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摘要:岩溶隧道的突水灾害特征非常显著,如流量较大,水压较高等等,属于多种类、强突发类型,具有极为复杂的灾害演变历程,目前仍不明确灾害动力失稳的规律问题。本文浅要分析了岩溶隧道突水灾害的形成机理,对未来灾害研究的发展趋势者进行了重点剖析,以供借鉴和参考。
关键词:岩溶隧道;突水灾害;形成机理;发展趋势
1引 言
本文以云南某高速公路隧道工程为例,该高速公路隧道的全长为20km,占总线路长度的30%左右,隧道的最大埋深为1800m,隧道最长的为5.2km。该高速公路隧道均处于崇山峻岭之中,地质条件极为复杂,且岩层多为岩溶地带,施工地带地应力较高,富水较强,岩溶性较强,因此,存在极为严重的突水灾害隐患,在岩溶隧道的建设过程中,其施工安全性令人堪忧。
2 力学判据与最小安全厚度的确定
隧道突水类型以隔水阻泥结构破坏模式为基础时,可划分成两种突水类型,即充填 结构失稳突水类型,以及隔水岩体破裂突水类型。
2.1 隧道隔水岩体破裂突水类型分析
隧道的岩深区域,一般特征较为明显,如渗透压力强,岩溶性强,具有较高的地应力等等,如果岩体为裂隙,突水灾害的类型,主要体现为岩体的高压水力劈裂类型,此类型在高压裂隙水的作用之下,岩体裂隙进一步扩大化,逐渐贯通,最后出现破裂。这是形成突水通道的机制,对该类型突水的判据如以下公式所示:
2.1.2 双尖点突变模型分析
如隔水岩体具有极佳的隔水性能,则其渗流灾变的整个过程并不明显,而造成隔水岩体发生破断的关键等量关系,就是高水压这种关键性荷载,其他外力干扰因缘,如爆破和开挖等因素,则成为诱发的关键因素,该模型动力失稳的判断依据如下所示:
2.3 充填结构失稳突水类型分析
隧道如具有不良地质构造特点,存在断层岩溶管道,以及裂隙较宽等问题时,将出现隧道内部的充填介质渗流问题,进而形成突水通道,诸如隧道的岩溶管道,其填充物产生渗透性失稳突水问题,或者隧道出现断层活化突水现象等,上述情况均属于充分结构方面产生的失稳突水问题。针对充填物渗透主要特点,把突水划分分充填体滑移失稳及充填介质渗透失稳两个类型。
2.3.1 隧道充填介质渗透失稳类型分析
如某隧道地质构造为充填类型,且具有较强的渗透性,如果在灾害周边出现了较大型灾害源的时候,其充填地质构造的通道,将变成突水灾害的优势,受开挖因素,以及高渗透压因素的影响,其构造内部充填介质遭受严重潜蚀,进而产生流土及管涌问题,在力学状态达到一定标准时,水将快速冲跨掉充填物,导致突水通道的形成。如夹层、裂缝、断层、岩溶管道等结构,均具有较好渗透性能。
2.3.2 充填体整体发生滑移现象分析
某些地质构造为充填类型时,如具有透水较弱的特点,一旦在周边出现较大的灾害源,其充填构造则具有双重性特点,即充水、阻水。这种充水性受多种因素影响和控制。如果充填结构地质较稳定,且具有密实的充填物,其整体结构不具备条件,形成突水通道,阻水性极佳,此类结构最易产生整体性滑移失稳现象。.
3 隧道突水灾害机理的发展动向
3.1 突水灾害源赋存规律、特征的发展动向
隧道突水灾害的量级,主要由突水地质灾害源的大小、规模、充填性质等决定,这些地质灾害源一般赋存于岩溶地层中。如灾害源,属岩溶管道类型,且具有很纯的地层岩性,或为灰岩或者白云岩,具有较大的单层厚度,非常容易发育,成为较大类型的暗河,或者大型岩溶管道系统,具备丰富水量,能够对大量势能进行存储。一般溶洞溶腔类型的灾害源,存储了较大量的静态水,能够在一瞬间,产生极大水量的突涌。而断裂构造类型的灾害源,一般在岩性接触和断层破碎带中发育,最显著的包括区域性及大断裂带。现在的研究内容,仅仅针对地质的认识方面,并未系统性的研究灾害的释放及储能等内容。因此未来,应当将研究方向放在充填型溶洞溶腔,及断裂构造型等较大灾害的赋存规律方面,重点分析其储能特点,深入探讨在释能时,固液气三相体的置换模式,进而创建储能和释放灾变模式,该模式专门针对高压大体量的灾害源。这个研究方向具有重大作用和意义。
未来,为进一步提升深长隧道施工中突水灾害的预警能力,应当寻求科学合理的理论支撑,研究充填介质的渗流特点,及充填介质的力学特点,创建分析方法,用于描述突涌水孕育时多相物质迁移,以及多相物质的转换状态,进而体现出形成过程中,充填介质的流态演化规律,以及充填介质的耦合形式,因而提取到前兆信息,且有能力判断突水灾害的基本状态。
3.3 因隔水阻泥结构破裂而产生突水通道的发展分析
隧道的隔水阻泥结构,不仅多种参数对其稳定性产生影响,其动载因素也会产生影响,这些影响因素包括水压及地应力参数等。其中突水灾害为滞后性质时,因其结构破坏动态演化较为复杂,在明确其动力失稳的准则参数时,突破性不大。对于动力失稳现象的判据,以及关于安全厚度的计算模式方面,依然存在较大缺陷,无法直接得到推演的力学参数,在实际施工中,对突水灾害的预警仍然无法有效应用。所以,深入探讨在形成隔水阻泥结构突水破裂通道时,其围岩的位移及应力等因素的变化规律,寻找动力失稳的启动前提,以及破坏模式,演化形式等具有重大意义。
4 结束语
总而言之,隧道在治理高压、大型突涌水灾害方面依然困难重重,在未来,应当深入探讨以下几点:第一、要深入探讨灾害源的释能方法,及其固液气的三相置换模式。第二、深入分析突水通道的流态演化规律,以及多相物质的迁移规律。第三、要进一步分析隔水阻泥结构的动力灾害演变过程机理。第四、积极寻求科学合理的模拟方法,用于分析突水通道破裂过程。
参考文献:
[1]李术才,刘斌,孙怀凤等. 隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势. 岩石力学与工程学报,2014,33(6)
[2]李术才,李树忱,张庆松等. 岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究. 岩石力学与工程学报,2007,26(2):217-225
论文作者:杨宝良
论文发表刊物:《基层建设》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/25
标签:隧道论文; 岩溶论文; 水灾论文; 灾害论文; 类型论文; 结构论文; 地质论文; 《基层建设》2017年第12期论文;