0引言進入20世紀以來，隨著國家西部大開發戰略的逐步實施，我國西部地區交通運輸的發展得到了迅速的推動，我國西部巖溶地區修建的隧道工程和地下工程如雨後春筍般湧現。由於這些地區特殊的地形地貌和復雜的地質條件，在這些巖溶地區修建的隧道異常復雜，難以預測[1]。因此，在巖溶高度發育的地區修建大型鐵路隧道，必然會遇到大量的巖溶災害和不良地質問題。在施工過程中，經常發生突水、突泥、坍塌、瓦斯燃燒等災害，給現場施工帶來了極大的困難，造成了大量的人員傷亡和大量的工程經濟損失。結合現有的技術經濟條件，隧道施工過程中的各種不良地質災害已成為國內外工程地質和隧道工程界關註且未能很好解決的難題[4，9]。針對上述情況，為確保巖溶高度發育地區隧道施工安全，減少突水突泥等不良地質災害造成的損失，提高預測精度，降低工程造價，以徐大鐵路B標段尹家巖隧道為工程背景，采用綜合超前地質預報方法，利用地質雷達對巖溶高度發育隧道進行連續跟蹤預報，有效指導了隧道施工。1工程概況尹家巖隧道洞口位於古藺縣龍山鎮、石屏鄉，中心裏程K71+658，全長3050m，交通極為不便。該區屬於四川盆地南緣山地與雲貴高原的過渡帶，屬於低中山構造侵蝕地貌，坡谷地貌，山高谷深，地形起伏較大。壹般山脈北低南高東低，多為東西走向，與構造線基本壹致。該區海拔多在350 ~ 2000m，相對高差200 ~ 700 m，溝谷基本沿構造線發育，陡坡較陡，壹般為V型溝谷和U型部分。寬谷多為農田，石灰巖地區巖溶地貌明顯，地表溶蝕嚴重，石林、石柱等典型石灰巖地貌，多溶窪、溶洞、地下河，窪地串珠狀。山坡和山脊上植被發育良好，大部分地區人煙稀少。山裏溝窪多，坡溝多是旱地和水田。隧道場區穿越二疊系梁山組、棲霞組灰巖(P1l+q)、誌留系韓家店組頁巖、灰巖、泥巖、砂巖(S1-2HN)、石牛欄組、龍馬溪組頁巖、灰巖(S1l+s)。隧道內主要斷裂構造為劉家溝斷層(陡直斷層，影響帶寬)，緩傾角約20°。圍巖除進口外主要為ⅲ、ⅳ級圍巖，節理裂隙發育。入口邊坡沿層面，出口處有差異風化產生的崩積碎石和危石。石灰巖(尤其是涼山棲霞組)巖溶發育強烈。勘探孔入口和中部多洞穴(深2 ~ 6m)，水位高(高於洞體)。隧道埋深較淺，上部巖體多為V級圍巖或富水巖體，穩定性較差。綜上所述，尹家巖隧道的主要不良地質現象是由地層巖性決定的巖溶和斷層破碎帶及其影響帶，以及其它破碎巖體中可能發生的坍塌和完整巖體中可能發生的落塊。2巖溶隧道綜合超前地質預報目前，隧道地質超前預報越來越受到重視，方法也很多，但各有特點。根據不同的地質條件和環境選擇合適的方法是非常重要的。為了更好地了解隧道地質條件，降低施工風險，在地質分析的基礎上，采用地質雷達預報技術，結合綜合地質預報方法，對尹家巖隧道進口段DK70+803 ~ DK70+831進行綜合地質超前預報。2.1地質分析方法和地球物理探測方法目前，國內外隧道施工都把隧道掌子面前方的地質情況作為隧道安全生產的重要環節。根據大量工程實踐，隧道掌子面前方不良地質體的探測方法很多。根據是否使用儀器，可分為地質分析法和物探法兩大類，其中地質分析法是隧道超前預報中的壹種基本方法，常見的有:地面地質調查、隧道掘進地質編錄、超前鉆探、斷層預測法和地質經驗法。地球物理探測方法以電磁反射波理論為主，主要儀器有TSP隧道地震探測、地質雷達探測、瞬變電磁法[11-12]。以上各種先進的地質預報方法和國內外現狀各有優缺點，因此提高預報的準確性和時效性仍然是國內外隧道工程地質中亟待解決的學術問題。因此，為了更及時、更有效地指導隧道施工，提高信息化施工技術，研究綜合超前地質預報技術是迫切和必要的。不同地質超前預報方法的優缺點受不同地質環境條件的限制。表1給出了不同預測方法的預測範圍、理論依據和評估精度，表2給出了不同預測方法的優缺點對比[2-10]。根據不同的災害分類和等級地段，結合地質情況合理采用不同的預報方法對掌子面前方地質情況進行預報，包括巖溶隧道綜合超前地質預報流程圖(圖1)和巖溶隧道綜合超前地質預報工作程序框圖(圖2)。2.2模糊神經網絡預測方法在巖溶隧道施工過程中，可能發生的地質災害的數量、發生地質災害的位置、單個地質災害的規模及其對工程的影響都具有隨機性和不可控性，因而具有不規則性。因此，采用模糊神經網絡方法對目標隧道建立預測模型，以達到更好的預測目的。首先確定高風險巖溶隧道災害風險評估的主要因素，即因素集Y = {Y1，Y2，Y3，…，Yn}，其中巖溶隧道存在的工程地質災害風險主要影響因素:Y 1-設計階段地質勘察資料；Y2——隧道掌子面溶蝕發育特征；Y3——工作面節理裂隙發育特征；Y4——隧道掌子面斷層調查；Y5——隧道掌子面地下水滲流特征；Y6——工作面巖體強度指標；D7——隧道掌子面巖性；D8——地質雷達反射光譜。鑒於巖溶隧道風險因素組合的隨機性和不可控性，整個綜合超前預報流程仍需進壹步改進和完善，使其更具可操作性。本文采用自適應模糊神經網絡(ANFIS)方法，建立巖溶隧道上述影響因素的模糊神經網絡綜合預測模型，並進行綜合預測[6，14]。自適應模糊神經網絡(ANFIS)模型結構示意圖(圖3)。3巖溶地區隧道施工綜合地質超前預報技術及應用實例由於尹家巖隧道施工區地質環境復雜，查明隧道開挖面前方巖層中的斷層、裂隙、巖溶、地下水等不良地質因素成為必要。結合本文提出的綜合地質超前預報方法和工作體系，在隧道施工過程中不斷對隧道進行分析和預報。從預測結果來看，預測精度較高，為及時改變施工方案提供了依據，有效減少了隧道施工引發的地質災害的發生，保證了施工的安全生產，也為工程建設帶來了經濟效益。3.1建立地質災害綜合預測與風險評估模型。根據巖溶隧道的各種影響因素，建立了基於自適應模糊神經網絡(ANFIS)方法的評價模型，即對巖溶隧道施工過程中的實際影響因素進行綜合評價，確定災害的類型和存在。即①特定災難的存在；(2)災害的規模；③災害規模小；④有些災難並不存在。以巖溶為例，如表3所示。災害類型大致可分為八大類:溶洞、瓦斯、突泥、突水、破碎巖體、軟弱巖體、滑坡、斷層。根據已定義的八種災害類型，通過預測評估模型確定災害等級，將災害風險等級分為ⅰ、ⅱ、ⅲ、ⅳ四種類型。詳情見表4。3.2綜合地質超前預報初步判斷本次預報位於隧道進口DK70+803處，預報掌子面前方28m。現場試驗使用SIR-3000地質雷達，結合本文提出的ANFIS綜合超前預報方法實現預報。其中，現場采集的雷達數據解釋結果如圖4所示，ANFIS的訓練樣本取自按表3標準構建的樣本，結合表5所示的尹家巖隧道實際探測結果建立ANFIS模型的訓練樣本。利用樣本數據的判斷結果比較理想，與模型得出的結果完全壹致。模型網絡樣本調試後，對該預測段的巖體巖溶進行綜合預測，結果見表6。
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