（岩土工程专业论文）隧道开挖地质灾害规律与防治对策研究.pdf

生堕查兰堕主兰垡鲨奎 壁堂互丝丝堕奎墨塑堡墨堕塑型苎! 塑一 摘要 隧道开挖灾害研究必然以地质因素为其土要研究对象。本文以硬岩隧道开挖= i = 程区域 岩体( 石) 的各向异性研究为起点，从不同类型断层为主要构造形迹的应力分布特征出发， 并结合隧道地下涌水灾害，系统研究隧道开挖的地质灾害类型，以宏观表象、主控因素、 灾害机制及防治对策为主要研究内容，全面深入研究旨在为隧道开挖期间防灾、减灾提供 理论基础与技术路线。 謦论文以原生型各向异性物质特征为基础，以岩体横观各向同性为假设条件，利用前人 的理论研究结果，对于隧道开挖在此类各向异性岩体中的破坏特征进行了分析和总结，提 出了不等强支护的策略技术。 f 本文针对不同性质的断层作用于隧道围岩的不同灾害类型及力学机制，根据研究需要， 将断层分为正断层、平移断层与逆断层三大类：从正断层区域的应力状态出发，定义了正 断层区域节理岩体中隧道开挖的灾害类型为结构型破坏并对其进行分类；刹用块体理论的 思想方法研究隧道破坏过程，将岩块向涵空面措移分为三种彤式：塌落、沿单面滑移和沿 两面滑移，并系统研究三种滑移的力学机制：隧道支护以工程岩体分类为基础提出隧道 支护系统的建立应以主动支护与坡动支护相结合为主导思想；在研究正断层区域应力分布 以自重应力为主应力的基础上，堤出确定隧洞断面形状的“谐硐”原则，尝试性地提出隧 道工程开挖灾害防治的工程应用程式。 在分析平移断层的原岩应力状态特征的基础上，讨论断层充填物中泥化夹层的形成机 制与过程，系统研究泥化夹层的分佃规律，及不同的岩性组合、夹层厚度、两壁硬岩层起 伏差与构造运动对泥化夹层分布的影响；从理论上深入研究泥化夹层中水膜面的成因及特 殊的力学机制，水膜面的不连续系数局对水膜面力学性质的影响；水膜面的形成使泥化夹 层的强度降低了一个数量级之多，当水膜面消失后，泥化夹层抗剪强度又回复到其初始值； 定义了隧道的灾害类型为应变型破坏；给出了引起隧道变形灾害的净荷载f 公式。 以地质构造应力场的研究现状为前提，综合研究大量的地质资料，得出逆断层区域地 应力场的变化规律；借助构造应力的概化手段，提出隧道工程区域构造应力概化的思路模 型；对某地下工程区域进行地应力现场量钡| j j 编写了三维应力量测应用程序。逆断层区域 集中有较高的构造应力，从而使岩爆为其典型的灾害之一。本文根据人类地下工程的不同 特点将岩爆分为6 大类，逆断层区域隧道岩爆列届其中；建立断层两盘不同的岩性组合， 即互层状、互列状与平行裂隙岩体的岩爆研究力学模型，规律性的研究为隧道岩爆的预测 与防治$ 邑供了指导；文中结合岩爆预测核心内容，作出易于操作的逆断层区域隧道岩爆综 合预测的程式和方法。 本史以唯象学为基础建立双孔变形渗流耦合模型，借助孔隙裂隙弹性理论，深入研究 裂隙与孔隙之间的流体压力与固体变形之闻的耦合关系，研究裂隙与孔隙之间的流体流动 与双孔压差的关系；并结合d a r e y 定律研究双孔的瞬时位移量和流体压力随时间的变化规 律：渗透性控制着双孔效应。研究表明，孔隙基质与裂隙之问因刚性差产生了一定的压差， ! 曼盔堂! ! 主堂焦堡苎壁堂茎苎丝堕壅! 望堡墨堕塑塑茎墅壅 双孔之间的流体转换及其应变效应使这种压差消失而达到一种新的平衡结构，隧道开挖破 坏了这种平衡从而使双孔中的流体在渗透与流动过程中而涌入隧洞；据此本文研究了预测 隧道涌水的理论与经验解析法，并提出隧道涌水预测研究的工作程式。，卜 关键词：隧道，地质灾害，横观各向同性体，断层，水膜效应，岩爆，双孔漠型，涌水 + 一一一一 一主妻盔堂坚主兰竺兰苎壁望堑丝丝堕壅童望堡墨堕塑翌矍堡! ! 一 s t u d yo nt u n n e l e x c a v a t i n gg e o l o g y d i s a s t e rr e g u l a r a n dc o n t r o lt r a t e g y a b s t ra c t c - t o l o g i c a lc o l l d i t i o l li st h ei m p o r t a n t f d c t o l si ns t u d yo i lt u n n e le x c a v a t i n gd i s a s t e ri n e v i t a b l y f r o mt h ea e o l o t r o p yo f h a r dr o c ko f t u n n e le n g i n e e r i n gr e g i o n , t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no f s e v e r a l k i n d so ff a u l tt ot h e w d l t l 盯g u s h i n g o ft 1 j n n d t h et y p eo fg e o l o g yd i s a s t 盯i n v o l v e d i n m a e r o e h a r a e t e f , m a i n c o n t r o lf a c t o r s , d i s a s t e rm e c h a n i s m a n dc o n t r o ls u a t e g yi nt u n n e le x c a v a t i n g a r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i st h e s i s t h ep u r p o s ei s t oe s t a b f i s hat h e o r ya n dt e c h n o l o g y m e t h o df o rf o r e c a s ta n dd e c r e a s ed i s a s t e ri nt u n n e le x c a v a t i n g b a s e do nt h ep r i r n a e ya e o l o t r o l r yr o c k i z a n s v e 傥l yi s o t r o p i e r o c k si sh y p o t h e s i z e dw t t ht h e t h e o r yo f t h e 盘r e , s sd i s t r i b t a j o no f t h er o c , l m a a s s , d i s a s t e r c h a r a c t e ro f t u r m e le x c a v a t i n gi nt h et y p e o f t r a n s v e r s e l yi s o t r o p i cr o c k si sa n a l y z e d a n d $ o n l l es t r a t e g ya n dt e d m o l o g y o fu n i s o - i n t e n s i t y s u p p o r t a r er a i 溉l a c c o r d i n g t od i t f e r e n tt y p e so f d i s a s t e ra n dm c c l a a i l i s mo f a r o u n dr o c km a s su n d e r d i f f e r e n t f a u l t s , f o rs t u d yn e c e s s a 吼, f a u l t sm a y b ec l a s s i f i e da st h r e et y p e s , d o w nf a u l t , s h i l lf a u l ta n d r e v e l s ef a u l t f r o mt h es t r e s ss t a t u so f d o w nf a u l t 陀g i ，t h et y p eo f d i s a s t e ro f t u n n e le x c a v a t i n g i ni o i n t 烈lr o c kl l l a s s , i s 懒a n e d 职s m l e t u r a ld i s a s t e r b ym e , a l 皓0 f t h eb l o c kt h e o r y , t h et u n n e l d e s t r o yp r o c e s sc a nb es t u d i e d , i nw h i c h t h eb l o c ks l i pt os p a c i n go f t u n n e lc 姐b e d e s c r i b e da s t h r e e t y p e s ：c o l l a p s e , s l i pa l o n gs i n g l ep l a n e a n ds l i pa l o n gt w o p l a n e s , a d d i t i o n a l l y t h e1 1 f e c h a l l i c $ t h e o r yo ft h e s et y p e so fs l i p i ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y o nt h eb a s i so fa l g 醯f i n gr o c k c l a s s i t i c a t i o n s , t h es u p p o r ts y s t e mi sa d v a n c e dt h a tt h ea c t i v e 鲥删a n dp a s 姗o n em a y b e c o m b i n e d i nt h et i g h to f t h el a w t h a t 邸a v i t ys t r e 8 8i sm e m a i n 锄鹏si nt h ed o w nf a u l t 地g i o n ，t h e h o m o - t u n n e lp r i n c i p l ei sd 酋i g n e df o rs l ，c t i o no ft u n n e l 1 。u r t h e t m o r e , e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n p r o g r a m i sp o 赞f o rc o n t r o lt u n n e lh a z a r d s w i t ht h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fs h i l l 硒kt h e 斑e r c a l a t e dd a yl a y e ri nt h ef a u l tf o r m i n g p r o c e s sa n dm e c h a n i s m a r ed i s e m s e d m e a n w h i l e , t h ei n t e f e a l a t o dd a yl a y e rd i s t r i b u t i o n 聘则盯 a n d 蛐础融斑培矗峨孰曲勰d j ：陆件蛙文锄b i i 翩t l i 砌o f i n t e f e a l a 土e dd a y 呱 t h ed i t f e r e eo f r i s e - f i l li nh a r dr o c ko f t w o 媳s m _ ：t u r a lm o v e m e n ta n ds oo n , a 地s t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y t h ec a u s eo f f o m 衄嗍f i l ma n d 单e c j m m e c h a n i s mi sr e , a r c h e di n 蛐o n t h e o r y i ti so b v i o u s t h a tt h el i i l c o l l 血i u o l i sc o e f f i c i e n t 局a f f e c t e dr n c c l - l a n i c sp r o p e r t i e s 鄹哦b a n d t h e w a t e r f i l mr n a k e t h es t r e n g t h o f i n t e r c a l a t e d d a y l a y e r d e c r e a s e m o r e t l l a n o n e m a g n i t u d e o r d e r 壹盔兰堕圭兰笪鲨皇 壁望墅垄垫堕壅童塑堡丝堕塑型兰蟹壅 h o w e v e r , w h e nt h ef i l md i s a p p e a r , t h es h e a rm 唧r e s u m e d t ot h ei n i t i a lv a l u e t h e 蜘昨o f t u n n e ld i s a s m - i sd e f i n e d 弘s t r a i nl a z a r d s a d d i t i o n a l l y , t h en e tl o a df i sg o t t e nf o r f o r e c a s t i n g t h e d e f o r md i s a s t e ro f t u n n e l f o rt h ep 1 g p o s eo f g e t t i n gt h eg r o u n ds 吣sl a wi nl 可r e f s ef a u l tr e g i o n i ti sv e r yu s e f u la n d i m p o r t a n tt ou s et h es t u d ys t a t u so f s t n l c t u r es t r e s sf i e l da sp r e m i s e , m o r e o v e r , ag r e a tq u a l i t y g e o l o g ym a t e r i a l c a r lb es y n t h e s i z e dt or e s e a r c ht h el a w b yg l e a n so ft h eg e n e r a l i z a t i o no f s t n 1 c t u r es l a e s s , t h es t u d ym o d e lf o rs t m c t u r es l r e s $ g a l e r a l i z a t i o ni nt u n n de n g i n e e r i n gr e g i o ni s a d v a n c e da d d i t i o n a l l y , a u t h o rm e a s u r e ds t r u c t u r es t r e s si na u n d e r g r o u n dr o c km a s se n g i n e e r i n g r e g i o r l a n dw r i t e ：3 ds t r e s sm 髓乳l r ea p p l i c a t i o np r o g r a mt h ec o n d u s i o nm a yb eg e tt h a ti nt h e t - e - , c e l s ef a u l t 咄1 1 ，t h es t r u c t u r es a e s si si i i g ka sf o rh a r dr o c k s r o c k b u r s ti sa t y p i c a lg e o l o g y d i 髓鳙e ft h e nr o c k b u r s ti sc l a s s i f i e da ss i x t y p e sa c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n tc h a r a c t e ro f u n d e r h a n de n g i n e e r i n g b e s i d e st h et u r m e lr o c , k b u r s ti nf w 鼯辩f a u l tr e g i o n t h er o c k b u r s t m e c h a n i c sm o d e lo fd i f f e r e n tr o c ka r r a n g e so ft w ow a l l si nt h ef a u l t s u c ha sh o r i z o n t a la n d l o n g i t u d i n a la r r a n g e , i sr a i s e da n ds t u d i e dt h eg o t t e nl a wc a ns u p p l yt h ed i r e c t i o nf o rr o c k b u r s t f o r e c a s ta n dc o n t r 0 1 w i t ht h em a i nc o n t e n to f f o r e c a s tr o c k b u l 砥8f e a s i b l ep r o g r a ma n dm e t h o d f o rs y n t h e t i c a lf o r e c a s tr o e k b u r s ti nr e v e r s ef a u l tr e g i o ni sr e p r e s e n t e di nt h i st h e s i s o nt h eb a s i so f m o r p h o l o g y , d u a l - p o r o s i t yf l o w - d e f o r m a t i o nm o d e li sb u i l tb yt h ed u a l p o r 0 5 i l yp o r o e l a s t i i t y , t h e 。o 吡l ，啦r e l a t i o n s h i pb c t t , , e e t lf l u i dp r o s s u r ef r o m 南粥扭l r et op o r ea f l d s o l i dd e f o r m a t i o n , a n dt h er e l a l i o m h i pb e t w e e nf l u i df l o wf i o m 丘a c c u 他t op o r ea n dp r e s s u r e d i f f e r e n c eo f d u a lp o r 0 6 i t ya ms t u d i e dw i d e l yi nt h et h e s i s w i t ht h e d a r c yl a w , t i l e 职g u l a ro f d u a l p o r o s i t y 面l s t a n t a n e o u sd i s p l a c e m e n ta n df l u i dp r e s , q j r e w i t ht i m ei s g o t t e nt h a tp e r m e a b i l i t y c o n t r o lt h e a u a j - p o r o s i t yr e s p o n s e s t u d ys h o w t h ed i f f 骶1 1 t i a lp r e s s u r ed u et od i f f e r e n t i a l 蟛d i t y a n dt h ef l u i de x c h a n g eb e t w e e nd u a lp o r o s i t ya n ds t a l i nr e s p o n s el l l l l k l et h ed i f f e r e l l t i a lp l p , , 呶l l e d i s a p p e a ra n da n o wb 田柚s m l e t l x r ei sf o r m e d h o w e v e rt u n n e le x c a v a t i n gb r e a kt h eb t l t m c e , 粕d 】e 8 df l u i di nd u a l p o r o s i t y i nt h ep r o c e s so ff l o wa n d 班脚蛾咖t o b u s hi n t ot u n n e l f u r t h e r m o r e , t l l e t l l 删c a n a l y s i s a n d o 中e f i e f i m e t h o d o f 向r e e a s t i n g t h e f l o w o f 鲫( t w a t e r a l r l p u tf o t w 砜a n dt h ew o r l d i l gp r o s r a mo f f l a n n e lw 砒百璺l 她f o r e e , u ti sp r e s e n t e di nt h i s t h e s i s k e yw o r d s ：山m 氓g e o l o g yd i 鞠威锄m s v 呐i b o 唧cf o 幽f a u i t 冀w a t e rf i l me t r e e t r o e k b u r s t , 血1 a 】帅西坝w a t e rg u s h i n g i v 中南人学博卜学位论史 隧道升挖地质灾害圳律及防治对策_ f i 究 第1 章绪论 隧道工程是地下铁路隧道、公路隧道、水工隧道、地下水电站、过江隧道、跨海隧 道、海底隧道、地下厂房、地下商城、地下贮油库、地下国防工程、地下核料库、矿区隧 道及用于供水、供电、供热、供油、供气等微型隧道工程的总称。在土地退化、人口爆炸、 资源短缺、环境恶化、人类赖以生存的地球已不堪重负的情况下，世界各国除采取综合性 的政治、经济措施外，都把目光转移到地下空间和隧道工程的开发和利用上来。世界范围 内1 程界普遍认为：“1 9 世纪是桥梁的世纪，2 0 世纪是高层建筑的世纪，2 1 世纪则是人类 开发利用地下空间的世纪”【1 】i d 。地下空间将作为新型国土资源造福于人类，并从总体上称 为“地下工业”。人们已在地下岩体中建成了体育厅、游泳池、停车场、超级市场、酿酒厂 以及贮气、石油储存和水力发电等，估计到2 l 世纪将有1 3 的人穴居地下。全世界3 0 多 个核能发电国家都力求用地下深部岩石洞室作为核废料永久储存库。从世界各国大中城市 发展的历史来看，开发和利用地下空间是城市可持续发展的必由之路。交通隧道是隧道工 程的主体，随着交通事业的高速发展，隧道作为交通工程不要缺少的重要组成部分也得到 了飞速发展。我国是一个多山国家，山丘占全国面积的6 0 ，西部腹地更是山岭重重。随 着我【雾西部大开发战略的实施，基础设施建设必酋当其冲。如西部大开发的头号重点工程 西安南京铁路 ：程，全线通过秦岭山区、伏牛山区、桐柏山区、大别山区等，沿途共 修建隧道共计8 0 余座，除此之外还有神朔线、宝兰线、渝环线等铁路复线的相继开工，都 出现了大量的隧道群和长隧道。由此可见山岭隧道在我国交通建设中占有很大的比重。总 之，隧道工程己成为解决交通问题、城市拥挤、环境保护以及输送饮用水、废水等问题的 得力手段。随着人们利用地下洞室的日益需求，隧道工程将会得到更大的发展。 1 1 隧道工程发展沿革 隧道工程是人类文明发展的产物，其发展与国民经济的发展息息相关，受制于当代科 学技术水平，又反映了人类社会的新需求。隧道工程随着人类社会的进步而不断发展。国 内外隧道工程的发展显示了上述特征。随着大工业生产的兴起与发展，隧道建设首先在经 济先行发展的欧洲兴起。随后美国、日本、南非、澳洲也相继发展，之后大批发展中国家 与经济发展相适应也陆续展开，中南美洲各国、中国、南非与东南亚各国也逐渐兴起。 1 9 世纪，隧道： 程建设最早始于欧洲，以挪威、瑞士、奥地利、法国、荷兰、德国、 瑞典、英国、意大利最为显著。18 2 6 年，历史上第一条马拉式铁路隧道法国泰尔努瓦 ( t e r r e n o i r ) 隧道通车；1 8 3 6 年世界上第一条机械化铁路隧道英国的基尔斯t l 山( g i l s b y r i d g e ) 隧道建成。1 9 世纪末到第一次世界大战期间，欧洲铁路交通呈现大发展局面，铁 路隧道大量地在英国、意大利、法国、德国、奥地利、俄国、挪威等修建。随着欧洲在陆 能源的短缺，地下水电站、水工隧道建设在挪威、西班牙、意大利、法国等于1 9 3 0 , - 1 9 4 0 年及1 9 5 9 - , 1 9 6 0 年出现两次建设高潮。仅挪威已在全世界8 0 0 多座地下水电站中占有2 0 0 多座。挪威与奥地利已成为世界两；f j 施q - 大国。5 0 年代中期至7 0 年代中期，是世界上发 ! 堕查堂堡圭堂垡堡壅 壁望茎丝些堕壅童塑堡垒堕塑翌堕塑! ! 一 达国家高速公路隧道及城市地下铁路建设的高峰期。欧洲各国、美国、日本、南非、澳大 利亚、加拿大等国都获迅猛发展。如瑞士圣哥达隧道( 1 6 2 8 5 k m ) ，奥地利阿尔贝格 ( 1 39 8 h n ) 隧道、芬达隧道、波斯拉克隧道，法意间弗雷儒斯隧道( 1 3 9 8 k m ) ，意大利 的佛尔托尔隧道( 1 6 0 0 k m ) 、格兰萨索隧道( 1 0 0 0 0 k m ) ，南非莱索引水工程( 隧道长 2 0 0 余k m ) 等相继建成p i p 。中国在此间进行了铁路隧道建设，并完成t ：i b 京地铁一期工 程。1 9 7 4 年4 月国际隧道协会( 丌1 a ) 成立，隧道工程发展进入新阶段。1 9 8 0 年由奥地利 国家地下空间委员会提出隧道建设的新奥法( n a i t v i ) ，即通过隧道围岩承载环的主动作用 使洞室周围的围岩( 岩体或土体) 成为承载结构部件。我国称新奥法为喷锚构筑法。此后， 一批超长距离大型隧道陆续建成。至2 0 世纪8 0 年代末，从已收集的隧洞工程资料中可知 1 3 ，长度1 0 k r n 以上的隧洞有9 8 座，其中水工隧道5 8 座，交通隧道4 0 座，表1 1 列出了 部分3 0 k m 以上的隧洞工程简况。 表1 1 世界各国部分3 0 k i n 以上长隧洞工程一览表 隧洞名称国家长度o )断面尺, 可- ( m x m )施工方法 佩扬奈芬兰 1 2 0 马蹄形3 8 x 4 7 5钻爆法 奥伦治菲什南非 8 3 直径4 8 m钻爆法 博尔门瑞典 8 0 断面7 0 5 m 2钻爆法 阿尔帕谢万前苏联 4 8 3 内径4 1 m钻爆法 青函日本 5 3 8 5 马蹄形9 7 x 8 4 2钻爆法 芝加哥地区排污隧道美国 3 4 直径4 6 5 1 0 7 7t b m 法 塔拉湾西班牙 3 1 9 内径4 2 r nt b m 法 奥斯陆挪威 4 2 直径3 0 , - - 3 5 mt b m 法 蒂哈查比美国 5 0 直径6 0 mt b m 法 布伦纳意大利 6 3 1 4 6 x 1 0 8t b m 法与钻爆法 注：最大埋深2 1 3 5 m 隧道为瑞士到恿大利之间的辛晋伦铁路隧道 随着经济与技术的发展，出现了建设长距离、高技术的海底隧道的需求和可能。日本 建造了穿越津轻海峡的青函海底隧道( 5 4 k i n ) ；英法联合兴建了横穿英吉利海峡的海底大 隧道( 三条线路总长1 5 6 k i n ) ；挪威建造的伦法斯特海底公路隧道，最大埋深达2 2 3 m ，为 目前世界上最深海底隧道；丹麦的大贝尔特海峡隧道等等。目前世界上最长的公路隧道为 瑞士的圣哥达公路隧道，全长为1 6 9 k m ，但正在修建的挪威a u r l a n d - - - l a e r d a 公路隧道将 夺走这一桂冠，其全长为2 4 5 1 k r n 。日本作为一个岛国，其经济发展的需求与本国较为复 杂及困难的地质条件促使日本的隧道技术在近期快速发展，尤其是软土、软岩隧道技术在 国际上总体占先进地位，日本在全世界已建成的4 3 座1 0k m 以上的铁路隧道中就占有2 0 座 6 1 1 7 1 。挪威的隧道工程建设在过去的1 0 年中以每年1 0 0 2 0 0 k m 的速度递增，正在其西南 部的斯塔万格( s t a v m g e r ) 附近的洪斯峡湾( h o n g s f j o r d ) 规划着世界上第一座悬浮隧道。 世界众多大城市如伦敦、巴黎、开罗、b 可女戳瞒| 月、法兰克福、纽约、慕尼黑、莫斯 科、北京、上海、广州等先后完善城市地下铁路体系。一种修建在闹市区，或对环境要求 极为严格的地区，如高层建筑下、名胜古迹下、河道下安设管道的微型隧道也迅速发展起 来。微型隧道是小型隧道暗挖技术，开挖直径约为2 5 3 0 0 c m ，一次开挖长度可达6 0 0 m ， 能适应各种地质条件，具有快速、精确、经济、安全的特点，且可完全采用遥测、遥控自 2 中南大学博士学位论史 隧道开挖地质灾害规律及防治对策研究 动化操作。近年来该项技术发展极为迅速，仅在日本就有3 0 0 0 多家企业从事微型隧道的开 挖和管道铺设。欧洲许多国家纷纷进行水电站的高山隘口隧道建设，如俄罗斯著名的依尔 加纳伊电站( 4 ，2 8 5 k m ) 。 世界各国的隧道建设得到前所未有的发展，近年来成功修建的瑞士弗卡( f u r k a ) 单线铁 路隧道( 1 5 4 k i n ) ，德国的兰德吕肯( l a n d r u c k e n ) 双线铁路隧道( 1 0 7 4 7 k m ) ，意大利的 蓬泰加尔, 代纳( p o n t e g a r d e n a ) 双线铁路隧道( 1 3 2 k i n ) ，俄罗斯北穆单线铁路隧道( 1 5 3 k i n ) ， 加拿大麦克唐纳( m a r cd o n a l d ) 单线铁路隧道( 1 4 6 k m ) ，中国的西安安康秦岭铁路 隧道( 1 8 4 6 k r n ) 等等。隧道工程建设促进了隧道及其它地下工程开挖技术的发展。从总 的技术研究水平而言，日本处于世界领先地位，欧洲国家次之，北美则处于相对后进状态。 我国的隧道工程起步较晚，隧道建设经历了与国民经济发展相一致的历程。1 8 8 7 年在 台北至基隆间开挖了第一条铁路隧道，长2 6 1 4 m ，采用明挖法施工。1 8 9 0 年开挖了兴安 隧道，长3 0 7 7 2 m 。解放前共开挖铁路隧道2 3 8 个，总长8 9 k m 。解放后至8 0 年代初有了 飞速发展，尤其是“八五”期间隧道建设突飞猛进，八十年代建设的总延长相当于以前建 设的总和。就铁路隧道修建技术的发展而言，我国隧道建设基本上经历了四个阶段，见表 1 2 。截止1 9 8 4 年，我国己修建铁路隧道3 9 0 0 多个，总延长2 5 0 0 k m 以上【8 】。近十年我国铁 道部门运营的隧道共计4 5 8 8 座，总长度已超过2 2 6 0 k m 9 i t l 0 1 ，其中著名的大瑶山隧 表12 我国隧道修建技术的发展阶段 典型隧道水平 阶 修建能修建速度相当于 段 年代 名称长度施工年限技术特点 力( 平均单口国际水 0 c r n ) ( 长度)月成洞，m )平 使用风动凿5 0 年代 岩机，从人力以前水 1 5 0 年代秦岭 2 3 6 4 1 9 5 4 , - , 1 9 5开挖过渡到2 k m 5 0 平 ”机械歼拖电 凉风垭 2 6 0 - 一7 0 年代关村坝 沙马拉打 3 8 0 年代 4 2 21 9 5 0 1 9 6 0 6 1 8 7 6 6 年建成 6 3 7 9 6 6 年建成 大瑶山 1 4 ，2 9 51 9 8 1 - 1 9 8 7 力照明 以轻机具为 主的小型机 械化施工，有，k m 轨运输，分部 开挖 重型机具综 合机械化按 新奥法设计1 5 k i n 施工，全断面 开挖，无轨运 输 5 0 年代 以前水 1 0 0 8 0 年代 水平 4 9 0 年代秦岭西康 1 8 4 61 9 9 4 - , 1 9 9t b m3 5 r r d h 9 0 年代 9 道、南岭隧道、军都山隧道、花果山隧道、秦岭隧道、二郎山隧道等相继建成，京九铁路 建设更是铁路隧道的规划、开挖与施工、支护、疏排水技术接近于国际水平。而且，秦岭 隧道建设创造了多项全国记录：秦岭i 线长1 8 4 5 2 k m ，是我国和亚洲最长的标准轨距铁路 主堕查兰堡主堂垡堡塞 壁望茎垫丝里壅童塑堡丝堕塑型壁堕窒 单线隧道：秦岭隧道在初测前增加了一个加强地质勘测的高阶段，这是国内首创试点采用 大面积地质调绘的综合勘探方法，取得了高质量的地质勘测成果，其地质预报的准确性堪 称国内第一；秦岭隧道埋深超过1 0 0 0 m 的地段长约3 8 公里，最大埋深约1 6 0 0 m ，属国内 山岭铁路隧道之首；秦岭j 线隧道是我国首次使用t b m 开挖铁路隧道，创造了单口月均 进度3 1 2 m ，最高月进度5 2 8 i m 和最高曰进度4 0 5 m 的国内铁路隧道的最高记录；秦岭i 线隧道模筑混凝土衬砌用模板台车施工，最高月进度达1 1 9 6 m ，为国内第一；秦岭1 1 线隧 道平行导坑施工中，实现了9 k m 长距离独头通风，达到国际领先水平，实现了5 8 k m 长距 离反坡排水，创国内最高记录；秦岭隧道在国内首次应用全球定位技术( g p s ) 在勘测及施 工阶段进行控制量测的隧道。随着公路建设步伐的加快，公路隧道也得到了迅速发展。我 国已建成公路隧道4 2 0 座，总长约1 2 0 k m ，单洞最长达4 7 0 6 m 。我国最长的大跨度公路隧 道重庆铁山坪隧道于2 0 0 0 年初竣工通车，该隧道双线全长5 4 2 5 m ，设计为双向6 车道， 开挖断面为1 5 m 2 。交通工程的全面发展使高速公路的建设势头业已兴起，由于高速公路对 线路和坡度的特殊要求，隧道已成为高速公路越岭的最优选方案，从而使公路隧道的建设 也得到了前所未有的发展。目前我国的辽宁、山话、福建、广东、浙江、陕西、云南、贵 州、西藏、四川、重庆等省市都有大量隧道已开工和将在开工建设，计划修建的单洞最长 隧道已达1 0 3 0 0 m “】。我国的水电地下工程建设在建国以来也有很大发展，据不完全统计， 我国水电工程已建成隧洞4 0 0 余条，总长达4 0 0 多k m ，包括引滦入津的黎河隧洞、引大 入秦工程的盘道岭隧洞、黄河上游的龙羊峡水电站导流洞及黄河小浪底超大型综合工程隧 洞群掣”。近几十年来我国已修建了几千座总长达2 千多公里的隧道工程，已积累了丰富 的经验，结合“新奥法”原则，已逐渐形成具有中国特色的隧道施工方法，经王梦恕建议 取名为“中国隧道修建法”，并在米花岭隧道进行了实剐竭渊。自1 9 6 0 年我国上海用盾构 法建造了黄浦江打浦路水底公路隧道后，1 9 6 4 年北京兴建地铁一期工程，1 9 7 0 年天津开始 修建地铁，1 9 9 3 年北京西单地铁用双眼法修建成功，广州地铁也已修建成功，我国的其它 各大城市都将修建地铁_ j 吝一城市地下交通隧道的建设提上日程。 随着工程技术水平的提高，交通工程建设的需要，隧道工程正向着大型化发展。在复 杂恶劣地层和几千米深的岩层下面进行隧道工程建设已排上日程。海底隧道矛i ：1 其它江河湖 底隧道也日益发展起来，日本青函隧道和英法海峡隧道的成功，极大地激励了我国的水下 隧道建设，南京长江越江隧道的科研和设计工作正在进行，已提出修建4 0 m 长的琼州海峡 隧道的设想，这些将是面向2 1 世纪的雄伟工程。 1 2 隧道开挖地质灾害及其研究意义 隧道工程从设计到开挖成洞，人们一直把研究隧道工程在开挖期间与运营期间隧道围 岩的稳定性及安全问题作为一个十分重要的课题进行研究。研究表明，影响隧道围岩的稳 定性有八大主控因素：地层岩性、地质构造、原岩应力场、地下水、地质工程环境、隧道 设计结构、开挖工艺方法与支护体系等。其中前五大因素为客观地质因素，后三大因素为 人为因素且受控于前五大因素。由于地质灾变而引起的隧道稳定性问题在国内已不为鲜见， 中南大学博士学位论文 隧道开挖地质灾害规律及防治对策研冗 仅以铁路建设为例：据不完全统t p l ，我国1 9 9 2 年以前已建成的铁路隧道中，有五分之 四在施工中不同程度地发生过涌水灾害，其中有3 0 余座属大型涌水；在成昆线全线有4 2 7 座隧道，总长3 4 1 k m ，施工开挖期间约有2 5 隧道发生过大型坍方，9 3 5 的隧道发生了 不同程度的水害，其中涌水量超过l o o o o m 3 a 的有8 座，同时有多座隧道出现了塌陷、 岩爆等灾害【1 2 】。在运营期间有3 6 k m 多的树彻发生过病害，有1 0 k m 多的整体道床近4 0 k m 发生病害 1 3 j 。京广线长达6 0 6 k m 的南岭隧道，总涌水量最大达8 1 0 0 0m 3 d ，成昆线沙木拉 达隧道( 长6 3 7 9 k m ) ，总涌水量达1 9 5 5 0m 3 d ；穿越于地形、地质条件复杂的秦岭、大巴 山、云贵高原等山区的宝成、襄渝、贵昆、川黔、湘黔、枝柳等线铁路都修建了大量的隧 道工程，这些隧道在建设和运营中都发生过规模不等的坍方，许多隧道洞身也遭受偏压以 及地表塌陷等地质灾害；衡广复线、大秦铁路等也有许多隧道发生了较严重的地质灾害， 著名的大瑶山隧道中段地表塌陷、f 9 断层上盘压碎岩段大量坍方和涌水，遇到o 5m 3 s 的 突水，射程达& n io m ；军都山隧道岩体破碎段施工中发生罕见的地下泥砂石流和大量的 坍方灾害；家竹箐隧道在1 9 9 5 年的建设中，洞内多处发生岩溶管道涌水，水量达8 1 0 4 m 3 d 4 q ，由于涌水发生在离洞口端而无法自行流向洞口排放，致使几次淹没隧道迫使停 工；草庵隧道是南昆线威舍昆明段的座单线隧道，于1 9 9 5 年贯通，在施工中地下水 量增大，出现几次较大规模涌水，并伴有塌方，涌水量最大时为6 5 0 0m 3 d ；等等。公路隧 道地质灾害也时有可见，目前国内最长的公路隧道华蓥山隧道穿越了煤层断层、石油汽层、 高地应力区等复杂地层，开挖中遭遇涌水、涌泥、瓦斯突出、断层坍塌、岩爆及大变形等 地质灾害；川藏公路二郎山隧道高地应力引起的岩爆、中梁山隧道与缙云山隧道在开挖不 到一年发生较大坍塌8 次：建设中的雅龙江锦屏二级水电站，长探硐3 次遇到特大型突水， p d l 平硐3 9 4 8 m 处涌水时喷水距为3 5 - 3 7 m ，流量达0 6 1m 3 s ，实测水压高达5 m p a 。在日 本近2 1 3 0 k r n 的铁路隧道中，发生涌水灾害的也约占总隧道的5 6 0 , 4 以上，涌水灾害最为严 重的旧丹那隧道，1 9 1 8 年开工后曾6 次遇到大突水，最大的一次断层突水达3 3m 3 s ，水 头压力高达1 4 - 4 2 m p a ，贯通时总涌水量达1 6 8m 3 s ，涌水灾害的影响致使该隧道历时1 6 年才建成。从国内的相关文献资料中经常有关于隧道灾害的报道口4 h 2 0 。隧道灾害后果严重， 危害巨大。由地质灾害而引起的开挖停工短则几个月，长则半年甚至几年，刚氐了经济效 益，造成不良的社会影响。而人们在治理此类灾害时，往往是应症式应急处理，缺乏综合 已有的规律性指导，以“不惜切代价”为处理灾害的原则和精神。如我国目前海拔最高 的青藏线关角隧道在8 0 年代初就一次性整治费用2 0 5 0 万元【j q ；松树湾隧道约用8 0 0 万元 等等。如此多的隧道地质灾害还在继续上演。如此大的经济投入而造成的浪费，对岩石力 学与工程界的研究工作者提出迫切要求，以达隧道开挖期间防灾减灾治灾之目的。尤其在 我匡l 政府提出西部大开发战略以来，基础设施建设首当其冲，隧道工程作为交通工程、水 利工程及其它相关工程的主要组成部分将发挥其愈加显要的作用，因此可以说对隧道地质 灾害规律的认识及防治对策的系统研究已迫在眉睫。 我们必须看到我国西部地质背景的复杂性，由于我国大地构造格局是受长期地壳演化 制约的，同时也鲜明地受控于近期的地球动力学作用，如印度板块向北漂移，并在喜马拉 中南大学博士学位论文 隧道开挖地质灾害规律及防治对策研咒 雅地区与欧亚板块碰撞，不仅产生了喜马拉雅山脉的巨型推掩构造体系，而目造成青藏地 块的挤压隆起，以及新、甘、蒙外围的推挤剪切和川滇岩片的侧向滑移。可以说整个西部 地壳运动和变形的动力来自板块的碰撞。此板块碰撞的地球动力学机制造成我国西部独特 的地壳变形和构造应力体系：以强烈挤压应力状态为主，仅在隆起区具有次生应力状态； 地壳运动和构造性极强：地壳变形呈现弹塑性变形特征。如此复杂的地质环境必然决定着 工程地质条件的复杂性，如何保持隧道工程的稳定性及最大可能地减小其危害是摆在岩土 工作者面前的一个重大课题。在对隧道工程进行可行性论证及设计施工时，必须对工程地 质环境作出系统的评价：区域地壳稳定性、工程区域岩体稳定性、隧洞围岩结构稳定性等 等。由此可见，认识隧道开挖地质灾害规律，并由此指导其防治对策对于减