地下工程减灾防灾学

地下工程减灾防灾学西南交通大学2017年6月目录1、引言32、国内外关于岩溶大涌水和大变形隧道的研究现状42.1 岩溶隧道大涌水研究42.2大变形隧道研究52、隧道大涌水施工技术62.1超前地质探测技术62.1.1隧道施工超前地质预报现状及问题62.1.2隧道超前地质预报技术72.2 针对大涌水隧道的施工方法82.2.1 隧道涌水处理方法82.2.2隧道围岩超前预注浆止水82.2.3注浆施工技术流程103、大变形隧道施工技术113.1 围岩大变形处治措施123.2大变形隧道双层初期支护作用原理123.2.1隧道大变形段围岩分析133.2.2大变形段围岩的挤压力133.2 隧道大变形换拱技术143.2.1隧道换拱处理原则143.2.2 隧道换拱关键技术144、总结151、引言通过王志杰教授的课程教学，让我对大涌水隧道、穿过溶洞隧道、大变形隧道等地质灾害有了深一步的了解。随着我国交通隧道的发展，隧道穿越的各种复杂地质条件，尤其是隧道穿越大型地下溶洞的时候往往还会采取桥梁和隧道相结合的形式进行穿越，而对于这类型的隧道而言常常还伴随着大涌水的情况，由于地下水及其丰富，怎样才可以防止涌水对隧道结构的侵害以及修建隧道时能够顺利通过都需要进行深入的研究，结合课堂知识以及我自己的理解，这样的大涌水隧道一定要事先进行排水以降低围岩中的水压，等到水压降低到一定程度的时候再进行堵水作业，形成以排为主，以防为辅的施工特点。在隧道的建设中会遇到各种各样的地质灾害，对于高地应力以及软弱围岩而讲，经常会碰到围岩大变形的地质灾害，比如程度的龙泉山隧道中就出现围岩变形侵界的现象。对于软弱围岩而讲，在修建隧道的时候常常会遇到，我认为在遇到这一种地质条件的时候就需要对其加上强支护，通过初期支护和二次衬砌的作用来控制围岩的变形。在隧道施工中也会遇到像锦屛水电站引水隧洞这样的高地应力的情况，而这样的地质条件其围岩等级很高，但是常常会出现岩爆这样的地质灾害，我认为对于这样的高地应力的情况就需要对围岩的应力先进行一定的释放，待到围岩应力释放到一定的情况后再对其进行初期支护来控制其进一步变形，从而避开高地应力释放的高峰期。对于大涌水和大变形等地质灾害的防治我还知识了解了一定皮毛，在今后的学习中还需要进一步学习和思考。2、国内外关于岩溶大涌水和大变形隧道的研究现状2.1 岩溶隧道大涌水研究岩溶对隧道工程的影响主要表现为隧道周边围岩的变形、失稳，常常导致隧道局部坍塌、掉块、落石；另一方面，岩溶涌水也是岩溶区隧道建设的主要工程影响之一，它不仅影响施工，而且直接危及人员和机械设备的安全。何发亮等主要通过对长大隧道岩溶涌水规律、水量特征、含泥砂特性的分析，基于长随道岩溶水文地质模型，以化学动力学、水文地质理论为指导，通过采用声波CT专家系统和HSP法地质超一前预报系统，配合地质雷达探测，结合地质条件判定，从而实现长隧道施工区域岩溶灾害的时空预报徐复兴等认为洞穴堆积物分析方法可作为研究岩溶发育规律的经济而有效的方法。巫锡勇通过对地下水在岩层中运动过程、反映过程及影响因素等研究，掌握了工程建筑物周围地质状况及地下水运动规律，并结合某随道混凝土腐蚀特征及地下水对混凝土腐蚀机理进行分析。陈成宗对大瑶山九号断层特性进行了全面阐述，认为含水体在周围环境改变情况下可能引起底面塌陷。谢树庸将岩溶区工程地质问题归结为岩溶地基与围岩的稳定问题、岩溶渗漏问题、岩济突水问题与岩溶水外压力问题等四类。并基于岩溶突水的不确定性提出由地质概念模型到数学模型的研究方法。2.2大变形隧道研究近年来，大变形问题已经引起了人们的广泛关注，国际岩石力学学会（ISRM）还为此成立了一个专门的工作小组。受到Terzaghi思想的影响，学者们一般把大变形机制分为以下两大类:一是开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生塑性挤出；二是岩石中某些矿物和水反应而发生膨胀，水及某些（膨胀性）矿物的存在，对膨胀变形是必须的。Anagnostou （1993）认为，挤出主要取决于岩石强度和覆盖层厚度(地应力)，原则上可以在任何类型的岩石中发生。发生膨胀变形的围岩变形一般表现为底鼓，而顶拱和边墙一般保持完好状态。Qtsuka、Takano （1980）和TyanO（1993）等将建成后6-12个月内发生严重底鼓的日本Niigata Prefecture隧道和Nabetachiyam隧道的变形归结于膨胀作用。岩石（土）的膨胀机理方面已经积累了相当多的研究成果，Wahlltyom（1973）、 Einstien（1975）、 Lindner（1986）、张乃娴等（1990）、任磊夫（1992）、杨雅秀（1994）及何满潮（1997）等众多国内外学者均在这方面进行过深入的研究。在大变形中，挤出作用与膨胀作用的关系及两者对大变形的贡献，是人们普遍关心的重要问题。Terzaghi认为，从理论和室内试验的角度，挤出和膨胀是完全可以分开的，挤出是一种物理破坏，而膨胀则是必须是有水参与的化学过程；膨胀发生所需的时间通常要比挤出长的多。但大多数学者认为，在实际工程中，挤出与膨胀往往是很难分开的，绝对单纯的挤出或绝对单纯的膨胀引起的大变形都很少见。一般来说挤出作用在围岩大变形中占有更重要位置，或者说是围岩大变形的主要机制。2、隧道大涌水施工技术2.1超前地质探测技术对于隧道修建而言，如果能够要降低隧道的地质灾害，那么隧道所穿越的线路进行地质灾害预报是一个非常有效的手段，在已经知道前方所存在的地质问题后我们可以实现制定相应的措施来进行一定的规避或者是进行一定的实现处理，达到减小因地质灾害而引起的损失的效果。超前地质探测技术对于隧道施工中可能出现的大涌水问题能够有效的进行提前探知，有利于提前制定相关的方案。2.1.1隧道施工超前地质预报现状及问题隧道施工方法主要有钻爆法和TBM方法，对于超前地质预报而言，2种施工方法的探测环境有很大不同。相对于钻爆法，TBM施工隧道的环境更复杂，由于庞大机械装置几乎占据掌子面后方几十米内的全部空间，且金属机械结构对电磁波场干扰很大，导致一些在钻爆法施工隧道中可用有效的超前地质预报技术根本无法适用于TBM施工隧道环境。总体来讲，目前钻爆法施工隧道超前地质预报技术取得了较显著的进展，而TBM施工隧道的超前预报技术是一直以来备受关注却未能得到很好解决的世界公认难题。随着隧道超前地质预报技术的发展，定量化探测的概念及思想逐渐形成并得到发展。所谓定量化超前地质预报，就是利用超前地质预报技术实现不良地质体三大核心属性（空间位置、赋存形态、充填特性）的定性辨识和定量预报，具体而言，定量超前地质预报的主要任务如下:（1）探明断层及其影响带的位置、规模及其性质，若充填地下水，定量估算地下水。（2）探明岩溶发育位置、规模、判断充填物性质，若充填地下水，定量估算地下水。（3）探测不同岩类间接触界面位置及其产状形态。（4）判断隧道围岩级别变化情况。（5）判断地质灾害可能发生的位置和规模。2.1.2隧道超前地质预报技术针对上述探查目标，人们先后研发了多类钻爆法施工隧道超前地质预报技术，主要包括:超前钻探类(超前导坑、探洞、超前钻探等)，地震反射类（隧道负视速度法、隧道地震预报）、隧道反射成像（tunnel reflection tomograp、TRT、极小偏移距地震波法等），电磁类（地质雷达、隧道瞬变电磁等），直流电法类（激发极化法、电阻率法等）以及其他方法（核磁共振法、红外探水法、温度探测法等）。由于每类探测方法是以地质介质的某一性质（如弹性性质、导电性质、导热性质等）差异为物理基础的，每类技术有各自的适用范围、敏感特性和优缺点。2.2 针对大涌水隧道的施工方法根据王志杰教授上课所讲述的内容加上自己的分析，大涌水隧道由于围岩后面的水压非常的大，一般情况下必须对围岩后面的水文系统进行相关的探测以及分析，遇到大涌水的情况一般情况下都要先对围岩后的水进行泄压，当泄压达到我们所需要的施工条件的时候再对其进行注浆的措施、进行堵水作业。通常采取“泄水分压、注浆加固、迂回绕行”的施工措施。 2.2.1 隧道涌水处理方法目前在国内外隧洞施工中，涌水处理的方法大体上分为两大类，即排除涌水的方法(排水法)和阻止涌水的方法(止水法)。图2-1 隧道涌水处理方法2.2.2隧道围岩超前预注浆止水若是隧道断层水存储量丰富，地表水源补给充足，连通条件良好，开挖后地下水能得到源源不断的补偿，如果采用排水法，由于地下水补给充分，势必导致水害治理工作进行得不彻底，给工程带来各种水害影响，产生种种不良的后果，同时又可能造成水源枯竭，影响生态环境和周边群众的正常生活，而且涌水会把围岩裂隙中的填充物质一并带走，使得地下水运移更加畅通，增强了地表降水的补给速度。所以这样的隧道断层涌水处理不能采用排水法，只能选用止水法。隧道围岩超前预注浆，就是在施工掌子面发射状布设超前注浆孔，用高压把浆液充填到岩体裂隙中，通过浆液的凝固结石，从而减小裂隙的宽度，增加裂隙的粗糙度，并且裂隙面受到注浆压力作用而被压紧，变为闭合状态，起到减小围岩渗透系数，降低围岩渗透性的作用，固结堵水后再开挖掌子面。目前为止，隧道超前预注浆堵水所用的材料以水泥浆液和水泥化学浆液(主要为水泥一水玻璃浆液)较为常见。注浆材料的分类情况详见图2-1。图2-2 注浆材料分类图2.2.3注浆施工技术流程施工准备 、泄水 止浆墙、孔口管施工注浆设计制备浆液注浆效果检查注 浆压水试验钻 孔是否满足注浆质量标准开挖是否否图2-3 帷幕注浆工艺流程3、大变形隧道施工技术中国经济的发展离不开基础设施的建设，基础设施建设是经济发展的强有力引擎。伴随着这些基础设施的建设，隧道等地下工程工程在规划、设计和施工中越来越多的受到人们的重视和青睐。列车高速化行驶对铁路的线性要求越来越高，越来越多的隧道在铁路建设中涌现。隧道单洞长度纪录不断被刷新、隧道穿越的地质情况愈发复杂。隧道所穿越的这些复杂地质带可能包含软弱围岩、断裂带、甚至是高地应力，穿越这些地质带时隧道存在大变形的可能。隧道发生大变形后难免会出现施工安全隐患、施工进度延缓、造价攀升、施工质量降低等一系列问题，为避免在施工中出现大变形而导致的重复施工，对于易产生大变形的隧道工程进行机理的研究，掌握大变形的发生、发展规律，采取合理的施工措施，不等灾害发生即可得到治理，可最大限度的减少损失。对于隧道复杂地质段较短的隧道，其大变形问题较容易解决，进行整体换拱即可解决，但对于复杂地质段较长的隧道就不是那么轻松了，因为施工中不可能频繁的换拱，那将大大干扰施工进度，影响施工安全。目前处置隧道大变形主要采用的设计理念分为两种:柔性结构设计理念、刚性结构设计理念。其中先行导坑法、多重支护法、可缩式支护法、分阶段综合控制法属于柔性结构设计;大刚度支护和衬砌结构法、大范围围岩加固法属于刚性结构设计。施工经验表明，刚性理念对于变形量较小的隧道有一定的效果，但是对于变形量相当大的隧道，结构往往无法抵抗围岩压力，而导致隧道初期支护或二衬开裂，对隧道后期运营造成很大的隐患，因此以柔性结构设计理念在大变形隧道中的应用最为广泛，其中双层初期支护便属于柔性设计理念。3.1 围岩大变形处治措施工程上对大变形隧道要采取综合措施才能取得良好的效果，主要技术措施有:（1）隧道掘进断面要预留足够的变形量，允许围岩产生一定的变形;（2）通过强预支护或锚注支护强化围岩，提高围岩自承能力;（3）采用段台阶或超段台阶法施工，增加临时仰拱或临时支撑，用喷层及时封闭围岩;（4）强化初期支护，采用加长及加密环向锚杆、增厚混凝土喷层、增设底板与锁脚锚杆(管)、架设可缩式临时支撑钢架等组合技术，在较强的初次支护作用下使围岩位移发生在可控范围内，起到卸荷以及向围岩深部转移二次应力的作用;（5）二次衬砌通过增厚或加筋使其得到强化，并及时施加，对围岩施加高强度的支护，促使围岩稳定;对膨胀性软岩要加强治水，对其他类型的大变形隧道也是如此。3.2大变形隧道双层初期支护作用原理在进行双层初期支护支护设计之前，首先要了解所需要支护的围岩特性如何?才能在开挖前后采取有效措施应对围岩的一次应力释放;其次需要认识到支护结构中各构件是如何发挥作用的?才能确保隧道围岩应力重分布过程中的围岩稳定;第三需要理清第一层初期支护与围岩之间、第一层初期支护与第二层初期支护之间荷载是如何分配传递的?才能准确选取合理的支护参数。3.2.1隧道大变形段围岩分析隧道施工中发生大变形的原因有很多，其中包括设计、施工、地质等因素。就地质因素而言，围岩特性是影响隧道发生大变形的主要因素。要研究双层初期支护在大变形隧道中的作用机理，首先要讨论所要支护的围岩特性，围岩对支护所施加的荷载，以及双层初期支护受力后产生的变化。实践证明，围岩对初期支护的整体或局部挤压力和挤压变形是隧道大变形段支护的主要对象，支护的主要目的是维持隧道在挤压力作用下不垮塌，同时限制隧道变形在允许范围内。3.2.2大变形段围岩的挤压力隧道发生大变形的主要原因是:隧道开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，隧道周边围岩失去了原有岩体的支撑，向隧道内部松弛变形，应力发生重分布后初期支护无法抵抗围岩的变形，超出预留变形量，初期支护被破坏。理论上说，可以采用刚度很大的初期支护来阻止岩体的应力释放，但却是不经济的，施工进度也很慢，合理的方法是让围岩有限制的产生一定的变形，释放部分应力之后再进行刚度较大的支护。大变形段围岩的挤压力与支护变形是一对矛盾体，此消彼长，挤压力在隧道刚开挖完时最大，随着变形的发展，挤压力逐渐变小;当围岩无限变形时，围岩应力释放完毕，隧道部分段落可能塌方，这也是部分换拱段初期支护不再侵限的原因。围岩的松散变形是围岩应力产生的主要原因，隧道开挖后，这种松散变形从隧道开挖轮廓线逐渐向围岩深处传递，随着扩散深度的延伸，围岩变形逐渐减少到零，这一范围即为隧道开挖形成的松动圈。3.2 隧道大变形换拱技术换拱技术是隧道大变形问题的一个有效的传统的施工方式，其作用非常显著，基本上可以适用于所有的大变形隧道的研究，但是换拱施工的过程非常的复杂，经济效益不好。3.2.1隧道换拱处理原则隧道换拱需遵循“超前加固，先撑后拆，重在开口，严禁爆破”的原则，结合监控量测信息，实行动态施工。3.2.2 隧道换拱关键技术（1）围岩加固技术在进行换拱开挖之前进行超前小导管注浆，对围岩进行预加固处理。注浆按照由低到高隔孔预注或群孔注浆的方法进行。单孔注浆时，首先以初压注浆，然后在终压下进行注浆并保持12分钟终压再卸荷，保证注浆量及扩散半径达到设计要求，达到超前加固的目的。注浆过程中，对浆液应不停搅动，避免沉淀分层，影响浆液浓度。超前支护完成后，拆除己施作的临时支撑、原施作的钢拱架及凿除原初支混凝土。（2）拱架置换技术在隧道设计施工中，要求初期支护要在很短的时间达到足够高强度以维护围岩稳定。就因如此，一旦发生变形侵限，需进行拱架置换处理时，首先就必须要考虑破坏掉原始初支。在隧道围岩条件较好的情况下，通常采用爆破的方法来对隧道侵限部位拱架进行破除。4、总结通过课堂的学习以及在课后查阅相关的资料文献，我对岩溶隧道大涌水问题以及隧道大变形的问题有了进一步的了解，知道了大涌水和大变形的致灾机理以及相关的基本处理方式，但是这仅仅是两种灾害问题的皮毛，为加大自己的对这些问题的研究深度，还需要在今后的学习中继续进一步研究。参考文献1 申鹏.高地应力区隧道软弱围