黃躍進(jìn)

摘?要： 由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，地下工程建設(shè)過程中經(jīng)常面臨巖爆、大變形與大面積塌方、地表沉陷等地質(zhì)與工程災(zāi)害事故，給人民生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來了損害。事故頻發(fā)的重要原因之一在于地下信息采集和傳遞的不及時(shí)，信息的分析處理不完善，加之共享利用的不通暢，使施工人員不能及時(shí)掌握地下地質(zhì)情況和事故發(fā)生的機(jī)理。本文主要分析地下工程施工智能化監(jiān)測(cè)及災(zāi)害預(yù)警技術(shù)應(yīng)用綜述。

關(guān)鍵詞： 地下工程;智能化監(jiān)測(cè);微震;巖爆

【中圖分類號(hào)】P208?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A?【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.41.133

引言：巖土工程智能化監(jiān)測(cè)理論與技術(shù)在地下工程施工中的應(yīng)用，重點(diǎn)分析了地下工程微震監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析反饋及巖爆災(zāi)害預(yù)警技術(shù)及智能化監(jiān)測(cè)理論與技術(shù)在深部地下工程中的應(yīng)用前景。

1?中國(guó)地下工程建設(shè)面臨難題

據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，本世紀(jì)前十年，我國(guó)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，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(cè)、預(yù)警及控制是實(shí)現(xiàn)地下工程災(zāi)害有效防治的重要手段。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(guó)地下工程災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)發(fā)展的瓶頸。特別是，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)備適用性差、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異性大、監(jiān)測(cè)理論尚不完善，傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)理論、預(yù)警技術(shù)與風(fēng)險(xiǎn)控制方法難以滿足主動(dòng)防控需求，進(jìn)一步導(dǎo)致地下工程重大地質(zhì)災(zāi)害長(zhǎng)期處于被動(dòng)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(cè)預(yù)警方法、主動(dòng)防控技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)重大地質(zhì)災(zāi)害由被動(dòng)治理到主動(dòng)防控的轉(zhuǎn)化已成燃眉之需。

2?地下工程施工安全裝備及災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)發(fā)展

2.1?地下工程智能化預(yù)警系統(tǒng)及施工裝備

隨著地下工程施工技術(shù)的提高和施工裝備的引進(jìn)和創(chuàng)新實(shí)踐提升了地下工程智能化建造水平。2019年，由中國(guó)鐵建重工研發(fā)的千米級(jí)水平取芯鉆機(jī)成功下線，該設(shè)備擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，處于國(guó)際領(lǐng)先水平，設(shè)備發(fā)展的自動(dòng)化、智能化、一體化趨勢(shì)明顯。劉飛香提出圍巖參數(shù)識(shí)別與處理系統(tǒng)、三維空間定位與量測(cè)系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)處理與共享系統(tǒng)、智能控制決策系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)隧道全生命周期智能化的基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)智能建造的支撐技術(shù)。同時(shí)，先進(jìn)的傳感技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析和人工智能及隧道大容量通信網(wǎng)絡(luò)等可以輔助實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)裝備與裝備、裝備與環(huán)境、裝備與圍巖的互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)智能建造的裝備保障。

2.2?地下工程智能化預(yù)警系統(tǒng)的重要意義

地下工程信息系統(tǒng)發(fā)展面臨現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)和海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)無法滿足實(shí)時(shí)性要求、工程信息化語言不通用等問題。目前發(fā)達(dá)國(guó)家的地下工程監(jiān)測(cè)的儀器自動(dòng)化、數(shù)字化程度很高，數(shù)據(jù)采集、儲(chǔ)存、分析處理環(huán)節(jié)有專業(yè)軟件支持，各類先進(jìn)三維地質(zhì)建模軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)和專家系統(tǒng)等逐步推廣應(yīng)用。由于進(jìn)口設(shè)備使用維護(hù)成本高，且適用性和兼容性較差，微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)深度分析受制于人，隨著地下工程智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，加快發(fā)展和完善擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微震監(jiān)測(cè)及地下智能化監(jiān)測(cè)軟硬件系統(tǒng)具有重要意義。

2.3?監(jiān)測(cè)預(yù)警

目前在地下工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)為監(jiān)控量測(cè)技術(shù)，監(jiān)測(cè)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(cè)方案較為單一。傳統(tǒng)的“點(diǎn)式”監(jiān)測(cè)方法可能遺漏隧道危險(xiǎn)區(qū)域，雖然增設(shè)監(jiān)測(cè)密度可提高監(jiān)測(cè)效果，但工作量及設(shè)備成本將大為增加。此外不同監(jiān)測(cè)設(shè)備自成體系，監(jiān)測(cè)信息之間存在差異、共享性差，不利于同時(shí)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(shí)時(shí)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(jì)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(cè)時(shí)間傾向。監(jiān)測(cè)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(chǎng)信息的不同響應(yīng)來判斷災(zāi)害的時(shí)間空間以及強(qiáng)度大小，現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方法以及傳感器缺乏針對(duì)性，不能對(duì)具體災(zāi)害類別做出精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，亟需開展專項(xiàng)設(shè)計(jì)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(xiǎn)，預(yù)測(cè)危害等級(jí)并進(jìn)行時(shí)空預(yù)警，對(duì)后期主動(dòng)調(diào)控具有重要的參考價(jià)值。

3?重大災(zāi)害主動(dòng)防控技術(shù)

3.1?加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管

建設(shè)地下工程的過程中，會(huì)影響周邊環(huán)境，若單純地利用理論上的設(shè)計(jì)是不能讓地下工程的穩(wěn)定性得到保證的，因而就需對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)全程監(jiān)管，進(jìn)而找出存在的問題，并探究科學(xué)的解決方式，增強(qiáng)施工效率和質(zhì)量，避免出現(xiàn)安全事故。與此同時(shí)，還需引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)對(duì)圖紙進(jìn)行設(shè)計(jì)，推動(dòng)施工技術(shù)水平的全面提升，讓經(jīng)濟(jì)效益能夠達(dá)到最大化。

3.2?注重全面性的地質(zhì)勘查

為了對(duì)地下工程項(xiàng)目建設(shè)中環(huán)境工程地質(zhì)問題予以更好地防治，就需以地質(zhì)勘查為著手點(diǎn)，對(duì)全面性的地質(zhì)勘查引起重視。在剛開始進(jìn)行地下工程項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，建設(shè)施工單位應(yīng)全方位、系統(tǒng)化的勘察工程建設(shè)施工現(xiàn)場(chǎng)周邊地質(zhì)環(huán)境和相關(guān)情況，以讓采集的各項(xiàng)勘察數(shù)據(jù)資料的完整性、真實(shí)性和時(shí)效性得到充分保證，由此提供依據(jù)給城市地下工程項(xiàng)目總體規(guī)劃建設(shè)。之后將這一系統(tǒng)化的地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)給結(jié)合起來，確定開挖施工方案，如果城市地下工程項(xiàng)目缺乏具備完整性、真實(shí)性以及時(shí)效性的勘察資料，就一定要重新展開全面性的勘察工作，以起到萬無一失的效果，把地下工程項(xiàng)目建設(shè)施工的安全風(fēng)險(xiǎn)降至最低，避免其影響環(huán)境工程，出現(xiàn)相關(guān)地質(zhì)問題。在進(jìn)行施工的過程中應(yīng)當(dāng)進(jìn)行不斷的監(jiān)測(cè)，在對(duì)特殊地形或者是變形變位地層進(jìn)行開挖的過程中，應(yīng)當(dāng)采取跟蹤補(bǔ)償注漿，對(duì)地層中的損失形變進(jìn)行補(bǔ)償，降低地層的變位控制在一定的范圍之內(nèi)。同時(shí)在進(jìn)行施工的過程中應(yīng)當(dāng)不斷地進(jìn)行檢測(cè)，若在施工過程中發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)當(dāng)及時(shí)的進(jìn)行解決，出現(xiàn)嚴(yán)重的情況時(shí)應(yīng)當(dāng)立即停止施工，待安全風(fēng)險(xiǎn)處理過之后在繼續(xù)進(jìn)行施工。在施工時(shí)應(yīng)當(dāng)者設(shè)置一些超前的地質(zhì)探孔，為下步的施工打下良好而基礎(chǔ)。

結(jié)束語：近些年來，進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法由于具有非線性、網(wǎng)絡(luò)的全局作用、大規(guī)模并行分布處理能力等特點(diǎn)，為解決復(fù)雜的巖石力學(xué)問題提供了一條很好的路徑，被不斷應(yīng)用于巖石力學(xué)領(lǐng)域并逐漸成為研究熱點(diǎn)?；谏疃葘W(xué)習(xí)研究深部巖體力學(xué)災(zāi)害發(fā)生機(jī)理能夠更好地對(duì)各類不良地質(zhì)災(zāi)害情況進(jìn)行預(yù)判，從而對(duì)深部環(huán)境施工工程地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行有效預(yù)防。

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