高速公路隧道施工中岩爆预警模型及防治措施优化

引言

随着我国基础设施建设进入高速发展阶段，交通运输系统对高速公路网络的需求持续增长。在山区、丘陵等复杂地质区域，隧道成为高速公路不可或缺的重要结构形式。然而，隧道施工过程中面临多种地质灾害，其中岩爆现象的频繁发生对工程安全构成了严峻威胁。岩爆是一种由于地应力释放而引起的岩体突然破裂、抛射的动态灾害，具有突发性强、破坏力大、难以预测等特点。在高地应力、脆性岩石围岩条件下，隧道掘进作业常成为岩爆的诱发源，严重时可能造成施工中断甚至造成人员伤亡。因此，构建科学有效的岩爆预警模型，制定针对性强的防治策略，是确保隧道施工安全与效率的关键所在。本文基于近年来岩爆研究的理论成果和工程实践，系统分析岩爆形成的本质特征与预测难点，结合多源监测技术发展趋势，提出一套多参数融合的预警模型，并从技术、管理及设备等方面优化防治体系，力求为高速公路隧道施工提供理论支撑与实用指导。

一、岩爆形成机制及其特征分析

岩爆的发生主要源于地应力的集中和围岩脆性材料的突然破裂释放。在隧道掘进过程中，原岩体的三维应力平衡被打破，导致隧道周边围岩出现应力重分布，若此时局部区域的岩体强度小于应力加载值，极易发生岩体局部破坏并向空腔方向突然释放能量，表现为震动、岩片飞溅、裂纹扩展等现象。根据岩爆能量的大小和破坏程度，可分为轻微、中等和强烈岩爆，甚至在极端条件下形成灾难性岩爆。影响岩爆的因素较为复杂，包括地应力场、岩性、构造裂隙、地下水、施工扰动等多个方面。一般而言，脆性花岗岩、片麻岩等岩性条件下的岩爆风险较高，特别是在深埋段隧道中更为常见。此外，断层构造带的应力集中、爆破振动的叠加效应、施工扰动频率与岩体响应的不匹配等均可能成为诱发岩爆的关键因素。因此，充分认识岩爆的多源诱因及其地质响应特征，是构建高效预警模型的前提。

二、岩爆预警模型构建的理论基础与技术路径

传统岩爆预测方法主要依赖于单一指标判断，如岩石脆性指数、地应力水平、声发射频率等，虽然在一定条件下具有参考价值，但面对复杂多变的施工环境，单参数方法存在识别误差大、反应滞后等局限性。近年来，随着智能监测技术的发展，多参数融合成为岩爆预测的重要趋势。基于多源监测数据，包括声发射（AE）、微震（MS）、地应力变化、围岩位移、电磁辐射、温度变化等信息，通过机器学习、模糊逻辑、层次分析法等方法构建综合评估模型，可显著提高岩爆预警的灵敏度与准确性。在模型构建过程中，需对不同参数进行权重分配、敏感性分析与时序关系建模，从而实现岩爆风险等级的动态评估。以支持向量机（SVM）、BP 神经网络、深度学习网络为核心的人工智能算法，能够在大量历史监测数据基础上挖掘出关键特征组合，提高模型的泛化能力与现场适应性。此外，结合地质信息建模与施工进度联动，可实现模型与现场施工的实时交互，进一步提升预警响应效率。

三、岩爆防治体系的现状问题与技术改进

目前我国隧道施工中常用的岩爆防治措施包括控制爆破参数、加密锚杆支护、预应力锚索加固、喷射混凝土加封、实施减震措施等，但在实际应用中仍存在适应性差、时效性弱、成本较高等问题。一方面，部分防治措施在岩爆发生后实施，属于被动响应，难以避免初期破坏；另一方面，防治措施与岩爆预测联动性弱，缺乏针对性，造成资源浪费与效果不理想。因此，防治体系应从源头控制、过程干预与应急响应三方面同步优化。源头控制方面，可通过地质超前预报、岩体CT 扫描等手段获取岩爆高风险段信息，提前布设防护系统；过程干预方面，建议建立基于预警等级的响应机制，根据风险等级自动调整施工参数与支护强度，实现预防性治理；应急响应方面，应完善岩爆发生后的快速撤离、机械自动控制系统及灾后修复机制，提升灾害处置效率。此外，应重视新材料与智能装备的引入，如形状记忆合金支护、智能锚杆、实时变形传感器等，以增强系统的响应灵敏度和自动调节能力。

四、工程实例分析与模型验证

为验证所提出预警模型的实用性与准确性，本文选取西南山区某典型高速公路长大隧道工程作为研究案例。该隧道穿越多个高地应力断裂带，岩层结构复杂，岩爆等动力灾害频发，施工风险极高。项目现场布设了包括声发射、微震、地应力等多类型传感器系统，构建了数据采集—传输—处理—预警一体化平台，并将所提出的多参数智能预警模型嵌入施工管理系统中进行实时运行。研究期间共记录到多起不同等级岩爆事件。通过与实际发生情况比对，模型对中高强度岩爆的预测准确率达到 85% 以上，且具备平均 30 分钟的提前预警能力，满足工程响应时效要求。预警结果指导施工单位动态调整掘进参数、优化支护结构，有效规避了多起重大风险。与传统基于单一指标的预警方法相比，所构建模型在复杂地质条件下展现出更强的识别能力与鲁棒性。同时，随着现场反馈数据的持续输入，模型通过自学习机制不断优化，预警误差持续降低，展现出良好的适应性和迭代能力，具备广泛的工程推广前景。

五、结论

岩爆作为高速公路隧道施工中的高风险灾害，其发生机理复杂多变，预测困难且危害严重。本文基于对岩爆成因的深入分析，提出一种多参数融合的预警模型，并结合智能监测与工程反馈机制，实现对岩爆风险的动态预测与分级响应。同时，对现有防治体系进行了全面剖析，指出了存在的技术短板与适应问题，并据此提出了防治体系优化路径，包括施工参数调整、前期风险探测、智能装备应用及应急机制完善等。研究表明，岩爆预警模型的精准构建与防治措施的优化提升，是保障隧道施工安全与效率的关键方向。未来，应进一步推进岩爆预测的智能化、自动化与集成化发展，探索与 BIM、GIS、物联网等技术的融合，构建多维度、全周期的安全管理平台，实现从“事后应对”向“主动防控”的根本转变。

参考文献：

[1] 孙永伟 . 岩爆隧道施工安全技术及预防措施研究 [J]. 运输经理世界 ，2024，（28）：89-91.

[2] 张伟 ， 李春刚 ， 袁斌 ， 等 . 高速公路隧道施工监控量测技术应用研 究 [J]. 工 程 建 设 与 设 计 ，2024，（18）：110-112.DOI：10.13616/j.cnki.gcjsysj.2024.09.236.

[3] 吴瑜凡 . 云雾山公路隧道施工安全风险分析与评价研究 [D]. 辽宁工程技术大学 ，2024.DOI：10.27210/d.cnki.glnju.2024.000191.

[4] 何鹏 . 隧道施工安全数字孪生体的构建与应用 [D]. 大连理工大学 ，2024.DOI：10.26991/d.cnki.gdllu.2024.000869.