防灾减灾科学与工程 课件 第11章-地下工程安全与灾害防治

目录第11章地下工程安全与灾害防治目录11.1突涌水机理与防治11.2围岩变形破坏与控制11.3岩爆灾害机理与防治11.4高温热害防治11.5有毒有害气体防控第11章（1）掌握地下工程的基础知识（2）掌握各种地下工程的常见病害类型（3）掌握地下工程常见病害的成因及防治措施知识目标能力目标本章学习目标地下工程安全与灾害防治（1）具备分析地下工程病害成因的能力（2）具备针对地下工程病害提出防治措施的能力第11章地下工程安全与灾害防治交通领域的公路、地铁隧道，水利水电行业的地下厂房洞室群，采矿领域的巷道，能源领域的地下油库、地下废料库，都是地下工程的不同形式地下工程是指修建在地面以下或山体内部的各类建筑物。根据工程用途的不同，地下工程主要涉及交通、水电、采矿、军工、能源、市政等领域，在各领域中表现为不同的形式和结构定义（a）锦屏Ⅱ级水电站地下厂房洞室群（b）施工中的白鹤滩水电站地下厂房第11章地下工程安全与灾害防治作为一种地下建筑物，地下工程不仅节约了地面空间、保护了地表生态环境，并且兼具隔热、防震、防护等优势，因而在多个行业领域得到了长足的发展我国西南地区水电工程的地下洞室群，由于处于内外动力地质作用活跃区域，地质条件复杂多变，加之洞室本身埋深大、地应力高，地下洞室群施工过程中围岩变形破坏等病害频繁发生，对施工安全及长期运行稳定构成威胁近年来隧道的长度、埋深和跨度不断增加，穿越地区的地质条件日趋复杂，隧道工程建设期间的病害问题也较为突出目录11.1突涌水机理与防治11.2围岩变形破坏与控制11.3岩爆灾害机理与防治11.4高温热害防治11.5有毒有害气体防控第11章定义地下工程安全与灾害防治11.1突涌水机理与防治技术突涌水病害是指隧道与地下工程施工过程中大量的水体（突水）或泥水混合物（突泥）沿岩体节理、断层等结构面以及岩溶管道、地下暗河等不良地质构造瞬时涌入隧道内的一种地质灾害现象突涌水病害破坏性极强，预测预报难度大，并会造成工程损失和环境破坏等问题第11章地下工程安全与灾害防治突涌水由病害源、突水突泥通道与隔水阻泥结构三部分组成病害源是突涌水病害发生的源动力，它是由一定空间内的水体、堆积体及空腔构成的混合体，具有明显的储能特征，是突涌水病害发生的首要因素。常见的病害源有充填（水）型溶洞、裂隙和岩溶管道等

突涌水病害构成突涌水通道是病害源的优势运移通道，即地下水、泥砂等混合体耦合演化的运移途径场所，是突涌水病害发生的必要条件隔水阻泥结构是病害源进入隧道的最后屏障，即最终突涌水破裂口所在结构，其破裂突涌水是由前端病害源运移和掌子面施工扰动共同诱发的动力破坏过程11.1突涌水机理与防治技术第11章（c）溶洞溶腔型突涌水（b）断层型突涌水（a）裂隙型突涌水灾害源分类地下工程安全与灾害防治11.1突涌水机理与防治技术裂隙型突涌水：裂隙型突涌水主要受到裂隙岩体自身性质的影响。在水压力的作用下，裂隙会逐渐萌生并扩展，最终导致裂隙贯通，从而形成突涌水通道。这种突涌水通道的形成模式通常与深埋隧道（隧洞）及致灾构造的破坏密切相关。常见的致灾构造包括断层破碎带、溶洞、岩溶管道以及地下河等第11章（c）溶洞溶腔型突涌水（b）断层型突涌水（a）裂隙型突涌水灾害源分类地下工程安全与灾害防治11.1突涌水机理与防治技术断层型突涌水：断层地段岩石节理发育，裂隙较多，形成了良好的水、泥和沙石运输通道。当隧道洞身位于这些区域时，容易导致地下水系统失衡，进而使地下水携带泥沙通过裂隙涌入隧道内，从而形成突水涌泥的现象，这也是突泥涌水发生的重要原因之一第11章（c）溶洞溶腔型突涌水（b）断层型突涌水（a）裂隙型突涌水灾害源分类地下工程安全与灾害防治11.1突涌水机理与防治技术溶洞溶腔型突涌水：受隧道开挖扰动影响，隧道开挖导致岩体防突层厚度逐渐减小，当超过某一临界值，将发生突涌水病害，所以岩盘的安全厚度是判断溶洞溶腔型突涌水是否发生的重要指标。在隧道施工过程中，溶洞溶腔的位置、形状及其大小、充填状况、充填物质种类等都会对其安全产生较大的影响第11章突涌水防治措施地下工程安全与灾害防治超前阻水：基于“远端阻水”理念，通过超前探水，对已探明水囊（腔体）部位实施定域靶向膨胀注浆，阻隔地下水对隧道的影响局部绕行：对于突水突泥风险极高和致灾性极强的大规模高压断层、高压富水岩溶等富水病害源，局部改线成为绕避突水突泥段的重要措施

直接疏排：采用泄水管等方式将断层、溶洞（溶腔）等含水构造中的水排出洞外，从而起到释放能量、卸载压力的作用施工方案优化：为了降低隧道施工扰动对断层、溶洞（溶腔）等含水构造的影响，选择合适的开挖方案，全局优化施工工序，以期最大限度地降低扰动

近端注浆加固：基于“近端加固”理念，对临近隧道开挖面的渗水通道进行注浆加固，形成隔水结构，以达到控制渗流、加固围岩的效果11.1突涌水机理与防治技术目录11.1突涌水机理与防治11.2围岩变形破坏与控制11.3岩爆灾害机理与防治11.4高温热害防治11.5有毒有害气体防控第11章片帮地下工程安全与灾害防治片帮是高地应力硬脆性岩体中常见的一种宏观破坏现象，表现为地下洞室开挖后岩块的片状或板状剥落，常见于洞室的顶拱、拱肩部位。岩块剥落通常呈洋葱皮形状，中间厚、两端薄，并有一定弯曲形态片帮通常在开挖后数小时发生，并且随着时间的推移片帮深度及范围逐渐扩大，破坏可持续数天或更长时间片帮的面积则与洞室规模相关。与岩爆相比，片帮破坏的烈度相对较弱，一般无岩块弹射现象，但其更为普遍，发生更为频繁，对现场施工人员的安全构成威胁地下洞室围岩片帮后形成的凹坑及剥落的岩块11.2围岩变形破坏与控制第11章围岩破裂地下工程安全与灾害防治围岩破裂是地下洞室开挖过程中较为普遍的一种破坏现象，在高地应力环境下尤为显著。围岩破裂有多种表现形式，包括浅层围岩的开裂、劈裂、板裂以及深部岩体开裂，有时围岩破裂程度较高还会发生塌落围岩开裂和劈裂多发生于浅层部位，在地下洞室的顶拱、边墙以及墙脚都有可能出现。在地下厂房的高边墙区域，有时会出现竖向分布的劈裂缝板裂则是围岩破裂的一种特殊形式，主要表现为围岩被多组近似平行于临空面的裂纹切割为板状或层状，有时这些岩板还会向临空面进一步弯折断裂（a）劈裂剥落（b）板裂11.2围岩变形破坏与控制第11章围岩大变形地下工程安全与灾害防治围岩大变形的主要特征为累计变形量大，可能出现局部喷护混凝土开裂、锚索失效等现象。围岩大变形有多种表现形式，有的表现为变形的瞬时阶跃，即在短时间内变形增幅较大，有的也表现为时效变形，即变形随时间不断增长，最终累计变形较大。大变形的影响范围也不尽相同，有的发生在距开挖临空面较近的浅层围岩，有的会受围岩损伤扩展或局部地质缺陷影响而发生在深部。11.2围岩变形破坏与控制第11章塌方地下工程安全与灾害防治由于我国西南山区构造作用强烈，地质条件复杂多变，同时水电、交通等地下工程规模较大、洞线较长，洞室开挖期间极易遭遇不良地质构造，因此，塌方也成为了一种较为普遍的破坏现象塌方既包括局部岩体结构面发育、自稳性差而导致的掉块、塌落，也包括沿大型地质构造（如断层、破碎带）发生的掉块、垮塌。塌方的发生部位以洞室顶拱居多，也有的出现在边墙部位由于突发性强、危害性大，因而塌方是地下工程施工过程中一种极为严重的病害（a）锦屏I级地下洞室群（b）大岗山地下厂房顶拱11.2围岩变形破坏与控制第11章机理分析地下工程安全与灾害防治地下洞室开挖后，若围岩应力小于岩体的屈服极限，则围岩处于弹性状态，洞室无需支护即可处于稳定状态。若围岩应力超过岩体的屈服极限，围岩由弹性状态转变为塑性状态。处于塑性状态的围岩所在区域为塑性区（或非弹性变形区）洞室开挖后围岩的二次应力调整情况非常复杂，与洞室开挖形状、围岩力学性质等均有关，为了便于计算，以标准圆形断面洞室为例，并假定围岩为理想弹性体，根据弹性力学理论，可以推导出在距洞室中心为r处微元体弹性区内二次应力为：为弹性区内径向应力

为弹性区内环向应力p为作用在岩体上的初始应力pi为支护力c为岩体的黏聚力φ为岩体的内摩擦角11.2围岩变形破坏与控制

第11章地下工程安全与灾害防治机理分析塑性区内二次应力为为塑性区内径向应力为塑性区内环向应力下图展示了从洞室周边沿径向（Or轴）上各点应力的分布规律，其中虚线表示围岩二次应力的弹性分布规律，实线表示围岩二次应力的弹塑性分布规律。当围岩处于塑性区时，环向应力

随r增大而增大，在弹、塑性区的交界处达到最大值，进入弹性区，环向应力随r增大而减小，并最终恢复到原岩应力状态。径向应力

随r增大而增大，最终恢复到原岩应力状态虽然上述围岩二次应力调整情况的理论推导过程中做了简化假设，应力分布理论公式仅适用于理想弹性的标准圆形断面洞室，但围岩应力分布的概化模型及变形分区也适用于马蹄形、城门洞等其他断面形状洞室的弹塑性开挖围岩二次应力分布规律11.2围岩变形破坏与控制第11章围岩分区地下工程安全与灾害防治围岩分区示意图基于围岩应力分布及变形特征，洞周岩体自洞壁（A点）至深部（Or轴+∞方向）可划分为以下4个区域松动区（AB）：岩体裂隙广泛分布，岩体强度明显降低，由于开挖卸荷使得岩体应力低于原岩应力，故也称应力降低区塑性强化区（BC）：岩体呈塑性状态，但具有较高的承载能力，岩体处于塑性强化阶段。区域内岩体应力大于原岩应力，应力最大值出现在弹性区与塑性区的交界面弹性变形区（CD）：岩体在二次应力作用下仍处于弹性变形状态，各点的应力均超过原岩应力，并随着远离洞室的方向逐步恢复到原岩应力状态未扰动区（AD以外的区域）：由于未受开挖影响，岩体仍处于原岩应力状态11.2围岩变形破坏与控制第11章主要影响因素地下工程安全与灾害防治大量工程实践及研究结果表明，围岩变形失稳的主要影响因素包括岩体特性、地应力场、洞室结构和施工因素等。其中，岩体特性和地应力场是最关键的因素。这是因为地下工程的选址一经确定，所处环境的工程地质特性和地应力场均无法更改，直接影响洞室围岩安全稳定。岩体特性中，岩体的强度特性和结构特性对围岩稳定的影响最为明显，而地应力是地下工程结构承受的主要外荷载，也是引起围岩变形失稳的根本作用力11.2围岩变形破坏与控制第11章主要影响因素地下工程安全与灾害防治地下洞室所处位置、轴线方向、形状尺寸、空间结构会对二次应力场的分布产生影响，不同的布置及结构特征会在空间上与地质构造形成一定的组合关系，也会影响洞室开挖后围岩的稳定状态。施工过程包括开挖和支护两个环节，开挖改变了围岩的应力状态使得应力重新分布，是围岩变形失稳的前提，而支护措施则起到了控制围岩变形、防止病害发生的作用。11.2围岩变形破坏与控制第11章防治措施—片帮地下工程安全与灾害防治片帮属于高地应力破坏现象，其防治可从开挖方案设计、开挖施工方法和支护手段三方面入手。施工方法方面，宜采用“短进尺、弱爆破、光面爆破技术”等方式以改善围岩开挖后的应力状态。支护措施方面，快速施作初期支护对增加围压对于限制围岩开裂、片帮十分关键，可考虑采用新型快速锚杆、新型早强混凝土实现及时支护对已发生片帮的部位，对剥落及松动岩体进行清除后，可调整系统锚杆为预应力锚杆、适当增大喷护混凝土厚度，可增设主动防护网，对片帮掉块进行拦挡，以保证洞内施工人员及设备安全。11.2围岩变形破坏与控制第11章防治措施—围岩措施地下工程安全与灾害防治围岩破裂与开挖期间应力演化和集中密切相关，因此对该问题的防治可从洞室结构与开挖方案设计、开挖施工方法和支护手段三方面入手为避免开挖期间的应力集中，在施工前期可对洞室的布置、体型和开挖方案进行优化设计。如根据地应力方向选取洞室的轴线方向，选定适宜的洞室体形或断面形状，优化开挖分序顺序在施工阶段，可采用预裂爆破、光面爆破以及预留保护层开挖等方法，以减弱爆破对围岩的损伤，避免快速卸荷导致的围岩松弛开裂支护方面，针对围岩的破裂损伤问题，支护的系统性和及时性十分关键。紧跟掌子面的喷锚支护能够及时有效维持围压水平、抑制浅层围岩开裂，同时应采用浅层-深层联合支护方式以控制围岩破裂的渐进发展，如喷层+系统锚杆+系统预应力锚索的支护体系，可提高围岩完整性和承载力、改善应力状态、限制破裂损伤向深部扩展，对于破裂风险突出的部位可适当加密锚杆或采用预应力锚杆、对岩体进行注浆等方法11.2围岩变形破坏与控制第11章防治措施—围岩大变形地下工程安全与灾害防治针对围岩大变形问题，可从开挖方案设计、开挖施工方法和支护手段三方面采取防治对策首先对地下洞室群的分层分区开挖方案进行优化设计，采用“薄分层、多分区”的理念，减少每层开挖的应力释放，降低快速卸荷导致的围岩变形爆破施工方法方面，可采用预裂爆破、中部拉槽、光面爆破、预留保护层等手段，控制爆破引起的岩体损伤支护方面，应及时施作浅层（喷锚）支护，提高浅层围岩完整性，充分发挥围岩自承能力，控制表面变形；适时进行深层（锚索）支护，抑制围岩变形向深部发展。针对围岩变形特性合理设计锚索性能参数，避免锚索超限失效。对于不同地质状况及变形响应特征部位，有针对性地进行差异化支护，对不良地质构造发育部位控制爆破开挖并加强支护，局部岩体性质较差处如有必要可进行预固结灌浆。应加强施工期间的变形监测，及时发现异常。当大变形发生时，及时采取加固补强措施，实现洞室群施工的动态调控11.2围岩变形破坏与控制第11章防治措施—塌方地下工程安全与灾害防治当洞室顶拱存在不稳定块体时，根据情况可人工清除，或利用导洞提前支护，对揭露的块体边界及时锁口当局部岩体完整性差时采用短进尺、强支护，先随机支护，再系统支护对于洞室交叉部位的不稳定块体，可通过支洞对块体提前加固，然后逐步开挖、控制爆破，避免一次性揭露块体当顶拱部位发育有大型断层或软弱错动带时，可根据其发育情况对顶拱开挖步序进行优化，同时通过中导洞对错动带进行锚杆或锚索加固，必要时可对其下盘岩体进行注浆固结。对于大型软弱结构面与其他节理裂隙组合的情况，若岩体较为破碎可进行超前固结灌浆，开挖期间锚杆跟进支护，根据结构面发育情况有针对性地布设锚杆，有必要时可采用锚索加强支护11.2围岩变形破坏与控制目录11.1突涌水机理与防治11.2围岩变形破坏与控制11.3岩爆灾害机理与防治11.4高温热害防治11.5有毒有害气体防控第11章岩爆概念地下工程安全与灾害防治岩爆是指在深埋地下洞室开挖过程中，储存于岩体中的弹性应变能突然释放进而导致岩体的爆裂松脱、抛掷弹射甚至整体崩垮的动力失稳现象，是一种由渐进破坏导致突变的工程地质灾害岩爆发生于深埋硬岩洞室开挖之后，其主要特征包括岩块爆落和出现爆裂声，有时也有岩块弹射现象。岩爆既有开挖后立即出现的，也有“时滞型岩爆”地下洞室群岩爆破坏11.3岩爆灾害机理与防治第11章岩爆分类地下工程安全与灾害防治由于岩爆的复杂性，学术界对关于岩爆的定义还没有形成统一认识，但可以归纳为以下两类观点：一是以岩爆破坏现象为出发点的观点；二是以岩爆破坏机制为出发点的观点岩爆一般分为应变岩爆和冲击岩爆。应变岩爆主要发生在高应力、完整的硬脆性深部岩体中，具有突然性和难预测的特点，高烈度岩爆相当于小型地震冲击岩爆一般发生在开挖完成后，其冲击载荷来自爆破冲击、顶板垮落11.3岩爆灾害机理与防治第11章岩爆机理分析地下工程安全与灾害防治岩爆属于应力主导型破坏，其破坏类型和成因机制较为复杂，多发生于洞室开挖后的应力集中区域，它的产生条件主要包括：岩体内储存着很大的应变能，且岩体坚硬新鲜完整，裂隙极少或仅有隐裂隙，具有较高的脆性和弹性，地下水较少，岩体干燥，洞室埋深较大地应力量值高岩爆发生是在不同的地质和开挖条件下，多种能量（重力能、势能、构造能量）之间相互组合和转化过程中发生的复合型能量在空间上非均匀积蓄，在时间上非稳定转化的过程。岩爆发生遵循三条规律，分别为能量的储存规律、能量释放的地质规律和能量释放的工程规律岩爆破坏机制11.3岩爆灾害机理与防治第11章岩爆防治措施地下工程安全与灾害防治在现场工程中，与岩爆关联的因素包括地质条件、开挖方式、隧洞断面形状以及支护条件等等，客观影响因素多，因此目前发展了很多主动防控岩爆的手段。例如优化隧洞开挖布局、应力释放钻孔、超前应力解除爆破等。上世纪70年代，有学者提出能量支护理论，认为支护结构可以与围岩相互作用并共同变形，从而吸收掉一部分围岩释放的能量，达到防治岩爆的目的11.3岩爆灾害机理与防治目录11.1突涌水机理与防治11.2围岩变形破坏与控制11.3岩爆灾害机理与防治11.4高温热害防治11.5有毒有害气体防控第11章高温热害问题—我国高温热害现状地下工程安全与灾害防治为拓展自然资源开发，我国水电、采矿、交通等工程向地形地质条件复杂的高山峡谷地区延伸受不良地质条件与强烈构造运动影响，西部艰险山区目前的铁路和水电工程建设以及矿产资源开采中许多拟建与在建的地下工程常面临着突出的高温热害问题例如，正在施工建设的川藏铁路工程线路位于地中海—喜马拉雅地热带，地热异常区分布广泛，高温高压水害突出，约有15座隧道存在高温热害问题。11.4高温热害防治第11章高温热害问题—高温热害成因地下工程安全与灾害防治随着近地表浅层资源的日益枯竭，资源开采及地下空间开发利用等活动正不断向地球深部拓展。当地下工程的埋深增加时，围岩温度将在地壳平均25℃/km的地温梯度作用下逐渐上升对于构造运动活跃的板块边缘地带，由于板块间的相互碰撞、消亡或增长以及板内的深大断裂的拉张和挤压活动，深部热物质以及高温高压下岩石重熔形成的岩浆将产生上涌和侵入活动，进而在地壳下10~20km深度处形成岩浆囊等地下高温热源施工过程所进行的机械开挖等人为因素也会导致高温热害11.4高温热害防治第11章高温热害问题—高温热害的分类地下工程安全与灾害防治准确、合理的热害分类分级是在充分掌握工程热环境的基础上，预测高温环境对人体生理健康危害程度的重要判据，也是高温环境下合理防治热害的前提，因此各行各业对高温作业场所提出了不同的热害分级在水利水电工程中，《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303—2004）规定隧道内工作环境温度不得超过28℃在交通工程建设中，《铁路隧道施工规范》（TB10204—2007）和《公路隧道施工技术规范》（JTGF60—2009）[10]均规定隧道工作环境温度不得高于28℃对于资源开采领域，2010年颁发的《煤矿安全规程》规定，生产矿井采掘工作面的空气温度不得超过26℃，机电设备硐室的空气温度不得超过30℃11.4高温热害防治第11章高温热害对地下工程建设的影响地下工程安全与灾害防治当使用钻孔爆破技术进行地下工程开挖作业时，高温环境将导致炸药的分解热不易逸散，从而造成炸药内部温度的积累，使反应转变为剧烈燃烧，最终增大重大安全事故发生的可能性普通导爆管、雷管等起爆器材只能在一定的温度范围内正常使用，在高地热环境下可能失效，进而导致炸药发生拒爆，留下安全隐患。当采用TBM进行地热异常区的地下工程开挖时，高温环境将导致主电机功能下降、电缆短路及设备电气故障，进而降低TBM的掘进效率。高温热害除阻碍施工进程外，还会对喷层、衬砌等混凝土结构的水化反应产生影响，甚至诱发隧道支护结构失效。硐室内部的高温工作环境将对施工人员的身心健康和劳动效率产生极大的负面影响。当环境温度超过26℃时，每升高1℃，劳动效率会降低6%至8%。11.4高温热害防治第11章高温热害防治技术地下工程安全与灾害防治采用喷雾降温、通风降温、隔绝热源以及人工制冷等措施对地下工程的高温热害进行防治洞内喷雾降温：喷雾降温技术是一种通过高压喷头将低温冷水雾化，进而利用水的蒸发吸热来对在高温地下巷道进行降温的方法。该技术具有快速降温、节能环保、安装灵活的优点，能有效改善高温作业环境，增加空气湿度，抑制粉尘和静电，广泛应用于隧道施工和矿井作业中但当施工场地湿度较高时，采取喷雾降温措施无法通过水的蒸发吸热来降低施工场地温度，还需结合其他辅助降温措施11.4高温热害防治第11章高温热害防治技术地下工程安全与灾害防治通风降温技术是一种通过机械通风设备调节和降低地下工程环境温度的方法利用风机产生空气流动，将外界较低温度的新鲜空气引入作业区域，同时排出热空气和有害气体，达到降温和改善空气质量的效果。在实施施工中需选择合适的风机型号和功率，并合理布置风管，确保新鲜空气均匀覆盖作业区域11.4高温热害防治第11章高温热害防治技术地下工程安全与灾害防治隔绝热源技术是一种通过物理屏障或隔热材料来阻断或减少热量传递的方法，其原理是利用隔热材料或结构设计将热源与工作区域隔离，减少热量通过传导、对流和辐射的方式进入作业区域，从而降低环境温度其优点包括高效隔热，显著降低工作区域温度；减少冷却设备的能源消耗和运行成本；同时隔热材料通常具备良好的耐久性和稳定性11.4高温热害防治第11章高温热害防治技术地下工程安全与灾害防治当采用隔绝热源、加强通风措施不足以消除热害，或技术经济效果不佳的情况下，需采取人工制冷降温技术。人