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岩溶隧道突水突泥影响因素及对策【摘要】本文主要从岩溶涌突水突泥的机理、隧道突水突泥的影响因素、整治措施三个方面对岩溶隧道突水突泥影响因素及对策进行阐述。
【关键词】隧道；突水突泥；对策一、前言随着我国经济的发展，公路的铺设也越来越广。
在公路施工时，难免会开挖隧道。
由于我国的地质复杂，在岩溶隧道施工时时常有突水突泥的情况发生。
如果处理不当回严重的影响地下水环境。
下文将对此问题进行论述。
二、概述我国是个多山国家，75%左右的陆地国土均为山地或重丘。
由于隧道具有对地表自然环境破坏较小、缩短行车里程等优点，在山区高等级公路建设中越来越多地被采用。
据不完全统计，截至2009年底，我国公路运营隧道共计5627座，其中特长隧道190座，82.11 万延米。
从已有的工程来看，隧道工程主要是通过影响水环境而造成生态环境破坏。
隧道开挖破坏隧址区域地下水的原有平衡，影响地下水正常的循环，从而造成一系列生态环境问题及效应，其中，又以隧道涌水表现最为突出。
山岭隧道建设中，因开挖形成临空面，使地应力重新分布而形成岩体松弛带，使岩体的渗透系数增大，改变了天然渗流场（通常使天然隔水断层变成导水断层），导致隧道渗水或涌水。
大量的地下水渗漏可能会对隧道施工和营运造成不利影响，与此同时，隧道建设也会对地下水产生一系列不利影响，二者之间有着复杂的联系。
三、岩溶涌突水突泥的机理1、止水岩柱受拉破坏经验和计算表明,在高水压作用下,岩溶区隧道开挖过程中,一定要留够一定厚度的安全岩柱,安全岩柱的厚度越大和强度越高,越不易突水,否则,很容易发生涌突泥,合理的安全岩柱可以通过工程类比法、解析法、数值计算法等方法获得。
工程类比法就是根据相似条件下隧道开挖未产生涌突水的岩柱和开挖产生突水的岩柱厚度的对比分析,同时根据围岩松动圈、裂隙扩展长度等确定。
2、裂隙的剪切破坏对于软弱围岩或节理裂隙发育的岩溶隧道,岩溶突水基本符合为摩尔-库仑强度强度理论,即当土体中某点的任一平面上的剪应力达到土的抗剪强度时,就认为该点已发生剪切破坏,该点也即处于极限平衡状态。
岩溶隧道突水灾害与防治研究一、本文概述岩溶隧道突水灾害是一种常见且具有极大破坏性的自然灾害，对隧道施工安全、运营稳定以及周边生态环境构成严重威胁。
本文旨在全面探讨岩溶隧道突水灾害的成因、机理、预测方法以及防治措施，以期为相关领域的理论研究和实践应用提供有益的参考。
文章将对岩溶隧道突水灾害的定义、类型及特点进行概述，明确研究对象和范围。
深入分析岩溶隧道突水灾害的成因，包括地质条件、水文环境、施工因素等多方面的影响。
在此基础上，探讨突水灾害的发生机理，揭示其演化过程和影响因素的相互作用关系。
接下来，文章将介绍岩溶隧道突水灾害的预测方法，包括地质勘探、数值模拟、监测预警等方面的技术手段，以期实现对突水灾害的有效预警和防控。
重点阐述岩溶隧道突水灾害的防治措施，包括工程治理措施和非工程治理措施，旨在提高隧道的抗灾能力和保障隧道运营安全。
通过本文的研究，旨在为岩溶隧道突水灾害的防治提供科学、合理的技术支持和理论依据，推动相关领域的技术进步和工程实践，为保障隧道施工安全、运营稳定以及周边生态环境的可持续发展做出贡献。
二、岩溶隧道突水灾害的成因分析岩溶隧道突水灾害的成因多种多样，主要包括地质构造因素、水文地质条件、工程施工因素和运营管理因素等。
地质构造因素是岩溶隧道突水灾害发生的基础。
岩溶地区的地质构造复杂，岩溶发育强烈，岩溶管道和溶洞分布广泛。
这些岩溶构造的存在为地下水的流动提供了通道，一旦隧道穿越这些区域，就存在突水的风险。
岩溶地区的断层、褶皱等构造也会对地下水的流动产生影响，增加突水的可能性。
水文地质条件是岩溶隧道突水灾害发生的重要影响因素。
岩溶地区的水文地质条件复杂，地下水位高、水压大，且地下水动态变化复杂。
隧道施工过程中，若未能准确掌握地下水的情况，或未能采取有效的排水措施，就可能导致突水灾害的发生。
再者，工程施工因素也是岩溶隧道突水灾害发生的重要原因。
隧道施工过程中，若未能严格按照设计要求进行开挖，或未能采取有效的支护措施，就可能导致隧道围岩失稳，进而引发突水灾害。
岩溶隧道突水突泥影响因素分析摘要：针对岩溶隧道突水突泥灾害，从岩性、地质构造、水动力条件三个方面进行了简要分析，得出岩溶隧道突水灾害发育的特点和必要条件，并结合现场案例对突涌水进行了具体分析，为岩溶隧道防治突水突泥灾害提供参考与依据。
关键词：岩溶隧道；突水突泥；影响因素1 引言我国可溶岩地层分布广泛，约占我国国土面积的1/3[1]。
随着铁路公路隧道建设向长、大、深方向发展，在这些岩溶地区修建隧道，极易诱发大规模的突水、突泥等灾害，不仅影响隧道施工进度，而且会给施工人员的生命财产安全造成重大损失。
因此，在岩溶地区开挖隧道，首先要查明岩溶发育规律，从而有针对性的提前采取措施，降低岩溶突水突泥等灾害发生概率。
2 岩溶隧道突水主控影响因素岩溶发育影响因素较多，主要影响因素大致可以分为三类：地层岩性；地质构造；水动力条件。
其中地层岩性是基础，地质质构造是主导，水动力条件则是决定性因素[2]2.1 地层岩性（1）岩层矿物成分岩层的化学及矿物成分中可溶成分占比越大，岩层被溶蚀的概率越高，石少帅在区域突涌水孕灾性评价指标和分级标准中认为当灰岩中可溶岩CaCO3含量大于75%时区域孕灾性极强[3]。
李术才通过对大量突涌水案例进行分析认为在常见的碳酸盐类岩石中，灰岩、白云岩、硅质灰岩、泥灰岩中的岩溶发育程度依次降低[4]。
岩层的可溶成分，直接决定了岩溶发育的规模与程度，加强对隧址区岩性成分的判定有助于岩溶突涌水风险的识别与判定。
（2）岩层产状岩层产状决定了水对于深部岩体的侵入程度。
对于水平产状岩层，岩层与上部地表水等接触面积较大，但由于岩体的渗透系数较小，决定了水体向下转移受阻；对于垂直产状岩层，地表水能够通过节理裂隙，岩层间接触面等向下运移，但由于上部汇水条件较差导致水对下部岩体侵蚀程度有限。
一般认为岩层倾角为20°～60°的单斜构造岩溶最为发育。
（3）岩层组合岩层组合主要指的可溶岩层与不可溶岩层组合。
岩溶地区隧道突水机理及防治措施WANG Zihong;FU Huibin;MA Weibin;MA Chaofeng【摘要】通过对我国西南地区渝怀铁路圆梁山隧道的分析发现含水结构中储有能量、岩溶水压力对岩体的应力作用、含水结构围岩的稳定性被破坏是隧道突水涌泥发生的必要条件;依据阻水结构性质将岩溶隧道的突水模式划分为防突岩层破坏型与填充介质渗透失稳型2大类.据此提出土石回填、超前小导管支护、注浆加固、加强监控量测等岩溶隧道突水涌泥综合防治措施,可为类似工程建设提供借鉴.【期刊名称】《铁道建筑》【年(卷),期】2019(059)006【总页数】4页(P81-84)【关键词】岩溶隧道;防治措施;机理分析;突水涌泥;突水模式【作者】WANG Zihong;FU Huibin;MA Weibin;MA Chaofeng【作者单位】【正文语种】中文【中图分类】U457+.21 隧道突水类型及产生条件祼露与覆盖的碳酸盐岩总面积占我国国土总面积的20%。
隧道常常穿越岩溶等不良地质条件区域，由于岩溶导致的地质灾害给隧道工程带来大量施工安全问题。
隧道突水主要是指隧道在实际施工过程中大量水体或各种泥水混合物沿着岩层不良地质构造如岩溶管道、断层、地下暗河等，突然之间快速地涌入隧道内 [1]。
隧道突水分类见表1[2]。
表1 隧道突水分类划分依据突水类型突水形式瞬时突水型稳定涌水型季节性突涌水型突水源裂隙型突水断层型突水溶洞溶腔型突水阻水结构隔水岩体破裂突水填充介质失稳突水管道与地下暗河型突水隧道突水取决于突水源、突水通道和防突岩层3个方面。
突水源是突水灾害形成的源动力，储存一定的能量；突水通道是突水的运行通道，即泥砂与地下水混合物迁移的地方，是突水灾害形成的必要条件；防突岩层是突水流入隧道的障碍。
2 岩溶地区隧道突水机理2.1 突水涌泥形成的必要条件我国西南地区隧道普遍具有岩溶发良、渗透压力大、地应力特别大等特点。
该地区的突水类型一般以岩体高压水力裂隙型为主。
岩溶区地铁车站基坑突涌水机理分析及处理实践岩溶是地质学上的一个专有名词，用来形容地下溶蚀作用造成的一种地貌。
岩溶区地下水资源丰富，但也容易引发地铁车站基坑突涌水等问题。
本文将从岩溶区地铁车站基坑突涌水的机理分析出发，结合实际案例，探讨如何处理这一问题。
1. 地质条件岩溶区域常见的地质条件包括岩溶岩层、岩溶洞穴等。
岩溶岩层具有孔隙和裂隙系统，使得地下水流动迅速，且易于形成地下水悬挂、地下水涌出等现象。
而岩溶洞穴则增加了地下水的流动路径，为地下水突涌提供了渠道。
2. 施工活动地铁车站基坑施工活动往往会破坏地下水系统的平衡，导致地下水的突涌。
基坑挖掘、开挖周边土层等作业可能会导致地下水的涌出或悬挂现象。
3. 地下水位在岩溶区域，地下水位往往较高，且存在坡度大、水位不稳定等问题，使得地下水容易突涌至基坑内部。
岩溶区地铁车站基坑突涌水问题主要是由于地质条件和施工活动导致地下水平衡破坏所致。
为了有效处理这一问题，需要结合地质勘察、工程施工等方面，提前做好防范和应对措施。
1. 前期勘察在设计和施工前，应对地下水位、地下水流动状况、地下水渗流条件等地质情况进行充分勘察。
通过地质勘察，可以辨别岩溶岩层、岩溶洞穴等地质条件，为后期施工提供参考依据。
2. 设计防渗结构针对岩溶区域地下水位高、渗流快等特点，设计防渗结构是处理突涌水问题的重要手段。
可以采用防渗墙、防渗板等结构，有效隔离地下水，避免突涌发生。
3. 合理施工在施工过程中，要遵循合理的施工工艺，控制基坑周边土层的开挖速度，降低对地下水平衡的影响。
要做好地下水的排水工作，及时清理渗水管道，避免地下水积聚。
4. 建立监测预警系统在施工过程中，应建立地下水监测预警系统，及时掌握地下水位变化情况，一旦发现异常情况，立即采取措施进行处理，避免突涌水情况的发生。
5. 处理突涌水事故在实际施工中，如果发生突涌水事故，应及时采取应对措施。
可以采用加固基坑支护结构、进行紧急排水等方式，减少不利影响，保证施工进度。
基于层次分析法(AHP)的岩溶隧道突水风险评估研究
吕桂军
【期刊名称】《中国水运》
【年(卷),期】2024()4
【摘要】我国西部岩溶发育广泛,常常会引发突水灾害,为此对西部岩溶隧道突水致灾构造原因进行了分析,通过层次分析法将隧道分解为地质结构、水文条件、围岩特征、隧道特征4个部分,然后依据指标间重要性构建判断矩阵,确定指标权重,建立了一套对岩溶隧道突水风险安全性进行科学有效的评估机制,最后以隧道
DK361+257-DK366+500之间的隧道掌子面作为案例研究,结果表明根据层次分析法得到的评价结果与实际结果相符合,说明该方法具有一定的可靠性和准确性,为安全评估模型建立与灾害控制措施提供了支持。
【总页数】3页(P145-147)
【作者】吕桂军
【作者单位】黄河水利职业技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】U452.11
【相关文献】
1.基于层次分析法的铁路隧道岩溶风险评估与处理措施研究
2.基于层次分析法的铁路岩溶隧道突水风险评价
3.基于加权平均法的岩溶隧道突涌水风险评估
4.基于层
次分析法和云模型的隧道突涌水风险等级预测5.基于Delphi法和模糊层次分析法的隧道突水风险评价
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隧道涌水塌方成因机制分析及处治技术摘要：目前关于隧道涌水塌方的研究相对较多，但是对于突泥涌水的发生依然难以避免。
由于隧道工程项目施工所处的地质状况较为复杂，且不可预见性较强，都会导致隧道施工中出现突泥涌水塌方现象。
因此文章结合工程实例，对隧道突泥涌水塌方形成的原因以及处治技术进行了详细的探讨，期望能够起到一定的借鉴作用。
关键词：隧道；涌水塌方；成因；处治技术隧道、隧洞水的主要来源有:地表水体、老窖或古矿洞水、溶洞或暗河水、断层水、含水层水。
它们一方面通过发生涌水或突水威胁施工，另一方面通过软化软质岩提高围岩级别(降低围岩类型)影响围岩稳定性。
涌水及塌方是隧道施工过程中最常见的病害，也是最典型的工程病害。
一旦发生大规模涌水，不但对施工造成巨大损失，而且会引起浅层地下水枯竭。
因此要想确保隧道的顺利贯通，就必须做好涌水及塌方这些最常见病害预防工作，并在病害发生之后做好处治措施，这不仅是施工需要，而且也是以后的运营需要。
一、工程实例某隧道为高速公路一座上下行分离隧道。
左幅起讫里程桩号为ZK55+211～ZK56+085，长874m，最大埋深约105m；右幅起讫里程桩号为YK55+215～YK56+111，长896m，最大埋深119m。
隧道施工采用传统的钻爆法，分台阶实施，支护系统采用复合式衬砌，二次衬砌整体浇注。
隧址区属山脊地貌，路线整体上沿西东向山脊展布，总体上北高南低。
隧道进口处紧靠山间冲沟地带，地面标高一般880～920m，相对高差约40m，自然边坡坡向约0～30°，坡度5～20°，隧道出口处紧靠山间冲沟地带，地面标高一般840～880m，相对高差约40m，自然边坡坡向约110～130°，坡度10～30°。
揭露(出露)地层为第四系全新统残坡积(Q4el+dl)粉质黏土、碎石、块石，奥陶统湄潭组(01m)泥岩、泥灰岩、灰岩。
出露岩层属向斜构造，层面产状为81～295°，∠6～12°，进口处主要发育两组节理面:J1，245°∠85°；J2，350°∠80°；出口处主要发育两组节理面:J1，60°∠85°；J2，85°∠73°；均为闭合节理面。
第二章岩溶隧道突水机理及灾害特征第二章岩溶隧道突水机理及灾害特征 (1)2.1岩溶隧道涌水研究现状 (1)2.1.1岩溶区隧道涌水地质条件研究 (1)2.1.2岩溶区隧道涌水量预测研究现状 (2)2.2岩溶隧道突水机理 (4)2.2.1岩溶隧道突水类型力学分析 (4)2.2.2岩溶隧道突水机理分析 (6)2.3岩溶隧道涌水灾变特征 (7)2.3.1岩溶突水灾变水力特征 (7)2.3.2岩溶突水灾变频数特征 (8)2.3.3岩溶突水灾变充填物特征 (8)2.3.4岩溶突水灾变与工序关系特征 (9)2.3.5岩溶突水动态变化特征 (9)2.4岩溶隧道突水与环境的关系 (10)2.4.1岩溶水与生态环境的关系 (10)2.4.2岩溶隧道涌水与地下水的关系 (10)2.4.3地下水位与生态环境的关系 (11)2.1岩溶隧道涌水研究现状2.1.1岩溶区隧道涌水地质条件研究岩溶区隧道涌水研究必须要注重水文地质条件的研究, 因为每一种方法、公式的提出都是基于地质条件的研究基础之上的。
岩溶区地质条件一向比较复杂, 从隧道施工期发生的比较严重的涌水事件来看,岩溶区易发生涌水地质条件可以分以下四类: 1）向斜盆地形成的储水构造；2）断层破碎带、不整合面和侵入岩接触面；3）岩溶管道、地下河；4）其他含水构造、含水体。
以上只从宏观上列举了一些可能发生严重涌水的地质条件, 这是远远不够的, 对隧道涌水条件应进行详细研究, 这是其他隧道涌水研究工作的基础,必须予以重视。
2.1.2岩溶区隧道涌水量预测研究现状目前涌水量预测计算方法很多, 主要有以下几种:1）近似方法这种方法主要包括涌水量曲线方程(一般称Q－S曲线)外推法和水文地质比拟法2 种。
预测时前者以勘探阶段抽(放) 水试验的成果为依据,后者则应用类似隧道水文地质资料来计算,但两者共同的应用前提是水文地质资料相似性,前者要求试验阶段与未来掘进阶段条件相似,后者则立足于勘探区与借以比拟的施工区条件一致,因此,属于近似的预测方法。
隧道工程课题研究论文（五篇）内容提要：1、隧道岩溶突水涌泥原因及处理策略2、谈公路隧道防排水关键施工技术3、谈明挖隧道深基坑支护施工技术措施4、谈隧道工程软弱围岩检测技术5、谈分离式偏压隧道施工过程仿真全文总字数：20325 字篇一：隧道岩溶突水涌泥原因及处理策略隧道岩溶突水涌泥原因及处理策略【摘要】隧道工程在受到复杂地质条件影响下，极容易导致隧道岩溶突水涌泥等问题的发生。
现阶段，要加强对隧道岩溶突水涌泥原因与形成机理的分析，并采取针对性处理措施，提高隧道工程的整体施工质量。
本文首先对突水涌泥的危害、成因做出分析，并结合工程案例对该问题的处理策略进行研究。
【关键词】岩溶隧道；突水涌泥；原因；处理策略引言在进行铁路、公路等工程的建设期间，经常会遇到岩溶突水涌泥问题。
对于突水问题而言，主要是指水流量超过了0.1m3/s，涌泥指的是地下水中泥沙的含量大于50%。
一旦工程建设过程中发生突水涌泥问题，不仅会对周围环境产生严重的污染，同时还会威胁到施工人员的生命安全。
因而，岩溶隧道建设前期要加强地质水文勘察，并积极做好风险评估，加强对突水涌泥等病害的防治效果。
1突水涌泥的影响因素与危害性分析1.1突水涌泥问题的影响因素一般来说，导致岩溶隧道施工期间发生突水涌泥问题的因素主要有两方面：自然因素、技术因素。
对于自然因素而言，隧道所处的地质环境、埋深、长度以及地震、暴雨等因素，都可能导致突水涌泥问题的发生。
另外，技术因素主要是指勘察、设计、施工技术的不合理应用，可能会对岩溶隧道的突水涌泥问题产生一定的影响。
1.2突水涌泥的危害性分析岩溶突水涌泥问题的发生，将对隧道的正常施工与后期运营产生极为不利的影响。
首先，岩溶隧道施工时，出现突发性突水涌泥现象的概率较高，由于突水量大，水中含有大量的泥沙，因而会对施工人员的生命与财产安全造成威胁，同时还存在着设备冲毁的危险。
其次，由于突水涌泥过程中会带走大量的泥沙，使得土体内部的空洞区域越来越大。
岩溶地区特长隧道突水、突泥机理及防治对策研究摘要：在隧道施工的过程之中，不良地质的出现是十分常见的，尤其是处在地下河管道、岩溶地区的隧道，其不仅易诱发坍塌，还有可能出现突水、突泥等安全事故的发生，给隧道施工带来非常高的安全风险。
笔者结合多年施工经验，探讨岩溶地区特长隧道突水、突泥机理，并针对性的提出防治对策，以期为其它隧道工程提供借鉴与参考。
关键词：岩溶地区；特长隧道；突水、突泥机理；防治对策前言当施工区域的地质为岩溶地质的时候，无论是开展公路铁路建设还是水利矿产工程，突水突泥的现象都会频频发生，有时甚至会出现塌方冒顶的现象，进而造成地下有害气体泄露等危机事件发生。
在上述列举的现象之中，对于岩溶地质而言，隧道的突水突泥现象是最为常见的，严重危害着工程的安全。
由此，要想顺利高效地建设岩溶地区的隧道，就必须加强对上述灾害的预防与处理工作，针对岩溶区突水突泥现象的预防与解决则更应当成为目前的重中之重。
1 工程概况永福屯隧道是广西桂林至柳城高速公路项目的一座特长隧道。
隧道起讫里程桩号左幅：ZK61+220-K66+860，长5640m；右幅：YK61+192-YK66+839，长5647m，隧道最大埋深约301m，洞轴线进洞走向方位角约262°，洞身段走向方位角约289°，出口走向方位角约282°，单幅隧道净空：11.0m×5.0m，左右幅进口洞门、出口洞门均采用削竹式。
永福屯隧道施工过程中，一共发生了4次大规模突水、突泥现象，严重影响隧道的施工进度，同时给项目造成一定的经济损失。
2 突水突泥灾害产生原因2.1地质原因在一定时期,如果水资源过于充足,突泥突水灾害也有可能发生。
故而，在河流或者盆地这样的具有丰富水资源的地区十分容易出现突泥突水现象。
与此同时,地区的地质岩性不同,发生上述现象的概率也不同,碳酸盐丰富的地区较一般地区更容易出现上述现象。
此外,地质易产生裂缝与皱褶的地方也是突水突泥现象的高发区,例如喀斯特地区与一些容易出现承压含水层灾害的地区。
刍议隧道岩溶突水因素及机理分析
杨君
摘要: 随着西部大开发战略的实施,我国的公路建设的重点已转移到山岭
重丘地区,由此产生了大量的山区隧道“多、长、大、深”已成为未来隧道发展的总趋势。
文章结合实际简单分析了岩溶隧道施工突水机理和模式以及岩溶突水围岩破坏模式，供同行参考。
关键词:岩溶山区;公路隧道;施工;突水机理;突水模式
1 岩溶突水的主要影响因素分析
1. 1 地质因素
要形成岩溶跟地质条件有关,只有可侵蚀性的岩层才会发育而形成溶洞。
当岩溶发育的岩层条件和水条件都具备时,岩溶作用即可产生并逐步发展,侵蚀性的水流在构造裂隙中流动使构造裂隙不断扩大形成溶蚀裂隙,继续发展
成溶洞,溶洞中岩溶水具有水量大而分布不均、流动迅速和集中排泄的特点。
(1)可溶性岩层地质构造褶皱带
向斜褶皱核部纵张裂隙发育,轴部易汇水,易形成溶蚀裂隙和溶洞,发育
成强岩溶带或暗河;在背斜褶皱翼部发育的层面裂隙和层间滑动裂隙通常是
过水通道,受溶蚀作用,易沿岩层走向发育椭圆或扁平状溶管或洞穴;与背斜
和向斜褶皱直交的横张裂隙一般张开性强、岩石破碎、胶结程度差、透水性强,容易起导水和汇水的作用也是岩溶发育带。
(2)断层破碎带
断层破碎带常因富水而成为岩溶富水带,张性断裂常因张开性好、孔隙较大而容易形成具有较大储水空间和暗河径流带,张性断裂横切褶皱或挤压性
断裂,使褶皱不同部位的地下水互相连通,成为地表水下渗和地下水径流的通道,从而形成岩溶突水。
(3)岩层间滑动带
很多沿层面走向发育的地下河都处在层间滑动带上,在石灰岩、白云岩与碎屑岩或煤系地层的接触面上最易汇集地下水和发生强溶蚀作用而形成岩溶突水。
(4)含水地层
如层状隔水层形成的含水体、岩溶地层中的孤立含水体等,都易形成岩溶突水。
1. 2 地表降水和气温因素
岩溶突水还跟气温的高低、降雨的多少和强度等因素有关。
气温的高低、总降水量、降水强度和降水量的季节分配、蒸发量以及地面径流量与渗透量
都影响突水量的大小。
在低温条件下,水的溶蚀力、流动交替和岩溶作用反应速度都较小,岩溶发育过程缓慢;随着温度的升高,岩溶作用增强。
降雨的多少和强度不仅影响水的渗透条件和水的运动交替,而且雨水通过空气和土壤层,形成的游离CO2能使岩溶作用大大加强。
因此,夏季雨量充沛,地表水径流和下渗容易转化为岩溶水,且携带大量泥砂,隧道容易发生突水涌泥,此外暴雨季节,地层水位迅速上升,水压力增大,隧道突发涌水的可能性极大。
2 岩溶突水机理分析
2. 1 岩溶隧道施工突水机理
在隧道施工之前,岩体处于自然平衡状态,隧道开挖时扰动了岩体,形成临空面,并在隧道周边形成松动圈,导致原有裂隙扩张和出现新的裂隙,改变了围岩的应力状态和地下水的流动状态,加速了水循环,而岩体的破裂首先是从围岩内的节理裂隙面开始的,当充水裂隙垂直方向受拉应力作用或者裂隙面上受剪应力作用时,不高的水压即可使其产生破裂,从而引起裂隙进一步扩展,水流在扩展方向的流动和劈裂又加剧了裂隙的扩展,从而诱发隧道突水。
因此,岩溶隧道施工突水机理归纳为:在隧道施工过程中中,由于隧道开挖引起围岩应力变化产生塑性区,当该塑性区与岩溶中充填物溶沟贯通时,则必然造成突水,这就是岩溶隧道施工中诱发突水灾害的根本原因。
2. 2 岩溶隧道施工引起的突水模式
岩溶隧道施工突水包括隧道开挖直接诱发突水、间接诱发突水和隧道开挖面后方突水三种模式。
(1)隧道开挖直接诱发突水
爆破或非爆破开挖直接破坏含水构造周围的地层,导致岩溶洞壁破坏,岩溶水突然涌出;隧道开挖直接揭穿高压、富水溶洞或岩溶造成隧道突水。
(2)隧道开挖间接诱发突水
爆破或非爆破施工导致岩体溶隙扩张,造成岩体局部应力集中和破裂,或出现变形和位移,不足以抵抗水压力、土压力和构造应力,逐渐失稳或破坏造成岩溶突水。
(3)隧道开挖面后方突水
隧道开挖扰动地层造成围岩松散压力增大或大气降雨造成水压力突然升高,使隧道后部的支护结构不足以抵抗地层中的土压力和水压力,支护结构局部或整体发生失稳和破坏,造成隧道涌水突泥。
2. 3 岩溶突水围岩破坏模式
(1)岩溶洞壁受拉破坏
岩溶区隧道开挖过程中, 岩溶洞壁必须具有一定的安全厚度,安全厚度
越大和岩层完整性越好以及强度越高,越不易突水。
否则, 在高水压作用下,隧道的开挖容易造成岩溶洞壁受拉破坏,从而发生突水。
岩溶洞壁的厚度受岩层完整性、岩溶充填介质、水压力以及水力路径、隧道尺寸大小以及与溶洞间的相互关系,溶洞的大小以及施工方法等因素有关,可以进行有限元数值模拟计算确定最小安全厚度。
(2)岩溶洞壁裂隙的剪切破坏
对于软弱围岩或节理裂隙发育的岩溶隧道,岩溶洞壁围岩的破坏基本符合摩尔- 库仑强度强度理论,即当土体中某点的任一平面上的剪应力达到岩层的抗剪强度时,就认为该点已发生剪切破坏,出现大的变形,从而导致岩溶突水的产生。
(3)岩溶洞壁裂隙的水力扩张破坏
岩溶地层中存在节理、裂隙,在高水压力的作用下,其裂隙张开和滑移,从而导致岩溶突水的产生。
(4)岩溶洞壁关键块体失稳
在高压、富水比较坚硬的岩溶地层中开挖隧道,围岩被节理和裂隙切割成各种类型的空间块体。
在隧道开挖以前,这些块体处于自然平衡的状态下。
隧道开挖以后,由于应力释放和高水压的作用使关键块体失去稳定,从而导致隧道其它块体变形和坍塌诱发隧道突水。
3 突水机理数值模拟分析
3. 1 模型建立
(1)工程对象及模型范围选择
以某高速公路隧道为工程对象。
左线K27+337~K28+040,全长703m;右线RK27+395~RK28+085,全长690m.隧道平面为双向四车道分离式隧道,隧道轴线间距为35~53m之间。
隧址区围岩为灰岩,钻探过程中曾在右线27+730~RK27+ 910段发现岩溶,岩溶距隧道顶高度约26m,溶洞高度约8 m. 该段长180 m,处于Ⅲ级围岩中。
隧道的埋深为50m, Ⅲ级围岩,隧道中心间的距离为42m,隧道左右边界为48m,隧道底部为21m. 隧道模型总宽150m,高80 m.
(2)溶洞的模拟
溶洞大小设计为矩形,经过长期溶蚀,已基本稳定。
并假设溶洞内全部填充透水土层,且岩溶洞壁为不透水层(如果岩溶洞壁为透水层,则隧道开挖后,突水自然发生) 。
溶洞尺寸的大小为宽2.8m、高度为2.0 m,在无水压状态下,洞壁厚度的变化分别为1.0 m、3.0 m、5.0 m,其变化幅度为2.0m. 采用大型通用有限元软件ANSYS完成,建立的模型如图1所示。
3. 2 计算结果
计算结果见表1和图2 - 4图所示。
图1 有限元模型
图2 N1最大塑性应变
图3 N2最大塑性应变
图4 N3最大塑性应变3. 3 计算结果分析
溶洞的大小相同,只是溶洞与隧道间的相互位置不同即洞壁的厚度不同时,从计算结果可以得出如下规律:
表1 不同洞壁厚度条件下计算结果表
(1)初始位移场和应力场基本相同,隧道开挖后,洞壁厚度不同时,其位移场和应力场也不相同;
(2)隧道开挖后,随着洞壁厚度的增加最大竖向位移、最大竖向拉应力和最大塑性应变值减小,而最大竖向压应力反而增加;
(3)当洞壁厚度从1 m变化到3 m时应力场和位移场的变化量值与洞壁厚度从3 m 变化到5m时相比其变化量值幅度随着洞壁厚度的增加而减小;
(4)随着洞壁厚度的增加,塑性区最大塑性应变值减小幅度比较大;
(5)从图上可以看出,随着洞壁厚度的增加,塑性区的大小有变化;特别是当洞壁厚度仅为1m时,其塑性区已经完全外包溶洞,即跨过了溶洞;而当洞壁厚度为3m和5m时,则塑性区的大小比较接近。
出现以上规律的原因分析:隧道的开挖,其围岩中的应力释放,进行应力重分布;当洞壁厚度比较小时,如1 m情况,则隧道开挖的应力释放直接影响到溶洞所在区域,由于溶洞是一个软弱带,所以塑性区直接穿过溶洞,导致洞壁围岩塑性破坏,从而发生突水突泥现象;当洞壁厚度比较大时,例如3m或5m情况,由于本围岩属于III级,其地层条件比较好(设计中锚杆的长度采用的是2.5m) ,隧道的开挖产生的围岩应力释放影响区域还在洞壁内,则洞壁靠近溶洞侧处于弹性受力状态,不会发生塑性变形,更不会破坏了,所以不会出现突水突泥现象;但是,如果溶洞内处于有压水状态,则在水的压力作用下,随着水压力的增加洞壁会发生塑性变形直到破坏,发生突水突泥现象。
因此,在隧道施工中洞壁的厚度是引起岩溶突水突泥的一个关键因素。
4 结论
本文主要就岩溶山区修建公路隧道引起的突水机理和模式进行了详细研究,在分析岩溶突水的地质因素、地表降水和气温因素的基础上,得出岩溶隧道施工突水机理为:在隧道施工过程中,由于隧道开挖引起围岩应力变化产生塑性区,当该塑性区与岩溶中充填物溶沟贯通时,则必然造成突水,这就是岩溶隧道施工中诱发突水灾害的根本原因。
通过对溶洞洞壁厚度不同进行的数值模拟分析,其结论为:
(1)初始位移场和应力场基本相同,隧道开挖后其位移场和应力场不相同;
(2)随着洞壁厚度的增加,塑性区最大塑性应变值减小幅度比较大;
(3)在隧道施工中洞壁的厚度是引起岩溶突水突泥的一个关键因素。
