梁策 蘇靖棋 安哲立

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2.鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)一般分為計(jì)劃、實(shí)施、問題反饋3個(gè)階段[1]。鐵路隧道施工地點(diǎn)多數(shù)位于道路交通和通信不暢的山區(qū)，各單位間、各專業(yè)間的信息傳遞難度大，要做到對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)各階段的及時(shí)、有效管理還存在一定的困難[2]。王勇等[3]提出預(yù)報(bào)快速響應(yīng)機(jī)制，從信息快速共享、結(jié)果追蹤、責(zé)任落實(shí)等方面，解決預(yù)報(bào)信息延誤的問題。李文韜等[4]將BIM與數(shù)值模擬、圍巖量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源的管理。苗棟[5]提出基于災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的隧道不良地質(zhì)綜合超前預(yù)報(bào)方法，以分段評(píng)價(jià)綜合預(yù)報(bào)的方式實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)管理。借鑒上述研究成果，基于互聯(lián)網(wǎng)研發(fā)能支持參建單位協(xié)同辦公的超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“信息系統(tǒng)”），將能有效解決超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理的困難。然而，及時(shí)開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的監(jiān)測(cè)手段和方法，目前還有待明確；如何以簡(jiǎn)潔明了的方法判識(shí)掌子面前方的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)并以直觀的彩色圖形表示風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別，將決定信息系統(tǒng)是否容易操作和推廣應(yīng)用。

1 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的預(yù)警機(jī)制

1.1 預(yù)報(bào)時(shí)效性的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

未及時(shí)開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可能導(dǎo)致潛在的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)沒有被發(fā)現(xiàn)，甚至引發(fā)隧道施工事故。因此，應(yīng)對(duì)時(shí)效性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，建議按臨近提醒和延誤報(bào)警進(jìn)行兩級(jí)管理。Q/CR 9217—2015《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)規(guī)程》）對(duì)連續(xù)預(yù)報(bào)時(shí)各種預(yù)報(bào)方法的間隔距離或重疊長度進(jìn)行了規(guī)定。隨著掌子面的掘進(jìn)可以計(jì)算出下次要做預(yù)報(bào)的里程位置，或依據(jù)掘進(jìn)速度推算出下次預(yù)報(bào)的時(shí)間，臨近時(shí)要提醒；如果掘進(jìn)已經(jīng)越過了應(yīng)做預(yù)報(bào)的里程位置則視為延誤，應(yīng)隨即報(bào)警。

1.2 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警包括單項(xiàng)預(yù)報(bào)的初步提醒和綜合預(yù)報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，其實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。首先根據(jù)不同預(yù)報(bào)距離（長、中長、短）、不同預(yù)報(bào)方法（地質(zhì)調(diào)查法、物探法、鉆探法等）、不同預(yù)報(bào)精度的各個(gè)單項(xiàng)預(yù)報(bào)，形成單項(xiàng)預(yù)報(bào)結(jié)論，該結(jié)論屬于快速的、粗略的初步判斷；再對(duì)各個(gè)單項(xiàng)預(yù)報(bào)結(jié)論綜合分析，形成綜合預(yù)報(bào)結(jié)論，該結(jié)論屬于詳細(xì)的、可靠的復(fù)合判定[6]。綜合預(yù)報(bào)遵循“以地質(zhì)分析為核心，物探與地質(zhì)分析結(jié)合，洞內(nèi)外結(jié)合，長短預(yù)測(cè)結(jié)合及物性參數(shù)互補(bǔ)”的原則，根據(jù)預(yù)報(bào)對(duì)象的地質(zhì)特點(diǎn)采取2種或2種以上有效的預(yù)報(bào)方法，對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析，預(yù)報(bào)結(jié)論相互驗(yàn)證且基本相符。依據(jù)單項(xiàng)預(yù)報(bào)結(jié)論進(jìn)行地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的提醒，依據(jù)綜合預(yù)報(bào)結(jié)論進(jìn)行地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警。地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)按照綠色、黃色、紅色進(jìn)行3級(jí)劃分和彩色圖像化管理，其中綠色表示無風(fēng)險(xiǎn)或風(fēng)險(xiǎn)較低，黃色表示中等風(fēng)險(xiǎn)，紅色表示風(fēng)險(xiǎn)較高。

圖1 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警流程

2 預(yù)警判識(shí)方法

2.1 臨近提醒和延誤報(bào)警的判識(shí)方法

2.1.1 預(yù)報(bào)進(jìn)程

上次預(yù)報(bào)結(jié)束里程與下次預(yù)報(bào)起始里程有間隔距離，這種情況定義為非連續(xù)預(yù)報(bào)模式。其進(jìn)程如圖2所示。其中：A為上次預(yù)報(bào)結(jié)束里程；B為當(dāng)前掌子面里程；C為下次預(yù)報(bào)起始里程。

圖2 非連續(xù)預(yù)報(bào)模式進(jìn)程示意

已實(shí)施預(yù)報(bào)的起始里程，還未到或剛好到上次預(yù)報(bào)結(jié)束里程，即相鄰2次預(yù)報(bào)段落有重疊或無縫接續(xù)，這種情況稱為連續(xù)預(yù)報(bào)模式。其進(jìn)程如圖3所示。圖3（b）中，A'為上次掌子面素描的里程，C'為下次掌子面素描的里程。

圖3 連續(xù)預(yù)報(bào)模式進(jìn)程示意

為便于表述，以下A和A'統(tǒng)一記為A，C和C'統(tǒng)一記為C。

若B尚未到達(dá)C，則認(rèn)為當(dāng)前掌子面仍處于臨近下次預(yù)報(bào)起始位置的狀態(tài)，C-B為臨近距離；若B越過了C，則認(rèn)為預(yù)報(bào)處于延誤狀態(tài)，B-C為延誤距離（反向開挖，即從大里程向小里程開挖時(shí)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)乘以-1）。

2.1.2 臨近提醒的判識(shí)方法

設(shè)置臨近提醒的長度閾值上限Δmax和下限Δmin，對(duì)C-B進(jìn)行判斷，若Δmax>C-B>Δmin，則認(rèn)為進(jìn)入臨近狀態(tài)，提醒需要開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。也可以按C-B除以平均掘進(jìn)速度，以得到的天數(shù)是否處于時(shí)間閾值的上下限內(nèi)進(jìn)行判斷。例如，最近7 d平均掘進(jìn)速度v=3 m/d，若需臨近2 d提醒，滿足2>（C-B）/v>0條件即可進(jìn)行臨近提醒。

2.1.3 延誤報(bào)警的判識(shí)方法

1）C的取值

對(duì)于非連續(xù)預(yù)報(bào)模式，C直接取下次預(yù)報(bào)起始里程。

對(duì)于非掌子面素描連續(xù)預(yù)報(bào)模式，C按照《技術(shù)規(guī)程》要求的重疊長度δ和上次預(yù)報(bào)結(jié)束里程A推算，C=A-δ；對(duì)于掌子面素描連續(xù)預(yù)報(bào)模式，C按照《技術(shù)規(guī)程》要求的間隔距離l和上次預(yù)報(bào)結(jié)束里程A推算，C=A+l。

關(guān)于δ和l的取值有2個(gè)規(guī)定：①在《技術(shù)規(guī)程》中重疊長度δ若為一個(gè)區(qū)間則取下限值，即用最小重疊長度來推算C；②對(duì)暫未納入《技術(shù)規(guī)程》的新預(yù)報(bào)方法，相鄰2次預(yù)報(bào)的重疊長度δ或間隔距離l根據(jù)管理需要另行取值。

2）延誤長度和延誤次數(shù)的計(jì)算

B-C>0時(shí)開始記錄延誤長度和延誤次數(shù)。具體為：

B-C=0～10 m，延誤0次，記錄延誤長度；

B-C=10～20 m（含10 m），延誤1次；

B-C=20～30 m（含20 m），延誤2次；

……

依次類推。

3）報(bào)警

出現(xiàn)B-C>0即認(rèn)為延誤，隨即報(bào)警，并用延誤長度和延誤次數(shù)表達(dá)嚴(yán)重程度。

2.2 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的判識(shí)方法

2.2.1 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分類

根據(jù)隧道的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件對(duì)隧道施工影響程度及誘發(fā)環(huán)境問題的程度[1]，并結(jié)合參建單位的需求，將地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)分為：①軟弱或破碎圍巖（含軟質(zhì)巖、軟弱結(jié)構(gòu)面、斷層及破碎帶、節(jié)理密集帶、不整合接觸帶、褶皺扭曲帶、破碎巖等）；②涌突水（非巖溶地層）；③巖溶和突水涌泥（巖溶地層、含水溶腔引起的突水涌泥）；④巖爆；⑤高地溫；⑥瓦斯；⑦采空區(qū)；⑧其他地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警判識(shí)

1）軟弱或破碎圍巖風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警判識(shí)

根據(jù)單項(xiàng)預(yù)報(bào)判定的圍巖級(jí)別，對(duì)軟弱或破碎圍巖帶來的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判斷和預(yù)警，見表1。

表1 軟弱或破碎圍巖風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警級(jí)別

2）涌突水（非巖溶地層）風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警判識(shí)

根據(jù)圍巖級(jí)別和涌水特征進(jìn)行判斷和預(yù)警，見表2。

表2 涌突水（非巖溶地層）風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警級(jí)別

3）巖溶和突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警判識(shí)

根據(jù)有無溶洞、巖溶管道及突水涌泥進(jìn)行判斷和預(yù)警，見表3。

表3 巖溶和突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警級(jí)別

4）其余地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警判識(shí)

第④到第⑧類風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警判識(shí)需要預(yù)報(bào)人員通過更加專業(yè)的技術(shù)分析，并結(jié)合管理需要才能確定。

2.2.3 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警報(bào)告

第①類風(fēng)險(xiǎn)的描述由圍巖級(jí)別和預(yù)警級(jí)別組成，如Ⅳ級(jí)圍巖/黃色。第②類和第③類風(fēng)險(xiǎn)的描述由地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)類型和預(yù)警級(jí)別組成，如涌突水/紅色。

在初步提醒和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警時(shí)，除了軟弱或破碎圍巖風(fēng)險(xiǎn)的綠色預(yù)警不用報(bào)告外，其余地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的各級(jí)預(yù)警均需要報(bào)告。

當(dāng)隧道中同一段落出現(xiàn)多類地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)并發(fā)的復(fù)雜情況時(shí)，應(yīng)報(bào)告每類地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)與級(jí)別。如某隧道掌子面前方經(jīng)綜合預(yù)報(bào)認(rèn)為同時(shí)存在軟弱或破碎圍巖風(fēng)險(xiǎn)（Ⅳ級(jí)圍巖，黃色預(yù)警）、涌突水風(fēng)險(xiǎn)（紅色預(yù)警）時(shí)，其地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警為一組綜合風(fēng)險(xiǎn)：Ⅳ級(jí)圍巖/黃色+涌突水/紅色。

3 超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)

結(jié)合預(yù)警機(jī)制和判識(shí)方法，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司研發(fā)了超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)，根據(jù)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警級(jí)別將預(yù)警報(bào)告用彩色圖形表示。信息系統(tǒng)通過終端應(yīng)用軟件輸入所采集的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，將設(shè)計(jì)信息、預(yù)報(bào)結(jié)果和預(yù)警記錄統(tǒng)一管理，從線路、標(biāo)段、隧道和掌子面4個(gè)層次進(jìn)行調(diào)度，滿足建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位和預(yù)報(bào)單位的協(xié)同辦公需求，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程掌握施工進(jìn)度及預(yù)報(bào)情況。信息系統(tǒng)組成及主要功能見圖4。

圖4 超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)組成及主要功能

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

大理至瑞麗鐵路保山隧道位于構(gòu)造剝蝕高中山地貌區(qū)，地形起伏大。隧道穿越褶皺、斷層，不良地質(zhì)為巖溶、滑坡、高地應(yīng)力、順層偏壓等。隧址區(qū)地表水源點(diǎn)多，地下水發(fā)育，主要為基巖裂隙水、巖溶管道水。預(yù)測(cè)隧道最大涌水量約1.6×104m3/d。根據(jù)段落設(shè)計(jì)施工圖要求，采用地質(zhì)調(diào)查、地震波反射、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探測(cè)、超前鉆孔（3孔）、加深炮孔（5孔）等方法進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

4.2 預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

該項(xiàng)目自開工就應(yīng)用了信息系統(tǒng)，主界面見圖5。

截止到2020年5月3日，保山隧道所在的土建3標(biāo)段預(yù)報(bào)完成情況：地震波反射法最低應(yīng)測(cè)9.07 km，實(shí)測(cè)10.60 km，完成率116.9%；超前水平鉆探最低應(yīng)測(cè)9.06 km，實(shí)測(cè)12.17 km，完成率134.3%。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)按計(jì)劃足量開展和落實(shí)。

圖5 超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)信息系統(tǒng)主界面

保山隧道斜井轉(zhuǎn)正洞大里程方向的掌子面計(jì)劃開挖2 680 m，截止到2020年5月3日，累計(jì)開挖1 274 m，完成率約48%。按照預(yù)報(bào)計(jì)劃，現(xiàn)場(chǎng)采用了6種預(yù)報(bào)方法，共探測(cè)748次。臨近提醒32次，延誤預(yù)警2次。提交單項(xiàng)預(yù)報(bào)412份，其中紅色和黃色預(yù)警共67次；提交綜合預(yù)報(bào)37份，其中累計(jì)出現(xiàn)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)紅色預(yù)警6次，黃色預(yù)警12次。2020年4月27日至5月3日已完成98.8 m的預(yù)報(bào)，單項(xiàng)預(yù)報(bào)8次，綜合預(yù)報(bào)1次，延誤預(yù)警0次。2020年4月15日至5月3日地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)紅色預(yù)警及處置措施見表4。參建各方根據(jù)信息系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行協(xié)商，先后采取超前帷幕注漿、I14型鋼鋼架加強(qiáng)（間距1.2 m）的處置措施，并通過協(xié)同辦公實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)的閉環(huán)處置。

表4 2020年4月15日至5月3日地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)紅色預(yù)警及處置措施

5 結(jié)語

從信息系統(tǒng)在工程上的應(yīng)用可以看出，臨近提醒、延誤報(bào)警在時(shí)效性監(jiān)測(cè)方面發(fā)揮了作用，能促進(jìn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)按計(jì)劃及時(shí)、足量地開展和落實(shí)；根據(jù)判識(shí)方法進(jìn)行地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警具有可操作性；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警在信息系統(tǒng)中以彩色圖形表示，能簡(jiǎn)潔直觀地標(biāo)記風(fēng)險(xiǎn)段落和風(fēng)險(xiǎn)程度，便于參建各方及時(shí)跟蹤風(fēng)險(xiǎn)，并通過在線協(xié)同辦公實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的閉環(huán)處置。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)流程比較長，涉及環(huán)節(jié)比較多，報(bào)告、文檔、數(shù)據(jù)量比較大，通過信息系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，可以實(shí)現(xiàn)信息共享和協(xié)同辦公，有助于提高隧道地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)管理水平。