隧道安全预警及安全管理要点分析

杨朝栋，许建文，梁海深，黄 涛，董学盛

（1.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530200；2.广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530200；3.广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200）

0 引言

近年来，各类隧道工程施工过程中，由于施工环境复杂、地质条件差、影响因素多等原因，隧道事故呈现“易发、频发、多发”等特点[1]。及时有效的安全预警处置和安全管理机制，是避免安全生产事故发生的有效手段。超前地质预报是安全预警的基础，杨健等[2]结合光纤光栅数据采集技术，建立了隧道结构健康监测信息化系统，实现隧道安全信息化监测预警功能。邓洪亮等[3]采用三维激光扫描系统结合Leica TPS1200全站仪，实现了隧道施工安全风险预警预报和风险分级管理，表明三维激光扫描能够建立较准确的隧道地质实景模型。何高峰等[4-5]结合BIM（建筑信息模型）及GIS（地理信息系统）技术建立复杂地质环境下地铁隧道三维可视化模型，实现隧道结构安全风险评估以及安全预警。陈立潮等[6]基于图像处理技术，提出了一种裂缝宽度计算方法，能够实现有效的危害性评级与安全预警。随着试验检测技术的发展，隧道施工的安全性以及预警机制能够有效实现。结合地质雷达以及TSP探测技术，结合三维激光扫描建立曲面数字化模型，提出隧道预警处置和安全管理机制，并运用于武忻高速公路隧道溶洞处置过程。

1 工程概况

武忻高速公路起点位于武宣县二塘镇渠盏村附近接柳武高速公路，整体由东向西，终点位于忻城县古蓬镇板桑屯附近接宜上高速公路（规划），如图1所示。全线设置隧道17座，其中特长隧道1座，长隧道7座，中隧道7座，短隧道2座。来宾3号隧道（左洞长839.5 m，右洞长835 m）掌子面由小里程向大里程方向掘进，开挖方式为上下台阶开挖法。

图1 来宾3隧道号进口无人机现场照片

在隧道开挖和围岩支护过程中，施工通常存在较高的危险性、突发性以及伤亡事故等特点，被认定为高风险施工工程[7]。结合2-2标段来宾3号隧道溶洞处理施工背景，提出隧道预警处置和安全管理机制，并提出相关安全管理要点。

2 实景模型建立及溶洞处理方案

在掌子面ZK56+335.5使用地质雷达探测时发现有异常，监控量测单位使用TSP地震波探测给予印证，经专家分析发现前方有较大溶洞。为详细探明情况，进一步验证物探所发现对异常，采用超前钻进一步进行印证。为确保洞内工作人员安全，停止掌子面施工，封闭现场，总监办专人值守，待进一步处置方案确定后再有序开展工作。

2.1 实景模型建立

2.1.1 地质雷达探测

地质雷达探测的工作原理是利用在探测剖面上移动的发射天线向需探测区域发射电磁波，电磁波在岩体内传播时遇到介电参数差异较大的界面时，就会产生反射、透射和折射等现象；反射回的电磁波被与发射天线同步移动的接收天线接收后，由地质雷达主机记录下其波形与运动特征，再经过专业软件进行信号处理，形成全断面的扫描图像，通过对该图像的分析、解译，判断反射界面的性质与分布情况。通过综合地质编录资料，进而确定探测区域的不良地质体的位置、规模。

开挖至左洞掌子面里程为ZK56+335.5，掌子面为中风化灰岩，青灰色，中厚层状，岩质较硬，岩体较破碎～破碎，节理裂隙发育，溶蚀强发育，岩溶强发育，发育较大规模岩溶，掌子面右侧发育一规模高度为7 m，宽度为3m的岩溶，充填砂质黏土，黏土为黄褐色，可塑，稍湿，如图2所示。掌子面拱顶揭露一厅堂式溶洞，溶洞中心线长约108 m，最大宽度约25 m，最高处约13 m。地质调查时掌子面拱脚有成股状流水，围岩整体稳定性极差，易发生局部塌方涌泥等地质灾害。

图2 掌子面地质素描

2.1.2 TSP地震波探测

常布置在地层或构造的走向与隧道轴向相交成锐角的边墙，大约24个炮点）用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面（如断层、破碎带和岩性变化等）时，一部分地震信号反射回来，如图3所示。一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的加速度地震传感器接收并以数字形式记录下来。采集数据通过AmbergTSP Plus专用软件处理，通过与掌子面地质素描结合的综合分析便可了解隧道工作面前方地质体的性质（软弱岩带、破碎带、断层、含水岩层等）、位置及规模，见表1。TSP地震波反射探测仪器采用瑞士产TSP 303 Plus型。

图3 TSP探测原理

表1 设计围岩等级与预报建议围岩等级表

2.1.3 超前钻验证

7#～10#孔孔深根据钻探情况钻深30～50 m，7#孔斜向上5°～10°，8#孔为中线偏左10°，9#孔为往下与水平方向呈10°，10#孔为水平方向，如图4所示，进一步查明前方地质情况。通过超前钻探，能够提前确定前方的地质情况，确保施工安全，同时可以验证地质雷达以及TSP地震破探测的检测准确性。其中，经过探测在掌子面拱顶揭露一厅堂式溶洞，因此在7#孔斜向上5°～10°进行钻探，确保并验证溶洞的位置，便于建立施工安全预警机制。

图4 钻孔示意图

2.1.4 三维激光建立实景模型

三维激光扫描技术是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。通过对隧道溶洞的空间进行测量，可快速测得物体的轮廓集合数据，并加以建构、编辑、修改，生成通用输出格式的曲面数字化模型，直观地展示溶洞规模及形状，如图5所示。

图5 三维激光扫描成果图

2.2 溶洞处理方案

通过建立的实景模型，可以确定溶洞的具体位置和大小，在隧道施工中需要对其进行处理，确保施工的安全性。其中对于溶洞的处理分为两种情况。

（1）穿越溶洞段。基底存在熔岩填充物等软弱体时采用钢管桩进行地基处理，如图6所示。通过钢管桩加强软弱地基的强度，同时钢管桩穿过软弱地基，底部固结于岩石地质，结合两层钢筋网和混凝土，实现软弱地基的处理，加强承载能力以及施工安全性。

图6 溶洞处置方案1

（2）拱顶溶洞段。设置护拱，护拱上设置不小于1 m的泵送C30混凝土或轻质泡沫混凝土，预留直径为30 cm的泄水孔，如图7所示。通过护拱以及混凝土，加强隧道的强度，防止溶洞对隧道的直接冲击。同时结合泄水孔，实现溶洞的排水，避免溶洞水对隧道的冲蚀。

图7 溶洞处置方案2

3 隧道预警处置机制及安全管理要点

通过上诉来宾三号隧道从探明隧道异常，到准确查明问题，发出预警，采取有效防控措施进行防范。隧道预警处置机制建立是有必要的，同时提出安全处置要点为后面的隧道施工做出了指导。地质预报预警流程如图8所示；监控量测预警流程如图9所示。

图8 地质预报预警流程

图9 监控量测预警流程

3.1 隧道预警处置机制

监控量测和超前地质预报实施过程中存在的问题，主要体现在人员素质参差不齐、仪器配置不完善、监管职责不到位、设计施工各方配合不足等方面[8]。建立有效的隧道预警处置机制，针对性地采取措施，将事故消灭在萌芽状态，有效防范事故发生的有效机制，对地质预报、监控量测进行有效管理，确保安全体系的有效运行。

（1）预警机制：地质预报、监控测量和其他（如出现有毒气体等），经分析，均可做出预警发布。

（2）预警组织机构：快速响应隧道施工预警，及时提供控制与处理对策，确保隧道施工安全，设置预警组织机构。

（3）预警风险等级划分：可将有较大地质（监控量测）问题（如预报中的岩溶、突水、突泥、较大的破碎带，监控量测中的变形加速、支护变形、开裂等），存在较大结构、施工安全风险的，定义为I级（红色）；应立即停止施工、撤离人员；在确保安全作业前提下，提出消除安全风险进一步措施。轻微地质（监控量测）危害情况，定义为II级（黄色）；谨慎施工，加强动态巡查；加强监控量测、补充地质预报。

（4）预警信息发布：地质预报、监控量测单位根据风险等级，及时发布预警信息。

（5）分级预警处置措施：根据安全风险等级，决定是否启动应急预案和监控量测的频次，邀请专家提出处置方案。

3.2 安全管理要点

两种不同物探技术印证，物探和钻探技术相互印证，及时把复杂的物探技术成果由专家把关，这就是武忻高速隧道施工中使用的“双双印证加专家支持”预报预警措施，有效保证了地质预报的准确性。

（1）地质雷达超前地质预报和TSP地震波超前地质预报等多种物探手段要结合使用，保证物探的准确性和覆盖面。

（2）对地质雷达等物探技术，探测方案和图形识别是需要一定经验性、较难的工作，专家给予把关非常重要。

（3）对物探发现有异常掌子面前方，要使用超前水平地质钻探进一步探明前方地质情况。

（4）探明掌子面前方地质情况，迅速启动预警体系，采取必要措施，确保人员和财产安全。配备充足的应急物资，应付各种突发情况。

4 结语

隧道工程由于施工环境复杂、受地质影响大，建立及时有效的安全预警机制和安全管理程序，是保证施工安全性的有效方法，是避免安全生产事故发生的有效手段。依托武忻高速来宾三号隧道溶洞处置，分析了监控量测和超前地质预报实施过程中存在的问题，建立了隧道安全预警处置机制及安全管理机制，强调了“双双印证加专家支持”超前地质预报安全管理要点。为确保隧道施工安全及时预警，避免事故发生具有一定指导意义。