隧道施工過程中的地質災害問題研究

趙永生

0 引言

隨著經濟的飛速發(fā)展，大量山區(qū)交通建設都采用長大隧道方式通過越嶺地段，特別是在我國西南部;云南省地處云貴高原，大部分地區(qū)位于西南橫斷山脈地帶，溝谷縱橫，山高谷深，地勢陡峻，這給公路隧道的建設和發(fā)展提供了有利條件。還有地鐵，過江和海底隧道的建設等等。由于隧道施工及運營將穿越不同地層地質條件下的圍巖介質，從而將不可避免的遇到山體變形、地震、塌方、涌水、巖溶塌陷、巖爆、泥屑流、高地溫、瓦斯爆炸及有害氣體突出等地質災害，其中以涌水最為普遍和嚴重。除此之外，隧道施工開挖工作面前方地質情況的預報是國內外工程地質和隧道工程界關注而又沒有得到很好解決的難題。實踐證明在隧道施工中開展災害預測預報技術能極大的減少塌方突水突泥等不良地質災害，既可保證施工的順利進行，又能極大的降低成本，故其在隧道施工中非常重要且十分必要。

1 隧道涌水災害的研究

隧道涌水是隧道建設中較為嚴重的地質災害之一，歷來在隧道工程的修建中，國內外學者及工程技術人員都非常重視隧道涌水的預測問題，對此進行了大量勘探、試驗及分析研究工作。1856年法國工程師達西(Henry Darcy)通過大量的實驗提出了線性滲流定律，為滲流理論的發(fā)展奠定了基礎，從而揭開了滲流力學研究的序幕。與達西同時代的裘布伊(J.Dupuit)以達西定律為基礎，推導出地下水單向及平面徑向穩(wěn)定流公式，描述了特定條件下地下水的運動狀態(tài)，裘布伊公式對地下水力學的發(fā)展起到了重要的作用。

該研究是從巖體單裂隙滲流特征研究起步的。早在20世紀40年代，前蘇聯(lián)學者Bonoubko(1941年)及稍后的Jiomnae(1951年)在實驗室用一對平行板模擬了單個裂隙中的水流，驗證了單裂隙介質中地下水運動的立方定律(Cubic Law)，即:

其中，q為裂隙內單寬流量，L2T-1;Kf為單裂隙介質滲流系數(shù)，LT-1;b為裂隙寬度，L;Jf為裂隙內水力梯度(無量綱);μ為地下水的動力粘滯系數(shù)，ML-1T-1;g為重力加速度，LT-2;v為地下水的運動粘滯系數(shù)，L3T-1;γ為地下水的容重，M-2L-2;ρ為地下水的密度，ML-3。

2 隧道巖爆災害的研究

巖爆作為一種特殊的開挖地層的地質災害，在交通隧道、水工隧洞，在煤礦、黑色金屬礦山、有色金屬礦山、黃金礦山，在深埋巖石工程中時有可遇。隨著我國的基礎設施建設力度的加大及國內外的地下工程深部化發(fā)展趨勢，隧道巖爆地質災害則漸轉嚴重。深入研究隧道巖爆這類動力災害將成為國際重大熱門課題。

有關巖爆最早報道始于1738年英國某錫礦。在歐洲、前蘇聯(lián)、中國、印度等都出現(xiàn)過煤礦沖擊地壓;在鉀鹽、銅、銻、鉛鋅、鋁土、鐵、磷灰石、徽滬山刀采時均發(fā)生過巖爆災害;在高山峻嶺及深部地下開挖的交通或水工隧道、地下洞室也出現(xiàn)過各類巖爆，如瑞典維斯塔輸水隧洞、挪威Sima地下電站、意大利格蘭薩索公路份勤道，在我國魚子溪引水隧洞、瀑布溝水電站、太平騷水電站、天生橋引水隧洞、錦平探洞、川藏公路二郎山公路隧道等都出現(xiàn)過巖爆。巖爆災害的出現(xiàn)，促使人們關注巖爆機理、巖爆預測預報、巖爆防治的研究，圍繞巖爆機理各種理論得以長足發(fā)展，有G.布霍依諾的“夾持煤體理論”，N.G.COOK.的“巖爆能量理論”，Blake的“巖爆剛度機理理論”。“巖爆沖創(chuàng)頃向理論”則把巖爆性態(tài)劃分出能量、時間、形變、剛性比四類指標，但工程實用性還較缺乏。20世紀80年代以后，隨巖石力學發(fā)展，從巖爆破壞過程出發(fā)又出現(xiàn)若干新假設:失穩(wěn)理論、斷裂理論、損傷理論、災變理論等。這與滿足隧道工程的需要——預測與防治相距較遠。謝和平用分形理論對巖爆的特征和機制進行了研究。大量的學者從不同的角度在不同的理論基礎上采用不同的研究方法對巖爆進行了深入細致的研究，取得了豐碩的成果，至目前為止，關于巖爆的發(fā)生規(guī)律還沒有形成權威性結論，爭論不斷不可避免，進一步推動了巖爆領域的研究發(fā)展。中國地質條件復雜，地處環(huán)太平洋和地中海構造活動帶交接部位，高應力與高能量集中引起的內動力地質災害顯著。我國西北區(qū)、西南區(qū)、康滇區(qū)均屬高構造應力值區(qū)。西部最大主壓應力方向接近SN，包括NE和NW，顯示西域系、河西系、反S形系構造應力場活動特征。在我國東部，屬新華夏系構造帶的長春—廣州地帶，各類內動力地質災害顯著，常以地震、瓦斯突出、巖爆、沖擊地壓、地下熱害等形式出現(xiàn)，并具明顯的分段選擇性。我國為世界上工程巖爆多發(fā)區(qū)之一。本文從隧道工程及巖爆實況出發(fā)，充分利用國內外巖爆機理與破壞過程研究的豐碩成果，對巖爆進行分類，研究在逆斷層區(qū)域構造應力作用下隧道巖爆的預測與防治方法，是地質研究與工程實踐相結合，減小隧道開挖災害，發(fā)展隧道工程又一重要途徑。

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