隧道施工地质灾害(突涌水)

2020/4/24西南交通大学1隧道施工地质灾害主讲人：巫锡勇教授西南交通大学前言普遍存在于隧道及其它地下工程中的地质灾害，是隧道工程建设的大敌。因此探讨隧道地质灾害的发生发展规律，研究其监测系统及防治对策，对隧道工程建设将具有重要的意义。在隧道及其它地下工程中，经常发生由于地质作用和人类工程、经济活动引起的灾害，有的还相当严重，是隧道工程建设中的重要问题。地质灾害作为其中的一种，有其固有的形成条件，其发生发展也有一定的规律，但对这些问题的认识目前还不够深入，规律亦尚未完全掌握，特别是对地质灾害的预报尚无突破性的进展。人们意料中的地质灾害，并不可怕，也不是不可战胜，但意料之外的地质灾害，往往给人以措手不及之感，甚至还会给工程建设带来灾难，轻则停工、停产、延缓建设速度，重则造成机毁人亡，工程报废。正确、合理的防治措施，将起到抑制或减轻灾害危害程度的作用。相反，若不加以重视或采取错误的对策，将加重灾害的程度，甚至起到诱发灾害发生的作用。因此，探讨隧道地质灾害发生发展规律，研究预测出现灾害的可能时间、空间位置的技术方法，预见灾害的危害程度，以及研究灾害的监测，防治对策，将具有重要的意义。隧道地质灾害概述隧道地质灾害具有普遍性，现以中国铁路建设为例概述之。例一，成昆铁路。全线有415座隧道，施工期间约有25%的隧道发生过较大型的塌方；93.5%的隧道发生过不同程度的水害，其中涌水量超过10000m3/d的有8座；有多座隧道出现地下水对混凝土的腐蚀，含盐、含石膏地层的膨胀，以及岩溶塌陷、瓦斯、地热和岩爆等灾害。例二，穿越于地形、地质条件复杂的秦岭、大巴山、云贵高原等山区的宝成、襄渝、贵昆、川黔、湘黔及枝柳铁路等，都修建了大量的隧道工程，在隧道的建设和运营中，除发生大量的规模不同的塌方外，许多隧道还出现了洞口仰坡变形、洞身偏压在岩溶地区，大部分隧道还遇到了严重的岩溶涌水、突泥和巨大洞穴以及地表塌陷等灾害。例三,近年来修建的衡广复线、大秦铁路,也有许多隧道发生了较严重的地质灾害如著名的大瑶山隧道中段，就发生了岩溶管道涌水、涌砂、地表大量塌陷和塌方等灾害南岭隧道则遇到了以严重岩溶涌水、大量突泥为特点的地质灾害，仅下连溪一段，最严重的一次突泥就达8000m3，堵塞了施工坑道长达177m。按隧道地质灾害的成因和特性，可将其分为以下四种类型：（一）围岩的变形破坏这类灾害主要由于围岩的属性、结构体和结构面的性状及应力条件不利而引起。包括：1、软弱岩体的变形破坏：主要破坏形式表现为大的变形位移和滑塌等；2、破碎岩（如断层破碎带、风化带等）的变形破坏主要表现为大量的掉块、滑塌、崩塌和泥砂石流等；3、块状岩的变形破坏主要表现为局部掉块；4、坚硬脆性岩的岩爆多发生于深埋、高应力区的隧道中。（二）涌水、漏水灾害这类灾害主要是由于隧道的开凿，破坏或改变了隧道所在地区原来的水文地质环境,隧道成为新的良好的地下水排泄通道引起。灾害的主要形式包括：1、破碎岩的裂隙、缝隙渗水、漏水、涌水；2、岩溶裂隙水、管道水的涌出，以及携带大量泥砂的突泥、突砂。（三）地面沉降和塌陷由于隧道开挖及大量抽排地下水引起。包括：1、浅埋隧道、城市地铁或大型管道开挖及大量抽取地下水造成的地面沉降；2、岩溶地区隧道开挖排放大量地下水造成的地面塌陷和泉水枯竭。（四）其它地质灾害主要包括：1、有害气体如瓦斯突出造成的灾害；2、地下水对隧道建筑物的侵蚀、腐蚀作用引起的灾害；3、隧道的冻融灾害；4、高地温灾害；5、地震灾害。特长隧道地质灾害及其特殊性隧道施工地质灾害发生的普遍机制及其分类广义的隧道地质灾害从时间上可以分为施工地质灾害和运营灾害两大类。前者是指施工期间，由水、岩、热、气等构成的复杂地质系统对开挖过程形成的人工扰动的一种正常反应，反应的形式和程度不同，灾害的类型和规模也就不同；后者是指隧道运营期间，由于设计不合理、施工方法不当或施工质量不过关等因素，而出现的与地质环境有关的影响列车正常通过的各种问题。如漏水、涌水、涌泥、翻浆冒泥、仰供破裂、衬砌内鼓及洞门塌方等。这里主要讨论隧道施工的地质灾害。尽管人类为各种目的修建的各类隧道长度越来越大，但从宏观角度来看，即使最长的隧道和地球的半径相比仍然是十分渺小的；从隧道工程及触及的深度来看，基本限于岩石圈浅表部硅铝层的风化卸荷带及其附近的新鲜岩带内，修建隧道的主要目的还限于克服地球表面的高山和水体对工程活动的阻隔。由于受到内力和外力地质作用的联合影响，风化卸荷带及其附近的新鲜岩带内各种成因、不同次序的非连续结构面十分发育，使其成为岩石圈中连续性、整体性最差的层圈。同时该层位又是地下水最主要的赋存场所，地球的陆地部分就像被笼罩在一层饱水的海绵里一样。此外，来自地核的热能还通过传导、对流等方式向地表散射，即存在所谓的地温梯度。不仅如此，地球表面还存在一系列的温异常区，构造发育的褶皱山系就是地温异常的多发区之一。煤层、煤系地层是十分普遍的岩性组合之一，做为隧道围岩，其中蕴涵的瓦斯对子隧道施工是一个巨大的威胁。因此，隧道工程往往是修建在由水、岩、热、气等构成的一个复杂的巨系统之内的。天然情况下，该系统具有自身的(动态)边界(力学、补给或排泄)，系统各构成要素或不同要素之间维系着一种动态平衡的关系。隧道的开挖，相当于在一定空间范围内改变了系统的边界(对于岩体)或增加了输出边界(对于流体)，这样，系统本身就必然按照其固有的运动规律对此作出反应，具体表现则为隧道附近一定范围内的围岩破坏，水、热、瓦斯气向隧道排泄。当这种反应形式过于强烈时，便演化为施工地质灾害。根据地质系统对隧道开挖的反应形式，可以对施工地质灾害进行如下图所示的分类。对隧道施工地质灾害进行分类的目的，在于研究其发生规律并进行超前预报和防治，其中规律研究是基础。从物理形态和对开挖的反应形式上看，隧道周围环境系统的构成要素基本上可以分为固体及流体两大类。软岩在通常情况下具有固体特征，但在开挖条件下向隧道运动时，具有显著的流体特征，因此，将其划归准流体单独列出。显然，将隧道施工地质灾害按构成围岩系统的物质的物理形态进行分类，将有助于灾害的成灾机制研究。需要指出的是，尽管从物理形态上硬岩、软岩、水、瓦斯等是可以分开的，但是，无论是天然条件下，还是开挖环境下，它们的变形、运动往往都是互相联系、彼此影响的，即(岩体)应力场、(水和瓦斯)渗流场和(地温)温度场之间存在藕合作用。一个典型现象是，开挖后，形成地下水的人工排泄边界，隧道附近水力梯度加大，对结构面的潜蚀作用变强，最后导致裂隙开度增大，岩体强度减弱，变形加剧，并形成新裂隙，这些新裂隙反过来又促进地下水向隧道的汇流，如此反复。同时，隧道与正常地温场之间的温度梯度也因水的强烈径流而增大，从而促进了热向隧道的传输。因此，既要看到不同物理形态变形、运动规律的差异，同时也不能忽视它们之间的相互联系。上面所述的各类地质灾害一般不会在一座隧道的施工中同时出现，但是两种以上灾害同时发生的情况也是不少的。最典型的例子是辛普伦隧道，施工期间同时发生了软岩大变形、高地温和大涌水，而我国的家竹臀隧道则同时发生了大变形和高瓦斯。应该说，隧道施工地质灾害是自然环境对人工扰动的一种正常反馈，其发生有一定的必然性。相同环境下，灾害的严重程度取决于人工扰动的程度，因此，降低开挖对环境的扰动可以实现减灾的目的。当灾害不可避免时，通过超前预测并采取适当的治理措施，同样可以达到降低灾害损失的目的。特长隧道施工地质灾害的特殊性尽管上文所述的各类地质灾害在不同长度的隧道施工中都可能出现，但是特长隧道施工地质灾害及其研究工作与中、短隧道具有一系列不同之处，这主要表现在以下三个方面：(1)相对于中、短隧道，特长隧道地质灾害研究的意义更加重大。对于中、短隧道，由于长度和施工周期短，即使施工中遇到较严重的灾害间题，一般不会严重制约整条线路的工期;此外，如果前期预测的灾害问题比较严重，改道饶行也不至于严重恶化线形质量。特长隧道工程巨大，建设周期长，长隧道的成功不仅将极大地改善线路的运营条件，将具有“一劳永逸”的效果;如果失败或不顺利，不仅会严重影响工期，成为整个线路通车的卡脖子工程，而且可能为运营留下不易根治的后患，因此，特长隧道往往是整个线路可行性论证中的重中之重，特长隧道施工地质灾害研究具有特殊意义。（2）和中、短隧道相比，特长隧道施工地质灾害本身也具有一系列特殊性。特长隧道的显著特征之一是可能出现深埋或超深埋洞段，而且长度比较大。对涌水灾害而言，大埋深有两种情况发生，一是隧道已经进人空隙不发育的隔水带或不透水带，涌水量很小或千燥无水，水头压力也很小;另一种情况则是，隧道仍然处于空隙发育带，由于隧道的位置低，降落漏斗规模大，将发生难于疏干的大涌水而且水头压力高，强行疏干可能引起大范围的浅层地下水水位下降，甚至引起地表水倒灌及地面塌陷等环境生态问题。对于硬岩特长隧道，随着埋深的增大，围岩中的结构面将越来越稀疏，岩体强度将越来越高，块体稳定和塌方等问题将有所减少，这对于围岩稳定是有利的；但同时也必须看到，岩体强度提高的同时，地应力量级也在增大，特别是构造应力的量级较高时。如果能采用合理的掘进方式，如采用TBM或实施严格控制爆破的钻爆法，岩爆、片帮等灾害的发生几率和规模应该是较小的。如果对围岩扰动过大，岩爆、片帮等灾害的发生程度就可能比中、短隧道严重得多。因此，对特长隧道施工地质灾害应该有一个合理的认识，既要看到安全的一面，又要看到可能发生严重灾害的一面。只要对地质灾害进行详尽的超前(设计阶段和施工阶段)预测，并采取合理的施工方式，特长隧道地质灾害是可以避免或治理的。(3)超前预测的难度更大。中、短隧道的埋深一般较小，对于危险路段，可以通过增加勘探工程量为灾害预报提供尽可能多的深部信息。特长隧道重点路段的埋深一般都在数百米以上，往往达到一、二千米，通过大量的勘探工程来获取各类参数是困难的。因此，特长隧道地质灾害预测是一个十分复杂的研究领域。隧道突涌水地质灾害一、突涌水的概念、形成条件、征兆二、突涌水的地质特征三、突涌水的危害及治理2020/4/24西南交通大学212020/4/24西南交通大学22（二）突涌水的概念突涌水的概念突涌水形成的条件突涌水断裂的导水性、富水性的影响因素2.1概论隧洞的开挖，往往会使围岩的性状发生明显的变化，而地下水是影响围岩稳定性和隧洞施工安全的重要因素。影响其一使围岩的完整性和强度降低，其二是当地下水位较高时对洞室稳定不利，其三是向洞室涌水(涌流)。地下岩溶、导水构造等往往是地下水富集的场所,一旦在洞室中出露,就会形成一定规模的涌水、涌砂或者是碎屑流涌入洞室中,给隧洞的施工造成很大的困难。2.1.1隧道涌水的特点涌水属于隧道施工中遇到的流体地质灾害类型之一，与其它地质灾害相比，隧道涌水具有以下特点：（1）发生几率高。由于地下水的高度流动性、在地壳表层中分布的普遍性以及大多数隧道都处于地下水富集带或其以下附近，只要存在导水通道，就可能发生涌水，因此，其发生条件要比其它灾害类型宽松得多。据不完全统计，在我国1996年前已建成运营的4800余座隧道中，约三分之一发生过涌水问题，其中30余座属大型涌水，每座的涌水量均超过1.0×104m3/d，最大的20.6×104m3/d。（2）一旦发生大规模的隧道涌水，不仅施工本身会严重受阻，而且可能引起浅层地下水及地表水枯竭，甚至引起地面塌陷等伴生的环境地质问题。襄渝线中梁山隧道涌水造成地表14km2范围内的地表井泉干枯、农田漏水，给三个乡的人畜用水造成极大困难；衡广复线上的南岭隧道涌水、涌泥，连溪河水全部灌人隧道，造成大面积地表塌陷，引起京广线既有铁路和107国道路基严重下沉。也正是由于上述原因，无论是在隧道勘测设计阶段还是在施工阶段，涌水都是重点研究的不良地质现象之一，研究的核心则在于超前预测。2.1.2研究现状20世纪50年代后期，日本学者高桥彦治(在修建北陆隧道中)，首次提出了简便的涌水量计算方法。此后，许多学者在涌水〔量)的室内模拟和涌水量的计算方法方面进行了大量的研究工作。从60