大隧道施工中涌突水灾害的形成与预防

大隧道施工中涌突水灾害的形成与预防

随着我国经济的发展和隧道设计和施工技术的进步，隧道数量日益增多。这些长大隧道穿越各种复杂特殊的地质、地貌和构造单元,处于不同应力场、渗流场和温度场环境,会产生各种地质灾害。其中,岩溶隧道突水甚至突泥是隧道工程中最具危害性的灾害之一。岩溶隧道开挖进入岩溶高压富水区段,经常遭遇突发性、大规模的涌水、突泥,坍方与淹井,造成重大的灾害性事故,并产生了严重的地质环境负面效应和社会负面影响等问题。如法国仙尼斯峰隧道、日本青函隧道、前苏联北穆隧道、我国大瑶山隧道和军都山隧道等。最近几年发生的,如2002年渝怀铁路圆梁山隧道9·10涌突水灾害、宜万铁路马鹿箐隧道涌突水灾害、宜万铁路野山关隧道涌突水灾害等,对工程造成重大损失。因此,加强岩溶区隧道涌突水灾害形成原因和发生机理和防治研究,对促进隧道安全施工有重要意义。1机械论1.1板理论1.1.1隔水岩板厚度测量其约束条件隧道正前方有一承压水溶腔(文中以正前方为例,当溶腔在侧方或上下方位置时,分析过程同正前方),随着隧道的掘进,掌子面逐渐靠近承压水溶腔,两者之间的隔水岩板越来越薄。当隔水岩板的厚度远小于其跨度和高度时,可以按薄板进行理论分析,其约束条件为4边简支。如图1所示。作用在隔水岩板上的荷载有垂直于板面的静水压力q和平行于板面的围岩压力p。力学模型如图2所示。1.1.2隔水岩板中面的变形在把隔水岩板简化成薄板模型进行求解突发性地质灾害发生机理时,引入以下假设(可希霍夫(Kirchhoff)假设):1.1.2.1变形前垂直于隔水岩板(薄板,以下同)中面的直线段在变形后仍保持直线,并垂直于变形后的中面,且其长度不变。1.1.2.2与σx、σy和τxy相比,σz很小,在计算变形时可以忽略不计。1.1.2.3隔水岩板中面各点只有垂直位移ω而无x、y方向的位移,即(u)z=0,(v)z=0,(ω)z=0=ω(x,y)。其中,中面内的位移函数ω(x,y)称为挠度函数。根据弹性力学薄板理论,应力分量σx、σy和τxy与挠度ω的关系式为:σx=Ez1-μ2(∂2ω∂x2+∂2ω∂y2)σy=Ez1-μ2(∂2ω∂y2+∂2ω∂x2)τxy=Ez1+μ⋅∂2ω∂x∂y}(1)考虑横向荷载作用的隔水岩板弯曲的基本方程为:∇2∇2ω=qD(2)式中D=Eh312(1-μ2),称为板的抗弯刚度。1.1.3岩板抗应力性能分析矩形板的边长分别为a和b,受横向分布荷载q(x,y)作用,如图3所示。在图示的坐标系中,边界条件为,在x=0和x=a处,ω=0‚∂2ω∂x2=0;在y=0和y=a处,ω=0‚∂2ω∂y2=0,挠度函数取重三角级数,即设:ω=∞∑m-1∞∑n-1Amnsinmπxasinnπyb(3)式中m、n——正整数;Amm——待定系数。求解得:ω=∞∑m-1∞∑n-1∫a0∫b0q(x,y)sinmπxasinnπybdxdyπ4abD(m2a2+n2b2)⋅sinmπxasinnπyb(4)对承受均布水压q0、四边简支的隔水岩板薄板:Amn=16q0π6Dmn(m2a2+n2b2)2(m,n=1,3,5⋯⋯)ω=16q0π6D∞∑m=1,3⋯∞∑n=1,3⋯1mn(m2a2+n2b2)2sinmπxasinmπyb(5)其最大挠度发生在隔水岩板中心,将x=a/2,y=b/2带入上式(5)得:ωmax=16q0π6D∞∑m=1,3⋯∞∑n=1,3⋯(-1)m+n2-1mn(m2a2+n2b2)2(6)当x=a2,y=b2,z=h2时,应力出现最大值。σmaxx=8q0Eha2b2π4D(1-μ2)×[82(b2+μa2)81(a2+b2)2-b2+9μa23(9a2+b2)2-9b2+μa23(a2+9b2)2]σmaxy=8q0Eha2b2π4D(1-μ2)×[82(a2+μb2)81(a2+b2)2-9a2+μb23(9a2+b2)2-a2+9μb23(a2+9b2)2]τx=a/2,y=b/2,z=h/2=0}(7)1.1.4拟拉格兰克尔克尔体函数中弹性变形挠度函数薄板在面内压力和剪力作用下处于平衡状态时,内力Nx、Ny、Nxy应满足弹性力学平面问题的基本微分方程:ᐁ2ᐁ2F=0(8)对于单向受压四边形简支矩形板,如图4所示,以受压为正。其基本微分方程可以化为:D∇2∇2ω+Νx∂2ω∂x2=0(9)假设屈曲后的弹性变形挠度函数取重三角级数,即设:ω=∞∑m=1∞∑n=1Amnsinmπxasinnπyb(10)式中m、n——正整数;Amn——待定系数。显然其满足四边简支的边界条件。将(10)代入(9)得∞∑m=1∞∑n=1Amn{[(mπa)2+(nπb)2]2-ΝxD(mπa)2}×sinmπxasinnπxb=0得到临界应力:σx=π2Da2h(m+n2ma2b2)2综合分析后,其最小的临界力可以近似表示为:σxp=σx=4π2Db2h(11)在实际隧道工程中,a/b(隧道高度/宽度)大于1或接近1,近似公式(11)有足够的精度。1.1.5隔水岩板应力随着隧道的开挖,隧道掌子面和承压水溶腔间的隔水岩板越来越薄。当达到一定程度时可以进行假设成薄板进行理论分析。该隔水岩板不仅承担横向荷载(静水压力q0)作用,还要承担山体围岩压力,因此要综合考虑二者对隔水岩板的作用。其力学模型如图2所示。根据1.1的薄板假设,隔水岩板的变形为小挠度弯曲。因此,根据(7)和(11),隔水岩板在横向荷载(静水压力q0)和山体围岩压力共同作用下允许的应力可以表示为:σX=σmaxx+σxp=8q0Eha2b2π4D(1-μ2)×[82(b2+μa2)81(a2+b2)2-b2+9μa23(9a2+b2)2-9b2+μa23(a2+9b2)2]+π2Db2hσY=σmaxy=8q0Eha2b2π4D(1-μ2)×[82(a2+μb2)81(a2+b2)2-9a2+μb23(9a2+b2)2-a2+9μb23(a2+9b2)2]}(12)在实际工程应用当中,取单位宽度b=1,隧道高度(a)一般大于b的5倍,即ab≥5。对(12)进行简化得:式中q0——垂直于板面的静水压力;E——隔水岩板的弹性模量;h——隔水岩板的有效厚度;μ——隔水岩板的泊松比;D——隔水岩板的弯曲刚度。1.2截面质量和地应力场1.1节隧道发生涌水突泥机理方程,是以隔水岩板弯曲破坏为理论基础。这种计算方法对于隧道跨度较大、隔水岩板完整性好并且较薄的情况。对于隧道跨度较小、隔水岩板较厚并且破碎的情况,一般以剪切破坏为主。如图5所示,将隔水岩板看作直径为a、厚度为h的圆形塞子,作用在塞子上的外力—水压力将塞子向隧道方向推。在塞子边沿会产生剪切力阻碍塞子运动。同时,还有地应力场作用在塞子上的压力p。为简化计算,做以下假定:(1)隔水岩板视做直径为a、厚为h的圆板;(2)压力p作用于圆板侧面上,其大小根据隧道设计地勘资料取值,当没有地勘资料时,建议采用松散围岩压力公式计算;(3)没有考虑孔隙水压力(p)的影响;(4)没有考虑爆破施工对围岩的影响。作用在隔水岩板上的总水压力:Ρ=πq0a24(14)抗剪力为:T=Sτ=πah(ptgψ+c)(15)式中S——隔水岩板抗剪切面面积,S=πah;τ——抗剪强度,τ=ptgψ+c。压力根据隧道设计地勘资料取值,当没有地勘资料时,建议采用松散围岩压力公式计算。当水压力与抗剪力达到极限平衡时:P=T即:πq0a24=πah(ptgψ+c)q0=4h(ptgψ+c)a(16)式(16)即为隔水岩板呈剪切破坏时的临界水压方程式。2灾害发生的地质条件通过对国内外部分隧道修建过程中遇到的涌水、突泥情况调研表明,灾害发生前都或多或少有前兆,有迹可寻,灾害发生的机理是各种机理综合作用的结果。如圆梁山隧道9·10灾害发生时掌子面右下部一大约高1.5m岩溶管道中挤出黄色硬塑～可塑状粘土,局部可见明显擦痕,表现为剪切破坏的特征。但1h后,掌子面突然爆开,随之,大规模硬塑～可塑状粘土喷出,约30s时间,突泥向外喷出244m,从而塞满下导坑4200m3空间,表现为薄板压裂瞬间破环的特征。同时,相关的研究资料也表明,灾害的形成和发生,必须具备4个基本条件,一是特殊的地质构造基础;二是足够的填充物质条件,三是丰富的地下水源影响,四是人为的开挖扰动激活。3工程处理：大支坪隧道3.1道400富水溶腔大支坪隧道位于恩施州巴东县大支坪镇,I线全长8775m、II线全长8789m,最大埋深495m,纵坡为人字坡;进口段Ⅱ线右侧30m设置长3991m的排水洞。大支坪隧道990富水溶腔包括:I线DK132+947～+957、DK133+006～+027段、II线IIDK132+913～+921、IIDK132+973～+997段发育大型富水充填溶洞,合并简称“990溶腔”。“+990”溶洞发育地层为三叠系嘉陵江组下部和大冶组上部灰岩,地表为水谷坝洼地,向斜构造,期间发育有F3断层。岩溶和地下水发育主要受构造和地层控制。该溶洞最大涌水量5万m3/d,正常涌水量3000m3/d左右。990岩溶异常岩溶水主要为降雨补给,补给面积约6.06km2,由水谷坝洼地汇集,通过岩溶管道迳流至990溶腔。3.2+970溶解处理措施根据溶洞工程、水文地质条件,综合考虑施工及运营安全等多种因素,遵循“排水降压、注浆加固、超前支护、综合治理”的原则进行溶洞处理。3.2.1排水和减压3.2.1.dk233+970掌子面DK132+940掌子面钻孔对990溶洞排水减压:在DK132+940掌子面现场施作水平钻孔8个,其中5孔有过出水,平时水量约500m3/d,雨季水量可达2400m3/d。3.2.1.回采过程水水质为保证排水畅通,不积聚高水压,在PSDK132+980处左边墙衬砌预留排水口排水,平时水量约200m3/d,雨季水量最大达1×104m3/d、水质浑黄,夹部分泥沙。3.2.2独立排水和降压处理措施采取“排水降压、超前支护、综合治理”的原则进行该溶洞的处理,具体如下:3.2.2.1.提前家庭保护在岩溶裂隙发育、岩体破碎部位拱部采用ϕ42mm超前小导管注浆预支护,小导管长4.5m、环向40cm、纵向2.4m一环。3.2.2.预应力筋网混凝土支护溶洞段采用双层支护加强型复合式衬砌,一次支护采用30cm厚C25喷钢纤维、钢筋网混凝土,拱墙设工20型钢钢架,间距0.5m;二次支护采用30cm厚C25喷钢纤维、钢筋网混凝土,内置工20型钢钢架、0.5～1.0m/榀;二次衬砌采用75cm厚的C35防水钢筋混凝土结构,混凝土抗渗等级不低于P8。3.2.2.3.注射加固溶洞段采用开挖轮廓外5m全断面径向注浆加固堵水,通过注浆形成开挖轮廓外不小于5.0m的加固圈。3.2.2.4安全监测为验证支护结构的安全性,对溶洞段支护结构进行安全性监测,项目包括:水压力、围岩压力、接触压力、支护内力、渗水量及隧底沉降等。4隧道涌突水灾害治理理论(1)涌突水灾害的形成和