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岩溶隧道涌突水地质灾害破坏机理与预警技术研究

马士伟  
【摘要】:岩溶隧道穿越各种复杂特殊的地质、地貌和构造单元,在隧道施工中会产生各种地质灾害,其中涌突水地质灾害是岩溶隧道工程中危害性最大的灾害。本文对岩溶隧道涌突水地质灾害的破坏机理与预警技术进行了研究,包括其形成原因、破坏机理、预警方法和标准及现场应用。主要研究结论如下: (1)通过隧道涌突水地质灾害的调研,总结灾害发生必须具备四个基本条件,一是特殊的地质构造基础;二是足够的填充物条件;三是丰富的地下水源影响,四是人为的开挖扰动激活。 (2)国内外对隧道涌突水地质灾害自动化网络监测系统的研究较少,目前在长大隧道施工过程中还没有广泛接受的、方便适用的监测数据处理模型,特别是对岩溶隧道涌突水地质灾害的预警预报,更没有成熟的先例。开发岩溶涌突水地质灾害预警信息系统对隧道安全施工有重要意义。 (3)利用薄板理论、剪切破坏理论对岩溶隧道涌突水地质灾害发生机理和过程特征进行了研究。薄板理论适用于隧道跨度较大、隔水岩板完整性好并且较薄的情况,剪切破坏理论适用于隧道跨度较小、隔水岩板较厚并且破碎的情况。利用有限元对隧道开挖接近有压溶洞时隔水岩板力学变化进行了三维模拟。结果表明,由于隧道开挖引起围岩应力场变化和溶洞内水压作用,隔水岩板发生松弛,易导致灾害发生。 (4)在岩溶隧道涌突水地质灾害预测预报方法上首次提出了灾害发生前兆的现象预报法和S—t曲线变化趋势判断法,该方法的关键是对施工中地下水活动规律和围岩稳定性实时监测,包括水压、水量、水质变化、围岩位移、初期支护应力变化等。 (5)岩溶隧道涌突水地质灾害基本评判要素包括地质构造特征、涌水量特征、围岩稳定特征、地表环境影响、灾害危害程度。根据上述评判要素,对隧道涌突水地质灾害进行了IV级划分,这对制定灾害应急预案、防范工程风险有重要意义。 (6)给出了不良地质隧道地质构造综合量化评价要素和评价指标,包括断层(性质、规模、岩性)指标值及权重因子、岩溶(层段、水系统、结构面发育程度)指标值及权重因子、隧道穿越地下水循环区域指标值及权重因子及水源补给特征指标值及权重因子,经过综合量化评价,确定量化指标值T。根据T值,将灾害风险程度划分IV级,对每一级分别确定监测项目,制定隧道通过该地段时的预警预测方案。 (7)对岩溶主要风险源水压、水量、水质、初期支护内力及围岩位移进行监控,给出了相应的预警标准。在此基础上,研究开发了隧道涌突水地质灾害预警系统,并在浏阳河隧道过河段、大支坪隧道、野山关隧道现场使用。结果表明,该系统能较好的适应隧道复杂环境,稳定性好,其推广应用对岩溶隧道安全施工具有一定的指导意义。


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