岩溶隧道涌突水灾害危险性评价指标体系及量化取值方法

深入分析了岩溶隧道施工过程中涌突水灾害的超前预测预报及风险评价体系的研究现状,提出了国内外关于岩溶隧道涌突水灾害的超前预测预报尚处于探索性研究阶段、如何提高预测预报的精度成为长大深埋隧道施工中涌突水灾害防治最为迫切、最为关键的问题。采用理论分析与实例统计相结合的方法,查明了岩溶隧道涌突水灾害的孕灾环境与主要致灾因子,选取“岩石可溶性、地质构造条件、地表汇水强度、地下水循环交替强度、隧道与地下水位的相对位置关系”5个评价因子,建立了岩溶隧道涌突水灾害危险性预测评价指标体系,并采用定性与定量化相结合的方法,重点对评价指标的量化取值方法进行了研究。     

承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程模型试验

岩溶隧址区强致灾性承压隐伏溶洞较为发育,为研究隧道开挖诱发隔水岩体破裂突水致灾机制,以利川至万州高速公路齐岳山隧道为工程背景,研制了流固耦合相似材料,提出了承压溶洞制备新工艺,自主研发了大型隧道突水灾变演化模拟试验系统。针对隧道开挖方式与溶洞发育尺寸,开展了多种工况下隐伏溶洞突水灾变演化过程模拟试验,研究结果表明：隧道施工过程突水灾害是爆破施工扰动与承压含水溶洞渗透破坏双重作用的结果;受爆破开挖扰动影响,隔水岩体内部裂隙发育密集,重点监测区域累计位移高出人工钻凿开挖27%,应力释放率达23.5%,稳定渗透压力仅为初始压力的36.7%,外加水压加载至40 kPa约15 min后最先突水;相同水压加载条件下,溶洞尺寸越大对隔水岩体渗流场、位移场、应力场的影响越大,位移释放率越大、渗透压力整体水平越低,最终在应力和渗流作用下优势导水通道形成并扩展率先发生突水;承压型隐伏溶洞突水灾变演化过程经历了群裂隙的萌生扩展、优势导水通道的形成、隔水岩体破裂失稳3个阶段。试验结果对隧道突水机制的研究和灾害防治具有一定的指导意义。     

岩溶隧道断层面突水灾害的力学机制

为防止岩溶隧道因顶部岩盘发生力学破坏而发生突水突泥灾害,以宜万线五爪观隧道为工程背景,对隧道-岩溶系统进行抽象概化,分析了断层构造突水机理及隧道穿越断层段引发的主要突水模式,进而研究岩溶隧道顶部岩盘力学破坏机制,得到了如下结论:(1)建立了溶腔位于隧道顶部条件下压性断层与张性断层突水力学模型;(2)推导了岩溶隧道断层段岩盘最小安全厚度计算公式;(3)应根据溶腔水压力的变化选择按抗弯强度或抗剪强度计算岩盘最小安全厚度;(4)结合工程实例验证了此岩盘最小安全厚度计算方法的合理性。研究对断层段岩溶隧道的设计和施工提供一定的参考。     

深部开采隐伏构造扩展活化及突水试验研究

深部开采突水具有突发性、滞后性和强致灾性等特点,研究突水通道成因、演变规律和致灾机制成为控制深部开采底板突水的关键。大量的防治水实践和理论证实,构造突水通道一般发生在构造与岩层接触面处,为此建立隐伏构造条块体突水判据模型,应用剪切破坏理论方法得到突水理论判据;借助深部承压水上底板断层扩展活化及导水通道演化物理模拟试验,研制了固-流耦合相似材料,选取模拟断层破坏活化的材料并进行了模拟材料的可行性分析;试验直观地展现了含隐伏断层底板在采动应力扰动和高承压水共同作用下底板裂隙形成、隐伏断层扩展、突水通道贯通的全过程。通过对试验监测数据和现象的解读,揭示了应力场-渗流场耦合作用下承压水体上采煤底板滞后突水的机制,并对突水路径形成的时空规律进行了分析探讨,为研究深部开采构造突水提供了新的方法和认识。     

川藏铁路廊道关键水工环地质问题:现状与发展方向

川藏铁路是我国正在建设的世纪工程,复杂的地质演化史导致铁路廊道地质环境差异大,水文地质、工程地质和环境地质问题复杂多变,在工程施工及今后运营中值得高度关注。在简要回顾川藏铁路廊道以往地质工作的基础上,阐述了铁路建设面临的水工环地质问题,包括高原构造岩溶高压突涌水、断裂带基岩裂隙高压突水突泥、高温热水热害等水文地质问题,活动断裂断错与强震灾害、高地应力与深埋隧道岩爆和大变形、特殊岩土体的不良工程特性与灾害效应、高位远程滑坡灾害链等工程地质问题,含煤地层和热液矿床酸性水腐蚀性、湿地生态退化演替、铁路建设与敏感生态环境的互馈效应等环境地质问题。提出了今后值得深入研究的关键科学技术问题:水文地质方面包括高原岩溶发育层序规律与构造岩溶蓄水构造类型、深埋隧道突水突泥的孕灾致灾模式与预测方法、活动断裂控热机制与地下热水循环模式、高温热害风险识别及地热资源化技术等问题;工程地质与地质灾害方面包括活动断裂的精细特征与工程断错效应、复杂地质构造区深部构造应力场特征、构造混杂岩带工程地质特性与灾害效应、水-力-热多场耦合作用下深埋隧道围岩稳定性与灾害效应、内外动力耦合作用下的高位远程滑坡机理及风险防控技术等问题;环境地质方面包括高原多源水转化循环机制与生态脆弱区生态需水量控制技术、隧道建设的水文生态环境效应、生态地质环境监测评价与保护关键技术、全球气候变暖的地质生态环境效应等问题。从公益性地质调查和商业性工程勘察相结合的角度,提出了地质调查是基础、科技攻关是关键、灾害隐患监测与工程治理协调推进的应对策略,为国家重大工程规划区的水工环地质工作发展方向提供了参考建议。     

隧道工程遭受泥石流灾害的工程易损性评价

以往泥石流易损性评价主要针对经济、社会、物质和环境的易损程度,未见关于工程基础设施易损程度评价。为此,以枝柳铁路卓福隧道遭受泥石流灾害为工程背景,提出了工程易损性的概念,根据隧道承灾特点和泥石流致灾特征,系统分析了隧道的地质选址、工程设计、隧道施工、运营维护以及泥石流致灾因子对隧道工程易损程度的影响,确定了工程易损性评价指标体系,借助于AHP法和模糊综合评价法,建立工程易损性的评估方法。并以实例验证该方法可行性,为泥石流地区隧道工程防治等级确定和隧道承灾能力评估提供方法参考。     

川藏交通廊道雅林段水文地质结构控制的水热循环及隧道热害特征

川西藏东地区水热体系空间分布与川藏交通廊道布局关系的特殊性,使得隧道难以回避复杂多样的水热灾害.为系统分析工程面临的热害问题,对控制水热循环的水文地质结构进行辨识,辅以地球化学特征、钻孔温深关系解析,分析隧道穿越地热系统时可能遭遇热害的类型及灾变特征.活动性深大断裂与大型褶皱为区内重要控热构造,结合次级断裂、岩石富水性、热水出露特征,梳理出7类控制水热循环的水文地质结构;结合隧道与上述结构的空间关系、水热特征影响要素归纳出两大类、13小类的热害类型.典型案例分析显示康定1#隧道出口段、拉月隧道中段分别穿越折多塘温泉、拉月温泉水热系统排泄区,两段可能遭遇高温高压、突发性涌突水灾害.      

基于多元监测信息融合分析的突水灾害状态判识方法

突水灾变演化过程中伴随着防突结构内的岩土体的信息变化,通过对潜在突水通道围岩多物理场信息进行深度融合分析,揭示了多元信息的逻辑共生关系,建立了突水演化状态判识的理论方法。从岩体渐进破坏突水与充填结构失稳突水两种典型的突水相似模型试验入手,建立了多元监测信息与量化表征函数的关联性。基于主成分分析理论揭示了多参量间的逻辑共生关系,确定了围岩多物理场信息对突水灾害的影响权重,这为突水灾害监测设计与预警提供了理论依据。结合函数拟合曲线中表征函数变化趋势发生转变的极值点与驻点,建立了突水灾害演化状态综合判识方法,最终将两种突水类型的演化阶段划分为：平静期、发展期、突变期和灾后期,并提出了任意时刻下突水灾害发生概率的能量判别方法,该理论方法为隧道及地下工程突水灾害监测预警提供了参考。     

基于三维离散-连续耦合的岩溶隧道突水破坏模式研究

岩溶隧道在修建的过程中难以避免接近溶腔甚至高承压水溶腔,而突水破坏极易引发安全事故甚至对隧道产生不可逆的影响,因此对岩溶隧道突水破坏模式的研究有利于解决相关安全问题,并对选线安全具有一定参照意义。通过三维离散-连续耦合数值技术,对微观离散颗粒物理、力学参数进行标定并验证,模拟水压作用下下伏溶腔与隧道仰拱之间的防突岩体垮塌过程。根据试验结果将防突岩体的破坏模式分为3类：剪切破坏模式、弯折破坏模式和复合破坏模式。弯折破坏模式表现为防突岩体中部和两端拉伸裂缝呈贯通状;剪切破坏模式表现为防突岩体两端裂缝呈剪切态;复合破坏模式则同时具有二者的共同特性。3种破坏模式所引起的裂缝发育规律相似,均可分为初始发育、快速发育和平缓发育3个阶段。初始发育阶段时防突岩体所存在的裂缝数量较少;维持水压力防突岩体的裂缝数量突增并进入快速发育阶段;而后防突岩体中的裂缝产生贯通效果进入平缓发育阶段,最终防突岩体整体垮塌。由此得出结论：突水破坏在岩溶隧道中是一个渐变的过程,但对岩溶隧道总体安全性有不可逆的影响。     

南京石膏矿特大突水灾害机理研究

发生于2006年9月11日的南京石膏矿特大突水灾害不仅改变了矿区及外围的地下水流场, 并引发了矿区地面沉降变形, 对地表附属物产生了一定的破坏作用, 造成了包括矿山关闭在内的巨大财产损失。南京石膏矿涉及典型的深部矿山地质工程问题, 影响地下开采稳定、矿山灾害和环境问题的主要因素是矿体及围岩的岩性结构及岩体结构构造, 特别是断裂构造及其影响带裂隙发育情况、富水性、导水率。围岩的岩溶强烈富水带的存在是矿坑突水的直接水源; 矿体的软岩特性、矿山开采扰动使采场周围的应力场重新分布、开采对断裂构造及裂隙带等结构体的活化作用都加剧了突水灾害的发生。     

岩溶区隧道突水灾害防治原则及治理对策

突水已经成为我国岩溶地区隧道修建中最严重、且最常见的地质灾害。本文通过岩溶区隧道施工中突水灾害防治技术现状的调研,结合宜万铁路沿线众多岩溶隧道突水灾害治理的工程实践,总结、概括了我国近一个时期岩溶隧道施工中突水防治的基本原则和治理对策,这对今后类似隧道工程防治水技术有较大的借鉴价值和指导意义。     

基于条分法原理的充填型岩溶蓄水构造突水突泥最小安全厚度

首次将条分法引入到充填型岩溶蓄水构造突水、突泥研究当中,基于边坡稳定性分析的条分法原理,对隧道-岩溶充填物-岩溶管道系统进行了抽象概化,建立了充填型岩溶蓄水构造充填物条分解析计算模型。假设充填物在滑动面上各处均达到极限平衡状态,且在滑动面上的破坏服从Mohr-Coulomb破坏准则,通过力的平衡条件推导了充填型岩溶蓄水构造突水突泥的最小安全厚度计算公式,形成了一种求解充填型岩溶蓄水构造突水、突泥最小安全厚度的工程实用解析方法。该方法为岩溶隧道突水、突泥计算提供了一种新思路,计算结果与数值计算吻合性较好且符合实际工程情况,具有一定的理论研究与工程应用价值。     

青藏高原构造混杂岩带的孕灾地质基因与重大工程地质问题研究

孕灾地质基因是指一定区域所具有的促进地质灾害孕生的内在关键因素。板块构造混杂岩带所处的特殊构造部位决定了其复杂的演化过程和特殊的地质基因。本文在梳理青藏高原构造混杂岩带地质特征的基础上,总结分析了其孕灾地质基因,包括活跃的地质构造、复杂的水热条件、混杂的岩性组合、特殊的蚀变软岩和构造岩溶导水通道等,是引发重大地质灾害和工程地质安全风险的根源。结合典型案例,剖析了构造混杂岩带大型滑坡的成因类型主要有三大类：构造控制型、泥质软岩控制型和蚀变蛇绿岩带控制型,其中蚀变蛇绿岩带是构造混杂岩带最具特色的易滑地质结构,具有典型的地质构造与特殊岩性联合控制特征。构造混杂岩带隧道工程变形破坏主要有塌方、水平收敛、环向收敛、底鼓和错断等五种模式,黏土化蚀变软岩的不良工程特性是制约构造混杂岩带隧道围岩稳定性的重要因素。针对传统的工程地质理论和灾害风险防控技术难以适应构造混杂岩带大规模工程建设面临的挑战,提出了有待深入研究的关键问题和防灾减灾策略。     

广州市地面塌陷分布特征与人为致灾因子分析

广州市地面塌陷频繁发生,近10年来呈波动式上升趋势。其塌陷类型分为岩溶塌陷和工程地面塌陷两种,岩溶塌陷主要分布在广花盆地的花都区、白云区,工程地面塌陷主要分布在主城区。地面塌陷孕灾环境复杂、致灾因子多样,承灾体脆弱,灾害后果严重,人为因素是地面塌陷的主要诱发因素。岩溶塌陷主要是由于过量抽取地下水或矿山疏干排水、地下采空、暴雨触发所致;工程塌陷主要是人类工程行为所致,其主要致灾因子包括排水疏干与突水（突泥）作用、人工加载、人工振动、人工开挖桩基、地表渗水、地铁等地下工程盾构掘进等。     

s广州市地面塌陷分布特征与人为致灾因子分析

广州市地面塌陷频繁发生,近10年来呈波动式上升趋势。其塌陷类型分为岩溶塌陷和工程地面塌陷两种,岩溶塌陷主要分布在广花盆地的花都区、白云区,工程地面塌陷主要分布在主城区。地面塌陷孕灾环境复杂、致灾因子多样,承灾体脆弱,灾害后果严重,人为因素是地面塌陷的主要诱发因素。岩溶塌陷主要是由于过量抽取地下水或矿山疏干排水、地下采空、暴雨触发所致;工程塌陷主要是人类工程行为所致,其主要致灾因子包括排水疏干与突水（突泥）作用、人工加载、人工振动、人工开挖桩基、地表渗水、地铁等地下工程盾构掘进等。     

川藏铁路雅安至林芝段重大工程水文地质问题

川藏铁路位于大陆碰撞造山带,特殊的地质构造背景下,铁路沿线水文地质条件极为复杂,严重制约着川藏铁路规划建设和安全运营。为降低川藏铁路沿线重大工程水文地质灾害风险,从工程水文地质角度出发,结合基础地质和工程地质研究成果,阐述了川藏铁路雅安至林芝段重大工程水文地质问题,并提出下一步研究建议。研究结果表明:川藏铁路雅安至林芝段可能遭遇隧道高水压及涌突水问题、隧道高温热害问题、隧道排水影响生态环境3个重大工程水文地质问题;沿线发育多条区域性断裂带,控制着地层展布、水热活动和成矿带分布以及地下水循环演化,导致穿越断裂带的深埋长大隧道高压涌突水、高温热害及高矿化水等问题较为突出。沿线重大工程水文地质问题下一步研究工作主要为:开展高精度、多尺度的水文地质调查,把握重大问题的发育规律和致灾机制,构建精细的预测评价体系和主、被动相结合的灾害防控体系。     

基于剪切破坏的深长隧道掌子面隔水岩层安全厚度的研究

突水是复杂地质区域隧道修建时常见的地质灾害。掌子面前方隔水岩层是阻止突水发生的重要安全屏障。本文主要对隧道前方隔水层临界安全厚度的确定方法进行研究。首先基于Mohr-Coulomb破坏准则构建了隔水岩层剪切破坏力学分析模型并得到相应的隔水岩层安全厚度的计算公式;其次,对于深埋隧道,构造应力场对水平应力影响更明显,通过理论分析以及安全性角度分析,发现利用竖向应力计算法向应力更合理;然后,考虑隧道开挖对初始地应力的影响,对上述模型做了进一步的改进;最后,结合跃龙门隧道工程突水灾害的特点,利用区间非概率可靠性以及概率分析两种方法对隔水岩层厚度进行分析,并与现场实测结果进行对比验证。工程案例应用结果表明本文所提出的计算模型是有效的。本文的研究成果既是对现有的临界隔水岩层厚度的知识体系进行补充和完善,也可为后续的风险评估、风险对策的制定提供辅助信息。     

断层破碎带隧道突水突泥灾变演化模型试验研究

为研究断层破碎带隧道开挖扰动作用下突水、突泥灾变演化过程,建立了三维地质模型试验系统,以江西永莲隧道F2断层突水、突泥灾害为例,通过大量的材料配比及物理力学性能参数测试,研制出适用于流-固耦合模型试验的新型断层及正常围岩相似材料,对隧道突水、突泥灾害进行研究。试验结果有效地揭示了无支护条件下断层破碎带隧道的洞周位移、渗流压力、应力-应变以及突出物质量等特征参数对时效性的响应规律。随着时间的增长,渗流压力整体呈上升趋势,越靠近开挖面其波动范围及幅度越大;突出物质量在发生突水、突泥灾害前出现短时减小后迅速增加;洞周围岩拱顶以竖向位移为主,而拱腰以水平位移为主;在相同相应力状态下,拱腰位置应变比拱顶位置大。将试验灾变特征与现场实际演化过程进行对比分析,两者结果较为吻合。该系统可广泛应用于其他地下工程的模型试验研究,其研究方法及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

隧道大变形灾害施工监控技术研究

针对隧道大变形灾害监控操作危险、干扰施工等困难,研究灾害监测的特点和要求,开发隧道位移实时监测系统,制定灾害监测系统方案,并应用于湖南酉水3号4、号隧道大变形监测。实施效果表明,对隧道大变形灾害处治过程和灾后施工开展远程监测,可以保障施工安全,优化加固措施,评价灾后结构安全性,可供其它工程借鉴。     

宜万铁路岩溶地质特征及其发育模式

宜万铁路沿线地形、地质条件复杂,是目前已建和在建铁路中岩溶最发育的工程。宜万铁路全线设计隧道159座,其中全线洞身穿越可溶性岩层的隧道由91座。隧道施工中不可避免的遭遇到岩溶的不利影响,造成隧道突水、泥等岩溶灾害的发生,带来了重大安全危害和经济损失,成为亟待解决的重要问题。本文通过对全线岩溶发育特征、地下岩溶形态的分析,依据典型岩溶隧道实例,对隧道与岩溶的位置关系进行了分类,并探讨了宜万线岩溶隧道的主要岩溶灾害,在此基础上将隧道中的岩溶发育特征概化为四种基本模式,为采取定量分析方法分析岩溶隧道突水、突泥及岩层垮塌机理,得到规律性的认识提供支持。