隧道岩溶突水、突泥危险性评价初探

通过对渝怀线圆梁山隧道等近20座隧道岩溶突水、突泥机制的深入研究,在充分考虑方法可操作性、适用性,定性与定量评价相结合的基础上,提出了“隧道突水、突泥危险性分级体系”。建立起了以可溶岩的物质结构、地质构造条件、场效应条件、其它条件因素为一级评价指标,以断裂破碎带宽度、承压水压力条件、地形地貌特征、隧道埋深等13个影响因素为二级指标的评价体系。用层次分析法确定了各因素的权重,采用定性、定量相结合的方法确立了各指标的隶属度,并根据隧道突水、突泥危险性级别制定了相应的防治措施。最后以圆梁山隧道毛坝向斜段为例,对隧道突水、突泥危险性进行了分级评价。结果表明,毛坝向斜段隧道突水、突泥极危险区长度为992 m,约占该段总长的54.07%。      

圆梁山隧道毛坝向斜段岩溶水同位素组分特征

以圆梁山隧道在毛坝向斜段所穿越的重要层位P1灰岩岩溶水为重点，兼顾整个向斜构造地下水的分布情况，从岩溶水的氢氧同位素组分特征的角度探讨该地区地下水的形成、循环交替等信息，为进一步论证隧道施工中可能出现的岩溶突水地质灾害提供依据。     

岩溶地区隧道裂隙水突出力学机制研究

岩溶地下水是诱发隧道发生突（涌）水地质灾害的主导因素之一,岩溶裂隙水对隧道围岩的危害越来越成为岩溶地区隧道建设中的热点研究问题之一。基于目前岩溶裂隙水突出机制研究现状,运用岩溶地质学、工程水力学和断裂力学相关理论分析岩溶地区隧道水岩相互作用机制,探讨了水岩相互作用对岩溶地区隧道施工发生突（涌）水的影响,揭示岩溶地区隧道裂隙水突出前后过程的力学机制。研究表明：岩溶隧道裂隙水突出是裂隙岩体在岩溶水及水压的持续作用下受施工外力干扰发生劈裂的结果,岩溶水和水压在裂隙岩体突水破坏过程中的力学作用主要体现在4个方面,即突水蓄势期岩溶水对裂隙岩体的软化溶蚀作用、水压对裂隙岩体的劈裂作用,突水失稳期水流的冲刷扩径作用、水压对突水量的动力控制作用。基于上述分析,以断裂力学、弹塑性力学理论为基础,提出岩溶隧道岩溶裂隙水突出的最小岩石防突厚度概念,推导了其半解析解表达式,并为工程实例所验证,其结果可为高风险岩溶地区隧道突水理论与防治措施提供参考。     

圆梁山隧道粉细砂充填型溶洞注浆技术探讨

圆梁山隧道穿越毛坝向斜东西两翼及核部，根据隧道开挖揭示，大型、高压、富水充填型溶洞十分发育，水量大，水压高，突水、突泥、涌砂现象十分严重，施工难度极大。以圆梁山隧道2号粉细砂充填型溶洞注浆施工为例，介绍了在高压、富水、粉细砂充填型溶洞注浆施工中，注浆材料、注浆参数以及注浆工艺选择等方面应注意的问题。     

现代深部岩溶研究进展与展望

现代深部岩溶问题是随着工程建设向复杂场地延伸而逐渐显现,由它带来的一系列地质工程问题对越岭隧道工程具有极强的控制性和危害性,如渝怀线圆梁山深埋特长越岭隧道工程出现的高压突水、突泥问题,既控制了工程的施工难度,又是一个极具挑战性的理论难题。综述了现代深部岩溶相关概念、发育类型、发育特征、形成机制等方面国内外研究现状,勾画了现代深部岩溶研究今后的重点,主要包括现代深部岩溶概念的厘定、现代深部岩溶工程地质分类及特征、现代深部岩溶受控因素、现代深部岩溶发育机制及演化、现代深部岩溶对越岭隧道工程控制作用等几方面的研究。     

长大隧道红外辐射测温超前预报含水体方法研究与应用实例分析

圆梁山隧道是正在建设中的渝怀铁路上的十大困难工程之首，施工中广泛采用红外辐射探测预测隧道掌子面前方含水情况，对加快施工进度、保障施工安全发挥了很大作用。这里从红外辐射机理入手，结合前期地质预报资料的统计分析对地质体红外辐射场分布规律及影响因素、掌子面红外探水判别标准等进行了研究。研究成果对圆梁山隧道的下一步施工以及类似的岩溶隧道施工具有重要的指导意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高压富水区隧道帷幕注浆止浆系统分析

针对圆梁山隧道高压富水区的岩溶水分布特点,确定了合理的注浆范围和注浆参数。在此基础上,设计了高压帷幕注浆的止浆系统,并对其可靠性进行了分析和验算,以确保施工安全。在工程实践中,该技术取得了预期的效果,保证了高压注浆的顺利进行,它对类似条件的注浆设计和施工具有一定的参考价值。     

铁路施工期岩溶地质宏观预测专家系统研究

岩溶的发育受到多种因素控制,具有不确定性,在结合宜万铁路齐岳山隧道、八字岭隧道、野三关隧道、马鹿青隧道以及渝怀铁路圆梁山隧道等多座岩溶地区山岭隧道的岩溶洞穴发育分布特征分析研究的基础上,提出了包括地层岩性、地质构造、地形地貌、地表水、地下水、隧道设计等因素在内的隧道工程岩溶超前预报的地质分析指标体系,明确了岩溶灾害发生危险性的高、中、低3个等级的工程地质标志性特征,应用专家评价法研究了各个指标的权重,构建了超前地质预报专家系统知识库,研制了山岭隧道岩溶超前地质预报专家系统,通过宜万铁路具体隧道工程的实际应用探讨了专家系统预测的可靠性。     

岩溶隧道涌水及其专家评判系统

在我国岩溶区许多的铁路、公路隧道及水工隧道的修建中,遇到大量的岩溶涌水、突泥问题,给工程施工和运营带来很大危害。基于岩溶水文地质学的最新理论和国内外工程实践,结合作者多年实践经验,提出隧道岩溶涌水专家评判系统。该系统认为岩溶隧道涌水是隧道与岩溶水系统在四维时空交汇的结果,因此,必须根据隧洞揭露的强岩溶层、岩溶水系统分布、水动力分带、岩溶结构面分析确定涌水的可能性及性质。在此基础上,根据岩溶水动态计算动态涌水量。      

基于不同渗流方程的岩溶隧道涌突水过程模拟

岩溶隧道开挖过程中突水发生机制复杂,本文以Darcy定律、Brinkman方程及Navier-Stokes(N-S)等渗流方程为基础,应用多场耦合数值分析工具,在计算模型中耦合Darcy流、Brinkman和N-S等不同的渗流控制方程,将深部含水层、隧道开挖破碎带和隧道临空面整个突水水流路径相连接,实现突水流动的全过程模拟。明月山隧道突水算例表明,在开挖扰动作用下,地下水沿节理裂隙流动导致隧道突水;单一裂隙水流速和水压较大,而多管道溶隙具有分流分压作用;隧道与断层呈小角度相交时流速较小,断层能起到截水的作用,而呈大角度相交时,断层不仅有导水的作用,更加剧了突水的流通。     

隧道岩溶涌水专家评判系统在朱家岩隧道涌水预报中的应用

隧道岩溶涌水预测是个非常复杂的问题。直到目前,在我国铁路、公路、水工等的隧道施工中还经常发生由于岩溶涌水预测错误而引起施工安全问题的事例。预测之所以失误,主要是对隧道岩溶涌水机理缺乏全面认识,和没有一套科学实用的评判系统。本文以朱家岩隧道为例,运用隧道岩溶涌水专家评判系统对沪蓉西高速公路多条长隧道岩溶涌水进行预测评价及施工超前预报,获得了良好的效果。      

岩溶隧道突涌水危险性评价的属性识别模型及其工程应用

岩溶突涌水是岩溶地区隧道建设中的主要地质灾害之一,为有效控制岩溶隧道突水涌泥风险、确保隧道建设安全,基于属性数学理论建立了岩溶隧道突涌水危险性评价的属性识别模型。首先,根据隧址区岩溶水文地质及工程地质条件,选取地层岩性、不良地质、地下水位、地形地貌、岩层产状、可溶岩与非可溶岩接触带及层间与层间裂隙等作为属性评价的一级指标,其中不良地质情况分为含水构造、岩溶水系统和断层破碎带3个二级指标。通过对典型岩溶隧道突涌水实例的系统收集与整理分析,采用频数统计法确定一级评价指标所占权重;采用层次分析法构造判断矩阵确定二级评价指标的权重;其次,对评价指标进行属性测度分析,通过构建各评价指标的属性测度函数以计算单指标属性测度及样本综合属性测度;最后应用置信度准则对隧道突涌水危险性进行属性识别。在工程应用中,采用建立的属性识别模型对三峡翻坝高速公路鸡公岭隧道突涌水危险性进行评价,评价结果与现场施工情况吻合较好,为岩溶隧道突涌水危险性评价提供了一种有效途径。     

铁路深埋隧道区岩溶发育特征研究

对圆梁山隧道毛坝向斜段揭露溶洞进行分析的基础上 ,结合向斜区岩溶分布的勘察 ,对毛坝段深层岩溶发育特征及影响因素进行了研究。认为岩溶水在水力坡度或压力水头 ,尤其是水重力的作用下有不断向深层运移的趋势 ,所以在水具有侵蚀性的前提下 ,岩溶也具有向深层发育的趋势 ,并在厚层隔水底板及排泄基准面附近形成岩溶较发育带。而岩溶分布的层位及构造部位 ,在同一地质单元中的浅层和深层区具有类似性     

岩溶地区地下水位变动带隧道涌水问题的思考

通过鸡冠山隧道涌水实例及广泛收集岩溶地区隧道涌水案例,总结出岩溶地区隧道季节变动带涌水具有反应时间快、水量大、泥沙重的特点,并综合分析地下水季节变动带隧道的水文地质特征,将其划分为一般山岭隧道及向斜构造地下水位变动带两种类型,且对两种类型涌水机理进行了阐述。岩溶地区隧道前期勘察应重点划分隧道岩溶地下水系统及地下水动力分带,查明岩溶发育特征与规律;施工期和运行期应结合岩溶揭露情况和涌水情况开展针对性的补充勘察,做好降雨、涌水过程和涌水压力监测,判断和预测最大外水压力和涌水量。针对涌水问题,提出封堵和排泄两种处理思路:施工开挖揭露的岩溶现象不可盲目封堵,需尽可能维持原通道的通畅,针对可能涌水的隧道衬砌设计不可仅考虑围岩结构,应充分考虑外水压力,做好围岩固结灌浆;常规隧道“环形排水系统+中心沟”排水系统可靠性差,针对大流量涌水,多采用泄水洞排水。      

云南万寿山地区岩溶水系统特征及隧道选线研究

岩溶地区隧道建设中常发生突水、突泥等地质灾害,危及工程和施工人员安全,故隧道线路的优化工作尤为重要。本文以三清高速万寿山隧道为例,通过大比例尺水文地质调查,查明了区域岩溶水系统的空间展布和岩溶地下水的循环特征,研究了不同隧道方案与岩溶水系统的空间位置关系,并预测不同线位方案岩溶水害的发育特征。在此基础上,选取隧道穿越断层数量、隧道穿越岩溶含水层长度、最大突水压力以及最大突涌水量作为隧道方案比选的定量评价指标,基于层次分析法,建立岩溶地区隧道线路综合评价模型。对不同线位方案进行地质比选,结果表明:C方案的岩溶水文地质条件相对较好,岩溶突水突泥风险最低。