文档介绍：3 深埋隧道地质灾害及其评价与控制
黄润秋徐则明
1 前言
目前,世界各国已经在交通运输、水利水电及城市排污等领域建成近200条长度接近或超过10 km的深埋长大隧道。 km的日本Sei-kan隧道及英-法海底隧道的鼓舞。一些更加庞大的特长隧道计划已开始论证,部分已开始施工,如,日本福冈-韩国釜山之间的日韩海底隧道( km)、瑞士Gotthard铁路隧道( km)、奥地利-意大利之间的Basis Brenner铁路隧道( km)及挪威Laerdal公路隧道( km)等。20世纪80年代以来,我国铁路系统已经建成衡广复线大瑶山( km)、朔黄线长梁山( km)及西康线秦岭( km)三条特长隧道; km的西安-南京铁路东秦岭特长隧道和重庆-怀化铁路圆梁山特长隧道也已贯通。成渝高速公路中梁山( km)、北京八达岭高速公路潭峪沟( km)、晋城-焦作高速公路牛郎河( km)、甬台高速公路大溪岭( km)、川藏公路二郎山( km)、广渝高速公路华蓥山( km)、渝合高速公路尖山子( km)、云南大保高速公路大箐( km)及台湾漢寶草屯快速路上的八卦山( km)等大断面公路隧道作为国道主干线改造或高速公路建设的关键性控制工程,已经相继贯通或投入运营;我国大陆第一条符合国际隧协标准的公路特长隧道西安-安康高速公路秦岭终南山隧道( km)也已开工兴建。除此之外,水利水电行业已在甘肃“引大入秦”、贵州天生桥水电站、四川太平驿水电站、四川福堂水电站、云南曲靖及昆明跨流域调水等大型工程中建成一批长度超过10 km的长隧道。
深埋长大隧道在克服高山峡谷等地形障碍、缩短空间距离及改善陆路交通工程运行质量等方面具有不可替代的作用。可以预见,随着我国西部大开发进程的加快,在地形、地貌及地质背景复杂、水能及矿产资源丰富、陆路交通网密度远低于全的西部地区,在铁路、公路、水电、跨流域调水及矿产资源等领域将会修建更多的长大隧道工程。“多、长、大、深”,即,数量多、长度大、大断面、大埋深将是21世纪我国隧道工程发展的总趋势[1,2]。
纵观隧道的修建历史,制约长大隧道发展的因素可以分为两大类,一类是施工技术方面的,如,掘进技术、通风技术及支护衬砌技术等;另一类则是开挖可能遭遇的施工地质灾害的超前预报及其控制技术。施工地质灾害本质上是由水、岩、热、气等固体、准流体及流体构成的复杂地质系统对开挖扰动作出的响应或反馈,响应的方式和程度不同,灾害的类型和规模也就不同,具体灾种包括硬岩岩爆、软岩大变形、高压涌突水、高地温及瓦斯突出等(图1)。
固体在隧道开挖过程中的行为尽管具有一定程度的流变特征,但一般都可以用固体力学理论来描述,并满足固体力学的普遍方程-广义Hoke定律
式中、和分别为应力列阵、弹性矩阵和应变列阵。
准流体和流体在隧道开挖过程中的行为不能(宜)用静力学,而必须(应该)用动力学和运动学理论来描述,它们的运动满足连续性原理、广义Fick定律和Newton定律
深埋隧道施工地质灾害
准流体地质灾害
软岩大变形
固体地质灾害
岩爆
片帮
软弱围岩塌方
块体稳定性问题
涌水灾害及其环境效应
流体地质灾害
高温热害
瓦斯
大涌水
高压涌水
浅层地下水及地表水枯竭
地面塌陷
图1 隧道施工地质灾害分类
式中,为密度;为速度矢量;DC、和DT分别为浓度扩散系数、压力和温度扩散系数;为i组分的扩散速度;F为内摩擦力(或切力);为粘滞系数或动力粘滞系数;和分别为接触面积和流速梯度。
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)温度场之间存在耦合效应。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,如此下去。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,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,我国的南昆铁路家竹箐隧道也同时发生了大变形、涌突水和瓦斯