责现场实施，建立隧道预报和监测的预警制度，及时提交预警报告。

超前预报单位根据搜集到的资料，结合各隧道总体风险等级有针对性地编制超前预报实施方案，依规报批获得施工许可后方可展开实施，再依据超前预报实施效果向相关单位发出I～III级警报，最后按不同权限组织各参建方讨论处治措施并实施。

3 岩溶隧道地质灾害风险评估法

为了动态掌握掌子面前方地质情况、降低对掌子面前方岩溶和其它不良地质的预报误判率、明确可能诱发地质灾害的风险源，以便对原设计地质情况进行辨识和再分析，并根据反馈信息提出规避风险的实施方案，进行动态设计和施工，隧道超前地质预报动态设计流程图见图2。

图2 隧道超前地质预报动态设计流程图

3.1 涌水突泥事故评估

涌水突泥是岩溶区隧道的主要地质灾害之一。地下水的力学作用有静水压作用和劲水压作用，这2种作用都能使岩体发生水力劈裂，使裂隙连锁增加张开度增大，从而增加渗透力，使局部隔水屏障作用被突破，地下水位高出，从而形成涌水突泥。

隧道施工区段涌水突泥事故分值计算方法见式(1)。

P=γ·B1(A1+C1)

(1)

式中：γ为折减系数；A1为岩溶发育程度；B1为断层发育段；C1为周围水体情况。A1，B1，C1取值方法见表1。

表1 涌水突泥事故可能性评估

涌水突泥事故可能性和预警等级标准见表2。

表2 涌水突泥事故可能性和预警等级标准

3.2 坍塌事故评估

隧道施工区段坍塌事故分值计算方法见式(2)。

P2=γ(C2×A2+B2+D2+E2+F2)

(2)

式中：A2为围岩级别；B2为断层破碎情况；C2为渗水状态；D2为地质符合性；E2为施工方法；F2为施工步距。A2～F2取值见《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》。

坍塌事故可能性和预警等级标准见表3。

表3 坍塌事故可能性和预警等级标准

4 实施效果

通过对岩溶隧道地质灾害风险评估，再选择合适的超前地质预报技术，提高了超前地质预报效率，从而避免多起潜在的涌水突泥、坍塌地质灾害发生，节约了工程费用，可产生良好的经济效益和社会效益。以利万高速齐岳山隧道为例，按上述地质灾害风险评估方法及超前预报管理模式进行管理，超前地质预报精准率见表4。

5 结语

实施隧道超前地质预报扁平化管理模式、三级预警管理制度和岩溶隧道地质灾害风险评估法为鄂西南岩溶发育区隧道工程按期完工提供了保障，节约了投资，为施工创造了便利条件，实践证明管理模式合理可行。

隧道超前地质预报扁平化管理模式减少管理层级、精简人员，三级预警管理制度细化了隧道超前地质预报管理流程，利于超前地质预报工作推进和监管。

岩溶隧道地质灾害评估法充分考虑隧道现场实际，对事故风险进行定量化的评估，为岩溶区隧道安全施工提供有力保障。