地下工程安全建設(shè)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

李利平，成 帥，張延歡，屠文鋒

(1.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061；2.山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002；3.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610059)

21世紀(jì)是地下空間開發(fā)利用的新紀(jì)元，以隧道為代表的地下工程如雨后春筍般蓬勃發(fā)展。在長達(dá)數(shù)十年的建設(shè)歷程中，我國已成為世界上隧道建設(shè)規(guī)模、難度和數(shù)量最大的國家，涉及公路、鐵路、水利和市政等諸多工程領(lǐng)域[1]。近十幾年，在“十一五”至“十三五”規(guī)劃指導(dǎo)下，我國地下工程建設(shè)取得了長足的發(fā)展。

隨著川藏鐵路、渤海灣跨海隧道為代表的一批世紀(jì)工程的修建或推進(jìn)，我國隧道與地下工程建設(shè)進(jìn)入了一個新時代，面臨新的歷史性機(jī)遇。同時，工程建設(shè)面臨極端復(fù)雜的地質(zhì)條件與建設(shè)環(huán)境等挑戰(zhàn)，以川藏鐵路雅安至林芝段為例，全線橋隧比極高，隧道65座、線路總長802 km，其中最長的易貢隧道長達(dá)42.2 km，沿線地形高差顯著、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、板塊運動強烈、山地災(zāi)害頻發(fā)。此外，為了進(jìn)一步加強與國家“一帶一路”建設(shè)、“城市地下空間”建設(shè)規(guī)劃的銜接，隧道工程不斷向“深、長、大”方向發(fā)展，面臨的地質(zhì)問題日趨突出，意味著地下工程建設(shè)災(zāi)害風(fēng)險更高，防災(zāi)代價更大，安全建設(shè)面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在我國地下工程世紀(jì)性的騰飛面前，機(jī)遇與挑戰(zhàn)總是并存的，如何把握機(jī)遇、迎接挑戰(zhàn)，是地下工程研究者的歷史使命。

1 中國地下工程建設(shè)現(xiàn)狀分析

1.1 中國地下工程建設(shè)規(guī)模

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截止2018年底，我國運營的交通隧道總數(shù)達(dá)30 776座，總長30 611.1 km，正在或即將修建的交通隧道總數(shù)達(dá)6 644座，總長13 125 km，典型隧道工程詳見表1[2]。特別是錦屏二級水電站、白鶴灘水電站等超大規(guī)模的地下洞室群建設(shè)規(guī)模不斷刷新世界地下工程記錄，如白鶴灘水電站地下洞室總長度達(dá)217 km，廠房頂拱跨度34 m，高88.7 m，為世界已建跨度最大的地下廠房。

表1 我國典型深長隧道工程[2]

1.2 中國地下工程發(fā)展趨勢

國家中長期發(fā)展規(guī)劃中先后把交通水利隧道、城市軌道交通、地下綜合管廊、地下綜合開發(fā)和海綿城市等作為重要戰(zhàn)略，進(jìn)一步推動了我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的步伐，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。特別是，地下工程作為我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的咽喉，大力開發(fā)地下空間、拓展地下縱深空間已經(jīng)成為我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迫切需求。

我國幅員遼闊，地下空間體量龐大，可開發(fā)規(guī)模達(dá)200億m3，可計算價值超過15萬億元，特別是國家《“十三五”現(xiàn)代綜合交通運輸體系發(fā)展規(guī)劃》的實施，要求重點推進(jìn)地下空間分層開發(fā)，拓展地下縱深空間，進(jìn)一步統(tǒng)籌城市軌道交通、地下道路等交通設(shè)施與城市地下綜合管廊的規(guī)劃布局，打造城市立體交通系統(tǒng)，促進(jìn)地下空間與城市整體同步發(fā)展，以地鐵、地下綜合管廊為代表的城市地下空間建設(shè)進(jìn)入黃金發(fā)展階段，為我國地下工程發(fā)展帶來了前所未有的契機(jī)[3-4]。

1.3 中國地下工程建設(shè)面臨難題

我國山區(qū)面積占國土總面積的70%，且?guī)r溶地區(qū)、沉積巖分布廣泛，地形、地貌及地質(zhì)條件復(fù)雜，地下工程建設(shè)面臨巨大的地質(zhì)難題，修建過程中突涌水、圍巖垮塌等重大地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，本世紀(jì)前十年，我國交通和水電等地下工程建設(shè)中發(fā)生突涌水災(zāi)害294起、圍巖垮塌災(zāi)害300余起[5]，造成極大的設(shè)備損失、人員傷亡和工期延誤。

地下工程災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警及控制是實現(xiàn)地下工程災(zāi)害有效防治的重要手段[6]。然而，地下工程地質(zhì)災(zāi)害演化過程極其復(fù)雜，災(zāi)變機(jī)理尚不明晰，現(xiàn)有理論難以準(zhǔn)確描述災(zāi)害演化模式、災(zāi)變機(jī)制及前兆信息，已成為制約我國地下工程災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)發(fā)展的瓶頸。特別是，現(xiàn)有監(jiān)測設(shè)備適用性差、監(jiān)測數(shù)據(jù)差異性大、監(jiān)測理論尚不完善，傳統(tǒng)監(jiān)測理論、預(yù)警技術(shù)與風(fēng)險控制方法難以滿足主動防控需求，進(jìn)一步導(dǎo)致地下工程重大地質(zhì)災(zāi)害長期處于被動防治局面。因此，系統(tǒng)開展地下工程地質(zhì)災(zāi)害演化機(jī)理、監(jiān)測預(yù)警方法、主動防控技術(shù)研究，實現(xiàn)重大地質(zhì)災(zāi)害由被動治理到主動防控的轉(zhuǎn)化已成燃眉之需。

2 地下工程安全建設(shè)面臨的機(jī)遇

交通運輸是興國之器、強國之基。如今我國站在世界交通大國的新起點上，應(yīng)該始終朝著建設(shè)交通強國的目標(biāo)奮進(jìn)。在推動交通發(fā)展方面，要由追求速度和規(guī)模轉(zhuǎn)變?yōu)樽⒅馗哔|(zhì)量、高效益，要由各類交通方式單一獨立發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)橐惑w化融合式發(fā)展，不能再僅依靠傳統(tǒng)要素驅(qū)動，而是要注意依靠創(chuàng)新驅(qū)動，依照這些改變，構(gòu)建一個安全、高效、便捷、綠色、經(jīng)濟(jì)的綜合性現(xiàn)代化交通體系，打造一個擁有一流設(shè)施、一流技術(shù)、一流管理、一流服務(wù)的交通強國，為全面建成社會主義現(xiàn)代化強國，進(jìn)而實現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢提供堅強的支持。在如今這個建設(shè)交通強國的關(guān)鍵時期，地下工程隧道建設(shè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，也蘊藏著巨大的機(jī)遇。

隨著地上空間資源的消耗，開發(fā)地下空間資源變得刻不容緩。21世紀(jì)是一個全球性的地下工程空間大開發(fā)的世紀(jì)，大直徑、長距離以及隧道結(jié)構(gòu)功能多樣化的發(fā)展趨勢越來越明顯。中國城市化的迅速發(fā)展刺激著地下空間開發(fā)利用、城市軌道交通工程、高鐵、長大隧道和越江跨海隧道的發(fā)展。國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展，一帶一路戰(zhàn)略實施，公路鐵路建設(shè)走向世界。至2020年底，我國公路、鐵路隧道總長度將突破4萬km。雖然中國的隧道建設(shè)數(shù)量以及規(guī)模已經(jīng)處于世界領(lǐng)先水平，但是在許多關(guān)鍵技術(shù)方面還存在許多沒有解決的問題，在國家政策支持的情況下，地下工程的研究者們應(yīng)該抓住機(jī)遇，努力攻克關(guān)鍵技術(shù)難題。

2.1 川藏鐵路

川藏鐵路被稱為世界上最難修建的鐵路工程，將是進(jìn)出西藏最快速、最便捷的主通道，也是鞏固國家邊防安全的重要戰(zhàn)略通道。長大鐵路隧道的建設(shè)、運營、維護(hù)都面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，巖爆、大地形、高地?zé)嵋约叭率阑顒訑嗔训葐栴}突出，長大隧道防災(zāi)、救援經(jīng)驗不足，隧道棄渣及利用難度大。

川藏鐵路從成都到西藏，經(jīng)過雅安、林芝，建設(shè)方案如圖1所示[7]。川藏鐵路經(jīng)過五個地貌單元，工程地質(zhì)復(fù)雜和強烈的板塊活動威脅施工安全，跨七江、穿八山，“七上八下”，大大增加了施工難度[8]。因為強烈的板塊活動，導(dǎo)致其內(nèi)動力地質(zhì)作用之強烈是世界鐵路少有的。川藏鐵路還穿越十余條深大活動斷裂帶，包括龍門山、鮮水河、理塘、甘孜-理塘、巴塘、金沙江、瀾滄江、怒江、八宿、嘉黎、雅魯藏布江等活動斷裂。這些深大活動斷裂帶存在斷裂粘滑位錯(地震)、活動斷裂緩慢活動(蠕滑)等，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的山地災(zāi)害，包括潛在不穩(wěn)定巖土體滑坡、泥石流、冰川型泥石流和冰湖潰堤型泥石流等。例如，2000年4月9日，波密縣易貢扎木弄巴發(fā)生巨型滑坡，堵塞易貢藏布，壩高100 m，潰決水位即達(dá)55 m，流量達(dá)12.4萬m3/s。

圖1 川藏鐵路沿線地形地勢圖[7]

2.2 渤海灣跨海通道

隨著經(jīng)濟(jì)全球一體化協(xié)同發(fā)展，超長跨海隧道已成為連接海峽和海灣的重要交通工程，也是區(qū)域互通、海陸互聯(lián)和海洋開發(fā)的重要紐帶。我國已建設(shè)廈門翔安隧道、青島膠州灣隧道、廣東獅子洋隧道、港珠澳大橋等十余條海域段不超十公里的隧道，未來將建設(shè)以渤海海灣通道(預(yù)計123 km)為代表的超過百公里長的世界級超長跨海隧道。超長跨海隧道建造運營的難度遠(yuǎn)超山嶺隧道和短距離海底隧道，無限海水覆蓋、海底強震以及復(fù)雜的海洋地質(zhì)和惡劣的服役環(huán)境，導(dǎo)致很多超長跨海隧道在施工和運營期發(fā)生突涌水、坍塌等一系列重大災(zāi)害事故，造成人員傷亡和巨大經(jīng)濟(jì)損失，這也向科研工作者提出了挑戰(zhàn)。

首先，超長跨海隧道賦存環(huán)境是“海水-海床-構(gòu)造-隧道”復(fù)合體系，海底致災(zāi)構(gòu)造賦存環(huán)境極其復(fù)雜，缺乏災(zāi)害源精細(xì)探測的有效方法。一方面，海床松散沉積地層飽含海水，嚴(yán)重衰減地球物理場甚至誘發(fā)其畸變或“淹沒”，準(zhǔn)確查明海床地質(zhì)構(gòu)造難度極高；另一方面，上覆巖層中的亞米級導(dǎo)水通道等不良地質(zhì)體由于探測難度大，以往在施工期沒有得到處置，使其成為突涌水、失穩(wěn)災(zāi)變的主控誘因。由于對海下構(gòu)造探測不明，導(dǎo)致對工程賦存地質(zhì)環(huán)境、演變過程和發(fā)育規(guī)律等認(rèn)知不清，使得海底隧道施工重要環(huán)節(jié)缺乏科學(xué)依據(jù)，這是超長跨海隧道安全建造面臨的應(yīng)用基礎(chǔ)科學(xué)難題。

其次，超長跨海隧道由于洞線長，不可避免穿越斷裂帶等地質(zhì)單元，地震風(fēng)險極高，地震動力災(zāi)變機(jī)理極其復(fù)雜，國內(nèi)外尚無成熟的隧道結(jié)構(gòu)高效隔振抗斷控制技術(shù)和韌性設(shè)計方法，導(dǎo)致隧道襯砌錯段和“蛇形變形”，誘發(fā)大規(guī)模坍塌、大型突涌水災(zāi)害。發(fā)展海底隧道韌性結(jié)構(gòu)體系，引領(lǐng)超長跨海隧道抗震韌性設(shè)計水平發(fā)展，揭示抗震原理與規(guī)律，是今后超長跨海隧道安全建造及運營面臨的前瞻性設(shè)計理論難題。

除此之外，超長跨海隧道無限海水侵蝕、荷載復(fù)雜多變、服役環(huán)境惡劣，隧道圍巖和結(jié)構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境作用下，圍巖和加固體呈現(xiàn)漸進(jìn)性破壞，襯砌逐步裂損演化，亟需發(fā)展有效的計算模型和分析方法，填補海底隧道圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)耐久性評價和壽命預(yù)測理論空白。如何突破海底環(huán)境下隧道圍巖-結(jié)構(gòu)性能演化分析方法，為隧道信息智能感知和災(zāi)變控制提供理論支撐，達(dá)到海底隧道結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)水平制高點，領(lǐng)跑國際水平，是今后超長跨海隧道安全建造運營面臨的基礎(chǔ)性理論科學(xué)難題。

3 典型突發(fā)性重大地質(zhì)災(zāi)害主動防控的共性難題

3.1 力學(xué)機(jī)理

大批深長隧道修建在地質(zhì)條件極端復(fù)雜的地區(qū)，如西部高原山區(qū)、西南巖溶發(fā)育地區(qū)等。隧道修建過程中常遭遇突涌水、圍巖垮塌、大變形、巖爆等典型突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害。突涌水災(zāi)害呈現(xiàn)顯著的超高水壓、超大流量、高隱蔽性、強突發(fā)性和強破壞性特點，其防控為世界級工程技術(shù)難題。巖爆呈現(xiàn)出滯后性、延續(xù)性、衰減性、突發(fā)性、猛烈性的特點，造成支護(hù)系統(tǒng)損毀、設(shè)備癱瘓，誘發(fā)大規(guī)模巖體坍塌，嚴(yán)重影響施工人員安全。大變形災(zāi)害因其變形量大、變形速率高和變形持續(xù)時間長的特點，常造成襯砌壓裂、結(jié)構(gòu)錯位，最終誘發(fā)大型塌方事故，延誤工期。此外，隧道修建以及運營過程中還會面臨瓦斯、毒氣、粉塵以及高溫?zé)岷Φ炔涣际┕きh(huán)境，這些都嚴(yán)重影響了施工與運營安全。

縱觀各類典型深長隧道突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，難以實現(xiàn)主動防控的根本理論難題在于深部巖體本構(gòu)關(guān)系與動力災(zāi)變機(jī)理不清楚，災(zāi)變演化過程的高效模擬分析方法未建立，現(xiàn)有的數(shù)值計算方法難以實現(xiàn)工程尺度的災(zāi)變模擬。有效多元信息的監(jiān)測方法缺失，致使災(zāi)害前兆信息測不到、測不準(zhǔn)。單一、有限的信息間存在“孤島”現(xiàn)象，亟需建立信息一體化融合方法，規(guī)避災(zāi)害誤警和虛警現(xiàn)象，突破災(zāi)害發(fā)生時間、位置和危害等級的預(yù)測難題。本研究分別以施工期隧道突涌水災(zāi)害及圍巖垮塌災(zāi)害兩類典型地質(zhì)災(zāi)害為例，論述突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害主動防控的力學(xué)機(jī)理。

3.1.1 隧道突涌水災(zāi)害

基于防突結(jié)構(gòu)破壞模式的不同，突涌水災(zāi)害可劃分為隔水巖體漸進(jìn)性破壞突涌水和充填結(jié)構(gòu)滲透失穩(wěn)突涌水[9]兩種類型。隔水巖體漸進(jìn)性破壞可劃分為拉剪破壞和壓剪破壞。層狀巖體隧道突水模型又可分為巖體漸進(jìn)性破壞的尖點突變和雙尖點突變模型[9]。研究巖體破壞時既要考慮巖體內(nèi)裂紋尖端的應(yīng)力場和位移場特性，也要研究節(jié)理、斷層等巖體不連續(xù)面的破壞特性?，F(xiàn)階段的防突結(jié)構(gòu)破壞突水判據(jù)多適用于巖體突然斷裂的脆性破壞情況，對于巖體彈性變形后發(fā)生較大塑性變形以致破壞的情況適用性較差。同時，巖石變形破壞的過程是和外界產(chǎn)生能量交換的過程。巖石的失穩(wěn)破壞就是巖石中能量突然釋放的結(jié)果，這種釋放是能量耗散在一定條件下的突變[10-11]。此外，對于巖體破壞突水機(jī)理也需研究爆破開挖等外載擾動造成的漸進(jìn)性破壞過程。鉆爆施工條件下產(chǎn)生的爆炸應(yīng)力波會造成裂紋內(nèi)部水壓力大小發(fā)生變化。隧道掌子面裂隙巖體突水發(fā)生源于含水裂紋巖體的壓剪擴(kuò)展破壞[12]。充填型不良地質(zhì)構(gòu)造中突水通道的形成是由于其內(nèi)部充填介質(zhì)的滲流災(zāi)變導(dǎo)致?；诔涮钗锏臐B透特性可將充填滲透突水模式分為充填介質(zhì)的滲透失穩(wěn)與充填體的滑移失穩(wěn)突水[13]。

1)最小防突安全厚度計算方法

防突結(jié)構(gòu)的破壞模式與演化過程是防治突涌水災(zāi)害的關(guān)鍵，防突結(jié)構(gòu)的最小安全厚度是突涌水發(fā)生的臨界厚度。巖溶隧道掌子面突水是由雙重作用引起的：一方面是隧道爆破開挖擾動導(dǎo)致巖體固有裂紋激活，發(fā)生擴(kuò)展；另一方面是在高巖溶水壓持續(xù)作用下，巖體裂紋產(chǎn)生軟化溶蝕，改變了巖體裂紋間有效應(yīng)力，致使裂紋發(fā)生擴(kuò)展-貫通直至破裂突水。研究人員針對不同的工程地質(zhì)情況提出了一些防突安全厚度計算模型。例如，梁板模型[14]、基于臨界水壓力的掌子面巖墻安全厚度計算模型[15]、基于系統(tǒng)勢能突變控制參數(shù)災(zāi)變演化路徑的最小安全厚度計算公式[11]、“一區(qū)一帶”計算模型的中間巖柱失穩(wěn)力學(xué)模型[4]等。對于隧道洞頂、掌子面前方突水情況，有“三區(qū)”理論[9]、“一區(qū)一帶”計算模型[12]。以上模型極大地豐富了隧道突涌水最小防突安全厚度的理論研究，為工程實踐提供了一定的理論指導(dǎo)，但各有其限定的適用條件，如，梁板模型對于隧道底板處存在溶洞情況，將爆破擾動簡化為振動附加力作用在巖體上，暫考慮的是靜水壓力；掌子面巖墻安全厚度計算模型計算了抗裂保護(hù)區(qū)厚度，但裂隙帶的取值很大程度上取決于物探結(jié)果的精準(zhǔn)性；“一區(qū)一帶”計算模型，暫未考慮隧道開挖與側(cè)部高壓富水溶腔對中間巖柱穩(wěn)定性的耦合影響等。

2)災(zāi)變演化過程的數(shù)學(xué)模型

深部巖體中，隧道施工的開挖卸荷與爆破擾動對巖體的開裂、裂隙擴(kuò)展、滲流乃至突涌水發(fā)生的影響不容忽視。同時，深長隧道工程中，面臨高地應(yīng)力、高地溫、高滲透壓力的影響，長洞線致使施工及運營期間遭遇更為復(fù)雜的區(qū)域性滲流場，突涌水的災(zāi)變機(jī)理與演化過程愈加復(fù)雜。循環(huán)動力擾動、強卸荷與高滲透壓環(huán)境下，表征深部巖體的破裂機(jī)理、滲流特性、水與巖土體互饋關(guān)系的數(shù)學(xué)模型將成為突涌水動力演化機(jī)理研究的關(guān)鍵。

3.1.2 隧道圍巖垮塌災(zāi)害

針對隧道圍巖垮塌災(zāi)害，許多學(xué)者對塊體的幾何封閉性和幾何可動性原理進(jìn)行了本質(zhì)的擴(kuò)展研究，豐富了危石平動、轉(zhuǎn)動、斷裂的失穩(wěn)模式，先后提出了直接墜落、單面滑移、雙面滑移、角點傾覆、角點旋滑、楞線傾覆、平移斷裂七類運動模式，系統(tǒng)建立了隧道危石失穩(wěn)運動模式的幾何識別方法及危石穩(wěn)定性分析模型[2,4]。此外隧道危石識別軟件及隧道危石識別系統(tǒng)也相繼發(fā)展成熟，逐步解決了隧道危石幾何識別的理論及技術(shù)問題。但隧道工程環(huán)境復(fù)雜，信息化要求日益增加，針對巖體結(jié)構(gòu)探測、三維模型重構(gòu)等問題，仍需深入研究。

1)物-鉆-表三位一體的巖體結(jié)構(gòu)探測方法

隧道結(jié)構(gòu)狹長，開挖臨空面少，巖體結(jié)構(gòu)面跡線難以完全展開。施工中經(jīng)常遭遇結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀變化劇烈地段，簡單的巖體表面掃描已難以滿足巖體結(jié)構(gòu)把控的要求?；谡娌始す鈷呙韬碗p目立體攝像技術(shù)[17]，以巖體表面掃描為重點，采用陸地聲納、激發(fā)極化、瞬變電磁等物探手段與鉆孔攝像等鉆探方法內(nèi)外結(jié)合，將是完善巖體結(jié)構(gòu)三維探查技術(shù)體系，實現(xiàn)巖體結(jié)構(gòu)精細(xì)化探查的必由之路。

2)巖體結(jié)構(gòu)模型跨尺度聯(lián)合重構(gòu)方法

巖體結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)量龐大，探測數(shù)據(jù)繁雜，數(shù)據(jù)的解譯成果多樣，傳統(tǒng)方法如圖解法僅針對幾條或幾組結(jié)構(gòu)面進(jìn)行集成分析，難以全方位覆蓋巖體結(jié)構(gòu)信息[18-19]。針對隧道巖體結(jié)構(gòu)模型、巖體局部模型、隧道區(qū)域地質(zhì)模型三個層次，基于計算機(jī)可視化建模技術(shù)，建立層次間模型耦合建模方法。著重解決地質(zhì)模型局部動態(tài)更新算法，集成隧道巖體結(jié)構(gòu)信息、局部信息、區(qū)域地質(zhì)信息，構(gòu)建隧道跨尺度可視化重構(gòu)方法，將是隧道模型重構(gòu)的主要發(fā)展方向，也是隧道危石識別、分析及后期查詢的必要工作。同時，巖體探測數(shù)據(jù)類型多樣，眾多類型間的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與融合標(biāo)準(zhǔn)化處理將成為巖體結(jié)構(gòu)信息技術(shù)革新的關(guān)鍵。日益成熟的大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，也為智能化的巖體結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)融合帶來了新的契機(jī)。

3.2 計算方法

隨著計算機(jī)硬件水平的不斷提高，數(shù)值計算已經(jīng)成為地下工程建設(shè)中必不可少的輔助研究手段。其中涉及的計算理論可以分為連續(xù)變形分析方法和非連續(xù)變形分析方法兩大類，主要包括有限單元法、有限差分法、無網(wǎng)格方法、數(shù)值流形元法等?？v觀當(dāng)前地下工程領(lǐng)域，即使在計算理論和計算平臺方面百家爭鳴，但所使用的計算方法卻普遍存在以下三個方面的局限性：

1)在前期建模方面，主流數(shù)值計算方法不能實現(xiàn)地質(zhì)體模型的實時更新。目前的地質(zhì)體模型構(gòu)建方式依賴于初期勘察設(shè)計報告，主要表現(xiàn)為通過獲得工程區(qū)域等高線信息、鉆孔地層信息以及巖土體的物理力學(xué)信息等關(guān)鍵參數(shù)，將模型邊界簡化處理，從而利用軟件前處理模塊建立地質(zhì)體模型。但是，使用上述方法可能會因為地質(zhì)勘探誤差或者隱伏地質(zhì)缺陷造成地質(zhì)體模型與實際工程存在較大偏差，因而應(yīng)當(dāng)基于多源地質(zhì)信息融合技術(shù)，研發(fā)多尺度精細(xì)化地質(zhì)體模型與工程構(gòu)筑物耦合建模系統(tǒng)，提出地質(zhì)體結(jié)構(gòu)剝離識別及模型動態(tài)更新算法。

2)在計算理論方面，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法難以模擬巖石破碎問題，基于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法難以模擬工程尺度問題，同時重大地質(zhì)災(zāi)害的模擬難以還原其動態(tài)演化過程。究其原因，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法(如有限元方法)受限于其介質(zhì)連續(xù)假設(shè)，而基于非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的方法(如顆粒/塊體離散元)受限于其在計算工程尺度問題時計算單元數(shù)量龐大，難以實現(xiàn)可接受時間尺度內(nèi)的模擬計算。同時，針對具體的重大工程地質(zhì)災(zāi)害，例如隧道突水突泥、圍巖垮塌以及巖爆等災(zāi)害，內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，理想簡化的本構(gòu)模型難以準(zhǔn)確描述災(zāi)害演化過程中復(fù)雜的非線性過程。因此，應(yīng)當(dāng)重點突破多種計算理論耦合計算(例如有限單元法和離散單元法耦合計算)，發(fā)展非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)計算理論中的高效計算方法，并結(jié)合物理試驗與工程經(jīng)驗建立表征典型地下工程災(zāi)害演化過程的本構(gòu)模型。

3)在后處理展示方面，目前主流的計算平臺在數(shù)據(jù)立體化方面略顯不足。主要表現(xiàn)在，數(shù)值計算結(jié)果多以點、線、面(云圖)、動圖的數(shù)據(jù)形式呈現(xiàn)，參觀者無法真實感知重大地質(zhì)災(zāi)害的動態(tài)演化過程。其主要原因是VR(virtual reality，虛擬現(xiàn)實)、AR(augmented reality，增強現(xiàn)實)技術(shù)與數(shù)值計算的結(jié)合不夠緊密，尚未有比較普遍的結(jié)合應(yīng)用。因此應(yīng)重點突破后處理可視分析系統(tǒng)，建立并行可視化方法，利用數(shù)據(jù)幾何和行為建模技術(shù)，構(gòu)建人機(jī)交互的可視化環(huán)境，使參觀者可以身臨其境，感知工程地質(zhì)災(zāi)害動態(tài)演化全過程。

3.3 監(jiān)測預(yù)警

目前在地下工程監(jiān)測領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)為監(jiān)控量測技術(shù)，監(jiān)測內(nèi)容集中于圍巖或支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移等信息，信息源和監(jiān)測方案較為單一。傳統(tǒng)的“點式”監(jiān)測方法可能遺漏隧道危險區(qū)域，雖然增設(shè)監(jiān)測密度可提高監(jiān)測效果，但工作量及設(shè)備成本將大為增加。此外不同監(jiān)測設(shè)備自成體系，監(jiān)測信息之間存在差異、共享性差，不利于同時空域內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。隨著光電傳感、無線傳輸、數(shù)字?jǐn)z影技術(shù)的發(fā)展，有望解決大范圍區(qū)域信息實時高精度感知問題。在預(yù)警機(jī)制方面，現(xiàn)有的預(yù)警指標(biāo)體系不夠完善，考慮工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、設(shè)計參數(shù)、施工工藝等綜合信息不夠，單一或有限的信息無法充分反映致災(zāi)因子間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，無法量化災(zāi)害所處狀態(tài)及預(yù)測時間傾向。

監(jiān)測以機(jī)理為基礎(chǔ)，以機(jī)理的差異性來區(qū)別災(zāi)害發(fā)生的類型，通過多物理場信息的不同響應(yīng)來判斷災(zāi)害的時間空間以及強度大小，現(xiàn)有的監(jiān)測設(shè)計方法以及傳感器缺乏針對性，不能對具體災(zāi)害類別做出精準(zhǔn)監(jiān)測，亟需開展專項設(shè)計和定向研發(fā)。預(yù)警是以過程為基礎(chǔ)，通過獲取、分析和判斷變量的變化情況，通過分析多源信息邏輯共生關(guān)系與關(guān)聯(lián)準(zhǔn)則，昭示存在的風(fēng)險，預(yù)測危害等級并進(jìn)行時空預(yù)警，對后期主動調(diào)控具有重要的參考價值。

3.4 主動調(diào)控

目前針對地質(zhì)災(zāi)害的治理主要集中在災(zāi)害發(fā)生后，通過注漿技術(shù)、架設(shè)鋼拱架等方式進(jìn)行被動治理。這既造成地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，又浪費了大量的財力和人力，以災(zāi)害發(fā)生前期和中期進(jìn)行“對癥下藥”的主動調(diào)控來代替被動治理將成為應(yīng)對突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的有效手段和未來的研究熱點。

通過業(yè)界共同努力和協(xié)同攻關(guān)，建立災(zāi)變演化全過程的實時預(yù)測理論和預(yù)警方法，基于大數(shù)據(jù)云平臺對地質(zhì)前兆信息、預(yù)報前兆信息和施工監(jiān)測信息三部分預(yù)判斷得出災(zāi)害發(fā)生的可能性與規(guī)模、致災(zāi)構(gòu)造的空間位置與大小，建立重大地質(zhì)災(zāi)害不同演化階段全過程綜合控制與智慧決策系統(tǒng)，最終通過智慧云端分析治理方案，提出綜合治理決策，有效地將地質(zhì)災(zāi)害消滅在萌芽中。

4 突涌水與圍巖垮塌重大災(zāi)害主動防控技術(shù)

4.1 突涌水主動防控技術(shù)

作為世界上地下工程建設(shè)數(shù)量最多、規(guī)模最大和難度最高的國家，我國在礦山、鐵路、公路、水電以及跨流域調(diào)水等諸多領(lǐng)域的建設(shè)過程中經(jīng)常面臨的挑戰(zhàn)是突涌水災(zāi)害頻發(fā)。據(jù)不完全統(tǒng)計，在21世紀(jì)的前十年間，突涌水及其誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害占我國大型基礎(chǔ)設(shè)施項目建設(shè)中重大安全事故總數(shù)的77.3%[23]，不僅耽誤工期、廢棄或改線易址，而且造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，并極大威脅了生態(tài)環(huán)境。隨著國家科技戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃的逐步實施，施工期間遇到的“高水壓、大流量、強突發(fā)、多類型”突涌水災(zāi)害堪稱世界級工程難題，對突涌水災(zāi)害的主動防控逐漸成為制約地下工程建設(shè)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。

4.1.1 突涌水災(zāi)變演化狀態(tài)判識與過程式控災(zāi)模式

不同孕災(zāi)模式下的突涌水災(zāi)變演化過程關(guān)鍵控制因素及其相應(yīng)的控制方法尚不確定，難以建立相應(yīng)的決策模型，鮮有學(xué)者開展突涌水等災(zāi)變過程的“控制理論”研究。采用模擬分析方法與計算程序，可以揭示不同孕災(zāi)模式下深長隧道突涌水災(zāi)害的災(zāi)變演化全過程；基于突涌水全過程中應(yīng)力場、滲流場以及位移場等信息的演變特征，劃分其災(zāi)變過程的演化階段。利用不同演化階段中巖體結(jié)構(gòu)狀態(tài)特征、地下水運動規(guī)律和多場特征信息，并結(jié)合多源預(yù)報結(jié)果和前兆多元信息的實時監(jiān)測與識別，可以實現(xiàn)突涌水災(zāi)變過程和演化階段的狀態(tài)判識。通過研究不同災(zāi)變演化階段的關(guān)鍵因素與控制參數(shù)，實現(xiàn)突涌水發(fā)生位置、時間及量級的有效預(yù)測，得出隧道突涌水的最佳控制時機(jī)，最終實現(xiàn)隧道不同類型突涌水災(zāi)變過程及與其狀態(tài)相適應(yīng)的最佳控制模式?jīng)Q策。

4.1.2 基于隧址生態(tài)環(huán)境保護(hù)的突涌水協(xié)同控災(zāi)方法

突涌水控制與治理很少從環(huán)保方面考慮對水資源的保護(hù)，大量工程案例證明，由于未實現(xiàn)突水演化過程的有效控制，突涌水往往造成地下水資源的浪費和生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞，把隧道突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害控制與保護(hù)水資源和生態(tài)環(huán)境結(jié)合起來是一個亟待解決的新的理論問題。

通過研究隧址區(qū)地下水賦存和徑流規(guī)律，建立地下水負(fù)效應(yīng)評價體系，并得到不同開挖狀態(tài)、注漿參數(shù)、襯砌條件下隧道涌水量計算模型；基于不同災(zāi)變演化階段的關(guān)鍵因素及控制參數(shù)，可以研究隧道不同類型突涌水的控制方法及處理時機(jī)，為隧道安全施工提供決策方法。通過隧址降雨、地表水、地下水以及隧道排水的動態(tài)監(jiān)測，進(jìn)行基于動態(tài)監(jiān)測的隧道涌水量和來源信息識別，研究隧道開挖對地下水的影響規(guī)律和影響范圍，建立“防、排、堵、截”綜合決策模型，為隧址區(qū)水資源保護(hù)提供最優(yōu)方法。綜合地下水環(huán)境保護(hù)和隧體穩(wěn)定性協(xié)同控制雙重準(zhǔn)則，研究地下水限排標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建隧址區(qū)域地下水保護(hù)技術(shù)體系，進(jìn)行集疏水泄壓、注漿堵水和水資源保護(hù)的協(xié)同控災(zāi)，實現(xiàn)隧道施工到運營的地下水全過程控制，為保護(hù)隧址區(qū)的生態(tài)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)。

4.2 圍巖垮塌主動防控技術(shù)

圍巖垮塌的主要表現(xiàn)形式是原始結(jié)構(gòu)面及開挖擾動形成的次生結(jié)構(gòu)面與開挖臨空面組合切割下形成的孤立或半孤立巖塊發(fā)生墜落、滑移、傾覆的局部失穩(wěn)現(xiàn)象[2,4]，其具有“強結(jié)構(gòu)性、強隱蔽性、強突發(fā)性，分布范圍極廣、探識難度極大，防控手段盲目”的主要特點。據(jù)不完全統(tǒng)計，自2005年至今，見報的圍巖垮塌案例多達(dá)300余起，造成了嚴(yán)重的人員傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。隧道圍巖垮塌防控已成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。目前，國內(nèi)外學(xué)者圍繞巖體結(jié)構(gòu)信息采集、模型構(gòu)建、穩(wěn)定性分析、監(jiān)測預(yù)警等方面開展了大量的研究，并取得了一系列研究成果。以下分別從巖體結(jié)構(gòu)信息采集及解譯技術(shù)、隧道圍巖垮塌失穩(wěn)機(jī)理及穩(wěn)定性判識和隧道圍巖垮塌監(jiān)測預(yù)警與防控三方面進(jìn)行概述。

4.2.1 巖體結(jié)構(gòu)信息采集及解譯技術(shù)

巖體結(jié)構(gòu)信息獲取與解譯是隧道圍巖垮塌預(yù)測的基石。然而，以人工接觸測量為主的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)面信息獲取手段耗時長、精度低、效率低下。因此，國內(nèi)外學(xué)者嘗試將數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)和激光掃描技術(shù)引入巖體結(jié)構(gòu)探查中，并取得了一定的實際應(yīng)用效果。在數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)方面，日本、澳大利亞等多國開始研究利用數(shù)碼圖像技術(shù)為隧道掌子面圖像提取有效地質(zhì)信息[26-28]。李浩等[29-32]結(jié)合工程實際研發(fā)了基于數(shù)碼相機(jī)的硐室編錄系統(tǒng)，提出了地質(zhì)信息圖像處理及產(chǎn)狀提取算法。冷彪等[33-34]著重圖像處理算法研究，通過增強圖像質(zhì)量完成結(jié)構(gòu)面信息統(tǒng)計。在激光掃描方面，Slob等[35-36]研究了基于三維激光掃描技術(shù)巖體結(jié)構(gòu)面信息獲取方法。何秉順等[37-38]應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)測量巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，并通過對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三角網(wǎng)格劃分，利用三角面的法向矢量來計算巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀。

然而，無論是數(shù)字?jǐn)z影量測還是三維激光掃描，仍無法完全克服隧道、采礦等地下工程中由昏暗、多塵、潮濕等復(fù)雜施工環(huán)境帶來的數(shù)據(jù)采集難題。筆者在這方面也開展了一定的研究，通過開展隧道施工全過程照度、粉塵、濕度等環(huán)境參數(shù)跟蹤測試，提出了不同環(huán)境下圖像采集參數(shù)設(shè)定區(qū)間與最優(yōu)采集模式，建立了隧道環(huán)境下激光衰減系數(shù)的計算方法，初步實現(xiàn)了巖體結(jié)構(gòu)信息的有效獲取，如圖2所示。

圖2 基于數(shù)字測量與三維激光掃描的隧道掌子面結(jié)構(gòu)模型

4.2.2 隧道圍巖垮塌失穩(wěn)機(jī)理及穩(wěn)定性判識方法

隧道圍巖垮塌失穩(wěn)模式的復(fù)雜性體現(xiàn)在其賦存環(huán)境的不確定性、受力狀態(tài)的演化性及結(jié)構(gòu)的可變性。因此，圍巖垮塌失穩(wěn)是一個動態(tài)問題，采取靜態(tài)理念難以有效解決。1982年，Goodman等[39]提出了塊體理論，后在塊體理論的基礎(chǔ)上，考慮結(jié)構(gòu)面與巖塊的變形，提出并發(fā)展了非連續(xù)變形分析(discontinuous deformation analysis，DDA)[40]。Yeung[41-42]利用楔形模型、塊體理論、三維DDA三種方法研究楔形體穩(wěn)定問題，驗證了三維DDA方法的有效性。此外，針對隧道圍巖垮塌失穩(wěn)動態(tài)過程，部分學(xué)者采用數(shù)值方法開展了一定的研究，如采用FLAC3D、3DEC等數(shù)值手段研究隧道不同開挖過程塊體的變形規(guī)律及穩(wěn)定性影響因素問題[43-45]，研究地震、爆破、地下水、地應(yīng)力等因素作用下塊體的穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)化問題[46-49]，研究不同支護(hù)或加固措施下塊體及支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用關(guān)系問題[50-51]。

筆者認(rèn)為，對隧道圍巖塊體結(jié)構(gòu)面的受力模式進(jìn)行分類，研究不同受力模式下結(jié)構(gòu)面的強度演化機(jī)制，結(jié)合數(shù)值模擬手段，分析隧道塊體結(jié)構(gòu)及應(yīng)力轉(zhuǎn)化機(jī)制，分階段揭示不同結(jié)構(gòu)面組合條件下塊體穩(wěn)定性演化規(guī)律，是研究隧道圍巖垮塌演化機(jī)理的必要工作。

4.2.3 隧道圍巖垮塌監(jiān)測預(yù)警與防控

相較其他隧道災(zāi)害，圍巖垮塌具有顯著的局部性及突發(fā)性，其災(zāi)變發(fā)生時間短促且位移前兆不明顯，傳統(tǒng)監(jiān)測手段難以捕捉有效臨災(zāi)前兆信息。巖體在災(zāi)變演化過程中會產(chǎn)生多種物理信息響應(yīng)，常常伴隨應(yīng)力、溫度、形變、能量、電磁輻射(包括紅外輻射)等物理量的異常變化，可被用作災(zāi)害預(yù)測的判識依據(jù)。國內(nèi)外學(xué)者通過室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗等多種手段對邊坡危巖失穩(wěn)、隧道突水突泥、地下硐室?guī)r爆等災(zāi)害過程巖體破壞前兆開展了大量研究，涌現(xiàn)了一大批新的巖體災(zāi)變監(jiān)測手段，主要包括聲發(fā)射技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、電磁輻射監(jiān)測技術(shù)以及巖體固有振動頻率監(jiān)測技術(shù)等[52-58]。針對隧道圍巖垮塌災(zāi)害，研究其災(zāi)變過程多元信息響應(yīng)規(guī)律，篩選有效前兆信息，建立多元信息融合分析方法及臨災(zāi)預(yù)測模型，是對隧道圍巖垮塌機(jī)理的有效補充，也是隧道圍巖垮塌監(jiān)測體系構(gòu)建的理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

我國交通隧道建設(shè)規(guī)模和難度居世界首位，重大地質(zhì)災(zāi)害防控為地下工程發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

1)地下工程地質(zhì)災(zāi)害的防治長期處于被動局面，亟待建立深部巖體本構(gòu)關(guān)系、動力災(zāi)變機(jī)理及災(zāi)變演化過程的高效模擬分析方法，研究適用于不同災(zāi)害類型、災(zāi)變階段的安全施工決策方法將是地下工程災(zāi)害防控的重點突破方向。

2)立足國家發(fā)展戰(zhàn)略，作為兩大世紀(jì)工程，川藏鐵路和規(guī)劃中的渤海灣跨海通道將為我國地下工程領(lǐng)域的發(fā)展帶來新的機(jī)遇，也必將推動我國在高海拔山嶺隧道修建技術(shù)和超長海底隧道設(shè)計方法突破技術(shù)瓶頸，領(lǐng)跑世界相關(guān)技術(shù)發(fā)展。

3)針對典型突發(fā)性重大地質(zhì)災(zāi)害，重點歸納了災(zāi)害主動防控亟待突破的關(guān)鍵領(lǐng)域：深部巖體本構(gòu)與破壞機(jī)制、工程尺度模擬與分析模型、災(zāi)變演化機(jī)理與過程調(diào)控，地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與主動調(diào)控方法。以學(xué)科交叉融合創(chuàng)新為基礎(chǔ)，建立融合動態(tài)修正多尺度耦合建模技術(shù)、巖土工程災(zāi)害演化過程模擬方法及基于虛擬現(xiàn)實的后處理技術(shù)的地質(zhì)災(zāi)害模擬演化系統(tǒng)是實現(xiàn)突水突泥、圍巖垮塌、大變形、巖爆等重大災(zāi)害主動防控的重要途徑。

4)聚焦隧道突涌水與圍巖垮塌重大災(zāi)害，論述隧道工程不同災(zāi)害發(fā)生時間、位置和危害等級的領(lǐng)域研究熱點，探討了地質(zhì)災(zāi)害主動防控的基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)，建立典型災(zāi)害的多元信息融合分析方法及臨災(zāi)預(yù)測模型，可有效充實地下工程災(zāi)害災(zāi)變機(jī)理與災(zāi)害監(jiān)測體系，為地下工程安全建設(shè)保駕護(hù)航。