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【摘要】針對城市淺埋地鐵隧道建設過程中的塌方災害預警問題，提出了一種基于多物理場信息監測的智能預警方法，通過將上述智能預警方法與某地鐵塌方案例數據進行對比分析，驗證了智能預警方法的有效性。

【關鍵詞】城市地鐵隧道；塌方災害；智能預警方法

1引言

隨著我國城市化進程的不斷加快，大城市的發展日新月異，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，常規的地面交通網絡難以承擔如今城市規模的市民出行需求，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，對地上城市交通不會造成影響，同時可提供巨大的人員輸送能力，尤其當城市地鐵隧道成網之后，其人員輸送能力巨大。目前，城市地鐵隧道網絡是大城市運行不可缺少的組成部分，地鐵可承擔巨大流量的城市交通人流，為城市市民出行創造極大的便利。伴隨當前城市隧道的大規模建設，隧道施工建設往往會遇到各種類型的不良地質[1-3]，時刻面臨涌水潰砂、塌方等災害的嚴重威脅。上述地質災害會嚴重影響城市運營安全，導致交通中斷、人員傷亡、建筑物損壞等。因此，如何對隧道塌方等災害進行有效預警，以便提前采取相關控制措施[4]來保證隧道建設運營安全，這對保障城市安全至關重要。針對城市地鐵隧道建設過程中的塌方災害預警問題，下文提出了一種基于多物理場信息監測的智能預警方法，通過將上述智能預警方法與某地鐵塌方案例數據進行對比分析，驗證了智能預警方法的有效性。

2城市地鐵隧道塌方災害智能預警方法

2.1地鐵淺埋隧道塌方災害理論

以往城市隧道塌方理論多研究由于隔水圍巖結構破壞引發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模直接露出富水軟弱地層，臨災地層具有特殊的邊界條件并呈現典型滲透失穩特點，導致現有的塌方理論難以適用。基于多尺度隧道塌方模擬試驗，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動速度，富水軟弱地層對塊體I施加的壓力為p，隧道開挖高度、隧道埋深、不良地質厚度、距地表距離分別為D、H、t、h，基于理論分析結果獲得了災變過程中顆粒運移及地下水流場時空分布規律，發現了富水軟弱地層自由應力拱的形成條件。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－介質耦合作用下的滲透失穩塌方機理，為地鐵淺埋隧道塌方災害提供理論依據。

2.2塌方災害智能預警方法

①基于分布式光纖傳感技術，構建城市地鐵隧道施工期多物理場信息大規模空間連續傳感網絡，通過該傳感網絡可實現隧道施工期位移場、應力場、滲流場等多物理場的實時監測。②獲取地鐵淺埋隧道施工過程中的多場信息監測數據及多維災害源感知識別信息，多維災害源為隧道施工掌子面前方各種不良地質體，如富水砂層、空洞、淤泥地層等易誘發隧道塌方災害的不良地質體。③在多場信息監測數據及多維災害源感知識別信息獲取基礎上，基于層次分析理論建立地鐵淺埋隧道施工期安全預警指標體系及相應的安全風險評估預警理論模型與風險等級劃分方法，預警因素考慮施工因素（包括施工工法、隧道規模、隧道埋深、地下水處治措施等）、復雜城市環境因素（市政道路、市政管線、地鐵周邊建筑物等）、超前處治措施（超前支護措施、超前加固措施等），預警結果進行分級輸出，可分為高風險、中風險、低風險。通過上述地鐵淺埋隧道塌方災害智能預警方法可實現地鐵隧道施工過程中災害的有效規避，為保障城市地鐵建設安全。

3城市地鐵淺埋隧道塌方案例驗證

某地鐵工程區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，上覆強風化及中風化巖層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險。將本文中的塌方災害智能預警方法應用于本工程中，基于分布式光纖傳感技術，構建本工程隧道施工期多物理場信息大規模空間連續傳感網絡，通過該傳感網絡模擬實現了隧道施工期位移場、應力場、滲流場等多物理場的實時監測。在隧道開挖施工過程中對隧道掌子面前方的多物理場信息數據進行模擬監測分析，后續在多物理場信息監測數據的基礎上，基于層次分析理論，建立了符合本工程特點的塌方風險安全預警指標體系與風險等級劃分方法，最終確定本工程塌方風險等級為高風險。在隧道施工過程中，當隧道爆破至距離在建車站25m位置掌子面時，隧道發生潰砂塌方災害，塌方災害持續發展，洞內涌出物不斷增加（見圖2），直至地表出現大規模塌陷（見圖3），塌陷區面積約為500m2，相應的市政道路交通中斷，隧道塌方災害現狀與采用本文智能預警方法所預測的高風險等級相匹配，一定程度上證明了本文智能預警方法的有效性。

4結語

城市淺埋隧道塌方災害智能預警方法對于城市地鐵隧道建設安全具有重要意義，通過對隧道施工過程風險進行智能預警，提高城市地鐵建設過程風險防控水平，必將有效推動行業科技進步。

參考文獻

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作者：余俊 翁賢杰 單位：江西省交通建設工程質量監督管理局