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复杂岩溶隧道涌突水演化机理及灾害综合防治研究

徐钟  
【摘要】:我国西南地区地质条件复杂,山岭隧道修建过程中经常遇到岩溶地质不良现象,尤其是岩溶涌突水现象。多变的岩溶地质构造、丰富的地下暗河体系、充沛的雨季降水量,致使岩溶隧道涌突水灾害的预测和防治工作十分困难,在施工过程中屡屡造成巨大的经济损失,甚至人员伤亡,岩溶涌突水灾害已成为隧道工程施工和运营过程中的重大安全隐患。岩溶地质环境具有复杂性和多样性,隧道工程中涌突水成灾的发生地点和时间均具有不确定性,造成工程施工过程中的灾害危险性评价容易出现偏差。岩溶涌突水演化过程的准确理解、岩壁防涌突水安全厚度的计算、成灾危险性的定量分析、岩溶空腔的综合处置等等问题,均在不断探讨之中,以便作为岩溶地质环境条件下隧道工程建设适宜性评价的工作基础。因此,本文以“复杂岩溶隧道涌突水演化机理及灾害综合防治研究——以新建叙大铁路为例”作为选题,依托“新建地方铁路叙永至大村线长大隧道超前地质预报关键技术研究”和“叙大铁路中坝隧道D9K55+221突水灾害形成机制、环境影响及工程措施专题研究”课题,以岩溶隧道涌突水演化过程为研究对象,考虑岩溶地质环境对涌突水成灾的影响,将岩溶涌突水的演化过程划分为四个阶段,分析防涌突水岩壁安全厚度的组成和计算方法,进行涌突水危险性评价和综合防治措施研究,探讨岩溶地区隧道工程建设的适宜性。完成的主要研究工作和取得的研究进展包括:(1)分析岩溶地质环境条件的系统构成,探讨岩溶地质环境对工程建设的影响及隧道工程建设的适宜性。分别从岩溶发育模式、区域岩溶地质、岩溶水文地质、岩溶洞穴(溶腔)等方面系统分析复杂岩溶地质环境的特点,根据岩溶地质调查和超前地质预报资料,分析岩溶隧道涌突水的危险性等级。根据系统科学理论,从构造地质系统、水文系统、岩体力学系统等方面分析和理解岩溶地质环境条件,为岩溶隧道涌突水灾害致灾因子的识别提供依据。(2)基于岩溶隧道涌突水灾害的演化过程,分析岩溶地质环境对涌突水成灾的影响,探讨防治涌突水成灾的关键因子。将岩溶隧道涌突水的演化过程划分为四个阶段,对各阶段的演化特点进行分析,对不同演化类型进行探讨。岩溶地质环境形成阶段受地形地貌、岩性分界面、褶皱、断层等要素作用,决定了涌突水发生的空间位置和类型;岩溶水系通道扩展阶段受地区雨量、地表形态、地质构造、地层岩性等影响,决定了涌突水发生的规模和危害性;岩壁安全厚度临界状态形成阶段受到开挖岩壁厚度减小、水势能增大、爆破振动等作用时,稳定性降低,促发涌突水、甚至突泥;涌突水释能降压阶段会对隧道形成危害,后续的降雨、暗河、地表水等水源补充,将控制是否再次发生涌突水灾害。岩溶涌突水灾害的致灾因子众多,岩壁的安全稳定性是防治涌突水灾害的关键要素,高压水力作用和施工扰动作用对岩壁安全临界状态的影响是研究重点。(3)基于损伤理论分析爆破振动对岩壁作用的累积效应和算法,考虑质点振动峰值速度的衰减规律,推导围岩爆破损伤区范围公式。基于断裂力学分析高压水力作用对岩壁作用的机理和算法,考虑溶腔水压力受季节性补给条件的影响,推导水力劈裂启动的临界强度因子公式。按最不利条件考虑爆破振动载荷,用拟静力法分析爆破振动与高压水力共同作用条件下,水力劈裂启动的临界强度因子公式表达为:结合施工扰动和高压水力共同作用,将岩壁临界安全厚度划分为爆破振动严重损伤区、岩溶裂隙区、水力劈裂扩展区、潜在危险区四个部分计算。(4)探讨隧道涌突水危险性综合评价体系的构建方式,分析致灾因子和指标评分标准。从岩溶地质环境、隧道围岩特征、扰动作用影响三个方面考虑岩溶隧道涌突水成灾的影响因素,分别从勘查设计、超前探测、施工开挖三个阶段进行灾害危险性的评价和控制,考虑因子的动态属性采用层次分析法建立涌突水灾害危险性评价指标体系,采用专家咨询法制定危险性评价指标的评分标准,结合案例探索成灾危险综合评价指标和体系的准确性。建立的隧道涌突水综合评价模型具有实用性,为分阶段控制成灾危险提供了依据。(5)探讨隧道涌突水灾害的综合防治措施,分析涌突水灾害的探测方法和防治工程施工技术要点。基于岩溶涌突水防治原则,分析不同岩溶地质环境条件下涌突水灾害的防治思路和施工对策,结合案例从超前地质预报、绕避与跨越、释能降压、管棚支护、注浆加固等方面,进行复杂岩溶地质环境条件下隧道涌突水灾害的综合防治措施研究,为隧道工程建设管理提供依据。


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