大隧道施工中涌突水災(zāi)害的形成與預(yù)防

大隧道施工中涌突水災(zāi)害的形成與預(yù)防

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和隧道設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的進(jìn)步，隧道數(shù)量日益增多。這些長(zhǎng)大隧道穿越各種復(fù)雜特殊的地質(zhì)、地貌和構(gòu)造單元,處于不同應(yīng)力場(chǎng)、滲流場(chǎng)和溫度場(chǎng)環(huán)境,會(huì)產(chǎn)生各種地質(zhì)災(zāi)害。其中,巖溶隧道突水甚至突泥是隧道工程中最具危害性的災(zāi)害之一。巖溶隧道開挖進(jìn)入巖溶高壓富水區(qū)段,經(jīng)常遭遇突發(fā)性、大規(guī)模的涌水、突泥,坍方與淹井,造成重大的災(zāi)害性事故,并產(chǎn)生了嚴(yán)重的地質(zhì)環(huán)境負(fù)面效應(yīng)和社會(huì)負(fù)面影響等問(wèn)題。如法國(guó)仙尼斯峰隧道、日本青函隧道、前蘇聯(lián)北穆隧道、我國(guó)大瑤山隧道和軍都山隧道等。最近幾年發(fā)生的,如2002年渝懷鐵路圓梁山隧道9·10涌突水災(zāi)害、宜萬(wàn)鐵路馬鹿箐隧道涌突水災(zāi)害、宜萬(wàn)鐵路野山關(guān)隧道涌突水災(zāi)害等,對(duì)工程造成重大損失。因此,加強(qiáng)巖溶區(qū)隧道涌突水災(zāi)害形成原因和發(fā)生機(jī)理和防治研究,對(duì)促進(jìn)隧道安全施工有重要意義。1機(jī)械論1.1板理論1.1.1隔水巖板厚度測(cè)量其約束條件隧道正前方有一承壓水溶腔(文中以正前方為例,當(dāng)溶腔在側(cè)方或上下方位置時(shí),分析過(guò)程同正前方),隨著隧道的掘進(jìn),掌子面逐漸靠近承壓水溶腔,兩者之間的隔水巖板越來(lái)越薄。當(dāng)隔水巖板的厚度遠(yuǎn)小于其跨度和高度時(shí),可以按薄板進(jìn)行理論分析,其約束條件為4邊簡(jiǎn)支。如圖1所示。作用在隔水巖板上的荷載有垂直于板面的靜水壓力q和平行于板面的圍巖壓力p。力學(xué)模型如圖2所示。1.1.2隔水巖板中面的變形在把隔水巖板簡(jiǎn)化成薄板模型進(jìn)行求解突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機(jī)理時(shí),引入以下假設(shè)(可希霍夫(Kirchhoff)假設(shè)):1.1.2.1變形前垂直于隔水巖板(薄板,以下同)中面的直線段在變形后仍保持直線,并垂直于變形后的中面,且其長(zhǎng)度不變。1.1.2.2與σx、σy和τxy相比,σz很小,在計(jì)算變形時(shí)可以忽略不計(jì)。1.1.2.3隔水巖板中面各點(diǎn)只有垂直位移ω而無(wú)x、y方向的位移,即(u)z=0,(v)z=0,(ω)z=0=ω(x,y)。其中,中面內(nèi)的位移函數(shù)ω(x,y)稱為撓度函數(shù)。根據(jù)彈性力學(xué)薄板理論,應(yīng)力分量σx、σy和τxy與撓度ω的關(guān)系式為:σx=Ez1-μ2(?2ω?x2+?2ω?y2)σy=Ez1-μ2(?2ω?y2+?2ω?x2)τxy=Ez1+μ??2ω?x?y}(1)考慮橫向荷載作用的隔水巖板彎曲的基本方程為:?2?2ω=qD(2)式中D=Eh312(1-μ2),稱為板的抗彎剛度。1.1.3巖板抗應(yīng)力性能分析矩形板的邊長(zhǎng)分別為a和b,受橫向分布荷載q(x,y)作用,如圖3所示。在圖示的坐標(biāo)系中,邊界條件為,在x=0和x=a處,ω=0??2ω?x2=0;在y=0和y=a處,ω=0??2ω?y2=0,撓度函數(shù)取重三角級(jí)數(shù),即設(shè):ω=∞∑m-1∞∑n-1Amnsinmπxasinnπyb(3)式中m、n——正整數(shù);Amm——待定系數(shù)。求解得:ω=∞∑m-1∞∑n-1∫a0∫b0q(x,y)sinmπxasinnπybdxdyπ4abD(m2a2+n2b2)?sinmπxasinnπyb(4)對(duì)承受均布水壓q0、四邊簡(jiǎn)支的隔水巖板薄板:Amn=16q0π6Dmn(m2a2+n2b2)2(m,n=1,3,5??)ω=16q0π6D∞∑m=1,3?∞∑n=1,3?1mn(m2a2+n2b2)2sinmπxasinmπyb(5)其最大撓度發(fā)生在隔水巖板中心,將x=a/2,y=b/2帶入上式(5)得:ωmax=16q0π6D∞∑m=1,3?∞∑n=1,3?(-1)m+n2-1mn(m2a2+n2b2)2(6)當(dāng)x=a2,y=b2,z=h2時(shí),應(yīng)力出現(xiàn)最大值。σmaxx=8q0Eha2b2π4D(1-μ2)×[82(b2+μa2)81(a2+b2)2-b2+9μa23(9a2+b2)2-9b2+μa23(a2+9b2)2]σmaxy=8q0Eha2b2π4D(1-μ2)×[82(a2+μb2)81(a2+b2)2-9a2+μb23(9a2+b2)2-a2+9μb23(a2+9b2)2]τx=a/2,y=b/2,z=h/2=0}(7)1.1.4擬拉格蘭克爾克爾體函數(shù)中彈性變形撓度函數(shù)薄板在面內(nèi)壓力和剪力作用下處于平衡狀態(tài)時(shí),內(nèi)力Nx、Ny、Nxy應(yīng)滿足彈性力學(xué)平面問(wèn)題的基本微分方程:?2?2F=0(8)對(duì)于單向受壓四邊形簡(jiǎn)支矩形板,如圖4所示,以受壓為正。其基本微分方程可以化為:D?2?2ω+Νx?2ω?x2=0(9)假設(shè)屈曲后的彈性變形撓度函數(shù)取重三角級(jí)數(shù),即設(shè):ω=∞∑m=1∞∑n=1Amnsinmπxasinnπyb(10)式中m、n——正整數(shù);Amn——待定系數(shù)。顯然其滿足四邊簡(jiǎn)支的邊界條件。將(10)代入(9)得∞∑m=1∞∑n=1Amn{[(mπa)2+(nπb)2]2-ΝxD(mπa)2}×sinmπxasinnπxb=0得到臨界應(yīng)力:σx=π2Da2h(m+n2ma2b2)2綜合分析后,其最小的臨界力可以近似表示為:σxp=σx=4π2Db2h(11)在實(shí)際隧道工程中,a/b(隧道高度/寬度)大于1或接近1,近似公式(11)有足夠的精度。1.1.5隔水巖板應(yīng)力隨著隧道的開挖,隧道掌子面和承壓水溶腔間的隔水巖板越來(lái)越薄。當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)可以進(jìn)行假設(shè)成薄板進(jìn)行理論分析。該隔水巖板不僅承擔(dān)橫向荷載(靜水壓力q0)作用,還要承擔(dān)山體圍巖壓力,因此要綜合考慮二者對(duì)隔水巖板的作用。其力學(xué)模型如圖2所示。根據(jù)1.1的薄板假設(shè),隔水巖板的變形為小撓度彎曲。因此,根據(jù)(7)和(11),隔水巖板在橫向荷載(靜水壓力q0)和山體圍巖壓力共同作用下允許的應(yīng)力可以表示為:σX=σmaxx+σxp=8q0Eha2b2π4D(1-μ2)×[82(b2+μa2)81(a2+b2)2-b2+9μa23(9a2+b2)2-9b2+μa23(a2+9b2)2]+π2Db2hσY=σmaxy=8q0Eha2b2π4D(1-μ2)×[82(a2+μb2)81(a2+b2)2-9a2+μb23(9a2+b2)2-a2+9μb23(a2+9b2)2]}(12)在實(shí)際工程應(yīng)用當(dāng)中,取單位寬度b=1,隧道高度(a)一般大于b的5倍,即ab≥5。對(duì)(12)進(jìn)行簡(jiǎn)化得:式中q0——垂直于板面的靜水壓力;E——隔水巖板的彈性模量;h——隔水巖板的有效厚度;μ——隔水巖板的泊松比;D——隔水巖板的彎曲剛度。1.2截面質(zhì)量和地應(yīng)力場(chǎng)1.1節(jié)隧道發(fā)生涌水突泥機(jī)理方程,是以隔水巖板彎曲破壞為理論基礎(chǔ)。這種計(jì)算方法對(duì)于隧道跨度較大、隔水巖板完整性好并且較薄的情況。對(duì)于隧道跨度較小、隔水巖板較厚并且破碎的情況,一般以剪切破壞為主。如圖5所示,將隔水巖板看作直徑為a、厚度為h的圓形塞子,作用在塞子上的外力—水壓力將塞子向隧道方向推。在塞子邊沿會(huì)產(chǎn)生剪切力阻礙塞子運(yùn)動(dòng)。同時(shí),還有地應(yīng)力場(chǎng)作用在塞子上的壓力p。為簡(jiǎn)化計(jì)算,做以下假定:(1)隔水巖板視做直徑為a、厚為h的圓板;(2)壓力p作用于圓板側(cè)面上,其大小根據(jù)隧道設(shè)計(jì)地勘資料取值,當(dāng)沒(méi)有地勘資料時(shí),建議采用松散圍巖壓力公式計(jì)算;(3)沒(méi)有考慮孔隙水壓力(p)的影響;(4)沒(méi)有考慮爆破施工對(duì)圍巖的影響。作用在隔水巖板上的總水壓力:Ρ=πq0a24(14)抗剪力為:T=Sτ=πah(ptgψ+c)(15)式中S——隔水巖板抗剪切面面積,S=πah;τ——抗剪強(qiáng)度,τ=ptgψ+c。壓力根據(jù)隧道設(shè)計(jì)地勘資料取值,當(dāng)沒(méi)有地勘資料時(shí),建議采用松散圍巖壓力公式計(jì)算。當(dāng)水壓力與抗剪力達(dá)到極限平衡時(shí):P=T即:πq0a24=πah(ptgψ+c)q0=4h(ptgψ+c)a(16)式(16)即為隔水巖板呈剪切破壞時(shí)的臨界水壓方程式。2災(zāi)害發(fā)生的地質(zhì)條件通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外部分隧道修建過(guò)程中遇到的涌水、突泥情況調(diào)研表明,災(zāi)害發(fā)生前都或多或少有前兆,有跡可尋,災(zāi)害發(fā)生的機(jī)理是各種機(jī)理綜合作用的結(jié)果。如圓梁山隧道9·10災(zāi)害發(fā)生時(shí)掌子面右下部一大約高1.5m巖溶管道中擠出黃色硬塑～可塑狀粘土,局部可見(jiàn)明顯擦痕,表現(xiàn)為剪切破壞的特征。但1h后,掌子面突然爆開,隨之,大規(guī)模硬塑～可塑狀粘土噴出,約30s時(shí)間,突泥向外噴出244m,從而塞滿下導(dǎo)坑4200m3空間,表現(xiàn)為薄板壓裂瞬間破環(huán)的特征。同時(shí),相關(guān)的研究資料也表明,災(zāi)害的形成和發(fā)生,必須具備4個(gè)基本條件,一是特殊的地質(zhì)構(gòu)造基礎(chǔ);二是足夠的填充物質(zhì)條件,三是豐富的地下水源影響,四是人為的開挖擾動(dòng)激活。3工程處理：大支坪隧道3.1道400富水溶腔大支坪隧道位于恩施州巴東縣大支坪鎮(zhèn),I線全長(zhǎng)8775m、II線全長(zhǎng)8789m,最大埋深495m,縱坡為人字坡;進(jìn)口段Ⅱ線右側(cè)30m設(shè)置長(zhǎng)3991m的排水洞。大支坪隧道990富水溶腔包括:I線DK132+947～+957、DK133+006～+027段、II線IIDK132+913～+921、IIDK132+973～+997段發(fā)育大型富水充填溶洞,合并簡(jiǎn)稱“990溶腔”?！?990”溶洞發(fā)育地層為三疊系嘉陵江組下部和大冶組上部灰?guī)r,地表為水谷壩洼地,向斜構(gòu)造,期間發(fā)育有F3斷層。巖溶和地下水發(fā)育主要受構(gòu)造和地層控制。該溶洞最大涌水量5萬(wàn)m3/d,正常涌水量3000m3/d左右。990巖溶異常巖溶水主要為降雨補(bǔ)給,補(bǔ)給面積約6.06km2,由水谷壩洼地匯集,通過(guò)巖溶管道逕流至990溶腔。3.2+970溶解處理措施根據(jù)溶洞工程、水文地質(zhì)條件,綜合考慮施工及運(yùn)營(yíng)安全等多種因素,遵循“排水降壓、注漿加固、超前支護(hù)、綜合治理”的原則進(jìn)行溶洞處理。3.2.1排水和減壓3.2.1.dk233+970掌子面DK132+940掌子面鉆孔對(duì)990溶洞排水減壓:在DK132+940掌子面現(xiàn)場(chǎng)施作水平鉆孔8個(gè),其中5孔有過(guò)出水,平時(shí)水量約500m3/d,雨季水量可達(dá)2400m3/d。3.2.1.回采過(guò)程水水質(zhì)為保證排水暢通,不積聚高水壓,在PSDK132+980處左邊墻襯砌預(yù)留排水口排水,平時(shí)水量約200m3/d,雨季水量最大達(dá)1×104m3/d、水質(zhì)渾黃,夾部分泥沙。3.2.2獨(dú)立排水和降壓處理措施采取“排水降壓、超前支護(hù)、綜合治理”的原則進(jìn)行該溶洞的處理,具體如下:3.2.2.1.提前家庭保護(hù)在巖溶裂隙發(fā)育、巖體破碎部位拱部采用?42mm超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù),小導(dǎo)管長(zhǎng)4.5m、環(huán)向40cm、縱向2.4m一環(huán)。3.2.2.預(yù)應(yīng)力筋網(wǎng)混凝土支護(hù)溶洞段采用雙層支護(hù)加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌,一次支護(hù)采用30cm厚C25噴鋼纖維、鋼筋網(wǎng)混凝土,拱墻設(shè)工20型鋼鋼架,間距0.5m;二次支護(hù)采用30cm厚C25噴鋼纖維、鋼筋網(wǎng)混凝土,內(nèi)置工20型鋼鋼架、0.5～1.0m/榀;二次襯砌采用75cm厚的C35防水鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),混凝土抗?jié)B等級(jí)不低于P8。3.2.2.3.注射加固溶洞段采用開挖輪廓外5m全斷面徑向注漿加固堵水,通過(guò)注漿形成開挖輪廓外不小于5.0m的加固圈。3.2.2.4安全監(jiān)測(cè)為驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性,對(duì)溶洞段支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性監(jiān)測(cè),項(xiàng)目包括:水壓力、圍巖壓力、接觸壓力、支護(hù)內(nèi)力、滲水量及隧底沉降等。4隧道涌突水災(zāi)害治理理論(1)涌突水災(zāi)害的形成和