地下工程施工智能化监测及灾害预警技术应用综述

黄跃进

摘 要： 由于地质条件的复杂性，地下工程建设过程中经常面临岩爆、大变形与大面积塌方、地表沉陷等地质与工程灾害事故，给人民生命和财产安全带来了损害。事故频发的重要原因之一在于地下信息采集和传递的不及时，信息的分析处理不完善，加之共享利用的不通畅，使施工人员不能及时掌握地下地质情况和事故发生的机理。本文主要分析地下工程施工智能化监测及灾害预警技术应用综述。

关键词： 地下工程;智能化监测;微震;岩爆

【中图分类号】P208 【文献标识码】A 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.41.133

引言：岩土工程智能化监测理论与技术在地下工程施工中的应用，重点分析了地下工程微震监测、数据分析反馈及岩爆灾害预警技术及智能化监测理论与技术在深部地下工程中的应用前景。

1 中国地下工程建设面临难题

据相关资料统计，本世纪前十年，我国交通和水电等地下工程建设中发生突涌水灾害294起、围岩垮塌灾害300余起，造成极大的设备损失、人员伤亡和工期延误。地下工程灾害监测、预警及控制是实现地下工程灾害有效防治的重要手段。然而，地下工程地质灾害演化过程极其复杂，灾变机理尚不明晰，现有理论难以准确描述灾害演化模式、灾变机制及前兆信息，已成为制约我国地下工程灾害监测预警技术发展的瓶颈。特别是，现有监测设备适用性差、监测数据差异性大、监测理论尚不完善，传统监测理论、预警技术与风险控制方法难以满足主动防控需求，进一步导致地下工程重大地质灾害长期处于被动防治局面。因此，系统开展地下工程地质灾害演化机理、监测预警方法、主动防控技术研究，实现重大地质灾害由被动治理到主动防控的转化已成燃眉之需。

2 地下工程施工安全装备及灾害预警系统发展

2.1 地下工程智能化预警系统及施工装备

随着地下工程施工技术的提高和施工装备的引进和创新实践提升了地下工程智能化建造水平。2019年，由中国铁建重工研发的千米级水平取芯钻机成功下线，该设备拥有完全自主知识产权，处于国际领先水平，设备发展的自动化、智能化、一体化趋势明显。刘飞香提出围岩参数识别与处理系统、三维空间定位与量测系统、大数据处理与共享系统、智能控制决策系统是实现隧道全生命周期智能化的基础和实现智能建造的支撑技术。同时，先进的传感技术、互联网、大数据分析和人工智能及隧道大容量通信网络等可以辅助实现隧道内装备与装备、装备与环境、装备与围岩的互联互通，从而实现智能建造的装备保障。

2.2 地下工程智能化预警系统的重要意义

地下工程信息系统发展面临现有数据库和海量数据存储无法满足实时性要求、工程信息化语言不通用等问题。目前发达国家的地下工程监测的仪器自动化、数字化程度很高，数据采集、储存、分析处理环节有专业软件支持，各类先进三维地质建模软件、数据库系统和专家系统等逐步推广应用。由于进口设备使用维护成本高，且适用性和兼容性较差，微震监测数据深度分析受制于人，随着地下工程智能化监测技术的不断推广应用，加快发展和完善拥有自主知识产权的微震监测及地下智能化监测软硬件系統具有重要意义。

2.3 监测预警

目前在地下工程监测领域中应用最广泛的技术为监控量测技术，监测内容集中于围岩或支护结构应力、位移等信息，信息源和监测方案较为单一。传统的“点式”监测方法可能遗漏隧道危险区域，虽然增设监测密度可提高监测效果，但工作量及设备成本将大为增加。此外不同监测设备自成体系，监测信息之间存在差异、共享性差，不利于同时空域内隧道结构稳定性分析。随着光电传感、无线传输、数字摄影技术的发展，有望解决大范围区域信息实时高精度感知问题。在预警机制方面，现有的预警指标体系不够完善，考虑工程地质、水文地质、设计参数、施工工艺等综合信息不够，单一或有限的信息无法充分反映致灾因子间的关联关系，无法量化灾害所处状态及预测时间倾向。监测以机理为基础，以机理的差异性来区别灾害发生的类型，通过多物理场信息的不同响应来判断灾害的时间空间以及强度大小，现有的监测设计方法以及传感器缺乏针对性，不能对具体灾害类别做出精准监测，亟需开展专项设计和定向研发。预警是以过程为基础，通过获取、分析和判断变量的变化情况，通过分析多源信息逻辑共生关系与关联准则，昭示存在的风险，预测危害等级并进行时空预警，对后期主动调控具有重要的参考价值。

3 重大灾害主动防控技术

3.1 加强施工现场监管

建设地下工程的过程中，会影响周边环境，若单纯地利用理论上的设计是不能让地下工程的稳定性得到保证的，因而就需对施工现场加强全程监管，进而找出存在的问题，并探究科学的解决方式，增强施工效率和质量，避免出现安全事故。与此同时，还需引进先进技术，通过计算机对图纸进行设计，推动施工技术水平的全面提升，让经济效益能够达到最大化。

3.2 注重全面性的地质勘查

为了对地下工程项目建设中环境工程地质问题予以更好地防治，就需以地质勘查为着手点，对全面性的地质勘查引起重视。在刚开始进行地下工程项目建设时，建设施工单位应全方位、系统化的勘察工程建设施工现场周边地质环境和相关情况，以让采集的各项勘察数据资料的完整性、真实性和时效性得到充分保证，由此提供依据给城市地下工程项目总体规划建设。之后将这一系统化的地质勘查数据给结合起来，确定开挖施工方案，如果城市地下工程项目缺乏具备完整性、真实性以及时效性的勘察资料，就一定要重新展开全面性的勘察工作，以起到万无一失的效果，把地下工程项目建设施工的安全风险降至最低，避免其影响环境工程，出现相关地质问题。在进行施工的过程中应当进行不断的监测，在对特殊地形或者是变形变位地层进行开挖的过程中，应当采取跟踪补偿注浆，对地层中的损失形变进行补偿，降低地层的变位控制在一定的范围之内。同时在进行施工的过程中应当不断地进行检测，若在施工过程中发现异常应当及时的进行解决，出现严重的情况时应当立即停止施工，待安全风险处理过之后在继续进行施工。在施工时应当者设置一些超前的地质探孔，为下步的施工打下良好而基础。

结束语：近些年来，进化神经网络等方法由于具有非线性、网络的全局作用、大规模并行分布处理能力等特点，为解决复杂的岩石力学问题提供了一条很好的路径，被不断应用于岩石力学领域并逐渐成为研究热点。基于深度学习研究深部岩体力学灾害发生机理能够更好地对各类不良地质灾害情况进行预判，从而对深部环境施工工程地质灾害进行有效预防。

参考文献

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[2] 钱七虎.地下工程建设安全面临的挑战与对策[J].岩石力学与工程学报，2012，31（10）：1945-1956.