談淺埋隧道塌方災(zāi)害智能預(yù)警方法
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【摘要】針對(duì)城市淺埋地鐵隧道建設(shè)過程中的塌方災(zāi)害預(yù)警問題，提出了一種基于多物理場信息監(jiān)測的智能預(yù)警方法，通過將上述智能預(yù)警方法與某地鐵塌方案例數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了智能預(yù)警方法的有效性。
【關(guān)鍵詞】城市地鐵隧道；塌方災(zāi)害；智能預(yù)警方法
1引言
隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，大城市的發(fā)展日新月異，由此也帶來了一些交通組織的問題。在大城市中，市民日常出行交通流量及交通密度巨大，常規(guī)的地面交通網(wǎng)絡(luò)難以承擔(dān)如今城市規(guī)模的市民出行需求，城市交通通行能力幾乎處于癱瘓的邊緣。城市地鐵修建于城市地表面以下，對(duì)地上城市交通不會(huì)造成影響，同時(shí)可提供巨大的人員輸送能力，尤其當(dāng)城市地鐵隧道成網(wǎng)之后，其人員輸送能力巨大。目前，城市地鐵隧道網(wǎng)絡(luò)是大城市運(yùn)行不可缺少的組成部分，地鐵可承擔(dān)巨大流量的城市交通人流，為城市市民出行創(chuàng)造極大的便利。伴隨當(dāng)前城市隧道的大規(guī)模建設(shè)，隧道施工建設(shè)往往會(huì)遇到各種類型的不良地質(zhì)[1-3]，時(shí)刻面臨涌水潰砂、塌方等災(zāi)害的嚴(yán)重威脅。上述地質(zhì)災(zāi)害會(huì)嚴(yán)重影響城市運(yùn)營安全，導(dǎo)致交通中斷、人員傷亡、建筑物損壞等。因此，如何對(duì)隧道塌方等災(zāi)害進(jìn)行有效預(yù)警，以便提前采取相關(guān)控制措施[4]來保證隧道建設(shè)運(yùn)營安全，這對(duì)保障城市安全至關(guān)重要。針對(duì)城市地鐵隧道建設(shè)過程中的塌方災(zāi)害預(yù)警問題，下文提出了一種基于多物理場信息監(jiān)測的智能預(yù)警方法，通過將上述智能預(yù)警方法與某地鐵塌方案例數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了智能預(yù)警方法的有效性。
2城市地鐵隧道塌方災(zāi)害智能預(yù)警方法
2.1地鐵淺埋隧道塌方災(zāi)害理論
以往城市隧道塌方理論多研究由于隔水圍巖結(jié)構(gòu)破壞引發(fā)的上覆軟弱地層垮塌陷落，然而城市地鐵隧道埋深較淺，掌子面開挖往往大規(guī)模直接露出富水軟弱地層，臨災(zāi)地層具有特殊的邊界條件并呈現(xiàn)典型滲透失穩(wěn)特點(diǎn)，導(dǎo)致現(xiàn)有的塌方理論難以適用。基于多尺度隧道塌方模擬試驗(yàn)，建立了淺埋隧道塌方破壞過程理論模型（見圖1），該模型由剛性塊體I（OABC）、塊體III（OEF）與剪切變形塊體II（OCE）三部分組成，不同塊體具有不同的運(yùn)動(dòng)速度，富水軟弱地層對(duì)塊體I施加的壓力為p，隧道開挖高度、隧道埋深、不良地質(zhì)厚度、距地表距離分別為D、H、t、h，基于理論分析結(jié)果獲得了災(zāi)變過程中顆粒運(yùn)移及地下水流場時(shí)空分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了富水軟弱地層自由應(yīng)力拱的形成條件。分析了滲透作用下砂顆粒流失→孔隙增大→流量增大過程，揭示了水－介質(zhì)耦合作用下的滲透失穩(wěn)塌方機(jī)理，為地鐵淺埋隧道塌方災(zāi)害提供理論依據(jù)。
2.2塌方災(zāi)害智能預(yù)警方法
①基于分布式光纖傳感技術(shù)，構(gòu)建城市地鐵隧道施工期多物理場信息大規(guī)?？臻g連續(xù)傳感網(wǎng)絡(luò)，通過該傳感網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)隧道施工期位移場、應(yīng)力場、滲流場等多物理場的實(shí)時(shí)監(jiān)測。②獲取地鐵淺埋隧道施工過程中的多場信息監(jiān)測數(shù)據(jù)及多維災(zāi)害源感知識(shí)別信息，多維災(zāi)害源為隧道施工掌子面前方各種不良地質(zhì)體，如富水砂層、空洞、淤泥地層等易誘發(fā)隧道塌方災(zāi)害的不良地質(zhì)體。③在多場信息監(jiān)測數(shù)據(jù)及多維災(zāi)害源感知識(shí)別信息獲取基礎(chǔ)上，基于層次分析理論建立地鐵淺埋隧道施工期安全預(yù)警指標(biāo)體系及相應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估預(yù)警理論模型與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法，預(yù)警因素考慮施工因素（包括施工工法、隧道規(guī)模、隧道埋深、地下水處治措施等）、復(fù)雜城市環(huán)境因素（市政道路、市政管線、地鐵周邊建筑物等）、超前處治措施（超前支護(hù)措施、超前加固措施等），預(yù)警結(jié)果進(jìn)行分級(jí)輸出，可分為高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)。通過上述地鐵淺埋隧道塌方災(zāi)害智能預(yù)警方法可實(shí)現(xiàn)地鐵隧道施工過程中災(zāi)害的有效規(guī)避，為保障城市地鐵建設(shè)安全。
3城市地鐵淺埋隧道塌方案例驗(yàn)證
某地鐵工程區(qū)間隧道位于城市某市政道路下方，隧道為分離式單洞單線暗挖隧道，隧道拱頂埋深18m左右，上覆強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化巖層2m～3m，上覆基巖以上為富水中粗砂層，中粗砂層厚度為10m～15m，隧道開挖過程中存在潰砂塌方風(fēng)險(xiǎn)。將本文中的塌方災(zāi)害智能預(yù)警方法應(yīng)用于本工程中，基于分布式光纖傳感技術(shù)，構(gòu)建本工程隧道施工期多物理場信息大規(guī)模空間連續(xù)傳感網(wǎng)絡(luò)，通過該傳感網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)現(xiàn)了隧道施工期位移場、應(yīng)力場、滲流場等多物理場的實(shí)時(shí)監(jiān)測。在隧道開挖施工過程中對(duì)隧道掌子面前方的多物理場信息數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬監(jiān)測分析，后續(xù)在多物理場信息監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于層次分析理論，建立了符合本工程特點(diǎn)的塌方風(fēng)險(xiǎn)安全預(yù)警指標(biāo)體系與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分方法，最終確定本工程塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高風(fēng)險(xiǎn)。在隧道施工過程中，當(dāng)隧道爆破至距離在建車站25m位置掌子面時(shí)，隧道發(fā)生潰砂塌方災(zāi)害，塌方災(zāi)害持續(xù)發(fā)展，洞內(nèi)涌出物不斷增加（見圖2），直至地表出現(xiàn)大規(guī)模塌陷（見圖3），塌陷區(qū)面積約為500m2，相應(yīng)的市政道路交通中斷，隧道塌方災(zāi)害現(xiàn)狀與采用本文智能預(yù)警方法所預(yù)測的高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)相匹配，一定程度上證明了本文智能預(yù)警方法的有效性。
4結(jié)語
城市淺埋隧道塌方災(zāi)害智能預(yù)警方法對(duì)于城市地鐵隧道建設(shè)安全具有重要意義，通過對(duì)隧道施工過程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行智能預(yù)警，提高城市地鐵建設(shè)過程風(fēng)險(xiǎn)防控水平，必將有效推動(dòng)行業(yè)科技進(jìn)步。
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作者：余俊 翁賢杰 單位：江西省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督管理局
