（地质工程专业论文）武广线韶关段某岩溶隧道涌（突）水量预测及对施工影响评价.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 隧道突水因其爆发突然，危害性大，难以控制和预测，在工程施工中是 一项棘手的问题，为了保证隧道施工和运营过程中的安全，对其预测已经成 了目前重要并且亟待解决的科研课题，因此对隧道尤其是岩溶隧道的突水预 测研究具有很重要的实际意义。 隧道的突水预测首先要明确隧道地区的工程地质条件和水文地质特征， 对隧址附近的岩溶灾害点做出统计分类，以及设置水文地质观测点记录隧道 开挖过程中的各项指标的变化。隧道突水取决于地质因素，地层岩性是充分 条件，隧道通过断层带，褶皱地段和节理裂隙发育的地区都有可能产生突水， 而突水量的大小则是由水文地质条件决定的，地区降雨量大，地表水系统发 达，地下水岩溶系统发育程度较高，以及地下水侵蚀性强都能大大增加突水 发生的几率。 突水量的预测精度关键在于不同的地质条件选取不同的方法，不同的开 挖方式同样也会影响到突水的预测。相似比拟法、水均衡法、数值法等是比 较常见的预测方法，但是其方法的通用性不是很好。近些年发展的灰色系统 理论、模糊数学和时间序列等方法比较适用于信息的半确定地区，通用性较 好，定量与定性的综合分析，不失为值得推广的预测方法。 突水预测狭义上是水量的预测，广义的预测还包括突水的影响性预测。 隧道突水的综合评价不仅仅考虑到施工运营过程的安全，还更深远的考虑隧 道突水对环境的影响，这样的预测提出也是符合国情和形势的，这也是需要 更进一步研究和亟待解决的问题。 关键词岩溶隧道；突水；预测：模糊综合评价；层次分析法 a b s t r a c t f o rt h er e a s o no fb r e a k i n go u ta b r u p t l y ，d i s s e r v i n gl a r g e l y ，h a r dt oc o n t r o l a n df o r c a s t ，t h et u n n e lw a t e r i n r u s hi sa ni n t r a c t a b l ep r o b l e m i no r d e rt oa s s u r e t h es e c u r i t yo ft u n n e li nt h ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n ，t h ef o r e c a s t i n go ft u n n e l w a t e r i n r u s hh a sb e e nap r o b l e mw h i c hi si m p o r t a n ta n du r g e n tt ob es o l v e d t h e s t u d yo ff o r e c a s t i n g t ot u n n e le s p e c ia l l yt o k a r s tt u n n e lh a sv e r yi m p o r t a n t p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i ti ss h o u l dt ok n o wt h eg e o l o g i cc o n d i t i o na n dh y d r o g e o l o g i c a lf e a t u r ei n t h ea r e ao ft h et u n n e lf i r s t ，t h e nd os t a t i s t i c a lc l a s s i f i c a t i o nt ok a r s tc a l a m i t y a r o u n dt h et u n n e ll o c a t i o n ，a n dl a yh y d r o l o g i c a lg e o l o g yo b s e r v i n gp o i n tt o r e c o r dt h ec h a n g i n go fe v e r yi n d e xi nt h ep r o c e s so ft u n n e le x c a v a t i o n t h et u n n e l w a t e r - i n r u s hi sd e t e r m i n e dt og e o f a c t o r , a n ds t r a t u ml i g h o l o g yi ss u f f i c i e n t c o n d i t i o n o nt h ec o n d i t i o no ft u n n e lc r o s s i n gt h ea r e ao fp a s t e df a u l t ，f o l da n d c r a n n y , t h ew a t e r - i n r u s hi sp r o b a b l yt oo c c u lb u tt h eq u a n t i t yo f w a t e r - i n r u s hl i e s o ng e o h y d r o l o g i cc o n d i t i o n e g ，t h eh e a v er a i n f a l li nar e g i o n ，d e v e l o p e de a r t h s s u r f a c ew a t e rs y s t e ma n db e t t e rd e v e l o p i n gu n d e r g r o u n dw a t e rk a r s ts y s t e m ，a l l t h e s ec a l li n c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo fo c c u r r i n gw a t e r i n r u s h t h ek e yo ft h ep r e c i s i o no fw a t e r i n r u s hf o r e c a s t i n gi st oc h o o s ed i f f e r e n t m e t h o di nd i f f e r e n tg e o l o g i cc o n d i t i o n ，a n dd i f f e r e n te x c a v a t i o n m o d ew i l l i n f l u e n c et h ef o r e c a s t i n ga l s o q u a s im e t h o d ，w a t e r b a l a n c em e t h o d ，n u m e r i c a l m e t h o de t ca r ef a m i l i a rf o r e c a s t i n gm e t h o d s ，b u ta l l t h e s em e t h o d sa t en o t u n i v e r s a l g r a ys y s t e m ，f u z z ya n dt i m es e r i e sm e t h o d sd e v e l o p e di nr e c e n ty e a r s ， 、h i c hh a v ef i n eu n i v e r s e ，a r ef i tf o ri l l e g i b l ec o m m u n i c a t i o na n dc a na n a l y s e f i x q u a l i t ya n df i x n a t u r e t h e s em e t h o d s a r ev a l u a b l et op o p u l a r i z e i nn a 盯0 ws e n s e ，t h ew a t e r i n r u s hf o r e c a s t i n gi sw a t e rf o r e c a s t i n g ，a n db r o a d f o r e c a s t i n gi n c l u d e s t h e f o r e c a s t i n g o fw a t e r i n r u s h si n f l u e n c ea l s o t h e i n t e g r a t i v ee s t i m a t e st ot h et u n n e lw a t e r i n r u s hs h o u l dn o to n l yt a k ei n t oa c c o u n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i l 页 t h es e c u r i t yd u r i n gc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o n ，b u ta l s oc o n s i d e r i n gt h ei m p a c tt o e n v i r o n m e n t a l ，w h i c hi st ob ep u tf o r w a r da c c o r d i n gw i t ht h es i t u a t i o no fo u t c o u n t r ya n dn e e dt ob es t u d i e dd e e p l ya n ds o l v e du r g e n t l y k e y w o r d s ：k a r s tt u n n e l ；w a t e r i n r u s h ；f o r e c a s t ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ； a n a l y t i c a lh i e r a r c h yp r o c e s s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 i 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：、恕7 p 期：y 吣。6 ，l 窀 陟r 寺一 孓 6 k p 名 们 一 师 老： 导期指日 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：谛6 月c 8 日日期：游b 月c x 日 夏代7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、目的和意义 广义的隧道地质灾害从时间上可以分为施工地质灾害和运营病害两大 类。前者是指施工期间，由水、岩、热、气等构成的复杂地质系统对开挖过 程中形成的人工扰动的一种正常反应，反应的形式和程度不同，灾害的类型 和规模也就不同；后者是指隧道运营期间，由于涉及不合理、施工方法不当 或者施工质量不过关等因素，而出现的与地质环境有关的影响列车正常通过 的各种问题，如漏水、突水、突泥、翻浆冒泥、仰拱破裂、衬砌内鼓及洞门 塌方等。 由于受到内力和外力地质作用的联合影响，风化卸荷带及其附近的新鲜 岩圈带内各种成因、不同次序的非连续结构面十分发育，使其成为岩石圈中 连续性、整体性最差的层圈。同时，该层位又是地下水最主要的赋存场所， 地球的陆地部分就像被笼罩的一层饱水的海绵里一样。此外，来自地核的热 能还通过传导、对流等方式向地表散射，即存在所谓的地温梯度。不仅如此， 地球表面还存在一系列地温异常区，构造发育的褶皱山系就是地温异常的多 发区之一。煤层、煤系地层是十分普遍的岩性组合之一，作为隧道围岩，其 中蕴涵的瓦斯对于隧道施工是一个巨大的威胁。 根据地质系统对隧道开挖的反应形式，可以对施工地质灾害进行如图1 1 所示的分类【i l 。 近二十年来，在山岭和丘陵地区乃至越江过河的公路建设中，隧道方案 以能缩短行车里程，提高线型标准、保障运营安全，保护生态环境等优点， 得到普遍应用，并且越修越长，规模越来越大。许多特长隧道、大跨度扁平 隧道、双层隧道、沉管隧道、盾构隧道、高海拔隧道、寒区隧道相继建成。 据不完全统计，截止2 0 0 3 年底我国已建成公路隧道2 l7 5 座，总长度1 0 0 1 k m ， 其中特长隧道2 7 座，总长度9 9 7 2 k m ，长隧道2 4 2 座，长度3 8 5 6 k m ，中、 短隧道7 4 6 座，长度3 8 7 k m 。仅2 0 0 2 - 2 0 0 3 年在建和己建的3 0 0 0 m 以上的 特长隧道2 6 座，1 5 0 0 m 以上3 车道隧道5 座。目前在建的6 公里长以上隧 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ - - - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ 。_ - - _ _ - - _ - _ - _ _ - - - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ - - _ _ _ - _ - - - - _ - _ _ _ - - - - _ _ 一1 1 _ - _ _ _ - _ _ _ - _ _ 一 道有5 座，1 8 0 0 4 公里的陕西省秦岭终南山公路隧道和8 。6 7 公里的湖北省龙 潭隧道等竣工以后，我国的隧道建设技术水平将有更大提高。 隧 道 施 工 地 质 灾 害 岩暴 片帮 软弱围黼 块体稳定性问题 大型突水 高压突水 i 。突水灾害及其环境效应一i 5 浅层地下水 高温热害 + 地面塌陷1月旦删与闭臼 l 瓦斯 图1 - 1 隧道施工地质灾害分类 鉴于隧道更为安全施工技术的要求，对隧道施工中遇到的突水、突泥的 处理要求更加完善。所谓的突水，就是在隧道施工过程中，围岩含水层的地 下水在水头压力和其他压力的综合作用下，克服了隔水层、断层、裂隙带等 的阻力，以突然的方式突入隧道的现象。如果地下水携带大量泥沙，或饱水 的泥沙突然突入隧道，则称之为突泥。但是突泥也可以视为突水的伴生现象。 因此，不管是突水，还是突泥，没有地下水作为动力和载体，突水或是突泥 是无法发生的。 隧道突水发生几率高。由于地下水的高度流动性、在地壳表层分布的普 遍性以及大多数隧道处于地下水富集带或其以下附近，只要存在导水通道， 就有可能发生突水，因此其发生条件要比其他灾害类型宽松的多。据不完全 统计，在我国1 9 9 6 年前建成运营的4 8 0 0 余座隧道中，约三分之一的发生过 突水问题，其中3 0 余座发生大型突水，每座突水量均超过1 0 1 0 4 m 3 d ，最 大的达2 0 6 x1 0 4 m d 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 由于隧道中突水突泥的现象发生非常突然，对于施工人员来说，往往是 难以应付的。特别是在隧道的有限空间里，处理突水突泥更为困难。突水突 泥的危害很大，轻则掩埋，淹没设备，堵塞坑道，重则造成施工人员的伤亡， 影响施工进展，使铁路、公路等工程建设遭受极大的损失。如圆梁山隧道发 生的突泥，规模大，速度快，且为硬塑可塑状粘土，共有9 名施工人员遇 难；宜万线马鹿菁隧道突水持续4 0 分钟，最高突水量达7 2 0 0 0 0 m 3 h ，突水 量约为1 8 0 0 0 m 3 ，造成1 1 人遇难。 发生突水不仅对施工及施工人员造成极为严重的威胁，还可能引起浅层 地下水及地表水枯竭，甚至引起地面塌陷等伴生的环境地质问题。襄渝线中 梁山隧道造成地表1 4 k m 2 范围内的地表井泉干枯、农田漏水，给三个乡的人 畜用水造成极大的困难；衡广复线上的南岭隧道突水突泥，河水全部灌入隧 道，造成大面积地表塌陷，引起京广线既有铁路和1 0 7 国道路基严重下沉。 因此，加强隧道突水预测的研究，对保障隧道和施工、地质超前预报、 拟定有效的整治措施以及隧道的安全运营，都有非常重要的意义。 国内外对隧道水文地质条件的研究向来很为重视。一般情况下，隧道水 文地质研究首先应该查明隧道所在的水文地质单元内地下水补给、径流、排 泄规律，确定隧道水文地质类型和主要的水流来源、补水途径，进而计算隧 道突水量，为隧道施工工程中排水方案提供科学的依据。尤其是隧道通过岩 溶发育地区时，极有可能发生严重的隧道突水突泥。因此对于岩溶隧道突 水突泥，一定要做好这方面的灾害性评价。 正是由于突水灾害的危害性和突然性，隧道的施工设计对这类地质灾害 加大了研究和防止力度。隧道的突水量预测，是一个复杂的水文、工程地质 的问题，它关系到隧道方案的工程设计、施工条件、工程造价、养护条件和 运营安全。当长、特长隧道必须通过岩溶发育地带的时候，即为岩溶隧道， 则有可能发生严重的突水问题。对于岩溶隧道突水突泥的灾害评价，主要涉 及到突水量的预测。根据隧道突水量的定量分析，来确定突水对施工安全的 影响，以及对水文环境的影响评价。 1 2 研究现状 对于隧道突水的研究，就要对隧道通过区域的地下水进行研究。目前地 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 下水水文学的研究方法和途径主要有两个方面：( 1 ) 数学物理途径。根据地 下水的水情( 如水位、水量、流速、水中污染物的浓度等) 和影响因素之间 的物理联系，利用质量守恒、动量守恒、水量平衡等原理，建立它们之间的 定量关系，这种关系一般是用微分方程或积分方程表示的。然后在一定的初 始条件和边界条件下求解这些方程，即可得到我们所要求解决的地下水问题 的解答。( 2 ) 概率统计的途径。根据大量的实测资料，用概率统计的原理研 究地下水各种水文要素的统计规律，用以进行地下水的计算和预测l ：】。 隧道中突水突泥来源的预测，主要是查明地下水分布及赋存的规律，一 般依据钻探、物探、水化学及同位素分析，水温测定等，确定地下水的富集 带或富集区，并用模糊综合评判分析等方法，定量划分出富集带或富集区的 范围。在该范围上探清承压地下水有无潜越的现象，以及潜越高度，进而判 断可能发生突水的地段。 突水突泥通道的预测，首先从水文地质及工程地质条件分析，在断裂构 造带、裂隙分布带、塌陷区、隔水层薄弱带都易成为突水突泥的通道。然后 采用坑道超前钻探，压水及注水试验，水化学和同位素分析法，示踪法，以 及物探中的槽波地震法、瑞雷波法、钻孔电磁波透视法、钻孔电视法等，进 行上述地段的探测，以确定突水突泥的具体通道位置及大小，突水突泥规律 的预测主要指突水突泥频率和强度在空间上变化趋势的预测。 隧道或地下工程中突水突泥的位置受到各种因素的综合影响，较准确的 预测有很大的难度。但是仅对突水点的位置进行预测，也还是可以的。由于 突水点的位置具有很大的随机性，且影响因素众多，其预测采用确定性数学 方法和模糊数学的方法。其中确定性数学模型包括水文地质类比法，水均衡 法，解析法和数值模拟等。 隧道地下水突水的预测最先是从定性分析开始的。最早的预测是通过查 明隧道含水围岩中地下水的分布以及赋存规律，分析隧道开挖区的水文地质 及工程地质条件，根据钻探、物探、水化学及同位素分析、水温测定等手段， 确定地下水的富集带或富集区，以及断裂构造带、裂隙密集带等可能的地下 水突水通道，并且通过均衡法估计隧道突水量的大小。随着技术水平和施工 要求的提高，基于定性分析的隧道突水预测预报研究发展成为隧道突水的定 量评价和计算。主要体现在隧道突水位置的确定和突水量的预测这两个方面。 在隧道突水位置的确定方面，人们通过对隧道围岩水文地质及工程地质 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 条件的定性分析，发展了随机数学方法和模糊数学方法。在突水量预测预报 的问题上，人们根据隧道环境地下水所处的地质水体的不同性质，水文地质 条件的不同复杂程度、施工的不同方式及生产的不同要求等因素，提出了隧 道突水量预测计算的确定性数学模型和随机性数学模型。其中，确定性数学 模型方法包括水文地质类比法( 比拟法、径流模数法) 、水均衡法、解析法 和数值模拟法等。 在二十世纪六十年代中期以前，水文地质类比法、水均衡法、解析法比 较常用。解析法是运用地下水动力学原理，以数学分析的方法，对一定边界 条件和初始条件的地下水流动问题建立定解公式，然后应用这些公式预测隧 道突水突泥量。m u s k a t ( 1 9 3 7 ) 首次利用解析法计算出地下水流的问题的一 系列解析解，后来由h a n t u s h 及j a c o b ( 1 9 5 5 ) 扩展了解析法的概念用来处理 弱透水层越流补给入含水层的水量；再后来p o i u b a r i n o v a - - k o c h i n a ( 1 9 6 2 ) 及j a e g e r ( 1 9 5 9 ) 的著作中收编了大量用于热流的表达式，这些方法可以在 大多数情况下直接应用求解隧道突水量。 由于解析法等难以描述非均匀介质含水层中和复杂条件下的地下水运 动规律，并且随着计算机的大量运用，数值计算法在地下水计算中得到推广， 解决了非稳定流解析法中难以解决的复杂条件下的水文地质计算问题。1 9 6 5 年由斯托尔曼将数值方法引入地下水水文学，并提出了一种用于承压水进行 数值分析以确定含水层渗透稀疏的方法：k l u t e ( 1 9 6 5 ) 等人用一种迭代树枝 方法解非线性水流方程；l i a k o p o u l o s ( 1 9 6 5 ) 把隐式交替方向法用于同时通过 孔隙介质的水和空气一维流问题，并假定流体压强和含水量相关的函数以及 渗透系数和压强相关的函数是已经确定的，使问题大大简化；鲁宾( 1 9 6 8 ) 将迭代交替方向法用于水平入渗及渠道渗透研究中的非稳定状态下不饱和水 流；f i e r i n g ( 1 9 6 4 ) 首次利用数值法计算地下水含水层对抽水的反应，他采 用了迭代隐式方法从质量平衡推导出来的有限差分近似方程组。e s h e t t 及 l o n f f e n b a u g h ( 19 6 5 ) 采用高斯消元法来解一个均质各向同性含水层中水流的 基本二维非线性二阶偏微分方程的有限差分近似解。该模型可以用来处理具 有不透水侧向边界或诸如河流式的定水头边界的潜水含水层；比廷杰等人 ( 1 9 6 7 ) 简要的描述了数值模型的数学原理以及用来产生的代数方程的各种 计算方式，并描述了可能遇到的各种边界条件。m e i r i ( 1 9 8 5 ) 基于地下水非稳 定流理论，运用有限单元法，提出地下水自由流动的计算模型。h e u r e ( 1 9 9 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 根据钻孔水压力试验结果。运用半经验方法预测隧道突水突泥量。 在国内上世纪八十年代，主要是采用一维或是二维流( 平面流) 地下水 运动原理。九十年代初，国内出现了地下水三维流原理和模型的研究，并且 许多高校和科研单位广泛的开展了地下水三维流理论和应用的研究。 在国外，地下水三维流模拟和优化管理理论和三维有限差数值求解方法 发展迅速，在实际应用方面，也开发研制出功能强大的相应专用软件系统。 如r e m a x 管理系统软件。地下水管理软件( r e m a x ) 包括：地下水三维 模拟软件( m o d f l o w ) 、模拟模块( s i m u l a t i o n ) 、预优化模块( p r e o p t i m i z a t i o n g ) 、 优化模块( o p t i m i z a t i o n ) 、分析模块( a n a l y s i s ) 五部分，可以根据研究区 具体的水文地质特征确定模型区范围和剖分计算单元，选择利用m o d f l o w 软 件系统中的软件包，按照固定格式和要求输入数据文件。首先利用m o d f l o w 软件来进行模型识别和验证，直到模型拟合较好后再根据具体的管理方案 来确定管理目标和约束条件，输入相应的控制文件和参数，逐步运行r e m a x 软件四大模块，就会得到满意的结果。 在一些研究程度较低、地质、水文地质条件尚未全面了解的隧道位置， 要建立预报隧道突水突泥的确定性模型非常困难。鉴于这种情况，可以运用 概率统计方法来分析，由此建立的随机模型比勉强建立的确定性模型更加切 合实际。这类方法主要有“黑箱”理论法、灰色系统理论法、时间序列分析 法和频谱分析法等。 b r o o k s ( 1 9 6 1 ) 和s i n g l y ( 1 9 6 9 ) 推导出特定非线性问题的解析解，c o o p e r 和r o r a b a u g h ( 1 9 6 3 ) ：g l o v e r ( 1 9 6 7 ) ：v e n e t i s ( 1 9 7 1 ) ；h a l l 与m o e n c h ( 1 9 7 2 ) 通过对方程式的线性化求解得出随机模型的确定性方法；s i n g h ( 1 9 6 9 ) h o r b e r g e r 等( 1 9 7 0 ) 在他们的著作中论述了几种非线性方程的数值 解法。然而在有些情况下，含水层性质的空间变化在含水层对各种输入的响 应方面具有重要的影响。布耶维奇( 1 9 6 9 ) 分析了多孔介质中的渗流与随机 变化的孔隙度的关系问题：艾黎克逊( 1 9 7 0 ) 和杰克逊等人( 1 9 7 3 ) 将谱分 析用于与地下水水位、降水量和温度等时间序列的定性解释方面。随机模型 经过国内外学者近二、三十年的发展，取得了很大的成果。 隧道突水量的预报预测计算是水文地质学科种的一个重要的理论问题， 同时也是隧道防排水设计和施工中亟待解决的问题，迄今为止尚未成熟的理 论和公式的准确计算方法。由于岩溶隧道所处的特殊岩溶地质环境、水文地 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 质条件的高度复杂性及深度勘测的技术，施工工期等因素的限制，用传统的 隧道突水量预测方法预测的水量与实际的突水量有很大的差异。直至今天， 突水仍然是隧道超前预报中十分薄弱的环节，突水量预测的准确性还是很低。 例如：襄渝线大巴山隧道预测突水量4 4 1 0 4 m 3 d ，但施工时最大突水量达到 2 0 5 5 1 0 4 m 3 d ，川黔线娄山关隧道预计突水量为6 0 0 1 0 4 m 3 d ，而施工时最 大突水量为1 9 2 0 1 0 4 m 3 d 。据统计在我国1 0 多座有名隧道中，预测的可能 最大突水量，接近实际情况的仅占约1 0 ，预测的正常突水量，接近实际情 况的仅占2 0 - 3 0 。 1 3 论文研究思路与主要内容 1 3 1 研究目标和研究内容 ( 1 ) 突水形成的构造地质条件，水文地质条件等相关因素的分析。 ( 2 ) 根据地下水分布及赋存的规律，依据钻探、物探等方法，确定地 下水的富集带或富集区，定量化分出富集带或富集区的范围，预测出突水来 源。 ( 3 ) 采用水文地质类比法、水均衡法、解析法等确定性数学方法对突 水量进行预测。 ( 4 ) 采用模糊综合评判对突水量影响进行预测。 1 3 2 拟解决关键技术问题： ( 1 ) 岩溶隧道区的岩溶发育与突水的关系。 ( 2 ) 突水量预测方法的比较。 ( 3 ) 突水量影响性综合评价。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章岩溶隧道突水条件及影响因素 2 1 岩溶隧道突水条件 对于岩溶隧道，开挖过程中通过可溶性岩地层，就不可避免的穿越岩溶 区段。要预测岩溶隧道的突水量，需要对隧道所通过的岩溶有清晰的认知。 在隧道掘进的过程中，必然破坏含水或潜在含水围岩，揭露部分地下水导水 通道，使地下水或与之有水力联系的其他水体( 地表水、地下暗河及溶洞) 突然突入隧道，发生突水灾害。隧道突水是因为隧道的开挖破坏了岩层的含 水层的结构，使地下水动力条件和围岩力学平衡状态发生了突变，以至于地 下水体的能量以流体的方式瞬间释放而产生一种动力破坏。隧道突水突泥是 否发生，需要满足一定的条件，即含水围岩的能力贮备性能、释放性能、水 动力性能和围岩稳定性等，达到了临界值，地下水就会以极大的动力能量释 放，造成隧道施工及其运营过程的安全事故。 2 1 1 含水围岩的稳定性 一方面，由于地下水对围岩( 主要是软弱围岩) 的融解、溶蚀、冲刷、 软化，或产生静水压力，或引起膨胀压力等，改变了岩石( 体) 的物理性质， 破坏了岩体的完整性，降低了岩体的强度，从而引起围岩的变形破坏、失稳 塌方以及由地下水引起的隧道突水。 地下水对于软弱围岩的影响，较之完整性较好的硬岩影响更为显著。软 岩在地下水的冲刷或进入细微裂隙时，使岩体呈非常不稳定的状态，易产生 塑性变形或崩解，引起塌方。对于破碎的围岩来说，由于围岩中包含地下水 而使裂隙水压力增大，增加了围岩( 尤其是拱部) 的自重荷载，更促进了破 碎围岩发生塌方的可能性。在弱胶结的砂岩和断层带的糜棱岩中，由于地下 水的活动，可能产生的沙流和潜蚀作用，易形成泥砂石状的塌方，对施工影 响很大。 在含膨胀性矿物的膨胀岩或在岩盐、石膏等膨胀性岩体中，如无地下水 的影响，则岩体的膨胀变形不显著，对围岩稳定性的影响不大。但是在这些 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 岩体中，如遇到地下水，则会产生膨胀现象，含水越多，围岩产生的膨胀越 厉害，从而使围岩压力增大，致使隧道发生顶板悬垂或边墙外鼓、底板隆起 等变形现象。 对于岩体中的软弱结构面，地下水的影响也不可忽视。地下水活动将较 弱结构面中的物质软化或泥化，使结构面的抗剪强度降低( c ，矽值减小) ， 摩阻力和内聚力减小。当存在裂隙水压力时，其稳定条件如式( 2 1 ) ： r p 一“妇+ c( 2 1 ) 式中f 一切向力； 仃一法向力 矽一结构面内摩擦角 材一裂隙水压力 c 一结构面内聚力 因此，当存在裂隙水压力时，水压力抵消了一部分法向力，同样也导致 了内摩擦力减弱，增加了滑动力。裂隙水压力不仅降低了摩擦力，而且会将 软弱结构面中的充填物带走或饱水，使结构面上的内聚力几乎消失，促使有 滑塌趋势的块体发生沿软弱结构面滑动塌方。 另一方面，是因为隧道的开挖直接影响到含水围岩的稳定性，造成隧道 的突水灾害。在施工过程中，如果直接触及隔水层，就会揭露地下水体并发 生突发性突水灾害( 甚至突泥) 。若在隧道掌子面进行施工，会引起隧道围岩 松弛和围岩应力集中，使围岩发生破坏，使相对隔水层厚度减小，增加了隧 道突水的可能性，造成安全隐患。 2 1 2 围岩的含水能量贮备条件 隧道突水发生的储能条件是指能够形成大量地下水及泥砂的地质条件。 岩溶、岩体中的各种破碎带( 断层破碎带、节理密集带和岩性接触带) 以及 向斜构造盆地等部位，具有良好的富水和储水性能，常可形成水量大、水压 高的地下水体。这些部位常是丰富松散物的来源，或本身含大量的松散固体 物质，如溶洞中的泥砂、节理裂隙中的充填物、断层破碎带中的断层岩( 断 层泥、断层角砾岩和糜棱岩) ；或与之有水力联系的其他水体( 地表河、湖等) 中含有大量的泥砂或碎块发生突水时，也会随水流一并流入隧道。同时，这 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 些部位也是地下水良好的运输通道，在条件具备时，其他的地下水或与之有 水力联系的其他地下水体，将通过这些通道进入隧道。 除岩体中储存的大量地下水具有较高的静水压力外，其他应力的作用也 会使岩体储存较大的能量。包括：静水压力等对地下水体压缩产生的应变 能；岩体结构在静水压力、构造应力和重力等作用下产生的应变能；在 高水头压力作用下，地下水产生的运动势能。一旦能量达到边界条件，隧道 的开挖过程中必然释放。 2 1 3 围岩含水的能力释放条件 虽然围岩中储存了大量能力，但是突水的是否发生，还是取决于它的能 量释放条件，即为量变到质变的关系。地下水的释放条件包括水压和相对隔 水层厚度，其中最主要的是地下水的动力性能。当含水层水压值超过隔水层 有效保护厚度的承载极限时，就容易发生突水。 不同的岩体结构和岩性条件的岩体，在物理力学性质上存在较大的差 异，隔水层厚度也不同。单位厚度岩体承受的水压力随着岩体种类的不同而 不同，如砂岩承载力为0 1m p a 、砂质页岩为0 0 7 m p a 、粘土质页岩为0 0 5 m p a 、 断层角砾岩约为0 0 3 5 m p a 。厚度大且完整的岩体往往能承受较大的压力，如 较完整的页岩和泥岩在有保护的作用下也能承受一定的水压，从而抑制了突 水的发生。 2 2 岩溶隧道地下水赋存特征 2 2 1 基岩裂隙水的赋存特征 裂隙水是山区广泛分布的地下水类型，岩石裂隙的发育情况决定地下水 的分布情况能否富集。我国山地面积约占全国总面积的三分之二，其中除去 1 2 5 万k m 2 岩溶地下水分布区和1 9 0 万k m 2 多年冻土区外。都是基岩裂隙水 分布区，其中蕴藏着大量的地下水资源。根据形成原因，可将裂隙水划分为 构造裂隙水、成岩裂隙水和风化裂隙水。 2 2 1 1 构造裂隙水 在构造力的作用下，一方面可以使原始的孔隙和裂隙变成更小或消失； 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 另一方面，由于构造运动常使岩石产生各种断层和裂隙，所形成的裂隙水， 是山区主要的裂隙含水层。构造裂隙水又可以分为节理裂隙水和断层裂隙水。 节理裂隙分布较均匀，面积较广，而且裂隙具有方向性，故节理的富水 程度也有方向性。沿较大褶皱的顶端。岩体局部拉伸结果多半产生平行与褶 皱面的主要张节理系统，也有一些次要的张节理与轴面以角度相交，这样就 为地下水的贯穿运动提供了条件。岩层受挤压、受剪切应力时，能发育良好 的节理系统，但多半被细粒的碎屑物质所充填、不利于水的贮存和运动。 2 2 1 2 成岩裂隙水 这种裂隙水局限于一定的岩石( 喷出岩、侵入岩) 内发育，取决于原生 岩石结构与变质时的环境。多发育在岩浆岩、侵入岩中，柱状节理由于冷凝 收缩作用下，裂隙变得宽大，岩石颗粒较粗，连通性强，在硬脆性的岩浆岩 尤为突出，而且由于喷发的不连续性，使喷出岩的沉积多具成层性，裂隙也 多呈层状分布。 当成岩裂隙发育的岩层出露地表接受降水或与地表水体相连时，则形成 成岩裂隙水。当岩体夹在两隔水层之间，并有补给来源时，形成裂隙承压水。 其水量的大小，主要决定于岩石的性质、岩相、成岩裂隙的发育程度和补给 条件。 2 2 1 3 风化裂隙水 风化裂隙水常赋存于岩体风化壳中，分布较广，风化厚度受地形地貌、 岩性等影响较大，其厚度在1 0 l o o m 之间，无一定方向，不同岩石发育程 度不一。同一种岩石在平面上，裂隙分布密集均匀、互相连通，在剖面上其 数量和张开程度都随着深度增加而减小；在构造裂隙和成岩裂隙发育的岩石 中，表面风化裂隙也特别发育，因此风化裂隙水常埋藏于离地面不深的范围 内。具有埋藏浅、含水层厚度不大，一般都有统一的水位，透水性随深度增 建减弱等特点，常为裂隙潜水或上层滞水。当古风化壳被后期堆积掩埋后， 可以形成埋藏较深的承压水，但较少见。风化裂隙水主要由降雨入渗补给， 其水量大小常与补给范围大小、岩石性质、风化裂隙发育程度有关。在山区， 风化裂隙因地形切割强烈，径流、排泄条件好，不利于风化裂隙水的聚积和 贮存，水量不是很大，具有季节性的变化，尤其是我国东北、华北、西北和 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 西南高海拔地区，由于受寒冷地气候的影响，易产生隧道冰胀破坏。另外， 水位变化幅度较大，给隧道工程的设计、施工带来困难。 2 2 2 岩溶水的赋存特征 岩溶水的特点是在空间和时间上极不均匀。 空间上，岩溶水赋存沿剖面一般分为四个水动力带( 见图2 1 【1 2 】) ：垂直 入渗带。位于地下水最高水位以上的包气带，主要赋存垂直下渗暂时性水流， 岩溶以垂直形态的溶隙、落水洞为主。垂直水平交替带。位于地下水最高 水位与最低水位之间的季节变动带，主要赋存垂直下渗和水平流动的暂时性 水流，枯水期以垂直下渗为主，丰水期以水平流动为主。岩溶以垂直和水平 形态兼有，常形成间歇性地下暗河。水平循环带。位于地下水最低水位以 下的饱水带，赋存地下水流向当地最低侵蚀基准面。岩熔以水平发育的溶洞、 暗河为主。深循环带。位于局部侵蚀基准面以下的深部，地下水在水头压 力左右下向远处的区域性基准面缓慢流动。岩溶以细小的溶隙和溶孔为主。 另外，在剖面上，可溶与非可溶岩，或可溶性强与可溶性弱的岩层交界面附 近，以及地下水附近，岩溶水赋存较丰富。岩溶水赋存于平面上一般可以分 为三个区：垂直入渗区。位于远离河谷的分水岭地区，多发育漏斗、落水 洞等垂直岩溶，降水入渗后作垂直运动，地下水水位埋深较大。水平运移 区。位于河流中游地区，赋存的地下水流分散，无统一的水位，因此岩溶易 发育成水平管道，连通性较差。集中排泄区。位于河流下游及河谷地区， 以水平岩溶为主，溶蚀作用强烈，岩溶含水介质的渗透具有较强的非均质性 和各向异性，赋存的地下水水流集中，形成统一的水位，以及集中排泄的岩 溶泉。另外，在平面上断裂构造发育带、背斜轴部以及地表水体或岩溶泉排 泄区等岩溶水赋存也很丰富。 在时间上，特别是我国南方，岩溶水的水位。水量变化较大，变化的频 率快。岩溶水的水位、水量在时间上具有明显的不均匀性。雨季水位较高， 流量很大，而枯水季水位较低，流量较小。 因此，由于岩溶水的赋存特点特殊，即时间和空间上的不均一，渗透的 非均质和各向异性，以及降水灌溉式的补给，地下河式的集中排泄，管道暗 河式的径流，使其成为岩溶隧道的危害很大，并且难以预测准确的问题。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 卜卅 泄区十补给径流区 一补给区十补给径：流区一捧泄吲 i i iiiiiiiiiii 图2 - 1 分水岭岩溶水动力分布带 注：1 表层岩溶带；2 包气带；3 季节交替带；4 浅饱水带；5 压力饱水带；6 深部缓流带；7 季节性下渗管流水；8 季节性有压管流涌水；9 有压管流涌水；10 有压裂隙水；1 1 隧道；1 2 地下河 2 3 岩溶隧道突水的影响因素 岩溶隧道突水突泥的形成与发生是一系列很复杂的过程，概括其原理就 是含水层的地下水压力，达到阻止渗流的隔水层保护层承载力，并且突破保 护层发生的一种地质灾害。突水突泥的发生，包括内因和外因两部分，其中 内因主要包括地形地貌、地质构造及地层岩性等，外因是隧道工程的修建而 引起的人为开挖。 2 3 1 地形地貌 根据大量统计资料表明，隧道突水与隧道通过该地区的地形地貌有密切 关系。按照隧道与地形地貌的关系，在横断面上，分为平坦型( t i ) 、凸型( t 2 ) 、 山谷正下方平行型( t 3 ) 、山谷侧下方平行型( t 4 ) 和单斜面型( t 5 ) ；在纵断面上， 分为平坦型( l 1 ) 、凸型( l 2 ) 、横贯河流型( l 3 ) 、盆状( l 4 ) 和平凸型( l 5 ) 。在横断 面地形类别中，以山谷正下方型和山谷侧下方型两类隧道的突水量较大，其 次为平坦型和单斜面型，最小的是凸型：从纵剖面看，横贯河流型( l 3 ) 、盆 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 - _ - _ _ - _ - _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ l - _ _ _ _ _ _ _ l _ - i _ - - _ l - l l - _ - _ - _ l _ l _ _ l 一_j-一 状( l 4 ) 和平凸型( l 5 ) 三类隧道突水量最大，平坦型( l 1 ) 和凸型( l 2 ) 最小。但是从 其组合来看，t il 5 ，t 3l 3 ，t 4 l 3 ，t 3l 5 的突水量较大，其次为t 5l 3 ，t ll 4 ， t 5l 2 ，t 2l 3 组合时突水量比最小。 2 3 2 地质构造 隧道突水很多都与新构造裂隙水或老构造裂隙水活动有关。按照裂隙规 模可以分成不同级别，在同一地质单元中，同一级别的裂隙宽度和带间距大 致相等。裂隙带具有一定的延伸方向，在我国为北北东( 0 - - - - 4 5 。) 和北西西( 2 7 0 。3 1 5 。以2 9 0 。左右居多) 两组。因其延伸较远，使得各地质构造单元 及各种岩层的地下水具有良好的连通性，造成隔水层不隔水，而且因其发生、 发展的时间较晚，大部分裂隙未被完全充填，充填物( 黄泥、碎石等) 多未胶 结，故密封不好，加上延伸性和连通性较好，可使地下径流畅通，具有良好 的透7 k 性。 2 3 2 1 断层 断层的性质、规模、构造层的导水特点和地下水补给来源，两盘裂隙发 育程度和断层活动的性质，断层周边地带，由于不同程度受到断层构造的影 响，其岩层裂隙发育。透水性好，易赋存地下水。而断层的的规模和破碎程 度取决于断层的形成时代、性质、构造作用和岩性。赋存水量的大小与地表 的汇水面积、岩层岩性和地下水来源有关。一般的，张性断层破碎带，压性 断层主动盘，都赋存大量地下水。 其中张性断层的规模一般较小，但张性结构面因受拉伸应力作用，而且 常沿着x 节理追踪，使裂面进一步张开，破碎带常见有角砾岩，两盘岩石在 断层影响下，裂隙发育。胶结不好的角砾岩和张裂隙比较容易受到风化剥蚀 和地表水的侵蚀，而形成沟谷和洼地，是补给和贮存地下水及岩溶发育的有 利条件。补给条件比较好时，在断层带的各个部分和两侧张裂隙发育影响带 内均能见到地下水的。 对于压性断层来说，岩层遭受强烈的水平挤压力，使岩层破裂形成，断 层走向与压应力方向垂直。一些脆性岩层中，虽然断层本身导水条件不好， 但是两侧影响带常产生较多的裂隙，有可能成为富水带，尤其在主动盘的影 响带。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 扭性断层以剪应力为主，兼有压应力和张应力，断层结构面往往较窄， 灰岩接触的压性断裂带内的角砾岩，往往是富水带，而泥岩本身中的角砾岩 带，倾角接近直立，断面光滑，结构