李利平，成 帅，张延欢，屠文锋

(1.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061；2.山东大学 齐鲁交通学院，山东 济南 250002；3.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059)

21世纪是地下空间开发利用的新纪元，以隧道为代表的地下工程如雨后春笋般蓬勃发展。在长达数十年的建设历程中，我国已成为世界上隧道建设规模、难度和数量最大的国家，涉及公路、铁路、水利和市政等诸多工程领域[1]。近十几年，在“十一五”至“十三五”规划指导下，我国地下工程建设取得了长足的发展。

随着川藏铁路、渤海湾跨海隧道为代表的一批世纪工程的修建或推进，我国隧道与地下工程建设进入了一个新时代，面临新的历史性机遇。同时，工程建设面临极端复杂的地质条件与建设环境等挑战，以川藏铁路雅安至林芝段为例，全线桥隧比极高，隧道65座、线路总长802 km，其中最长的易贡隧道长达42.2 km，沿线地形高差显著、地质环境复杂、板块运动强烈、山地灾害频发。此外，为了进一步加强与国家“一带一路”建设、“城市地下空间”建设规划的衔接，隧道工程不断向“深、长、大”方向发展，面临的地质问题日趋突出，意味着地下工程建设灾害风险更高，防灾代价更大，安全建设面临更严峻的挑战。在我国地下工程世纪性的腾飞面前，机遇与挑战总是并存的，如何把握机遇、迎接挑战，是地下工程研究者的历史使命。

1 中国地下工程建设现状分析

1.1 中国地下工程建设规模

据有关统计数据，截止2018年底，我国运营的交通隧道总数达30 776座，总长30 611.1 km，正在或即将修建的交通隧道总数达6 644座，总长13 125 km，典型隧道工程详见表1[2]。特别是锦屏二级水电站、白鹤滩水电站等超大规模的地下洞室群建设规模不断刷新世界地下工程记录，如白鹤滩水电站地下洞室总长度达217 km，厂房顶拱跨度34 m，高88.7 m，为世界已建跨度最大的地下厂房。

表1 我国典型深长隧道工程[2]

1.2 中国地下工程发展趋势

国家中长期发展规划中先后把交通水利隧道、城市轨道交通、地下综合管廊、地下综合开发和海绵城市等作为重要战略，进一步推动了我国交通基础设施建设的步伐，我国交通基础设施建设迎来了前所未有的发展机遇。特别是，地下工程作为我国交通基础设施的咽喉，大力开发地下空间、拓展地下纵深空间已经成为我国交通基础设施建设的迫切需求。

我国幅员辽阔，地下空间体量庞大，可开发规模达200亿m3，可计算价值超过15万亿元，特别是国家《“十三五”现代综合交通运输体系发展规划》的实施，要求重点推进地下空间分层开发，拓展地下纵深空间，进一步统筹城市轨道交通、地下道路等交通设施与城市地下综合管廊的规划布局，打造城市立体交通系统，促进地下空间与城市整体同步发展，以地铁、地下综合管廊为代表的城市地下空间建设进入黄金发展阶段，为我国地下工程发展带来了前所未有的契机[3-4]。

1.3 中国地下工程建设面临难题

我国山区面积占国土总面积的70%，且岩溶地区、沉积岩分布广泛，地形、地貌及地质条件复杂，地下工程建设面临巨大的地质难题，修建过程中突涌水、围岩垮塌等重大地质灾害频发。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[5]，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[6]。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 地下工程安全建设面临的机遇

交通运输是兴国之器、强国之基。如今我国站在世界交通大国的新起点上，应该始终朝着建设交通强国的目标奋进。在推动交通发展方面，要由追求速度和规模转变为注重高质量、高效益，要由各类交通方式单一独立发展转变为一体化融合式发展，不能再仅依靠传统要素驱动，而是要注意依靠创新驱动，依照这些改变，构建一个安全、高效、便捷、绿色、经济的综合性现代化交通体系，打造一个拥有一流设施、一流技术、一流管理、一流服务的交通强国，为全面建成社会主义现代化强国，进而实现中华民族伟大复兴的中国梦提供坚强的支持。在如今这个建设交通强国的关键时期，地下工程隧道建设面临着严峻的挑战，也蕴藏着巨大的机遇。

随着地上空间资源的消耗，开发地下空间资源变得刻不容缓。21世纪是一个全球性的地下工程空间大开发的世纪，大直径、长距离以及隧道结构功能多样化的发展趋势越来越明显。中国城市化的迅速发展刺激着地下空间开发利用、城市轨道交通工程、高铁、长大隧道和越江跨海隧道的发展。国家基础设施建设蓬勃发展，一带一路战略实施，公路铁路建设走向世界。至2020年底，我国公路、铁路隧道总长度将突破4万km。虽然中国的隧道建设数量以及规模已经处于世界领先水平，但是在许多关键技术方面还存在许多没有解决的问题，在国家政策支持的情况下，地下工程的研究者们应该抓住机遇，努力攻克关键技术难题。

2.1 川藏铁路

川藏铁路被称为世界上最难修建的铁路工程，将是进出西藏最快速、最便捷的主通道，也是巩固国家边防安全的重要战略通道。长大铁路隧道的建设、运营、维护都面临着严峻挑战，岩爆、大地形、高地热以及全新世活动断裂等问题突出，长大隧道防灾、救援经验不足，隧道弃渣及利用难度大。

川藏铁路从成都到西藏，经过雅安、林芝，建设方案如图1所示[7]。川藏铁路经过五个地貌单元，工程地质复杂和强烈的板块活动威胁施工安全，跨七江、穿八山，“七上八下”，大大增加了施工难度[8]。因为强烈的板块活动，导致其内动力地质作用之强烈是世界铁路少有的。川藏铁路还穿越十余条深大活动断裂带，包括龙门山、鲜水河、理塘、甘孜-理塘、巴塘、金沙江、澜沧江、怒江、八宿、嘉黎、雅鲁藏布江等活动断裂。这些深大活动断裂带存在断裂粘滑位错(地震)、活动断裂缓慢活动(蠕滑)等，会产生较严重的山地灾害，包括潜在不稳定岩土体滑坡、泥石流、冰川型泥石流和冰湖溃堤型泥石流等。例如，2000年4月9日，波密县易贡扎木弄巴发生巨型滑坡，堵塞易贡藏布，坝高100 m，溃决水位即达55 m，流量达12.4万m3/s。

图1 川藏铁路沿线地形地势图[7]

2.2 渤海湾跨海通道

随着经济全球一体化协同发展，超长跨海隧道已成为连接海峡和海湾的重要交通工程，也是区域互通、海陆互联和海洋开发的重要纽带。我国已建设厦门翔安隧道、青岛胶州湾隧道、广东狮子洋隧道、港珠澳大桥等十余条海域段不超十公里的隧道，未来将建设以渤海海湾通道(预计123 km)为代表的超过百公里长的世界级超长跨海隧道。超长跨海隧道建造运营的难度远超山岭隧道和短距离海底隧道，无限海水覆盖、海底强震以及复杂的海洋地质和恶劣的服役环境，导致很多超长跨海隧道在施工和运营期发生突涌水、坍塌等一系列重大灾害事故，造成人员伤亡和巨大经济损失，这也向科研工作者提出了挑战。

首先，超长跨海隧道赋存环境是“海水-海床-构造-隧道”复合体系，海底致灾构造赋存环境极其复杂，缺乏灾害源精细探测的有效方法。一方面，海床松散沉积地层饱含海水，严重衰减地球物理场甚至诱发其畸变或“淹没”，准确查明海床地质构造难度极高；另一方面，上覆岩层中的亚米级导水通道等不良地质体由于探测难度大，以往在施工期没有得到处置，使其成为突涌水、失稳灾变的主控诱因。由于对海下构造探测不明，导致对工程赋存地质环境、演变过程和发育规律等认知不清，使得海底隧道施工重要环节缺乏科学依据，这是超长跨海隧道安全建造面临的应用基础科学难题。

其次，超长跨海隧道由于洞线长，不可避免穿越断裂带等地质单元，地震风险极高，地震动力灾变机理极其复杂，国内外尚无成熟的隧道结构高效隔振抗断控制技术和韧性设计方法，导致隧道衬砌错段和“蛇形变形”，诱发大规模坍塌、大型突涌水灾害。发展海底隧道韧性结构体系，引领超长跨海隧道抗震韧性设计水平发展，揭示抗震原理与规律，是今后超长跨海隧道安全建造及运营面临的前瞻性设计理论难题。

除此之外，超长跨海隧道无限海水侵蚀、荷载复杂多变、服役环境恶劣，隧道围岩和结构在复杂环境作用下，围岩和加固体呈现渐进性破坏，衬砌逐步裂损演化，亟需发展有效的计算模型和分析方法，填补海底隧道围岩-支护结构耐久性评价和寿命预测理论空白。如何突破海底环境下隧道围岩-结构性能演化分析方法，为隧道信息智能感知和灾变控制提供理论支撑，达到海底隧道结构防灾减灾技术水平制高点，领跑国际水平，是今后超长跨海隧道安全建造运营面临的基础性理论科学难题。

3 典型突发性重大地质灾害主动防控的共性难题

3.1 力学机理

大批深长隧道修建在地质条件极端复杂的地区，如西部高原山区、西南岩溶发育地区等。隧道修建过程中常遭遇突涌水、围岩垮塌、大变形、岩爆等典型突发性地质灾害。突涌水灾害呈现显著的超高水压、超大流量、高隐蔽性、强突发性和强破坏性特点，其防控为世界级工程技术难题。岩爆呈现出滞后性、延续性、衰减性、突发性、猛烈性的特点，造成支护系统损毁、设备瘫痪，诱发大规模岩体坍塌，严重影响施工人员安全。大变形灾害因其变形量大、变形速率高和变形持续时间长的特点，常造成衬砌压裂、结构错位，最终诱发大型塌方事故，延误工期。此外，隧道修建以及运营过程中还会面临瓦斯、毒气、粉尘以及高温热害等不良施工环境，这些都严重影响了施工与运营安全。

纵观各类典型深长隧道突发性地质灾害，难以实现主动防控的根本理论难题在于深部岩体本构关系与动力灾变机理不清楚，灾变演化过程的高效模拟分析方法未建立，现有的数值计算方法难以实现工程尺度的灾变模拟。有效多元信息的监测方法缺失，致使灾害前兆信息测不到、测不准。单一、有限的信息间存在“孤岛”现象，亟需建立信息一体化融合方法，规避灾害误警和虚警现象，突破灾害发生时间、位置和危害等级的预测难题。本研究分别以施工期隧道突涌水灾害及围岩垮塌灾害两类典型地质灾害为例，论述突发性地质灾害主动防控的力学机理。

3.1.1 隧道突涌水灾害

基于防突结构破坏模式的不同，突涌水灾害可划分为隔水岩体渐进性破坏突涌水和充填结构渗透失稳突涌水[9]两种类型。隔水岩体渐进性破坏可划分为拉剪破坏和压剪破坏。层状岩体隧道突水模型又可分为岩体渐进性破坏的尖点突变和双尖点突变模型[9]。研究岩体破坏时既要考虑岩体内裂纹尖端的应力场和位移场特性，也要研究节理、断层等岩体不连续面的破坏特性。现阶段的防突结构破坏突水判据多适用于岩体突然断裂的脆性破坏情况，对于岩体弹性变形后发生较大塑性变形以致破坏的情况适用性较差。同时，岩石变形破坏的过程是和外界产生能量交换的过程。岩石的失稳破坏就是岩石中能量突然释放的结果，这种释放是能量耗散在一定条件下的突变[10-11]。此外，对于岩体破坏突水机理也需研究爆破开挖等外载扰动造成的渐进性破坏过程。钻爆施工条件下产生的爆炸应力波会造成裂纹内部水压力大小发生变化。隧道掌子面裂隙岩体突水发生源于含水裂纹岩体的压剪扩展破坏[12]。充填型不良地质构造中突水通道的形成是由于其内部充填介质的渗流灾变导致。基于充填物的渗透特性可将充填渗透突水模式分为充填介质的渗透失稳与充填体的滑移失稳突水[13]。

1)最小防突安全厚度计算方法

防突结构的破坏模式与演化过程是防治突涌水灾害的关键，防突结构的最小安全厚度是突涌水发生的临界厚度。岩溶隧道掌子面突水是由双重作用引起的：一方面是隧道爆破开挖扰动导致岩体固有裂纹激活，发生扩展；另一方面是在高岩溶水压持续作用下，岩体裂纹产生软化溶蚀，改变了岩体裂纹间有效应力，致使裂纹发生扩展-贯通直至破裂突水。研究人员针对不同的工程地质情况提出了一些防突安全厚度计算模型。例如，梁板模型[14]、基于临界水压力的掌子面岩墙安全厚度计算模型[15]、基于系统势能突变控制参数灾变演化路径的最小安全厚度计算公式[11]、“一区一带”计算模型的中间岩柱失稳力学模型[4]等。对于隧道洞顶、掌子面前方突水情况，有“三区”理论[9]、“一区一带”计算模型[12]。以上模型极大地丰富了隧道突涌水最小防突安全厚度的理论研究，为工程实践提供了一定的理论指导，但各有其限定的适用条件，如，梁板模型对于隧道底板处存在溶洞情况，将爆破扰动简化为振动附加力作用在岩体上，暂考虑的是静水压力；掌子面岩墙安全厚度计算模型计算了抗裂保护区厚度，但裂隙带的取值很大程度上取决于物探结果的精准性；“一区一带”计算模型，暂未考虑隧道开挖与侧部高压富水溶腔对中间岩柱稳定性的耦合影响等。

2)灾变演化过程的数学模型

深部岩体中，隧道施工的开挖卸荷与爆破扰动对岩体的开裂、裂隙扩展、渗流乃至突涌水发生的影响不容忽视。同时，深长隧道工程中，面临高地应力、高地温、高渗透压力的影响，长洞线致使施工及运营期间遭遇更为复杂的区域性渗流场，突涌水的灾变机理与演化过程愈加复杂。循环动力扰动、强卸荷与高渗透压环境下，表征深部岩体的破裂机理、渗流特性、水与岩土体互馈关系的数学模型将成为突涌水动力演化机理研究的关键。

3.1.2 隧道围岩垮塌灾害

针对隧道围岩垮塌灾害，许多学者对块体的几何封闭性和几何可动性原理进行了本质的扩展研究，丰富了危石平动、转动、断裂的失稳模式，先后提出了直接坠落、单面滑移、双面滑移、角点倾覆、角点旋滑、楞线倾覆、平移断裂七类运动模式，系统建立了隧道危石失稳运动模式的几何识别方法及危石稳定性分析模型[2,4]。此外隧道危石识别软件及隧道危石识别系统也相继发展成熟，逐步解决了隧道危石几何识别的理论及技术问题。但隧道工程环境复杂，信息化要求日益增加，针对岩体结构探测、三维模型重构等问题，仍需深入研究。

1)物-钻-表三位一体的岩体结构探测方法

隧道结构狭长，开挖临空面少，岩体结构面迹线难以完全展开。施工中经常遭遇结构面产状变化剧烈地段，简单的岩体表面扫描已难以满足岩体结构把控的要求。基于真彩激光扫描和双目立体摄像技术[17]，以岩体表面扫描为重点，采用陆地声纳、激发极化、瞬变电磁等物探手段与钻孔摄像等钻探方法内外结合，将是完善岩体结构三维探查技术体系，实现岩体结构精细化探查的必由之路。

2)岩体结构模型跨尺度联合重构方法

岩体结构信息数据量庞大，探测数据繁杂，数据的解译成果多样，传统方法如图解法仅针对几条或几组结构面进行集成分析，难以全方位覆盖岩体结构信息[18-19]。针对隧道岩体结构模型、岩体局部模型、隧道区域地质模型三个层次，基于计算机可视化建模技术，建立层次间模型耦合建模方法。着重解决地质模型局部动态更新算法，集成隧道岩体结构信息、局部信息、区域地质信息，构建隧道跨尺度可视化重构方法，将是隧道模型重构的主要发展方向，也是隧道危石识别、分析及后期查询的必要工作。同时，岩体探测数据类型多样，众多类型间的数据配准与融合标准化处理将成为岩体结构信息技术革新的关键。日益成熟的大数据与人工智能技术，也为智能化的岩体结构信息数据融合带来了新的契机。

3.2 计算方法

随着计算机硬件水平的不断提高，数值计算已经成为地下工程建设中必不可少的辅助研究手段。其中涉及的计算理论可以分为连续变形分析方法和非连续变形分析方法两大类，主要包括有限单元法、有限差分法、无网格方法、数值流形元法等。纵观当前地下工程领域，即使在计算理论和计算平台方面百家争鸣，但所使用的计算方法却普遍存在以下三个方面的局限性：

1)在前期建模方面，主流数值计算方法不能实现地质体模型的实时更新。目前的地质体模型构建方式依赖于初期勘察设计报告，主要表现为通过获得工程区域等高线信息、钻孔地层信息以及岩土体的物理力学信息等关键参数，将模型边界简化处理，从而利用软件前处理模块建立地质体模型。但是，使用上述方法可能会因为地质勘探误差或者隐伏地质缺陷造成地质体模型与实际工程存在较大偏差，因而应当基于多源地质信息融合技术，研发多尺度精细化地质体模型与工程构筑物耦合建模系统，提出地质体结构剥离识别及模型动态更新算法。

2)在计算理论方面，基于连续介质力学的方法难以模拟岩石破碎问题，基于非连续介质力学的方法难以模拟工程尺度问题，同时重大地质灾害的模拟难以还原其动态演化过程。究其原因，基于连续介质力学的方法(如有限元方法)受限于其介质连续假设，而基于非连续介质力学的方法(如颗粒/块体离散元)受限于其在计算工程尺度问题时计算单元数量庞大，难以实现可接受时间尺度内的模拟计算。同时，针对具体的重大工程地质灾害，例如隧道突水突泥、围岩垮塌以及岩爆等灾害，内在机理复杂，理想简化的本构模型难以准确描述灾害演化过程中复杂的非线性过程。因此，应当重点突破多种计算理论耦合计算(例如有限单元法和离散单元法耦合计算)，发展非连续介质力学计算理论中的高效计算方法，并结合物理试验与工程经验建立表征典型地下工程灾害演化过程的本构模型。

3)在后处理展示方面，目前主流的计算平台在数据立体化方面略显不足。主要表现在，数值计算结果多以点、线、面(云图)、动图的数据形式呈现，参观者无法真实感知重大地质灾害的动态演化过程。其主要原因是VR(virtual reality，虚拟现实)、AR(augmented reality，增强现实)技术与数值计算的结合不够紧密，尚未有比较普遍的结合应用。因此应重点突破后处理可视分析系统，建立并行可视化方法，利用数据几何和行为建模技术，构建人机交互的可视化环境，使参观者可以身临其境，感知工程地质灾害动态演化全过程。

3.3 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。

3.4 主动调控

目前针对地质灾害的治理主要集中在灾害发生后，通过注浆技术、架设钢拱架等方式进行被动治理。这既造成地质灾害频发，又浪费了大量的财力和人力，以灾害发生前期和中期进行“对症下药”的主动调控来代替被动治理将成为应对突发性地质灾害的有效手段和未来的研究热点。

通过业界共同努力和协同攻关，建立灾变演化全过程的实时预测理论和预警方法，基于大数据云平台对地质前兆信息、预报前兆信息和施工监测信息三部分预判断得出灾害发生的可能性与规模、致灾构造的空间位置与大小，建立重大地质灾害不同演化阶段全过程综合控制与智慧决策系统，最终通过智慧云端分析治理方案，提出综合治理决策，有效地将地质灾害消灭在萌芽中。

4 突涌水与围岩垮塌重大灾害主动防控技术

4.1 突涌水主动防控技术

作为世界上地下工程建设数量最多、规模最大和难度最高的国家，我国在矿山、铁路、公路、水电以及跨流域调水等诸多领域的建设过程中经常面临的挑战是突涌水灾害频发。据不完全统计，在21世纪的前十年间，突涌水及其诱发的地质灾害占我国大型基础设施项目建设中重大安全事故总数的77.3%[23]，不仅耽误工期、废弃或改线易址，而且造成严重的人员伤亡和经济损失，并极大威胁了生态环境。随着国家科技战略发展规划的逐步实施，施工期间遇到的“高水压、大流量、强突发、多类型”突涌水灾害堪称世界级工程难题，对突涌水灾害的主动防控逐渐成为制约地下工程建设发展的关键科学技术问题。

4.1.1 突涌水灾变演化状态判识与过程式控灾模式

不同孕灾模式下的突涌水灾变演化过程关键控制因素及其相应的控制方法尚不确定，难以建立相应的决策模型，鲜有学者开展突涌水等灾变过程的“控制理论”研究。采用模拟分析方法与计算程序，可以揭示不同孕灾模式下深长隧道突涌水灾害的灾变演化全过程；基于突涌水全过程中应力场、渗流场以及位移场等信息的演变特征，划分其灾变过程的演化阶段。利用不同演化阶段中岩体结构状态特征、地下水运动规律和多场特征信息，并结合多源预报结果和前兆多元信息的实时监测与识别，可以实现突涌水灾变过程和演化阶段的状态判识。通过研究不同灾变演化阶段的关键因素与控制参数，实现突涌水发生位置、时间及量级的有效预测，得出隧道突涌水的最佳控制时机，最终实现隧道不同类型突涌水灾变过程及与其状态相适应的最佳控制模式决策。

4.1.2 基于隧址生态环境保护的突涌水协同控灾方法

突涌水控制与治理很少从环保方面考虑对水资源的保护，大量工程案例证明，由于未实现突水演化过程的有效控制，突涌水往往造成地下水资源的浪费和生态环境的严重破坏，把隧道突发地质灾害控制与保护水资源和生态环境结合起来是一个亟待解决的新的理论问题。

通过研究隧址区地下水赋存和径流规律，建立地下水负效应评价体系，并得到不同开挖状态、注浆参数、衬砌条件下隧道涌水量计算模型；基于不同灾变演化阶段的关键因素及控制参数，可以研究隧道不同类型突涌水的控制方法及处理时机，为隧道安全施工提供决策方法。通过隧址降雨、地表水、地下水以及隧道排水的动态监测，进行基于动态监测的隧道涌水量和来源信息识别，研究隧道开挖对地下水的影响规律和影响范围，建立“防、排、堵、截”综合决策模型，为隧址区水资源保护提供最优方法。综合地下水环境保护和隧体稳定性协同控制双重准则，研究地下水限排标准，构建隧址区域地下水保护技术体系，进行集疏水泄压、注浆堵水和水资源保护的协同控灾，实现隧道施工到运营的地下水全过程控制，为保护隧址区的生态环境提供科学依据。

4.2 围岩垮塌主动防控技术

围岩垮塌的主要表现形式是原始结构面及开挖扰动形成的次生结构面与开挖临空面组合切割下形成的孤立或半孤立岩块发生坠落、滑移、倾覆的局部失稳现象[2,4]，其具有“强结构性、强隐蔽性、强突发性，分布范围极广、探识难度极大，防控手段盲目”的主要特点。据不完全统计，自2005年至今，见报的围岩垮塌案例多达300余起，造成了严重的人员伤亡和重大经济损失。隧道围岩垮塌防控已成为亟待解决的关键技术难题。目前，国内外学者围绕岩体结构信息采集、模型构建、稳定性分析、监测预警等方面开展了大量的研究，并取得了一系列研究成果。以下分别从岩体结构信息采集及解译技术、隧道围岩垮塌失稳机理及稳定性判识和隧道围岩垮塌监测预警与防控三方面进行概述。

4.2.1 岩体结构信息采集及解译技术

岩体结构信息获取与解译是隧道围岩垮塌预测的基石。然而，以人工接触测量为主的传统结构面信息获取手段耗时长、精度低、效率低下。因此，国内外学者尝试将数字摄影测量技术和激光扫描技术引入岩体结构探查中，并取得了一定的实际应用效果。在数字摄影测量技术方面，日本、澳大利亚等多国开始研究利用数码图像技术为隧道掌子面图像提取有效地质信息[26-28]。李浩等[29-32]结合工程实际研发了基于数码相机的硐室编录系统，提出了地质信息图像处理及产状提取算法。冷彪等[33-34]着重图像处理算法研究，通过增强图像质量完成结构面信息统计。在激光扫描方面，Slob等[35-36]研究了基于三维激光扫描技术岩体结构面信息获取方法。何秉顺等[37-38]应用三维激光扫描技术测量岩体结构面产状，并通过对点云数据进行三角网格划分，利用三角面的法向矢量来计算岩体结构面产状。

然而，无论是数字摄影量测还是三维激光扫描，仍无法完全克服隧道、采矿等地下工程中由昏暗、多尘、潮湿等复杂施工环境带来的数据采集难题。笔者在这方面也开展了一定的研究，通过开展隧道施工全过程照度、粉尘、湿度等环境参数跟踪测试，提出了不同环境下图像采集参数设定区间与最优采集模式，建立了隧道环境下激光衰减系数的计算方法，初步实现了岩体结构信息的有效获取，如图2所示。

图2 基于数字测量与三维激光扫描的隧道掌子面结构模型

4.2.2 隧道围岩垮塌失稳机理及稳定性判识方法

隧道围岩垮塌失稳模式的复杂性体现在其赋存环境的不确定性、受力状态的演化性及结构的可变性。因此，围岩垮塌失稳是一个动态问题，采取静态理念难以有效解决。1982年，Goodman等[39]提出了块体理论，后在块体理论的基础上，考虑结构面与岩块的变形，提出并发展了非连续变形分析(discontinuous deformation analysis，DDA)[40]。Yeung[41-42]利用楔形模型、块体理论、三维DDA三种方法研究楔形体稳定问题，验证了三维DDA方法的有效性。此外，针对隧道围岩垮塌失稳动态过程，部分学者采用数值方法开展了一定的研究，如采用FLAC3D、3DEC等数值手段研究隧道不同开挖过程块体的变形规律及稳定性影响因素问题[43-45]，研究地震、爆破、地下水、地应力等因素作用下块体的稳定状态转化问题[46-49]，研究不同支护或加固措施下块体及支护结构的作用关系问题[50-51]。

笔者认为，对隧道围岩块体结构面的受力模式进行分类，研究不同受力模式下结构面的强度演化机制，结合数值模拟手段，分析隧道块体结构及应力转化机制，分阶段揭示不同结构面组合条件下块体稳定性演化规律，是研究隧道围岩垮塌演化机理的必要工作。

4.2.3 隧道围岩垮塌监测预警与防控

相较其他隧道灾害，围岩垮塌具有显著的局部性及突发性，其灾变发生时间短促且位移前兆不明显，传统监测手段难以捕捉有效临灾前兆信息。岩体在灾变演化过程中会产生多种物理信息响应，常常伴随应力、温度、形变、能量、电磁辐射(包括红外辐射)等物理量的异常变化，可被用作灾害预测的判识依据。国内外学者通过室内试验、现场试验等多种手段对边坡危岩失稳、隧道突水突泥、地下硐室岩爆等灾害过程岩体破坏前兆开展了大量研究，涌现了一大批新的岩体灾变监测手段，主要包括声发射技术、红外热成像技术、电磁辐射监测技术以及岩体固有振动频率监测技术等[52-58]。针对隧道围岩垮塌灾害，研究其灾变过程多元信息响应规律，筛选有效前兆信息，建立多元信息融合分析方法及临灾预测模型，是对隧道围岩垮塌机理的有效补充，也是隧道围岩垮塌监测体系构建的理论基础。

5 结论

我国交通隧道建设规模和难度居世界首位，重大地质灾害防控为地下工程发展带来了巨大的挑战。

1)地下工程地质灾害的防治长期处于被动局面，亟待建立深部岩体本构关系、动力灾变机理及灾变演化过程的高效模拟分析方法，研究适用于不同灾害类型、灾变阶段的安全施工决策方法将是地下工程灾害防控的重点突破方向。

2)立足国家发展战略，作为两大世纪工程，川藏铁路和规划中的渤海湾跨海通道将为我国地下工程领域的发展带来新的机遇，也必将推动我国在高海拔山岭隧道修建技术和超长海底隧道设计方法突破技术瓶颈，领跑世界相关技术发展。

3)针对典型突发性重大地质灾害，重点归纳了灾害主动防控亟待突破的关键领域：深部岩体本构与破坏机制、工程尺度模拟与分析模型、灾变演化机理与过程调控，地质灾害监测预警与主动调控方法。以学科交叉融合创新为基础，建立融合动态修正多尺度耦合建模技术、岩土工程灾害演化过程模拟方法及基于虚拟现实的后处理技术的地质灾害模拟演化系统是实现突水突泥、围岩垮塌、大变形、岩爆等重大灾害主动防控的重要途径。

4)聚焦隧道突涌水与围岩垮塌重大灾害，论述隧道工程不同灾害发生时间、位置和危害等级的领域研究热点，探讨了地质灾害主动防控的基础理论与关键技术，建立典型灾害的多元信息融合分析方法及临灾预测模型，可有效充实地下工程灾害灾变机理与灾害监测体系，为地下工程安全建设保驾护航。