鐵路隧道巖溶突水災(zāi)害風(fēng)險識別與預(yù)警方法研究.pdf

1、本文以滬昆高速鐵路等重大工程項目為依托，在系統(tǒng)總結(jié)大量隧道工程施工期巖溶突水災(zāi)害案例的基礎(chǔ)上，研究了隧道工程巖溶突水災(zāi)害的類型、特征、影響控制因素及災(zāi)害模式。通過地震波三維成像、探地雷達(dá)和三維激光掃描試驗分析了巖溶儲水構(gòu)造定位、近接溶洞巖體厚度等巖溶災(zāi)害源的風(fēng)險識別方法。通過數(shù)值模擬研究，分析了不同巖溶水壓力、不同溶洞規(guī)模、不同近接溶洞巖體厚度等條件下，隧道近接溶洞巖體的變形破壞特征及規(guī)律。借助于數(shù)值分析方法，研究了巖溶突水災(zāi)害風(fēng)險評價

2、，并結(jié)合巖溶突水地質(zhì)災(zāi)害臨界預(yù)警指標(biāo)統(tǒng)計分析，在風(fēng)險評價的基礎(chǔ)上進(jìn)行了巖溶突水災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究。
　　主要研究成果如下:
　　(1)研究區(qū)隧道洞身多處穿越灰?guī)r、白云巖等可溶性碳酸鹽地層及可溶巖與非可溶巖的接觸地帶，巖溶發(fā)育強(qiáng)烈。地表巖溶形態(tài)主要為巖溶洼地、落水洞、溶溝、溶槽、石芽等，地下巖溶形態(tài)主要為暗河、溶洞、溶蝕裂隙及巖溶管道等，發(fā)育標(biāo)高一般約1200～1500m。隧址區(qū)巖溶負(fù)地形發(fā)育密度大獨山隧道約為3個/km2，

3、崗烏隧道為4個/km2，斗磨隧道為4個/km2。大獨山隧道D1K855+300～D1K858+918段斷層帶內(nèi)，共發(fā)育15個對隧道影響較大、規(guī)模較大的巖溶負(fù)地形，發(fā)育頻度極高。
　　(2)涌水量和水壓力是決定巖溶突水災(zāi)害程度的重要因素，研究發(fā)現(xiàn)巖溶突水災(zāi)害多數(shù)發(fā)生在高水壓、富水溶腔或破碎帶，低水壓、富水溶腔也會形成災(zāi)害。通過資料總結(jié)，分別從巖溶涌水的涌水量級、涌水動態(tài)、儲水構(gòu)造及突出物成分方面對巖溶突水災(zāi)害的類型和基本模式進(jìn)行了劃

4、分。結(jié)合滬昆客專大獨山等隧道的巖溶突水災(zāi)害地質(zhì)條件及形成機(jī)制，對大獨山、崗烏及斗磨三座隧道進(jìn)行了宏觀的溶突水災(zāi)害危險段區(qū)劃，為后期施工安全及風(fēng)險預(yù)警提供了基礎(chǔ)資料。
　　(3)通過現(xiàn)場試驗，巖溶隧道不良儲水構(gòu)造可以利用地震波三維層析成像技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離識別，利用探地雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行近距離定位，同時結(jié)合超前鉆孔和三維激光掃描技術(shù)對近接溶洞巖體厚度及涌水量等風(fēng)險源定位和估算。研究發(fā)現(xiàn)，地震層析成像圖譜中，完整硬質(zhì)巖層的波速較高，呈現(xiàn)為黃色區(qū)

5、域，破碎含水巖層波速較低，呈現(xiàn)藍(lán)色區(qū)域，藍(lán)色與黃色斑點狀出現(xiàn)對應(yīng)為含水破碎帶，藍(lán)色大面積連通是溶蝕裂隙發(fā)育的表現(xiàn)，而藍(lán)色區(qū)域立體呈現(xiàn)時多為溶洞發(fā)育，縱波與橫波之比突然降低是含水體的典型反應(yīng)。在探地雷達(dá)圖譜中，充水溶洞的明顯特征為雷達(dá)波出現(xiàn)異常區(qū)，同相軸連續(xù)性好，波形均一，電磁波能量呈現(xiàn)規(guī)律性衰減;富水裂隙帶的明顯特征為介電常數(shù)增大，電磁波速度下降，同時出現(xiàn)強(qiáng)反射及繞射、散射現(xiàn)象，波形紊亂，同相軸不連續(xù)，頻率由高向低劇變。
　　(4

6、)通過數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)，隧道開挖后，近接溶洞巖體最大變形量發(fā)生在巖體幾何中心部位。當(dāng)溶洞規(guī)模小于隧道直徑時，開挖后近接溶洞巖體變形量小，但是高水壓情況下也會引起較大的變形量。當(dāng)溶洞規(guī)模近似于或大于隧道直徑時，水壓作用下巖體變形值較大。
　　(5)巖溶水壓作用下，近接溶洞巖體變形主要出現(xiàn)在開挖工作面0～1.0m的范圍內(nèi)。近接溶洞巖體厚度一定時，隨著水壓力的增大，變形量逐步增大，當(dāng)巖溶水壓力大于2.0MPa后最大變形量增加的趨勢明顯。

7、巖溶水壓力作用下，近接溶洞巖體厚度小于1.0m時巖體變形量較大，巖體厚度大于2.0m后，隨著巖溶水壓力的增大，變形量增加不明顯。
　　(6)通過巖溶突水災(zāi)害影響和控制因素分析，構(gòu)建了隧道工程施工期巖溶風(fēng)險評價指標(biāo)體系，評價指標(biāo)體系由巖溶發(fā)育程度、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地表水和地下水系統(tǒng)以及隧道埋深與圍巖等六個一級指標(biāo)和16個二級指標(biāo)構(gòu)成。使用模糊信息數(shù)學(xué)方法，對巖溶突水災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行了量化分析，利用評價指標(biāo)的權(quán)值和模糊信息綜合評價

8、方法建立了巖溶突水災(zāi)害風(fēng)險評價模型。結(jié)合大獨山隧道、崗烏隧道及斗磨隧道等重點地段巖溶突水災(zāi)害風(fēng)險評價實例，證明了隧道工程施工期巖溶突水風(fēng)險評價指標(biāo)體系和風(fēng)險評價模型的適用性。
　　(7)在巖溶突水災(zāi)害風(fēng)險評價研究成果基礎(chǔ)上，以水壓力、涌水量及圍巖變形量為預(yù)警指標(biāo)，提出了巖溶突水災(zāi)害“四色”預(yù)警等級及預(yù)警指標(biāo)的分級。借助于超前地質(zhì)預(yù)報與實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了動態(tài)化的巖溶突水災(zāi)害風(fēng)險評價，通過預(yù)警指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)與風(fēng)險評價結(jié)論的疊加耦合分析，