（环境工程专业论文）宜万铁路岩溶隧道施工中的灾害影响与gpr超前预报技术研究.pdf

摘要 、y 7 4 1 0 9 4 摘要 随着我国交通及资源开发工程的迅速发展，深埋长程隧道及深埋越 岭隧道的修建越来越多，随之产生的施工灾害及环境问题也受到广泛关 注。尤其是在西南部的岩溶地区，隧道修建过程中与岩溶灾害有关的各 种环境问题及负效应显得尤为突出，给当地脆弱的生态环境造成了不可 弥补的损失。此外，重大岩溶灾害的产生影响工程的进展，增加工程的 造价，同时也严重危及旅工人员的生命安全，因而倍受岩溶地区铁路建 设和施工单位的关注。为了避免或减少这类问题发生，实行l = 程快速安 全施工，超前预报技术由此应运而生。 本文结合万宜铁路线上几座重点隧道的实际情况，初步分析了岩溶 发育规律及其灾害发生机制，指出了岩溶管道的发育是岩性构造特征、 地貌形态、水动力条件及水文循环等多种因素共同作用的结果，在此基 础上深入探讨了岩溶隧道施工过程中易产生的环境灾害问题及各种环境 负效应，如隧道涌水、突泥灾害诱发的地下水位降低，地表井、泉疏干， 隧道岩溶塌陷灾害易伴生污水回灌从而引起地下水污染等，并提出了相 应的控制措施与建议。为了从源头卜查清可能发生的岩溶灾害，规避或 减轻由此引发的各种环境问题，本文随后介绍了g p r 超前预报技术的理 论和实际应用，并通过现场试验对所得成果进行资料分析与处理，研究 了岩溶管道、破碎带和富水区等典型现象的雷达信号特征，对各种不同 介质的雷达波图像进行了总结，得出了较为成熟的相关理论，研究成果 不仅直接应用于实践，而且为铁路建设中这类问题的解决提供了可以借 鉴的经验及技术方法。 关键词：岩溶灾害隧道排水环境影响g p r 超前预报 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e r a p i de n g i n e e r i n gd e v e l o p m e n t o nt h et r a f f i ca n dr e s o u r c e se x p l o i t a t i o ni n o u rc o u n t r y , m o r ea n dm o r ed e e p l y - b u r i e dt u n n e l sa r ec o n s t r u c t e d ，w h i c ha r el o n go r a c r o s st h em o u n t a i n s ，a n dt h ef o l l o w e dc o n s t r u c t i o nc a l a m i t i e sa n de n v i r o n m e n t a i p r o b l e m sr e c e i v et h ee x t e n s i v ec o n c e r b s e s p e c i a l l yj nt h es o u t h w e s ta r e a , i ts e e m s p a r t i c u l a r l yo u t s t a n d i n gt h a t v a r i o u sk i n d so fe n v i r o n m e n t a l p r o b l e m sa n dn e g a t i v e e f f e c t sr e l a t e dt ok a r s tc a l a m i t yd u r i n gt h ec o u r s eo ft u n n e lc o n s t r u c t i o n a l lo ft h e s e w i l lc a u s ei r r e t r i e v a b l el o s s e st ol o c a lf r a g i l ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t i na d d i t i o n ，t h e k a r s tc a l a m i t i e si n f l u e n c et h ep r o j e c tp r o g r e s sa n di n c r e a s et h ef a b r i c a t i o nc o s to ft h e p r o j e c ta sw e l la st h r e a t e nt h es e c u r i t yo f c o n s t r u c t o r ss e r i o u s l y s ot h ek a r s tc a l a m i t i e s r e c e i v em u c hc o n c e r o so ft h er a t l w a yc o n s t r u c t i o nu n i t i no r d e rt oa v o i do rr e d u c et h i s k i n do fp r o b l e m s ，t h ea d v a n c e d f o r e c a s t i n gt e c h n o l o g ya r i s e s t om a k et h e p r o j e c t c o n s t r u c t e ds a f e l ya n ds p e e d i l y c o m b i n i n g t h ea c t u a lc o n d i t i o n so fs e v e r a lk e yt u n n e l so nt h el i n eo ft h er a i l w a y , t h i sp a p e rh a sa n a l y s e dt h ek a r s td e v e l o p m e n tl a wa n dc a l a m i t ym e c h a n i s m ，i n d i c t i n g t h a tt h ed e v e l o p m e n to fk a r s t p i p e l i n e i sar e s u l tf r o mt h ei n t e g r a t e da c t i o no fs u c h m a n yf a c t o r sa sl i t h o l o t i cf o r m a t i o nc h a r a c t e r s ，t o p o g r a p h i c a lf e a t u r e s ，h y d r o d y n a m i c f o r c ec o n d i t i o n sa n dh y d r o l o g i cc y c l e i ta l s oh a ss t u d i e dv a r i o u sk i n d so f e n v i r o n m e n t a l c a i a m i t yp r o b l e m s a n de n v i r o n m e n t a l n e g a t i v e e f f e c t s e m e r g i n g i nk a r s tt u n n e l c o n s t r u c t i o nc o u r s e ，s u c ha sd e p r e s so f u n d e r g r o u n dw a t e ra n dd r a i n a g eo f s u r f a c ew e l l a c c o r d i n gt od a s h i n gw a t e ri nt u n n e la n dk a r s ts i n ka c c o m p a n i e dw i t hs e w a g e p o u r i n gi nt u r nl e a d i n gt ou n d e r g r o u n dw a t e rp o l l u t i o n i nv i e wo ft h ea b o v e ，i ta l s op u t f o r w a r dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lm e a s u r e sa n ds u g g e s t i o n s i no r d e rt o i n v e s t i g a t et h e c o n t i n g e n tk a r s tc a l a m i t ya n de v a d eo rl i g h t e ne n v i r o n m e n t a lp r o b l e m s ，t h i sp a p e rh a s c o n t i n u e d i n t r o d u c i n g t h e t h e o r y a n d p r a c t i c a la p p l i c a t i o n o fg p rf o r e c a s t i n g t e c h n o l o g y f i n a l l y ，t h r o u g ht h ed a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y z i n go ft h ee x p e r i m e n t ，w e h a v es t u d i e dt h er a d a r s i g n a lc h a r a c t e r i s t i co fs u c ht y p i c a lp h e n o m e n o na sk a r s tp i p e l i n e ， c r u s hb e l ta n da b u n d a n tw a t e ra r e a s ，s u m m a r i z e dt h er a d e rw a v ep i c t u r e so fv a r i o u s m e d i aa n dd r a w nt h er e l e v a n tr i p et h e o r i e s t h er e s e a r c hr e s u l t sa r en o to n l ya p p l i e dt o p r a c t i c ed i r e c t l yb u ta l s oc a nb eu s e df o rr e f e r e n c ea st h ee x p e r i e n c ea n dt e c h n o l o g i c a l m e t h o d d u r i n g t h ec o u r s eo f t h i sk i n do f p r o b l e ms e t t l e m e n ti nt h e r a i l w a yc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：k a r s tc a l a m i t yd a s h i n gw a t e ri nt u n n e l e n v i r o m n e n t a lp r o b l e m sg p r a d v a n c e df o r e c a s t i n g i i 第一章绪言 第一章绪言 1 1 研究背景及意义 近几十年来，我国的公路、铁路、水电等领域的隧道事业己取得长足 的进步，资料表明截至1 9 9 9 年，我国的铁路隧道己达6 8 7 6 座，总长度 3 6 7 0 k m ，均为世界第一。目前我国已建成铁路隧道中隧道占线路长度在 3 0 以上的就有襄渝线3 4 3 ，成昆线3 1 6 ，西康线5 0 4 2 等。而到 2 0 0 0 年末建成的公路隧道也超过1 0 6 9 座，建设规模也越来越大。同时 西部大开发战略的实施使很西部成为经济发展的新热点，“要想富，先修 路”，“火车一晌，黄金力f 两”，这些俗语虽然不见得完全正确但也反映 了一定的客观事实。经济的发展势必要有便捷的交通支撑，因此西部地 区大规模的公路、铁路建设势成必然，事实也的确如此，而我国西部地 区多为山地，隧道工程十分普遍。甚至会涌现出一些长大隧道和隧道群。 随着隧道工程的发展，隧道在施工中面临的环境地质灾害问题诸如涌 水、塌方、岩爆等日益突出。这些问题的发生给当地的环境造成了不可 弥补的损失，甚至严重影响工程的进展，增加工程的造价，有的甚至导 致整个工程的失败，为了避免或减少这类问题发生，实行工程快速安全 施工，超前地质预报由此应运而生。在工程实施中，超前预报由于其预 报准确可靠而越来越受到一些工程界人士的重视，并广泛用于长、大、 重点等隧道施工中。而年轻的探地雷达技术因其抗干扰能力强，分辨率 高等优点在隧道超前预测预报方面j 下日盏发挥着举足轻重的作用。 深埋隧道涌突水量的地质超前预报工作对于隧道旖工过程中的防灾 减灾和动态优化设计具有明显的重要性，是山区铁路勘测设计和施工亟 待解决的关键性问题同时也是国内外研究的热点和难点问题。多年来 的实践表明，对深堙岩溶隧道预报不准确而造成的隧道塌陷、突水涌泥 等施工灾害，不仅造成生命财产的重大损失和施工严重受阻，而且可能 引起浅层地下水及地表水枯竭、地面塌陷等地质环境闽题和生态问题， 事故发生后的处理费用更是造成建设资金超计划的重要原因。 北京交通大学硕十学位论文 在岩溶山区进行特长隧道的施工，地质超前预报工作是重要的工作 内容，目前，在隧道工程的勘测设计阶段都要对隧道工程区的水文、工 程地质条件进行详细的勘查，但由于在岩溶地区水文、工程地质条件的 复杂性以及对深层地质条件探测的难度导致在隧道施工过程中具体部位 掌子面前方地质情况，需要结合施工进行适时的探测与预报。所以在施 工过程中进行地质超前预报是保证隧道安全、顺利施工的重要手段之一。 目前，在隧道施工地质超前预报领域主要的手段有地质理论综合判 识、地球物理方法、钻探方法等，在隧道施工地质超前预报这一工作领 域主要内容包括两个方面，一是根据施工揭露的地质条件结合地表勘测 的资料，应用水文地质和工程地质的基本理论进行未开挖段施工地质条 件的综合判别，另外则是应用探测技术，特别是简便易行的探测技术与 方法进行未开挖段施工地质条件的探测，这两个方面相互配合进行，贯 穿于整个隧道的施工过程形成了隧道施工地质超前预报工作的主体，将 对隧道工程的顺利施工提供保证。以这两个方面为基础的地质超前预报 技术在隧道中的应用主要应包括隧道施工的前方工程地质、水文地质条 件；预报前方断层及不良地质分布情况；预报隧道涌水量及灾害性突水 量，以及分析评价水压力、实时判定隧道围岩级别、分析评价围岩稳定 性等。其中超前探测方法的准确性和效率是超前预报的关键问题。 由于现代工程技术的飞速发展使得地球物理方法探测技术得到迅速 发展，从探测手段的种类到仪器设备都有很大发展，探地雷达作为一种 电磁波探测技术的重要工具，由于其探测过程的简便、快速以及对近距 离目标的较高判识精度，使其作为隧道施工地质超前预报的重要手段之 一有着广阔的发展前景。 1 2 研究现状 1 2 1 探地雷达技术的诞生与应用现状 1 探地雷达技术的产生发展过程 雷达技术的发明，出现在本世纪3 0 年代后期，最早是英国用于军事 第一章绪苦 目的而投入使用的。第二次世界大战期间，雷达技术得到迅速发展，成 为很重要的军事装备。此后，雷达在理论上和技术上不断提高，性能更 加完善，应用也r 益广泛。如空中交通管制、气象观测、射电天文、地 形测绘、卫星跟踪等民用科学研究等方面。如今，雷达技术不仅广泛应 用于探测各种地面和空涮目标，而且已开始将其视线转向地球本体，用 来检测地下掩埋体、地质构造、地下水、煤层厚度、煤层冲刷及采空区 冒落带等各种地下目标，从而为雷达技术的发展和应用开辟了另一番大 地。早在2 0 世纪5 0 年代人们就发现由爆炸产生的电磁波脉冲( e m p ) 处对高压电力网产生干扰外，还能穿透地表。基于这种认识，人们在对 e m p 的研究的基础上开发了g p r 技术。 探地雷达g r o u n dp e n e t r a t i n gr a d e r ( g p r ) 是一种年轻的、利用高 频电磁波的反射探测目的体及地质现象的物探方法，亦称地质雷达。它 由地面通过天线向地下发射电磁波，经地层或目的体反射，为另一天线 所接收，并以脉冲反射波的波形形式汜录，经处理得到二维雷达图像， 以灰阶或彩色显示地下垂直剖面。基于电磁反射原理解决各种地下目标 的探测问题，这种设想最初可追溯到1 9 3 7 年4 月2 9 日公布的一个美国 专利“e l e c t r om a g n e t i cp r o s p e c t i n gm e t h o d ( 电磁探测法) ”( 专利号为 2 0 7 7 7 0 7 ，专利所有人为m e l t o nb s ) 。陔专利描述了一种地震探测法的电 磁模拟系统。尽管这一专利当时并未付诸实用，但从发明的角度说，它 却开了探地雷达探测技术的先河。因此可以讲，利用电磁反射原理探测 地下目标的设想几乎是和地对空雷达的发明同时出现的。只不过由于受 社会、经济、技术等诸因素的制约，二者在实用化进程方面存在显著差 距。直到2 0 世纪5 0 年代，美国才率先开始探地雷达的可行性方案研究； 6 0 年代进入实用性试验阶段；到7 0 年代，探地雷达正式进入实用化阶 段，主要是用于地面解决各种工程地质问题，如探测各种管线、混凝土 钢筋等地下掩埋体，以及地基浅部地质情况等。 7 0 年代美国地球物理勘探公司( g s s l ) 开发出了第一个真正投入市 场得探地雷达系列s u b s u r f a c ei n t e r f a c er a d a rs y s t e m ( 地下界面雷达系 北京交通大学硕士学位论文 统) ，简称s i r 系列。这是探地雷达正式进入实用化阶段的主要标志as i r 系列曾获美国专利，同时还在别的几个国家申请了专利，一度成为探地 雷达的主导产品。随后，日本、加拿大等国纷纷在s i r 技术的基础上， 开展对探地雷达探测技术的研究。1 9 8 3 年，同本的原坂山等人探讨了 探地雷达在地基探侧中的实用性，继而将s i r 产品改型为o a o 系列产 品。7 0 年代末，加拿大a c u b e 公司的a n n a n 和d a v i s 等人针对s i r 系统的局限性以及野外实际探测的具体要求，在系统结构和探测方式上 作了重大改进，大胆采用了微计算机控制、数字信号处理以及光缆传输 高新技术，发展成了e k k og r o u n dp e n e t r a t i n gr a d a r 系列产品，简称 e k k 0s i r 系列。e k k o 系列的先进性主要体现在：系统结构紧凑轻便， 微机程控技术和地震数字处理技术的引入，使其终端信号处理能力较强。 该系列产品的出现，预示着探地雷达探测技术更加趋于成熟，更加走向 实用化。此外，瑞典地质公司( s w e d i s hg e o l o g i c a lc o m p a n y ) 的c l s o n 等人在1 9 8 21 9 8 7 年间，开发出了称之为r a m a c 系列的数字式钻孔雷 达系统。该系统与e k k o 相比，除探测方式有所不同外，其设计思想和 系统组成几乎如出一辙。 我国探地雷达的研究工作开始于7 0 年代中期。由煤炭科学研究总院 重庆分院高克德教授为首的探地雷达专题研究小组，针对煤矿生产的特 点，独辟蹊径，研制开发出了具有自己特色的探地雷达系列产品k d l 系 列矿井防暴探地雷达仪，为我国在探地雷达技术领域证的了一席之地。 目前，k d l 系列产品不仅在煤矿井下，而且在公路隧道、市政建设等方 面都产生了较大影响，并开始推广使用，角逐国内外市场。 2 探地雷达的应用现状 自该方法问世以来，在平台上和地下利用高频和超高频电磁波进行 了多种非直接的观测试验研究。虽然时间不长，但g p r 已被证明能解决 多种多样的问题，只要感兴趣的目标物是掩埋在诸如冰、盐、岩石、水 或土壤等松散堆积物中并与周围介质间存在电磁物性差异，这种方法就 4 第一章绪言 有用武之地。今天g p r 在浅层地球物理、岩土工程以及环境方面一系列 成功的实例f 加速它的广泛应用和技术卜的完善。 ( 1 ) 浅部地下环境调查：g p r 是一种新兴的不用钻孔就可以探测 浅部地下环境特征的探测方法，野外观测表明，对于地下4 0 m 以内浅层 区进行成像时，探地雷达是一项低成本、实用、潜力大的地球物理成像 方法。 ( 2 ) 基岩面探测：由于基岩与覆盖层之间的介电常数和导电性差异 往往比较明显，因此g p r 一般可用于探测二者之问的界面。如果当地潜 水面沿着基岩界面，这样差异更强烈。g p r 探测到的地层层位往往准确 反映下伏的地质构造。 ( 3 ) 基岩中节理、裂隙层理的确定：在金江水库坝体隐患探测中， 使用探地雷达发现坝体的主要隐患来自坝体基岩的溶洞和因断裂、裂隙 等渗漏在残坡积土层中所成的土洞。同时用g p r 可以探测土层薄浆工程 的灌浆深度和水泥扩散半径，为水利部门堤坝灌浆工程质量无损检测提 供技术手段。 ( 4 ) 探测地下埋藏物( 管线、钢筋、储油罐、废桶等) ：g p r 尤其 适合于构筑物内的钢筋结构和金属墙可能对电阻率仪或磁测仪作业产生 干扰的地方。在许多城市，地下管网资料不全或分布图不准确，如当对 管线维修时，必须圈定其确切位置，工程丌挖、钻孔施工都应避丌管线。 因此，准确掌握地下管网的分布是至关重要的。 ( 5 ) 建筑地基勘察：地基勘查是工程建设中必不可少的一环，常规 的钻孔方法简单直接，但钻孔之问的情况只能推测，而且成本商。g p r 能有效地查明地基中充填物的分布范围、成分及污染情况。 ( 6 ) 农业：g p r 已经在美国成功的用于土壤添图、绘制侧相土层 延伸图，确定地下水位，对土壤压实的评估、耕地开发、地层厚度、水 分含量等领域。 ( 7 ) 考古调查：g p r 可进行古墓、古宅遗址调查、特殊埋藏文物 探测。g p r 技术在考古中的重要应用就是近地表空隙和洞穴成像。 北京交通大学硕士学位论文 除了以上的应用领域之外，g p r 还能用于诸如探测隧道内周壁裂隙 及其连通性，探测岩溶溶洞，调查地下岩溶现象，道路、桥梁、大坝等 地下洞穴探测和质量无损检测，海水入侵，成、淡地下水调查，冰雪观 测，湖沼水底调查，地下石油污染调查，地下核废料存储场的地质构造 评价以及滑坡研究等方面。 1 2 2 隧道施工超前预测预报技术的研究现状 隧道施工超前预报技术由来己久，如英、法、日、德等国家均将此 列为隧道工程建设的重要研究内容。我国隧道施工期超前预报研究始于 2 0 世纪5 0 年代末，但真丁f 应用于隧道工程建设( 包括其它地下：r 程) 是在7 0 年代。谷德振等根据矿巷施工进度和掌子面地质性状作出的矿巷 前方将遇到断层并将引发塌方的成功预报为序，开始了我国隧道施工期 超前预报技术的研究和应用。 在隧道施工过程中采用的预报方法是多种多样的，根据工程实际情 况，选择适当的方法进行预报在隧道施工中非常重要且十分必要。预报 方法可根据时间和空间距离分为短期预报和中长期预报，工作区主要针 对空间而言。长期超前预报预测距离一般为1 0 0 5 0 0 m ，甚至更长，采 用的技术手段有地面地质调查法、断层参数预测法和t s p ( t u n n e ls e i s m i c p r e d i c t i o n a h e a d ) 等仪器探测法。长期超前预报一般要对整个隧道连续进 行，通常采用其中两种或三种技术手段和方法进行综合预报。预报精度 一般可达8 5 9 0 9 6 。短期超前预报又称跟踪预报，是跟踪地质工作的一 部分。它是在长期预报的基础上进一步开展的预报工作。预报的距离一 般可达掌予面前方1 5 3 0 m ，其技术手段有两种，即掌子面编录预测法 和探地雷达等仪器探测法。短期超前预报一般只在隧道的部分复杂、不 良地质多发区的局部地段进行。如果应用两种方法进行综合预报，其精 度可达9 0 9 5 以上。 本文着重介绍的探地雷达预测预报方法即属于一种短期超前预报， 探地雷达方法是一种用于探侧地下介质分布的光谱电磁技术。在地下水、 断层及其影响带等不利地质情况下，由于其不利介质与完好介质的相对 6 第一章绪言 介电常数均有较大差异，为进行超前预报工作提供了良好的基础。利用 该方法，能够较准确地预报出掌子面前方2 0 m 范围内的地质情况。由于 其物探测试简便、费用低，己普遍受到重视。国内外在隧道工程中应用 探地雷达技术已有诸多实例，如美国联邦高速公路管理部门( a m e r i c a f e d e r a lh i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ) 早在7 0 年代就对探地雷达应用于公路隧 道建设的可行性进行了实验研究；m i l a nb e r e s 与m a r cl u e t s c h e r 等对瑞 士西部某山区喀斯特地貌中的裂缝和溶洞情况进行探测，证实了探地雷 达在小型裂缝与空洞探测中的良好效果：美国的k o e m e r 等人利用1 2 4 g h z 连续波技术所作的研究表明，在层状的均匀材料中能探测出空 穴。尽管在我国，探地雷达应用于隧道工程起步较晚，但还是有很多人 在此方面作了大量的研究及工作，杨健、张毅等利用探地雷达对陕西省 几座隧道进行了质量检测，取得了较好的效果；周立功、严炎兴等采用 探地雷达技术对福建某公路隧道进行检测，探明了蜂窝裂缝空洞积水等 病害的成因与机理，亦取得了很好的效果：徐国元、刘敦文等在应用探 地雷达进行隧道质量检测方面，也作了大量的工作，积累了丰富的经验。 国内的诸多铁路、公路隧道在施工中也均采用了此项技术进行超前预测 预报，例如同三线海南东线高速公路的大茅隧道，渝怀线上最长的圆梁 山隧道以及武隆隧道等。 虽然近些年来，国内对探地雷达用于隧道施工超前预测预报作了不 少的试验和研究工作，积累了一些工程实测数据和图像分析经验，但仍 有一些问题存在并亟待解决，如在环境复杂的施工现场如何选取适宜的 技术参数以便取得较理想的数据图像；在不影响探测距离和发射功率的 前提下，如何尽可能提高工作频率、减小发射脉冲宽度，以提高目标分 辨率和探测精度；如何进一步引进丌发各种数字信号处理技术和抗干扰 技术，如数字叠加、数字滤波、数字抗扰等，以期能达到提高系统灵敏 度、改善系统性能，以弥补硬件功能的不足，达到资料处理结果直观、 简捷的效果；如何在特殊地区如岩溶山区，充分发掘目标反射信号中所 蕴含的各种特征信息，找出这些特征信息与相应目标体的内在联系，从 北京交通大学硕上学位论文 而更好的识别目标，提高解释结果的简捷性和可靠性等等。 总之，雷达探测技术作为一个地球物理探测方法在岩土勘察、工程 检测等领域已有较多应用，但作为种地表探测的地球物理方法，将其 应用领域拓展到在地下有限的空间内进行隧道施工超前预报，特别是进 行岩溶的探测预报，有关其理论研究和工程实际经验的积累都还有大量 的工作要做，相关配套的技术方法尚需研究和建立。 1 3 论文主要研究内容与目的 本文结合万宜铁路线上几座重点隧道的实际情况，分析了岩溶灾害 的发生机制及影响因素，并深入探讨了岩溶隧道施工过程中产生的环境 灾害问题及各种环境负效应，提出了相应的控制措旌与建议。为了舰避 或减轻岩溶灾害引发的各种环境问题，保证施工安全进行，本文重点介 绍了g p r 超前预报技术的理论和实际应用。通过现场雷达试验，对所得 成果进行数据分析与处理，得出了较为成熟的相关理论。目的在于通过 分析西南山区岩溶灾害的发育规律，研究典型现象的雷达信号特征及其 信号处理技术，为旄工顺利、安全进行提高保障的同时，也为铁路建设 中这类问题的解决提供可以借鉴的经验及技术方法。主要内容包括以下 几个方面： ( 1 ) 岩溶灾害发生机制及影响因素研究 ( 2 ) 岩溶灾害的影响及诱发的各种环境负效应 ( 3 ) g p r 超前预报基础理论研究 ( 4 ) g p r 超前预报方法技术研究 第二章隧道岩溶灾害的理论分析 第二章隧道岩溶灾害的理论分析 随着岩溶地区深埋长隧道的增多，施工中遇到的岩溶突水、涌泥等 灾害逐渐增多，它不但影响施工进度，同时也严重的危及施工人员生命 安全，因而岩溶灾害倍受岩溶地区铁路建设和施工单位的关注。本章即 根据野外调查和重点实验成果对宜力- 线上齐岳l l i 、八字岭、野三关等三 座岩溶地区的深埋长隧道的岩溶灾害，进行相关的分析与探讨。 2 1 隧道工程概况 宜万铁路是我国铁路“八纵八横”主骨架沿长江铁路大通道的重要 组成部分，东起湖北省宜昌市，西至重庆赢辖市万州区，线路全长 3 8 6 。8 2 6 k m ，基本呈东西走向，全线共有隧道1 2 7 座，总延长1 9 9 ，2 6 5 k m ， 占线路全长的5 1 5 1 。 图2 1 宜万铁路地理位置图 齐岳山隧道地处湖北省利川市城外西偏北2 3 k m 处，东起野茶乡乐园 沟，向北西垂直穿越齐岳山及第三纪夷平面荆竹园等，在百丈沟下真咀 9 北京交通大学硕上学位论文 出口，进口里程d k 3 6 1 + 2 5 7 ，路肩标高1 1 2 6 0 9 m ，出口里程d k 3 7 1 + 7 2 0 ， 路肩标高9 7 5 8 2 m ，全长1 0 4 6 3 m ，洞身最大埋深6 7 0 m 。 野三关隧道位于巴东县野三关镇附近的宛口河和支井河之划，铁路 早程为d k l l 6 + 2 0 3 d k l 3 0 + 0 4 9 ，全长1 3 8 4 6 k m ，为宜万铁路全线最长的 隧道。野三关隧道进口位于白家坡二溪河一小溪沟陡崖，线路罩程为 d k l l 6 + 2 0 3 ，设计路肩标高为7 5 7 5 4 m ；隧道出口位于支井河，线路罩程 为d k l 3 0 + 0 4 9 ，设计路肩标高为8 1 5 1 2 m 。 八字岭隧道东起榔坪的救古坪河，西至巴东的木龙河，线路里程 d k l 0 3 + 2 5 3 d k l 0 9 + 1 2 0 ，长5 8 6 7 m 。进口路肩标高6 1 7 m ，出口路肩标高 6 9 0 m ，隧道所经地形最大标高1 3 6 0 m ( d k l 0 6 + 3 5 0 ) ，路肩标高6 6 5 m ，隧 道最大埋深6 9 5 m 。 三座隧道皆位于鄂西碳酸盐岩分布的1 0 0 0 1 8 0 0 m 的山区中，地质构 造复杂，地表分布大量汇集降水的岩溶洼地、槽谷，其中有落水洞或漏 斗等竖向管道，在隧道的进出口以及隧道经由地段的上部等分布有暗河 或溶洞和大泉，其中就有清江、梅水和泥溪河等地表水的发源地。总之， 地下岩溶管道中储存有大量地下水和沉积的泥砂。 2 2 隧道岩溶灾害与岩性、构造等的关系研究 在石灰岩地区，深部岩溶管道的发育受到地质构造条件，地下水动 力条件以及水化学条件的影响，断层与裂隙是岩体在构造应力作用下形 成的破裂构造形迹，它对深部岩溶发育起着控制作用。褶皱的不同部位 变形机制不同，岩体破裂程度不同，直接影响到岩溶的发育和富水条件。 2 2 1 地层岩性结构、构造特征与岩溶发育 上述三座隧道属于同一个地质单元，地层岩性特征基本一致。仅在 齐岳山隧道部分地段穿越侏罗系地层。下面结合三个隧道地层特征( 表 2 1 ) 对二叠系和三叠系下统中碳酸盐岩层中岩溶发育特征进行讨论。 l 0 苎三! 堕堕鲞塑壅童塑堡兰坌塑 表2 1 隧道区地层简表 代厚度 岩性描进 界系统组 号 ( m ) 新篇 松散、松软玳秘物，主要为粉质黏土、黏土盘碎块石、块石多呈棱 生四0 1 1 3 1 5 角状。 界系 l 嘟上蛩为灰，深获色厚层状白云岩、石灰岩及角砾状灰岩局部 嘉陵 4 2 ) 地区部分丰h 变为挂灰岩或吏灰黄色页岩；中部为灰色厚屡石灰岩， 出 二 下 汀组 t lj 下部 要为j 戋红色、灰色薄至厚层石灰岩，具蠕虫构造及缝台线。8 2 0 生遮 统 岩 享报发育。 界系 糟肇紊羹裴煞毪器要善臻薪为贞岩采泥灰岩渊，大冶组 。i ，d 4 8 0 8 8 0 底部见炭质页岩、钙质粘土岩。 鞠 灰色块状含燧石结核灰岩，层阃裂隙发育，也有垂直层面的节理、 长兴组 p 。c8 0 1 5 0 溶洞、漏斗发育。 p ：w 。畦质岩段：灰黑色薄层硅质岩、炭质硅质岩夹黑色炭质页岩。 上 j 一也w 2 灰岩段深灰色厚层含燧石结棱微品生物屑灰岩夹条带状硅质 二 统关家 p w 7 4 】9 岩。 古坪组9 35 0nw 含煤段f i i | f 为灰黑色薄层硅质岩、炭质硅质岩吏钙质泥岩、 越泥灰岩( 原属p m ) ：上部为深灰色钙质粘上岩、黑色页岩夹煤层， 生有时底部出现硬砂岩及黄铁矿结核。 系7 72 5 f 部为深灰一灰黑色厚层瘤状灰岩、含泥质荻岩；上部深藏色厚至 界 茅口组 p lm 1 4 87 5 巨厚层生物屑灰岩含燧石结核和硅质条一特。 下 统1 3 93 要薯，稀南萎萎嚣磊裹譬手嬲吾冀冀t 蠢恭嚣；霰栖霞组p t q 2 2 4 50 4 生物屑荻岩具瘤状构墙。全区厚度较为稳定。 选 f 栖霞组n q l2 0 d o 釜銮需事墨曩磊囊豢菩? 岩史粉砂质页岩1 炭质贞岩及薄煤层口垂 系 统 上 黄龙组 c 。h 5 1 r 1 6 碟眷萎鲁罢盖鬟紧襄豢黼见角砾状白云氰粗晶“碟二 石 鱿8 l 上 下部为深灰色炭质页岩、粉砂质页岩，含炭质含黄铁矿石英砂岩， 炭 2 99 8 “4 底部常见橱黄色铁栊质风化壳：中部为灰色中厚层自云质灰岩、生 系 下 岩关蛆c - y 占统09 2 物屑灰岩夹钙质自西质页岩：上部为灰白色厚层石英砂岩、粉砂质 枇土岩及深灰色炭质贞岩。 生 下部紫红色、灰绿黄姆色钙质页岩灾紫红色中薄层宵铁细粘石英妙 写经 mx 岩及鲕状赤铁矿层：中上部为浅灰、灰黄色微晶灰岩、挂质灰岩为 界上 寺纽 裹杀器擎挚。岩：顶部为源艴1 黄褐色铁质砂岩、铁肋蝴龋 泥 统 盆 系 黄家 d h 1 63 2 翥鑫i 嚣棼簧赣裂蹴翟碱蜡闱燃弛张 磴组2 98 2 由 云台 d y 3 34 l 灰白色( 局部警打色) 厚层至块状石英砂岩。分选性好，质纯性脆 统观组4 37 6 空错屋理显著局部尚有底砾岩。 下 志 中1 5 90 - - 灰黄、灰绿色中厚层石英细砂岩、粉砂岩夹粉砂质粘土岩、页岩， 古统 纱帽组s j s h 生 甯 2 0 58 以细砂岩、粉砂岩为主顶部夹生物屑亮晶灰岩。 系 下 罗惹3 9 0 界 统坪组 s - l r 菇绿色薄培页岩、粉砂岩、砂质贞岩央礁灰岩、砂质挺岩、泥岩。 l o ( 0 在碳酸赫岩体中，除化学沉积外，还有碎屑沉积，如：嘉陵家组中 的角砾灰岩，茅口组的瘤状灰岩，长兴组灰岩中的燧石结核等条带。燧 石结核及燧石条带与灰岩接触界面附近易溶蚀，这在厚层长兴组灰岩， 茅口组灰岩中表现突出，其原因在于以s i 0 2 为主要成分的结构致密的燧 石结核与其同生的碳酸盐间形成易溶一难溶界面，水流晟易沿此界面进行 北京交通大学硕上学位论文 溶蚀，水流沿着此界面逐渐淘蚀，使结核孤立，以至于最终剥离。嘉陵 江组角砾灰岩，成分虽属于碳酸盐型，但砾石与胶结物间多孔隙，水流 易在胶结物巾形成大量溶孔，所以在界面上发育大量溶孔、小型溶洞， 并为岩溶进一步发育提供了良好的物质基础。 由于在t j 和t d 地层中存在石膏和硫铁矿等特殊成分，它们与水作 用形成对碳酸盐岩有很强的侵蚀性的地下水，导致溶蚀作用加剧，从而 使t j 和t , d 深部岩溶管道大量发育，在齐岳山背斜西翼t ，j 岩层中夹有 纤维状的石膏( c a s o 。2 h 。0 ) ；在东翼大冶组岩层中发现黄铁矿( f e s ：) 呈 星点状分散分布，局布较集中，在齐岳山隧道里程d k 3 6 1 + 9 2 0 处揭露的 溶洞水，现场用试纸测试p h 值约5 8 多酸性水，与硫铁矿氧化体有密切 关系。 一般认为，厚层及巨厚的碳酸盐岩层中，成分均一，结晶颗粒粗大， 因此溶解度大，所以容易发育岩溶。大量野外观察发现在构造强烈地区， 薄层灰岩与厚层灰岩交界处往往容易发育溶洞。如在本区大冶组、嘉陵 江组有大量薄层夹中厚层灰岩；长兴组中有厚层夹薄层灰岩，由于构造 强烈岩层层面张开程度远大于节理裂隙面，这些层面成为地下水的良好 通道。如八字岭密水洞、响洞坪都发育在岩层厚度小于l o c m 左右的嘉陵 江组薄层灰岩；在齐岳山、野三关发现强烈褶皱地段大冶组灰岩中，往 往夹杂有小溶洞，并填充有泥土沉积物质。 本区大冶组、嘉陵江组的薄层灰岩岩层倾角陡立，层面间的张开程 度非常大，且裂隙发育，使得薄层灰极为破碎，为岩溶发育创造了良好 空间。在朝阳洞内，大鱼泉溶洞，及新庙坪等溶洞内观测，这种发育特 征非常明显。 总体，岩层的构造特性在一定程度上会弥补可溶岩溶解的差异性， 甚至成为影响岩溶发育的主要因素。 2 2 2 褶皱、断层及产状形态与岩溶发育 褶皱的不同部位变形机制不同，岩体破裂程度不同，直接影响到岩 溶的发育和富水条件。在岩性条件相同的情况下褶皱构造岩溶发育的特 第二章隧道岩溶灾害的理论分析 点是核部强于翼部，背斜倾伏端或向斜挠起端及各类褶皱构造的转折部 位，岩层走向及倾向均发生改变，同时由于岩层弯曲产生的二次构造应 力场的作用造成这些部位岩体破碎，有利于岩溶的发育。 初步研究表明，齐岳山隧道碳酸盐岩地层主要分布在齐岳山背斜； 八字岭隧道有2 3 线路穿越秋树岭一叉叉包张三坡向斜，仅有很短段穿 越尖山坡背斜；野三关隧道虽然是深埋长隧道，其中有将近1 2 段是穿 越s d 非可溶岩地段，仅在进口穿越了二溪河柳山楞由碳酸盐岩层组成 的背斜，出口穿越苦桃溪一支井河可溶岩单斜( 支井河向斜东翼) 。现仅 以齐岳山背斜、秋树岭一叉叉包一张三坡向斜和苦桃溪一支井河单斜等三个 构造单元探讨褶皱构造与深层岩溶管道的发育关系，下面分别叙述不同 褶皱形态与深层岩溶管道发育特征。 齐岳山隧道的碳酸盐岩层分布段，为单式的高角度背斜，大致呈北 东一南西向展布，是北北东构造体系中规模最大的背斜，东翼陡地层倾 角7 0 8 0 。，局部直立、倒转，西翼稍缓约4 5 5 0 。，核部由p 2 w 非碳 酸盐组成，两翼则由碳酸盐岩p 。c 、t ，dt j 地层组成，山顶为海拔 1 7 0 0 1 8 0 0 m 第一级夷平面和1 5 0 0 1 6 0 0 m 第二级夷平面组成，其上发育 有大型岩溶槽谷，洼地，其中有落水洞或漏斗，为降水汇集和转入地下 提供有利条件，由于核部的非可溶岩层的阻水作用，使地下水分流于两 翼，加之t , dt j 地层中有f e s ：和c a s o 。2 h ：0 存在，又使地下水具有较 强的溶蚀能力，所以齐岳山背斜两翼岩溶管道发育( 图2 2 ) 。 、lj ，j ， 图2 2 齐岳山模型概化图 ，攀彗向 耳- 量：季 ，蔓寸 鼻i i f 北京交通大学颂十学位论文 八字岭隧道穿越秋树岭一叉叉包一张三坡向斜，核部由t , j 地层组 成，东翼由s 、d 、c 、p 和t , d ，而西翼则由p 和t d 组成，轴向东段为 n 8 0 - - 9 0 。e ，西段则为n 5 0 0 - - 6 0 “e ，两翼地层倾角2 0 3 0 。较缓，而核部 地层倾角为6 0 8 0 。甚至直立。大型溶洞管道都分布在向斜核部附近， 如张三坡伏流口及密水洞暗河、响水洞漏斗套叠的竖井，牛鼻子洞暗河 出口都位于秋树岭一叉叉包一张三坡等。 野三关隧道穿越多个褶皱构造单元，其中隧道洞身位于碳酸盐岩层 中的褶皱构造有三斗山向斜、二溪河一柳山楞背斜和支井河向斜的东翼， 即苦桃溪一支井河单斜，见图2 3 ，该区褶皱的最大特征是以t ，为核部 组成的n e 向的向斜叠加在由p ，( 地表出露为p 。，隧道洞身为s d ) 为 核部的东西向的石马坝背斜之上，岩溶主要发育在叠加部位及其附近， 如由向背斜叠加生成的周家包次级背斜上的$ 4 0 和$ 4 1 溶洞，和向斜与 背斜叠加处发育的苦桃溪，在其上发育有大量溶洞和大泉，发育在翼部 的支井河谷有多个暗河出口。 宏观上，大多可见明显的断层面：微观上，断层岩中微裂隙极为发育， 大多被方解石、石英等充填，不同方向的微裂隙往往把岩石或矿物碎裂成 显微透镜体，但矿物变形相对较弱。在表现形式上，多数断层常以宽度不 等的断裂带形式出现，一般数米数十米，最宽者可达数百米，带内除可 见一至数组相互平行的断层面外，常见宽度不一的断层角砾岩带、劈理 化带和揉皱带等。多数断层上述各带常对称分布，中间为角砾岩带，其外 侧依次为劈理化带、揉皱带等。某些后期张性明显的断裂带，其中间常被 方解石充填，形成方解石脉带。 在垂直构造线方向，透水性较差，在构造应力作用下破碎后，断裂带 岩层节理、裂隙发育，并有一定优势方向，这为岩溶地下管道的形成创造 了条件。地下水的渗入与岩石相互作用促使裂隙迸一步扩大，而裂隙的生 长亦越有利于地下水的渗入与循环交替，裂隙一岩溶作用相长，从而加速 了岩溶进程，因此，沿上述断裂带常表现为集中径流，甚至产生了越岭式 的地下径流活动。作为一种汇水构造，地下水自倾角陡立的向斜两翼向轴 第二二章隧道岩溶灾害的理论分析 部方向径流，所以，向斜轴部一般裂隙一岩溶水相对富集。在沟谷之中，受 构造作用的影响，节理、裂隙发育，水一岩作用充分，十分有利于岩溶的发 展。 2 3 隧道岩溶灾害与岩溶地貌形态的关系研究 强岩溶化首先表现在地表岩溶方面。根据规模，地表岩溶可以划分出 三级岩溶景观：一级为巨型组合槽谷：二级为独立的岩溶槽谷、岩溶洼地 及溶丘：三级为规模较小的溶沟、溶槽等。这些岩溶地貌的有机组合，使 得整个区域吸收降水的能力大大增强。地下岩溶发育的最直接表现是岩 溶贮水空间的高度管道化，地下水的高度( 暗) 河流化。 岩溶地貌形态岩溶石山地区碳酸盐岩质纯层厚，形成了各种不同的 岩溶地貌形态。对人居环境容量影响较大的有：( 1 ) 岩溶沣地：密御在各级 剥夷面上，特别是1 0 0 0 1 5 0 0 m 高程剥夷面上更是星罗棋布。其形状一 般呈碟状、碗状和平坦的盆状。一般直径1 0 0 3 0 0 m ，大者可达几