岩溶隧道涌突水破坏模式分类及防突厚度研究

在岩溶山区进行隧址选择时,隧道与溶洞之间的防突岩体厚度是重要因素之一.在岩溶隧道修建过程中,若岩墙厚度保留过小,则岩溶水涌出造成安全事故、经济损失和工期延误.目前涌突水破坏分类较为笼统且大多忽略了隧道围岩的岩体结构对防突厚度的影响.本文首先从岩溶隧道围岩的结构类型、溶洞与隧道之间的相对大小和相对位置的角度进行涌突水破坏...     

隧道掌子面防突水安全厚度的区间非概率可靠性分析方法

本文对剪切破坏模式下的隧道掌子面防岩溶突水安全厚度进行了研究。首先对不同初始地应力场类别下的地应力特征进行分析,从而为隧道掌子面岩墙抗剪切破坏时剪切面上法向应力的确定方法提供客观合理的依据。隧道开挖会造成围岩应力的重分布,隧道开挖前后的围岩应力状态存在明显不同,本文基于这一特征建立了掌子面岩溶突水剪切破坏模式下的剪切面法向应力计算方法。然后针对工程中相关参数具有的区间不确定性特征,引入区间非概率可靠性分析方法,从而最终建立隧道掌子面岩墙防岩溶突水的安全厚度区间非概率计算方法。最后,通过本文方法计算结果与实际工程结果的对比分析表明了本文方法的适用性和合理性。     

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。     

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。     

单轴压缩条件下岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征研究

岩溶化裂隙岩体是普遍发育于自然界中具有初始损伤的岩体。为了研究岩溶化裂隙岩体损伤破坏特征,本文以贵州某地赋存的溶蚀岩体为研究对象,运用损伤力学理论构建岩溶化裂隙岩体在单轴压缩条件下的损伤演化模型,并建立岩溶化裂隙岩体损伤演化方程。采用颗粒流数值软件进行单轴压缩数值试验,进一步研究岩溶化裂隙岩体试件在单轴压缩条件下的损伤演化特征,分析岩溶化裂隙岩体的微观损伤特征。结果表明：岩溶化裂隙岩体的初始损伤主要包括溶蚀损伤和裂隙损伤。岩溶化裂隙岩体的初始损伤随着溶蚀率的增加而增加,最终增加速率趋于平缓;岩溶化裂隙岩体的损伤演化曲线均呈“S”型变化,先缓慢增加,再迅速增加,最后缓慢增加至损伤值1;岩溶化裂隙岩体存在异构特征,导致破坏裂隙起源于具有初始损伤的溶蚀孔洞和裂隙处,随后裂隙经历萌发、扩张和剪切作用、数量和长度增加以及裂隙贯通4个阶段后发生宏观破坏。     

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。     

隧道典型致灾构造及突水模式分析

隧道工程的建设广泛面临着突水灾害的威胁,突水灾害常给工程造成重大的经济损失和人员伤亡。根据致灾构造的成因将隧道典型致灾构造分为断裂带、岩溶含水体、向背斜和单斜含水层、人工富水空间和水下不良地质体五大类;根据隧道围岩条件及破坏特征,归纳出六类防突层类型,相应的提出六种突水破坏模式:整体压裂破坏、剪切破坏、劈裂破坏、关键块失稳破坏、渗透破坏和整体滑移破坏;最后分析了三个典型的工程案例,对提高施工人员对潜在致灾构造的识别、指导隧道施工具有重要意义。     

圆梁山隧道岩溶突水机理及防治对策研究

采用现场调查、数值模拟与理论分析相结合的研究方法,对圆梁山隧道岩溶突水的机理及其防治技术进行了系统地研究,揭示了隧道岩溶突水是受水压、岩溶充填物与隧道围岩塑性区范围等影响的渐进破坏过程,总结了隧道岩溶突水机理,并针对圆梁山隧道揭示的溶洞情况,制定了岩溶突水的防治原则,实现了复杂岩溶条件下安全、高效的施工效果。     

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。     

山西新阳矿太原组下组煤层底板岩溶水突水安全性评价

新阳矿9-10-11号煤层底板低于奥灰岩溶水位,承受水压较高,存在带压开采问题。依据矿区水文地质勘查资料,通过对9-10-11号煤层底板隔水岩层隔水性能、奥灰岩溶水富水程度、底板断裂构造发育情况、煤层底板承压大小以及采煤扰动底板破坏深度等突水因素分析,表明井田西南部断裂构造发育地段为突水危险区。分别采用突水系数法和突水危险度法对全井田9-10-11号煤层底板突水危险性进行评价,评价结果显示井田南部及断裂构造发育地段为突水危险区。理论分析与定量评价结果基本一致。针对9-10-11号煤层底板突水安全评价结果,提出了相应的防突水对策。     

小三峡岩溶隧道围岩防突层安全厚度有限元分析

针对小三峡隧道岩溶发育的工程地质特征,采用有限元方法建立典型隧道断面数值计算模型,分析充水溶洞位于隧道不同方位、不同距离时隧道围岩位移和塑性区变化规律,并结合围岩的位移变化情况和塑性区分布情况作为评价隧道围岩突水的判据,得出防止隧道围岩突水的岩层最小安全厚度。研究结果表明:在岩溶水压力作用下,当洞径比一定时,随着溶洞逐渐远离隧道,溶洞对隧道的影响在逐渐减弱;当间径比一定时,溶洞直径越大对隧道的影响越明显;同时根据围岩的位移和塑性区计算结果得到了隧道围岩最小防突厚度。研究成果可为小三峡隧道安全施工提供技术支撑。      

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。     

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。      

某高速公路岩溶隧道涌突水量预测

涌突水是隧道施工中常见的一种灾害现象,特别是岩溶隧道,尤为严重。文章结合某高速公路岩溶隧道实例,根据水文地质调查、试验和观测等工作,查明了隧址区地表浅部及其过渡带岩溶发育范围、形态、规模及高程,分析了岩溶发育规律及岩溶水的补、径、排特征。分别采用降水入渗法和地下水径流模数法计算了隧道涌突水量,预测了可能突水段。对隧道工程建设环境影响进行了分析,为隧道设计和施工提供了依据。     

基于岩溶演化模型的隧道突水危险性评价

岩溶隧道是否发生涌突水,主要取决于洞身岩溶发育程度和岩溶系统结构类型,而这与岩溶系统的演化过程密切相关。岩溶系统的发育演化始于具有侵蚀性的水对可溶性岩体中裂隙的溶蚀扩展。基于此,本研究耦合了渗流模型和溶蚀扩展模型,并结合鸡公岭隧道区水文地质背景资料,建立了隧道区岩溶系统岩溶演化模拟模型,模拟再现了隧道区岩溶含水介质的发育情况。结果显示:随着岩溶系统的发育演化,整个系统中裂隙不断被溶蚀扩展,差异性溶蚀越来越显著,岩溶含水介质的非均质性越来越强;同时随着埋深的增加,岩溶发育程度及非均质性越来越弱;浅部和深部裂隙的平均溶蚀扩展率相差近1 500倍;鸡公岭隧道洞身标高处岩溶发育微弱,裂隙溶蚀扩展较小,仍为裂隙岩体,其等效渗透系数为0.51m/d,岩溶突水概率极低,隧道发生涌水时的涌水量为127.9m3/d,对隧道施工影响较小。     

峨汉高速廖山隧道岩溶发育规律及其工程效应浅析

峨汉高速廖山隧道地处西南岩溶区,岩溶地质灾害频发。在开展岩溶区地质环境调研的基础上,厘清隧址区岩溶发育特征,浅析隧址区岩溶发育规律及其控制因素,最后探究了岩溶发育的工程效应。结果表明:隧址区岩溶形态多样,呈现多尺度、多样化、密集性发育的特征;岩溶在控溶因素的耦合作用下表现出显著的选择性、方向性、分层性、不均匀性以及系统连贯性等规律,其中地层岩性及其组合情况是物质基础,地形地貌与地质构造特征是主导条件,而水文地质条件是决定性因素;岩溶发育的工程效应表现在隧洞稳定性、岩溶涌水突泥和全寿命周期内的影响三个方面,不良岩溶地质体及岩溶富水空间的存在极易诱发洞身大变形、隧底岩溶塌陷等稳定性问题,以及局部静态岩溶水突出与湖水倒灌等涌水突泥灾害,甚至对隧道结构在运营期内的稳定性和耐久性造成不利影响。      

高风险岩溶隧道掌子面突水机制研究

在我国西部强岩溶地区,越来越多的长大深埋隧道潜在突水、突泥的风险,由于隐伏岩溶水体位置、规模以及体量的不确定性,突水模式与类型异常复杂,隧道掌子面的突水风险系数极高。对于隧道开挖后围岩结构完整性较好的掌子面,在特大体量隐伏岩溶水体作用下,当开挖面进入安全厚度内迅速发生破断突水,具备明显的突变特征。针对隧道掌子面发生破断突水的突变特征,采用数值手段探讨了施工条件对突水突变现象的影响。将隧道简化为圆形,建立了掌子面失稳的折叠突变模型,通过对系统势能函数的分析,推导了隧道掌子面发生破断的突水条件和最小安全厚度计算公式,基于系统势能突变控制参数灾变演化路径的分析,提出了掌子面突水的具体防治措施,并结合工程实例验证了其可行性。     

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。     

牛栏江引水工程岩溶隧洞涌水准确性分析

由于岩溶地区发育的复杂多变性,对于如何准确地预测复杂岩溶地区长大隧洞涌突水量,已成为一直以来难以突破的水文地质大难题。本文基于牛栏江—滇池引水工程中涌突水实例分析,从地层岩性特征及地质构造的影响、涌突水预测方法选取、计算参数选取、隧道涌水影响范围确定、水文地质单元划分5大主控因素,分别总结分析各因素对隧道涌突水预测准确性的影响。根据不同因素控制下其预测值与实际值的变化规律,提出提高隧道涌突水预测准确性的方法,并结合工程实例验证其可行性。其结论可为以后提高岩溶地区隧道涌突水预测准确性提供借鉴。     

贵南高铁朝阳隧道出口平导6.10突水突泥事件分析

2018年6月10日,朝阳隧道出口平导发生岩溶突水突泥,持续时间约1 h,突水突泥总量约1.6×106 m3。为完善施工掘进方案及排水方案,需分析突水突泥产生原因,评价后续施工带来的突水突泥风险,计算隧道涌水量。文章分析了隧道位置的地形地貌、工程地质、水文地质条件,阐述了发生突水突泥的平导掌子面超前地质预报实施情况及突水突泥发生过程,补充调查了灾害影响范围的工程地质、水文地质条件,完成了长达1年的平导涌水量－降雨量关系动态观测。平导突水突泥掌子面前方有水头高达84 m的巨型溶腔及管道系统,施工开挖揭穿溶腔底部后,填充于整个岩溶水系统的有压水流携带泥砂快速涌入平导并以较大动能冲出洞外,导致了6.10突水突泥事件的发生。隧道出口段岩溶水系统接受降雨入渗补给且径流通畅,洞内涌水对应的汇水面积为6.423 km2,计算极端暴雨后平导最大涌水量5×104 m3·h?1。突水突泥发生后山体内的静储量已得到充分释放,地下水位已降至平导底板高程,后续施工中再遭遇突水突泥的风险低。