鐵路隧道巖溶突水災害風險識別與預警方法研究.pdf

1、本文以滬昆高速鐵路等重大工程項目為依托，在系統(tǒng)總結大量隧道工程施工期巖溶突水災害案例的基礎上，研究了隧道工程巖溶突水災害的類型、特征、影響控制因素及災害模式。通過地震波三維成像、探地雷達和三維激光掃描試驗分析了巖溶儲水構造定位、近接溶洞巖體厚度等巖溶災害源的風險識別方法。通過數值模擬研究，分析了不同巖溶水壓力、不同溶洞規(guī)模、不同近接溶洞巖體厚度等條件下，隧道近接溶洞巖體的變形破壞特征及規(guī)律。借助于數值分析方法，研究了巖溶突水災害風險評價

2、，并結合巖溶突水地質災害臨界預警指標統(tǒng)計分析，在風險評價的基礎上進行了巖溶突水災害監(jiān)測預警系統(tǒng)研究。
　　主要研究成果如下:
　　(1)研究區(qū)隧道洞身多處穿越灰?guī)r、白云巖等可溶性碳酸鹽地層及可溶巖與非可溶巖的接觸地帶，巖溶發(fā)育強烈。地表巖溶形態(tài)主要為巖溶洼地、落水洞、溶溝、溶槽、石芽等，地下巖溶形態(tài)主要為暗河、溶洞、溶蝕裂隙及巖溶管道等，發(fā)育標高一般約1200～1500m。隧址區(qū)巖溶負地形發(fā)育密度大獨山隧道約為3個/km2，

3、崗烏隧道為4個/km2，斗磨隧道為4個/km2。大獨山隧道D1K855+300～D1K858+918段斷層帶內，共發(fā)育15個對隧道影響較大、規(guī)模較大的巖溶負地形，發(fā)育頻度極高。
　　(2)涌水量和水壓力是決定巖溶突水災害程度的重要因素，研究發(fā)現(xiàn)巖溶突水災害多數發(fā)生在高水壓、富水溶腔或破碎帶，低水壓、富水溶腔也會形成災害。通過資料總結，分別從巖溶涌水的涌水量級、涌水動態(tài)、儲水構造及突出物成分方面對巖溶突水災害的類型和基本模式進行了劃

4、分。結合滬昆客專大獨山等隧道的巖溶突水災害地質條件及形成機制，對大獨山、崗烏及斗磨三座隧道進行了宏觀的溶突水災害危險段區(qū)劃，為后期施工安全及風險預警提供了基礎資料。
　　(3)通過現(xiàn)場試驗，巖溶隧道不良儲水構造可以利用地震波三維層析成像技術進行遠距離識別，利用探地雷達技術進行近距離定位，同時結合超前鉆孔和三維激光掃描技術對近接溶洞巖體厚度及涌水量等風險源定位和估算。研究發(fā)現(xiàn)，地震層析成像圖譜中，完整硬質巖層的波速較高，呈現(xiàn)為黃色區(qū)

5、域，破碎含水巖層波速較低，呈現(xiàn)藍色區(qū)域，藍色與黃色斑點狀出現(xiàn)對應為含水破碎帶，藍色大面積連通是溶蝕裂隙發(fā)育的表現(xiàn)，而藍色區(qū)域立體呈現(xiàn)時多為溶洞發(fā)育，縱波與橫波之比突然降低是含水體的典型反應。在探地雷達圖譜中，充水溶洞的明顯特征為雷達波出現(xiàn)異常區(qū)，同相軸連續(xù)性好，波形均一，電磁波能量呈現(xiàn)規(guī)律性衰減;富水裂隙帶的明顯特征為介電常數增大，電磁波速度下降，同時出現(xiàn)強反射及繞射、散射現(xiàn)象，波形紊亂，同相軸不連續(xù)，頻率由高向低劇變。
　　(4

6、)通過數值模擬研究發(fā)現(xiàn)，隧道開挖后，近接溶洞巖體最大變形量發(fā)生在巖體幾何中心部位。當溶洞規(guī)模小于隧道直徑時，開挖后近接溶洞巖體變形量小，但是高水壓情況下也會引起較大的變形量。當溶洞規(guī)模近似于或大于隧道直徑時，水壓作用下巖體變形值較大。
　　(5)巖溶水壓作用下，近接溶洞巖體變形主要出現(xiàn)在開挖工作面0～1.0m的范圍內。近接溶洞巖體厚度一定時，隨著水壓力的增大，變形量逐步增大，當巖溶水壓力大于2.0MPa后最大變形量增加的趨勢明顯。

7、巖溶水壓力作用下，近接溶洞巖體厚度小于1.0m時巖體變形量較大，巖體厚度大于2.0m后，隨著巖溶水壓力的增大，變形量增加不明顯。
　　(6)通過巖溶突水災害影響和控制因素分析，構建了隧道工程施工期巖溶風險評價指標體系，評價指標體系由巖溶發(fā)育程度、地質構造、地形地貌、地表水和地下水系統(tǒng)以及隧道埋深與圍巖等六個一級指標和16個二級指標構成。使用模糊信息數學方法，對巖溶突水災害風險指標進行了量化分析，利用評價指標的權值和模糊信息綜合評價

8、方法建立了巖溶突水災害風險評價模型。結合大獨山隧道、崗烏隧道及斗磨隧道等重點地段巖溶突水災害風險評價實例，證明了隧道工程施工期巖溶突水風險評價指標體系和風險評價模型的適用性。
　　(7)在巖溶突水災害風險評價研究成果基礎上，以水壓力、涌水量及圍巖變形量為預警指標，提出了巖溶突水災害“四色”預警等級及預警指標的分級。借助于超前地質預報與實時監(jiān)測數據進行了動態(tài)化的巖溶突水災害風險評價，通過預警指標監(jiān)測數據與風險評價結論的疊加耦合分析，