（岩土工程专业论文）承压水对北京地铁十号线隧道开挖的影响分析.pdf

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p o r t a l l ti n d i c a t o rt om e a s u r em a nm o d e m i z a t i o n i i l m en e x td e c a d e ，s h a l l o wu 1 1 d e r g r o u n ds p a c eo fb 嘶i n gw i l lb em 1 1 yd e v e l o p e dt om e d e 印u n d e 曙r o u l l ds p a c e ，d e v e l o p m e i l ti nb 刨i n gh a sc o m e 锄u p s u r g ei nb u i l d i n gt h e l d e f 争o u n ds p a c e a m o n gt l l e m ，m es u b w a y i sc o n s 仃u c t i o nw i l lb et 1 1 ef o c u so fu r b a i l u i l d e 赠u n ds p a c ed e v e l o p m e n t c r o s se a c ho t l l e ri nt h ec o n s 仃u c t i o no ft h es u b w a y 仙 u l e l ，t h et u 衄e 1 sd 印mi s i n e v i t a b l eb e c o m em o r ea n dm o r e d e a p ，s ot l l a t c o n s t r u c t i o nc o u l de n c o u n t e rs h a l l o we x c a v a t i o nw i t h o u tc o m i n gt om ec o n f i n e d w a t e r h i l p r o p e rc o r l s i d e r a t i o no fm ec o n 6 n e dw a t e rm a y1 e a dt ow a t e r 曲n 】s h ， r e s u l t i n gi i l 舀e a te n 百n e e 血ga c c i d e n t h 1 “sp a p c o m b i n i n gw i mt 1 1 ec o n s t m c t i o no ft h eb 响i n gm e 咖，廿1 ea u 也o r u s e dt 1 1 eg e o s t u d i os y s t e ms o 胁a r ef o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt os n l d v 廿l e s 讯l c t u r eo fc o n f i n e dwa t i 。re 髓c t so nm eu n d e r 灯o u n d ，a 1 1 dm ew 砷e rp r e s s u r e e n c o u n t e r e di nt h ec o n s 缸u c t i o no fm em e a s u i e ss t u d i e d t h ef o u n d a t i o ns i m u l a t i o n r e s u l t sw i mm e 仃a d i t i o n a lf o m m l af o r l ec a l c u l a t i o no ff o u n d a t i o n u p l i rw e r e c o m p a r e d t h em a i l lc o n c l u s i o n s a r ea sf o l l o w s ： 1 、w h e nc o n f i n e dw a t e rh e a dp r e s s u r ei s4m e t e r s1 1 i 曲w a t e rp r e s s u r e ，t h r o u 曲 m et u 衄e ln o o ru p l i f tc u n r ea n a l y s i s ，t 1 1 ew a t e rp r e s s u r ei ns u c hc o n d i t i o n st h ei m p a c t o f m e 吼l b w a yt l m n e la ta b o u tt h ec e n t e ro f t l l em g eo f t h et l l n n e li sa b o u t4 5 m 2 、b a s e do n 也em a x i m u mp r i n c i p a ls 仃e s sc o n t o u r s ，b e c a u s et h ee x c a v a t i o no f t l l et u 】【1 i l e lf l o o rt u mo nal a r g e rt e n s i l ea r e 如m ei i l l p e n n e a b l e1 a y e rn l i c k n e s so fm e t u 衄e ln o o rt oi 1 1 c r e a s ei t si n f l u e n c ei 1 1t h er e 百o nd e c r e a s e d 3 、w h e nc o n f i i l e dw a t e rh e a dp r e s s u r ei s4m e t e r sl l i 曲w a t e rp r e s s u r e ，b yu s i n g d i 行打e n tf 0 1 ( 1 e rw i mi nt h ee i l dp l a t em i c k n e s so fm es i m u l a t i o no fs o i la 1 1 a l y s i s ，m e t u r m e ln 0 0 ra t4 ma b o v ei m p e r m e a b l el a y e tt h ec o n f i n e dw a t e ro nt h er o o fo f 1 e t u i u l e li sr e l a t i v e l ys l o w n l i ss h o w sm ei m p a c to fc o n f i n e dw a t e ro nm et l l i l l l e li s l i m i t e di 1 1s c o p e 4 、s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ec o n f i n e dw 纰e ro n 廿l em e 臼op i tw c r ec o m p a r e dw i t l l t 1 1 e 屯阻d i t i o n a lf o m m l a w h i c hs h o w sd e f e c t so fm e 仃a d i t i o n a lf o m l u l af o rm e c a l c u l a t i o no ff o u n d a t i o nu p l i rw h e nc o n s i d e r i n gp r e s s u r eo fw a t e r k e yw o i t d s ：c o n f i n e dg r o u l l dw a t i 蔫n u m 舐c a ls i r n u l a t i o n ，s u b w a y 姐m e i f l o o r f o u n d a t i o np i tf l o o r ，f l o o ru p l i r i i i 北京丁业大学丁学硕+ 学位论文 一i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 第l 章绪论1 1 1 研究背景和研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 承压水对深基坑底板的影响研究现状。2 1 2 2 承压水作用下煤层底板突水分析研究现状3 1 2 3 岩溶隧道突水分析研究现状6 1 3 现状研究存在的问题9 1 4 本文的研究内容思路和方法9 1 4 1 研究内容9 1 4 2 研究思路和方法1 0 1 5 总结1o 第2 章承压水的特点及作用分析1 1 2 1 北京城近郊区浅层地下水的工程背景1 1 2 2 地下水的工程特点1 4 2 3 承压水对地铁施工的影响1 5 2 3 1 承压水的特征1 5 2 3 2 承压含水层方程1 6 2 3 3 承压水作用下引起底板隆起1 7 2 3 4 承压含水层中施工降水1 8 2 4 小结18 第3 章承压水对地铁隧道作用数值模拟分析1 9 3 1g e o s t l j d i o 软件介绍1 9 3 1 1s i g m a 例软件1 9 3 1 2 与其它应用软件的结合1 9 3 2 岩土工程条件2 0 3 2 1 工程实例2 0 3 2 2 地理及区域地质条件2 0 3 2 3 场地地层情况2 1 一v 一 北京工业大学工学硕十学位论文 3 3 施工卸荷引起隧道底板隆起数值模拟2 3 3 3 1 模拟方案2 3 3 3 2 计算模型与参数确定2 3 3 3 3 数值模拟结果分析2 7 3 4 小结3 6 第4 章承压水对地铁车站基坑开挖的数值模拟3 7 4 1 承压水对深基坑工程的影响一3 7 4 1 1 基坑围护周围承压水层的存在形态3 7 4 1 2 基坑隔水土层的临界厚度：3 8 4 1 3 承压水作用下基坑底部抗突涌的计算方法3 9 4 1 4 基底隆起变形4 0 4 2 承压水对基坑底板的影响数值模拟分析4 2 4 2 1 水文地质参数4 2 4 2 2 数值模拟及结果分析4 3 4 3 地铁施工遇到承压水时的注意事项4 6 4 3 1 勘察阶段4 6 4 3 2 施工阶段一4 6 4 3 3 运营阶段4 7 4 4 小结4 7 结论与展望4 9 参考文献5 1 攻读硕士学位期间所发表的学术论文5 5 致谢5 7 续发展的重要途径【l 】。在工程实践方面，瑞典、挪威、加拿大、日本、美国、法 国和芬兰等国在城市地下空间利用领域己达到相当规模和水平【2 】。城市地下空间 的开发利用，已成为世界性发展趋势，并以此作为衡量城市现代化的重要标志。 在未来十几年内，北京浅层地下空间将得到充分开发，并向深层地下空间发展， 北京地区已经迎来了地下空间建设的高潮。其中，地铁的建设将是城市地下空间 开发的重点。根据北京市轨道交通近期建设规划，到2 0 1 5 年，北京将形成“三 环、四横、五纵、七放射”的轨道交通网，全市轨道交通运营线路将达到1 9 条 5 6 1 1 ，其中主要服务于城市中心区的线路里程达4 0 6 k m ，届时三环路以内平均 步行1 k m 即可到达地铁站。 在地铁修建过程中，一般会遇到两个难题，一是地铁线路、车站和其他设施 在建设中，常常遇到多层的、不同类型的地下水。这种情况，不仅内陆城市，如 北京是如此，在沿海城市上海和天津也发现了地层下部承压水对工程建设的重大 影响。城市轨道建设绝大部分处于地下水位以下，具有点多、线长、施工时间长 的特点，地铁建设中如何评价地下水赋存与渗流状态对工程力学环境和设计条件 的影响，对如何处理好施工中的地下水问题，都构成了工程建设和运营中的一大 难题；二是地铁线路大部位于建筑物林立、地下管线密集的繁华地区，在施工过 程中，如何处理好与交通、占地的关系，解决好遏制地面沉降，确保周围地面及 高大建筑物安全，这又是一个难题【引。 当今，世界各国都加大了对地下空间的开发，在一些大城市随着地铁线路的 密集开发等原因，形成了很多的地铁隧道的深埋。深埋之后带来的工程安全问题 及其对周围环境造成诸多不利影响的事例也时有发生，但对其破坏的机理就研究 的较少。地下工程将不可避免地扰动岩土体，破坏原有地下水渗流场与应力场的 平衡状态，从而引起地表沉降和变形，影响地面建筑物的安全和地下管线的正常 使用。地下水是地下空间的赋存介质，也是工程与环境相互作用的媒介和载体， 同时也可能成为致灾的主要因素，因此对的研究就显的尤为重要。 隧道施工中，隧道的涌突水严重危及施工的安全，影响施工进度，而且如果 北京工业大学1 二学硕士学位论文 采取的施工措施不妥，便会造成隧道建成后的运营环境恶劣，也会对地表环境造 成影响，给附近居民的生产和生活带来重大的影响，具体表现在： ( 1 ) 高压、富水地区开挖隧道的过程中，涌水事故特别是突发性的涌水事故时 有发生，并且伴随着涌泥、涌砂，导致淹没坑道，冲毁机具，造成施工的被迫中 断，甚至会造成重大的人员伤亡事故。 ( 2 ) 引起岩溶地面沉降甚至地面塌陷 岩溶地面塌陷是隧道涌突水突出的地质环境效应【4 】，它一般具有突发性、发 展速度快、波及的范围广、危害性较大等的特点。有关统计资料表明，截止到2 0 0 8 年，铁路隧道系统全路总共有5 2 处地面发生了岩溶塌陷，这其中与隧道突涌水 有关的有1 4 处，占到2 7 。其中比较典型的例子是京广线上的大瑶山隧道，因 为隧道的涌突水导致在地表出现了2 0 0 多个塌洞和陷坑，致使农田严重受损，居 民的生活用水和生产水源都遭到乐严重的破坏，加上又有地表的降水通过这些塌 洞大量灌入隧道中，引起隧道内发生突泥突砂，严重地威胁着行车的安全 5 q 】。 通过对铁路系统全路段岩溶塌陷分布规律及其与岩溶水之间的关系的分析 研究表明，隧道涌水所引起上覆松散土层内的有效应力场的改变和动水压力的增 加是岩溶地面塌陷的最根本原因。地下水水位的急剧变化带和强径流带往往是塌 陷产生的敏感区域，而水的动力条件的改变是岩溶塌陷产生的主要诱因，这个结 论己为不少实际资料所验证。 本文就是研究如何考虑承压水对深埋地铁隧道的作用效应。像在北京，隧道 深埋后会不可避免的遇到承压水，对承压水的考虑不当可能引发突水事故，造成 极大的工程事故，因此开展这一领域的研究具有一定的学术意义和重大的工程实 际价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 承压水对深基坑底板的影响研究现状 与潜水对基坑工程的危害性相比，当基坑底下存在承压水时，基坑开挖减小 了含水层上覆不透水层的厚度以及重力，当这个厚度减小到一定程度时，承压水 所产生的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板的不透水层j 便会造成突涌。 承压水造成基坑突涌的形式为： ( 1 ) 基坑顶部开裂，出现树权状或网状裂缝，地下水从裂缝里涌出，并附带出 下部的土颗粒； ( 2 ) 坑底产生流砂，进而造成边坡或基坑的围护结构失稳破坏和整个地基的整 体悬浮流动； 一2 一 图1 1 基坑隔水底板和含承压水土层示意图 f i g u r e1 - 1p i tn o o ra n d 谢mp r e s s u r i z e dw a t c ri r n p e n ，i o u sl a y e rd i a 跗姐 图1 1 是基坑隔水底板和含承压水土层示意图。传统的分析基坑突涌的方法 是按压力平衡的方法来确定基坑底板的厚度的，即隔水土层的自重所产生的压力 与承压水的压力相等，并由此来计算基坑隔水土层的临界厚度： k2 凡也厂 ( 1 1 ) 上式中， ，w 为水的重度，风为压力水头差，y 为坑底隔水土层的重度。当 基坑底部隔水土层的厚度j l z 小于用式1 1 算得的临界厚度时，传统方法即认为基坑 可能发生突涌破坏。因此，基坑开挖时通常要求满足仃【9 】。 一些学者对基坑底板的稳定性进行了分析和研究。如梁永然 1o 】认为底板失 稳破坏的原因是由于基坑底板在边缘处由承压水所产生的剪应力值超过了土体 的抗剪强度值，土体的抗剪强度的不足导致基坑底板破坏，并据此假设进而推导 出了矩形基坑底板的临界厚度的计算公式。基于相似的考虑，李琳等【l l 】推导出了 圆形和方形基坑底板的临界厚度计算公式。马石城【1 2 】提出仅仅考虑基坑底板在 基坑边缘土体处的抗剪强度是不全面的，因基坑底板在承压水作用下形成隆起时 会因受拉而产生破坏，可能此时边缘处土体的抗剪强度有可能没达到它的极限抗 剪强度。所以，他们提出以基坑底板上部土体受拉破坏作为破坏条件来计算其临 界厚度。在文献 ”】中，马石城等改进了文献【1 2 】的方法，在以土体受拉破坏作为判 别条件的同时，还考虑底板边缘土体受剪产生的影响。 1 2 2 承压水作用下煤层底板突水分析研究现状 对于突水机理的研究为预防矿井突水提供了理论上的依据。现场的试验、室 内进行模拟研究和理论研究是突水机理研究的三大组成部分，其中相似模拟技术 北京丁业大学工学硕十学位论文 在突水机理实验研究中占有重要的地位。八十年代中期，我国开展了煤层底板突 水机理相似模拟研究，以峰峰矿区的小青煤层和下架煤层的开挖试验为例，试验 检验了应变测量方法的适用性【l4 1 ，并取得了一系列科研成果，在通过进行探索突 水机理试验模型的过程中，大致解决了相似模拟技术应用在突水机理研究上的可 行性问题，并且为今后开发具有实用价值的相似模型提供了一定的技术途径。 国内在突水机理的理论研究领域现在主要有以下理论： 1 ) “下三带”理论，该理论由李白英等人在1 9 8 8 年提出【1 4 】。该理论提出煤层底 板从上而下存在着三个带：采动破坏带( i 带) ，完整岩层带( i i 带) ，导升高度带( i i i 带) 并提出了煤层底板破坏深度与采面斜长间的关系是线性的，该理论是底板变形 理论研究的新成果。但“下三带”采用的的概念较模糊，并且最终是采用类似于突 水系数法采用的，用平均每米完整岩层保护带能抵抗水压的能力来作为预测突水 与否的准则，因此也存在和突水系数法同样的不足。 2 ) “原位破裂”理论，该理论由王作宇、刘鸿泉于1 9 9 2 提出【1 5 】。他们认为，煤 层的底板在水平挤压、支承处的压力及水压三者的作用下，工作面前部的超前压 力段会在煤层底板上半部引起水平挤压，下半部受引张，在中部的底界产生原位 破裂并沿原有的构造裂隙扩大。高承压水在沿原位裂隙上升和底板破带相接后于 工作面煤壁前3 m 至后5 m 处比较突出。但是该理论对占一半以上发生于采空区 的底板突水无法进行解释。 3 ) “递进导升”理论，该理论由王经明于1 9 9 4 年在进行煤层底板观测时提出 6 1 。该理论提出在煤层底板隔水层和承压含水层之间会产生导升现象，即高承压 水沿着上覆隔水层的裂隙带慢慢入侵的现象。在采动产生的矿压和水压二者共同 作用下，裂隙开裂、扩展、入侵高度递进发展，当裂隙发展到与上部的底板破坏 带相接时即发生突水。该理论较好的说明了采动过程中发生在工作面周围的突水 现象，可这一理论还不能解释已经进行过应力释放的采空区的突水现象。 4 ) “关键层”理论，该理论由黎良杰、钱鸣高于1 9 9 6 年提出【1 7 】。该理论提出了 关键层一顶底板隔水层中承载能力最强的岩层的概念。煤层中关键层的强度决定 了顶底板的破坏形式。如果关键层破坏就会产生突水。他们假设关键层为薄板， 并建立了薄板模型。该理论对于顶板的破坏计算和水情分析证明是合理的，但对 于底板其实用性较差。事实上，底板承载能力强的坚硬岩层常常其隔水性能较弱， 而承载力弱的软弱岩层常常其隔水性能反而很好。因此这一理论的应用条件受到 很多限制。 5 ) “板壳”理论，该理论由张金才、刘天泉于1 9 9 7 年提出 1 8 】。他们将底板分为 采动破坏带与底板隔水带。将其中的隔水带处理为四周固定支座，受均布荷载作 用的薄板，再用弹塑性理论计算底板承受的极限承压水产生的压力荷载。作为层 状岩体的底板将其近似假设为板是适当的。但由于突水工作面底板至含水层之间 一4 一 第l 章绪论 的距离一般达到2 0 3 0 m ，甚至更大，而底板破坏带深度一般只有7 1 2 m ，突水 时工作面推进的距离一般都有2 0 7 0 m ，而且绝大部分都在4 0 m 以内，这就是说， 大部分情况之下，实际工程中煤层底板无法满足薄板理论所提的基本要求，即厚 宽比要小于l 5 1 7 。当厚宽比大于1 2 1 3 时，其产生的误差是无法忽略的。 今年来随着相关学科的快速发展，国内一些学者又提出其他的研究方法。 1 9 8 7 1 9 8 8 年刘继山分别研究了单裂隙和两组正交裂隙在受正应力作用时的 渗流规律，得到了裂隙渗透系数与裂隙系数、岩体的力学参数以及水文地质常数 这四者间复杂的关系式【1 9 】。1 9 9 4 年郑世书等应用地理信息系统g i s 对殷庄煤矿微 山湖下采区工作面的涌水预测进行了研究【2 1 1 。1 9 9 5 年件彦卿撰写了国内第一部岩 体水力学专著，系统的阐明了岩体水力学的一些基本理论、岩体渗流的数学模型 及其计算方法，并结合工程实例简要介绍了岩体水力学在评价地下水资源，边坡 稳定性分析中的应用。1 9 9 7 年白晨光等采用突变理论，对煤层底板关键层的简化 力学模型进行分析，得到了关键层系统的总势能的函数表达式，并据此提出了底 板关键层的尖角型突变模型，根据该模型研究了高承压水下底板关键层失稳的力 学机制，为煤层底板突水机制的研究引入了一种新的理论分析的方法【2 2 1 。 、 王延福于1 9 9 8 年将非线性理论应用到煤层底板突水过程的分析之中，并分析 研究了突水系统的非线性特征，提出了相关的结论【2 4 1 。1 9 9 8 年安徽理工大学的 李定龙提出了煤矿突水的神经网络分析模型，并将该分析模型应用于皖北刘桥二 矿煤层底板的突水预测中，得到了很好的验证【2 5 1 。1 9 9 8 年汪茂连、李定龙将g s i 应用于刘桥二矿煤层底板突水测中，也得到了较好的效果【2 1 1 。1 9 9 9 年山东矿业学 院的王连国、宋扬总结提出了底板煤层在突水过程中的突变特征【2 6 1 。2 0 0 1 年邵爱 军等在研究煤矿底板系统能量的失稳过程后，提出了在预测矿坑底板突水时的点 突变模型，并推导出了系统失稳破坏时受力的临界值与失稳时底板变形量和能量 释放量的表达式【27 1 。 2 0 0 2 年黄涛通过对深层地下水的开采及利用和对岩体工程中容易发生的地 质灾害的预防范的研究，提出了展开裂隙岩体渗流应力温度三场耦合研究的设 想，该方法为防灾减灾工作和水资源的合理开发利用提供了一个新的研究方法 【2 8 1 。2 0 0 2 年宫辉力对非均质各向异性渗流模型进行了裂隙岩溶水流的仿真模拟， 建立地下水资源的优化管理模型，并提出了通过设计地下水降深分布来求得最优 开采量的方法，该法较好的实现了对地下水渗流场调控的优化【2 引。 在国外，载煤矿突水的研究上也已有了上1 0 0 年的历史，这其中对底板岩体 结构的研究、探测技术及防水治水措施等方面更是积累了相当丰富的经验。 关于开采煤矿时的底板的变形与破坏，m 鲍莱茨基等给出了他们不同的概念： 底板开裂、底鼓、底板断裂与大块底板突起。n a 多尔恰尼诺夫等则认为，在高 应力作用下，比如在深部开采的情况下，岩体或是在支承压力区会出现渐进的脆 北京t 业大学工学硕士学位论文 性破坏，其破坏形式表现为裂隙渐渐扩展并进而发生沿裂隙的剥离和掉块，进而 为底板高压水突入矿井提供了条件。实质上，煤层底板突水问题的研究与岩体水 力学问题的研究是密不可分的。岩体水力学该学科是一门始于6 0 年代末的新兴学 科，自从1 9 6 8 年s h o w d 。t 通过实验推导发现在平行裂隙中渗透系数的立方定律 【2 9 】以后，学术界对裂隙流的认识才从多孔介质流中逐渐的转变过来。1 9 7 4 年l o u i s 依据钻孔抽水实验提出了裂隙中水的渗透系数和法向地应力均服从指数关系。之 后德国的e r i c h s n e l s 又通过对裂隙岩体的剪切变形分析，提出了渗流和应力之间 的耦合关系【3 0 】。1 9 5 6 年d y s k j n a v 通过用裂隙几何张量来统一表达了岩体渗流 与变形二者之间的相互关系【3 。 在有关隔水层的理论研究方面，早在二十世纪初时，国外就已经有学者注意 到了底板隔水层的作用。1 9 4 4 年，匈牙利的韦格弗伦斯次提出了底板相对隔水层 的概念，并首次建立了水压、隔水层厚度与底板突水的关系，该关系式先后被许 多岩溶水上采煤的国家所引用【3 2 1 。从上世纪5 0 年代开始，国外用现场和室内试 验相结合的方法研究隔水层的作用，研究的问题主要有两个，一个是岩体结构即 阻水力，二是岩体强度即抗破坏能力。有人根据现场的观测数据，提出了运用阻 水系数来表示隔水层的突水条件以及隔水层的水力阻抗程度，同时也从能量平衡 得观点来解释底板隔水层的破坏条件。匈牙利国家矿业技术鉴定委员会于1 9 7 4 年将相对隔水层厚度的概念列入了该国矿业安全规。上世纪7 0 年代后，苏联 等国家也开始了对相对隔水层的作用的研究，其中包括了对采空区引起的应力变 化对相对隔水层厚度的影响的研究，以及水流与岩石结构的相互关系。 1 2 3 岩溶隧道突水分析研究现状 ( 1 ) 岩溶水的运动规律研究 岩溶管道水的运动和非岩溶地下水的运动，不论是考虑在渗流场地质结构方 面，还是考虑在地下水运动的水力学特性方面，都存在着很大的差别。在过去的 一百多年间，法国水力学家达西所提出的流体渗流公式得到了十分广泛应用【3 3 1 。 达西定律如下： q = 黝华= 删 ( 1 - 2 ) 式中：q 为渗流量；，为水力梯度；彳为水流的横截面积；k 为渗透系数。 e i s e l l l o h t 和l a u r e n t ( 1 9 9 7 ) 等提出【3 4 】：因为岩溶各个含水层的性质各不相同， 所以需要运用全面响应法来对岩溶含水层的物理特征和水动力特性进行研究。 l a u r e n t 和e i s e i l l o h t 等则试图采用数值模型来模拟地下水流用以检验数理统计方 法在地下水水流诠释方面的敏感性，他们通过采用f e n l 和f e n 2 来模拟稳态和 瞬态维、二维或是三维饱和土体中的地下水水流。依据他们的研究结果整理后， 一6 一 第1 章绪论 认为：水文地质模型并不是唯一的对应岩溶网络的排泄密度，在运用数理统计学 方法的时候，更是需要得到更加详细的水文地质资料、气候条件以及岩溶渗流机 制( 弥散流与管道流的比值) 等以及这些因素对水位图和相关图等的影响。 樗木武通过采用渗流理论对某公路隧道二维稳定涌水的涌水水量、涌水点位 置进行了数值计算和预测【3 5 】。 邹成杰依据本人在岩溶隧道地区多年的工程实践经验和岩溶突涌水理论研究 【3 6 1 ，建立了岩溶管道水的汇流理论。他根据岩溶区域地下水的赋存形式和运动特 性，把其划分成溶隙型、脉管型、管道型这三种类型。同时认为：脉管经过溶蚀 作用迸一步扩大呈现汇流而不是导致渗流，所以在这种情况下并不符合达西理论。 但是由于岩溶管道水一般具有水流速度快、流量较大、水力坡降小和水位势能低 ( 相对两侧脉管与溶隙水而言) 等特征，因而常常造成对附近脉管和溶隙地下水 的侵袭，其结果便是形成了地下水的集中流动，而这种集中流动的地下水便被称 为汇流。 w i l l i 锄b w m t e ( 2 0 0 3 ) 【3 7 】评述了岩溶隧道的含水层模型，并指出在创建数 学或是计算机模型前，首先得要有一个概念模型。一个构造完善的概念模型便可 以转换为一个适用的数学模型，而实现该转换是建立岩溶含水层模型的核心工作。 一般这种模型分为二种：空间模型和时间模型，通常情况下地下水流模型采用空间 模型，而地球化学模型一般采用的是时间模型。 b 锄莉w - s ( 2 0 0 2 ) 简单介绍了美国地理信息系统g i s 技术在岩溶领域的应 用情况【3 & 3 9 1 ，其中指出：g i s 可以提供分析工具为更好地理解地理信息的空间分布 并能模拟地理信息之间的相互联系，在大部分情形下，可以得到在运用g i s 之前 所没有了解到的一些模式与关系。在岩溶隧道领域，g i s 的应用相对还是较晚， 但其现在的运用增长迅速( 主要在美国) 。g i s 系统既可以对数据进行十分有效的 管理，比较适用于处理复杂的水文地质与生物系统之间的相互关系，同时g i s 还 可用在解释性地图，3 d 可视化等方面j 。 w l l i t e ( 1 9 8 8 ) 指出：发育完整的岩溶含水层【4 1 1 ，其溶泉作为地区地下水流 的排泄口是十分分散的，而不是均匀分布的排泄区域。f o r d 和w i l l i 锄s ( 1 9 8 9 ) 认为岩溶排泄区所在位置处的地下水流的流量及地下水属性的变化一般可用来确 定岩溶含水层的流动特性【4 2 】。而在研究岩溶含水层对暴雨的物理响应特性时，有 两种技术得到了十分广泛的应用，其中一种方法是建立在m a i l l e t ( 1 9 0 5 ) 作的假 设的修正上做出的【4 3 1 ，它假设水文图的下降分支和含水层的水力参数之间成指数 关系。 c h a m b e r s ( 1 9 7 3 ) 和b a r a i l ( 1 9 9 3 ) 等，采用下降水文分析方法在一些溶泉 系统中作了数据统计分析【州5 1 ，但是并没有考虑响应范围，同时因为该下降分支 方法缺少对观察到的指数响应运用物理机制的理解，因此限制了其的广泛应用。 北京t 业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 岩溶突水通道形成机理分析 形成岩溶突水通道的方法有两种形式，一种是完整岩体裂隙演化所导致的突 水通道，即没有明显的地质缺陷存在，一种是存在地质缺陷的突水通道，像是断 层、破碎带以及岩溶管道等，其突水通道在刚出现、生长直到最终形成的演化过 程中不仅与通道本身的属性相关，还与水压、地应力以及爆破等外界因素紧密相 连。 如果是不考虑外力因数干扰的影响，岩体的裂隙演化主要是受岩石类材料自 身裂纹演化的影响，在高承压水水压作用下裂隙演化为突水通道外在一般表现为 水力劈裂现象，其在实质上是高水头作用下岩体断续裂隙逐渐发生扩展，最后相 互贯通之后进一步张开所导致的。对水力劈裂的研究最早见于油气田的开发与地 应力的测量领域，近些年来在大型的水利水电工程以及众多的交通运输工程建设 中，已经出现了许多水力劈裂诱发突水的灾害实例，现在该方面研究已经成为深 部工程突水通道形成机理研究的热剧4 6 4 8 1 。19 5 7 年，m k 休伯特和d g 威利斯 删 通过采用弹性力学理论分析了水压致裂所产生的张破裂和应力场之间的关系。在 这之后各国专家学者又分别从断裂、损伤以及流固耦合等各个角度分析探讨了水 力致裂的问题。王成【4 9 】通过采用将裂纹内的水压力视为作用在节理中心的一对 集中力作用的分析方法分析了水力致裂问题。李宗利【5 0 】运用断裂力学的理论将岩 体的裂纹扩展分为拉剪复合断裂和压剪复合断裂，并得出了这两种破坏模式下的 临界水压力的计算公式。实质上岩体裂纹内水压的形成和岩体的变形是耦合作用 的，大量学者的研究也重点在这方面进行了十分积极的研究【5 卜5 4 1 。盛金昌指出 认为水力劈裂发生的必要条件是岩体中发生i 型的张拉破坏，分析了张开型复合 型裂纹发生水力劈裂在理论上的判断依据。黄润秋【5 6 】分析指出裂隙的扩展则多是 属于h 型裂纹断裂扩展问题，研究了深埋隧道在涌水过程中的水力劈裂作用。谢 兴华【5 7 l 认为通过采用矿井工作面推进过程中采场与采空区底板条件变化所导致 的渗透性的改变，据此来判断底板突水的危险程度。可是因为岩体裂隙网络的复 杂性，这些研究工作绝大多数都只是停留在单裂纹或是邻近裂纹的贯通机理上， 而对高水压作用下群裂纹演化至突水通道的过程机理尚无实质性进展。 除此之外还有很多学者通过试验与数值模拟的方法研究了外荷载诱发突水的 力学灾变机理 5 8 枷】，并探讨了采动上覆岩石变形一破断一移动及裂隙演变的形成 机制。李晓昭【6 l j 利用采动的影响下产生的非导水断层突水的数值分析，并分析研 究了断裂演变活化与导水机制的时间效用以及空间效用。胡耀青等【6 2 】运用三维相 似模拟和数值模拟的方法，分析了在承压水上采煤时煤层底板各个含水层的水头 压力分布随采动的变化规律。缪协兴( 6 2 】等完善和发展了隔水关键层原理，并得到 了关于复合隔水关键层的力学模型。综上所述可见突水通道的形成机理关键在于 突水条件和突水模式，伴随着突水机理和防治工作的逐渐完善和发展，今后对于 一8 一 关于承压水的现状研究主要集中于承压水对岩溶隧道的突水与煤矿采煤煤层 底板的突水的研究上，这二者中隧道或是煤层底板一般处在岩石地层中，埋深一 般多达上百米，承压水的水头较大，围岩的稳定性较之土层也要好。对隧道处在 土层中时承压水对隧道的影响研究甚少，而土层由于其本省的性质与岩石性质大 不一样，所以在研究岩溶突水及煤层底板突水时的得到的规律不可生搬到土层中 隧道的突水中来。 现今承压水与隧道之间相互影响的研究主要集中于岩溶隧道中关于岩溶水的 运动规律、岩溶的形成等方面。但对于岩溶隧道突水机理的研究却相对比较少， 总结其原因主要有：岩溶突水作为地下工程建设中的一种严重的地质灾害，若是 施工中遇到突水事故，如何快速更好地进行处理是最为迫切的问题，否则，救很 难保证施工进度与施工安全；而在施工前的勘察阶段，怎么样对岩溶以及岩溶突 水、突泥问题进行准确的预测，并指出相应的在设计上的对策是勘察设计人员需 要处理的头等大事，同时由于岩溶及突水、突泥问题相关的影响因素很多，涉及 到的专业知识面很广，研究难度较大。 针对北京地区的地质和水文情况，地铁隧道主要在土层中开挖，围岩的稳定 性不如岩石地层的好，在有些区域的承压水埋深浅，水头压力大，所以承压水对 地铁地下结构的影响要认真对待。 1 4 本文的研究内容思路和方法 1 4 1 研究内容 本文以北京地区承压水对地铁隧道区间段及车站基坑的影响研究为目标，隧 道以及承压水都处在各土层中，而土的力学性质跟岩石有很大的差异，所以跟岩 溶隧道突水及煤层底板突水存在很大的不同。 。 本文在已有的研究基础上，主要研究内容有： 总结和分析国内外承压水对地铁隧道区间段及车站基坑的影响因素，破坏 形式等。 以北京市地铁十号线为工程地质背景，调查承压水分布状况。在详细研究 地质条件、施工、设计等资料的基础上，建立地质模型、提出模拟方案，制定模 拟方法。用g e o s t u d i o 软件模拟承压水对隧道和车站基坑底板的影响。考虑的主 北京工业大学工学硕士学位论文 要因素有：承压水隔水底板与隧道的相对位置。 防止灾害发生的相应处理方案与加固措施。分析加固效果，为今后类似工 程提供参考。 1 4 2 研究思路和方法 l 、国内外相关文献资料及成功案例调研。通过调研，广泛收集国内外在地下 铁道隧道开挖方面的经验、教训、先进理论和技术。通过全面的研究分析，对既 有的地下铁道建设研究成果进行继承和消化吸收。 2 、借助于计算机技术，采用g e 0 s t u d i o 工程分析软件，模拟承压水对隧道施 工的影响。通过对不同方案的模拟，对隧道隆起等特征参数的分析，初步分析承 压水对隧道的影响，为加固处理提供参考依据。 1 5 总结 本章主要说明了课题研究的背景和意义，总结了承压水对基坑底板、煤层底 板和岩石隧道的一些基本的破坏形式，介绍了国内外的研究情况，指出了存在的 一些问题，提出了所要研究的内容、思路和方法。 一1 0 一 第2 章承压水的特点及作用分析 第2 章承压水的特点及作用分析 2 1 北京城近郊区浅层地下水的工程背剽6 3 】 由于特殊的第四纪地质及水文地质条件，以及北京地区城市建设发展的影 响，北京地区浅层地下水呈现出复杂的规律。对这些规律的分析、归纳以及总结 有助于正确分析、评价地下水对地铁规划、建设、运营的影响和作用。 ( 1 ) 多层位的地下水分布特征 北京平原区第四系岩相分布由山地向平原具有明显的过渡现象。自山前至平 原区的总岩相变化特征为：( 1 ) 各大河流冲洪积扇顶部及上部以厚层砂土和卵、 砾石地层为主；( 2 ) 冲洪积扇中部的地层过渡为粘性土、粉土与砂土、卵砾石土 互层；( 3 ) 冲洪积扇中下部以及冲积平原区以厚层粘性土、粉土为主，层中分布 有砂土层。 北京市区第四系土层分布是非常复杂的，这就为北京地区多层位多类型地下 水的基本分布特征创造了地质条件。北京地市区在上世纪7 0 年代以后，地下水 位逐年下降，下降最明显的8 0 年代中期超过2 0 3 0 m 。由于区域性地下水下降 过程中不同岩性垂向渗透系数的差异很大，各含水层之间水力联系变弱，形成了 目前多层地下水分布特征。 上述分析过程说明了北京市多层地下水形成的机理，同时由于地层分布规律 在平面上受地形地貌影响，差异很大，多层地下水分布规律也有很大不同，据此 可以进行北京市地下水平面分区( 见图2 1 ) 图2 1 永定河洪冲积扇内浅层地下水条件分区 f i g u r e2 1y b n g d i l l gr i v e ra l l u v i a lf l o o dc o n d i t i o n sw i t h i n l ea r e ao fs h a l l o w 粤o 吼d w a t e r 北京1 二业大学t 学硕士学位论文 上述地下水位分布的复杂性，使北京地铁建设中的地下水问题变得十分复杂。由 于地铁为线状工程，一般要跨越多个地下水分区，涉及到多层地下水，无论是在 施工期间还是在运营期间，地下水环境与工