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    湖北某隧道突涌水災(zāi)害防治研究

    2019-03-28 11:26:31
    福建質(zhì)量管理 2019年16期
    關(guān)鍵詞:隔水儲水突水

    (重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

    一、引言

    突涌水是泛指隧道及地下工程所處地層原先的平衡狀態(tài)因工程因素或氣候因素被破壞[1-2]。隔水結(jié)構(gòu)不斷被侵蝕、劈裂破壞,最終突水通道形成,所處地層原先的平衡狀態(tài)被打破,是包含有水動力學(xué)、斷裂與損傷力學(xué)以及流體力學(xué)的動力災(zāi)變的復(fù)雜演化過程。隧道突涌水災(zāi)害的組成部分包括災(zāi)害源、突水通道與隔水阻泥結(jié)構(gòu)。

    國內(nèi)外許多學(xué)者從不同角度對突涌水類型進行了劃分,以下為幾個典型的劃分:袁永才根據(jù)不同隔水阻泥結(jié)構(gòu)的性質(zhì)將突涌水災(zāi)害歸納為隔水巖體破壞和充填介質(zhì)失穩(wěn)兩類;李術(shù)才和王康等[3]依據(jù)不良地質(zhì)體的類型特點,將不良地質(zhì)體分為裂隙、斷層、地下河及管道、膏溶角礫巖等,結(jié)合隧址區(qū)工程地質(zhì)特點劃分為五種致災(zāi)模式;羅雄文[4]等通過分析國內(nèi)外隧道突涌水災(zāi)害產(chǎn)生原因,提出了五種突涌水致災(zāi)構(gòu)造及其致災(zāi)模式;王國斌[5]根據(jù)隧道水文地質(zhì)特征分為巖溶管道充填物滲透失穩(wěn)模型、斷層及其充填體失穩(wěn)模型及復(fù)合式突涌水模型等等。

    二、演化機理

    以單位水體在空間中位置的變化來看,水體形成突涌水過程大致為:大氣降雨和地表徑流(水源)、地形地貌匯水、地質(zhì)構(gòu)造儲水、地層巖性加大水體儲量、施工或降雨擾動圍巖,最終形成突涌水。

    由于不同隧道圍巖體的地質(zhì)條件不同,因此各突涌水災(zāi)害的形成過程及涌水機理不盡相同,但都屬平衡狀態(tài)的破壞,破壞必須滿足三個方面的條件:

    1.儲水條件→災(zāi)害源,這是災(zāi)害源的初發(fā)之地,褶皺、向斜、巖溶溶腔、斷層破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造是良好的儲水體。

    從突涌水災(zāi)害源形成到釋放過程中,災(zāi)害源的形式、擾動形式、隔水結(jié)構(gòu)破壞及突水通道形成有多種情況,主要有:

    ①斷層破碎帶儲水,工程施工削弱隔水結(jié)構(gòu),在水壓作用下,隔水結(jié)構(gòu)破壞并且突水通道形成,水體涌入隧道。

    ②巖溶儲水,不斷溶蝕隔水結(jié)構(gòu),工程施工削弱隔水結(jié)構(gòu),在水壓作用下,隔水結(jié)構(gòu)破壞并且突水通道形成,水體涌入隧道。

    ③其他含水構(gòu)造,工程施工削弱隔水結(jié)構(gòu)最終突水通道形成,在水壓作用下,水體涌入隧道。

    2.釋放條件→隔水結(jié)構(gòu)破壞及突水通道形成,突水通道形成后,使得水源夾帶巖土顆粒形成災(zāi)害源有了釋放的通道和方向。

    3.誘發(fā)條件→擾動,工程施工和降雨對地層穩(wěn)定性產(chǎn)生,擾動誘發(fā)隔水結(jié)構(gòu)破壞及突水通道形成,尤其是工程施工中的爆破振動,影響較遠(1-3m左右)。

    三、工程概況

    (一)工程簡介

    湖北某隧道在DK365+010~DK365+263段穿越斷層,此斷層橫向長達45km.縱向?qū)?53m,近乎于垂直將齊岳山山脈切斷,一經(jīng)擾動,非常容易發(fā)生突涌水,并且水壓很高,工程實際測試達2.6-3.6MPa,相當(dāng)于260-360m的水頭。

    (二)涌水過程機理分析

    以此斷層突涌水的過程為例:

    1.掌子面出現(xiàn)鉆孔出現(xiàn)線狀裂縫涌水→突水通道首次形成,災(zāi)害源水體與隧道聯(lián)通;

    2.12h后,涌水成間隙性噴射,渾黃泥水→破碎帶巖石被涌水運移,增大突水通道;

    3.12h30min,出現(xiàn)0.6m2豁口,伴有噴砂,突水1000m3/h→出水點沖潰,形成更大突水通道;

    4.13h30min,650m3/h;

    5.14h30min,出現(xiàn)新裂縫,突水1000m3/h→水力劈裂持續(xù)作用;

    6.15h30min,465m3/h;

    7.15h50min,渾濁、伴有泥沙→水體繼續(xù)沖刷突水通道,增大突水通道;

    8.22h30min,出現(xiàn)0.5m2沖洞,突水陡增,10000m3/h,攜帶泥渣→形成重大突涌水。

    此斷層最典型的突涌水過程及形式大致如上述,屬斷層破碎帶儲水,工程施工削弱隔水結(jié)構(gòu),在水壓作用下,水體不斷侵蝕隔水結(jié)構(gòu)直至突水通道形成,水體涌入隧道,水體變?yōu)榱鲃訝顟B(tài),侵蝕作用加大,不斷沖刷突水通道,逐漸形成重大突涌水[6]。

    (三)數(shù)值模擬

    1.計算模型及力學(xué)參數(shù)

    本文采用FLAC2D對此大斷層突涌水過程進行數(shù)值模擬。巖土體材料破壞選用Mohr-Coloumb破壞準(zhǔn)則。

    計算模型范圍選擇:寬×高=40m×40m,劃分成1600個單元。溶管直徑取9m,開挖隧道的直徑為8m。隧道圍巖水平應(yīng)力為18MPa,模型上邊界模擬埋深600m時的自重應(yīng)力為15MPa。模型下部固定,左右邊界限制水平移動。材料破壞選用Mohr-Coloumn破壞準(zhǔn)則。

    從此大斷層突涌水過程的模擬結(jié)果可知,隔水結(jié)構(gòu)厚度越小,其侵蝕沖刷的破壞速率越快。說明了隧道突水是受水壓、巖溶充填物與隧道圍巖塑性區(qū)范圍等多因素影響的漸進破壞過程。

    (四)處治措施

    結(jié)合此隧道工程地質(zhì)情況(采用地質(zhì)與物理探查技術(shù)結(jié)合,探明突涌水處后方地層情況為斷層破碎儲水),綜合考慮制定出反坡排水為主與帷幕注漿加固堵水為輔的方案。

    反坡排水:設(shè)置泵站機械方式將突涌水排出洞外;監(jiān)測涌水速度等參數(shù)以預(yù)計涌水量大小,設(shè)置臨時泵站水倉、臨時集水坑并及時更改排水設(shè)備參數(shù),確保排水暢通和洞內(nèi)不積水。

    帷幕注漿加固堵水:綜合已有災(zāi)害相關(guān)參數(shù)確定注漿相關(guān)參數(shù),采用分段式前進注漿,材料選用水泥漿加控制漿液,由淺入深,分級分序,同孔分步注漿堵水。

    四、結(jié)語

    ①以地下水單位水體在空間中位置的變化,描述突涌水災(zāi)害的形成過程,體現(xiàn)了形成過程多樣性,但都滿足儲水、釋放、誘發(fā)三個條件。

    ②以湖北某隧道為例,著重分析斷層破碎帶突涌水演化工程及機理和防治措施。

    ③通過FLAC2D對斷層突涌水做了簡單數(shù)值模擬,分析其破壞場、位移場、滲流場變化規(guī)律,分析其災(zāi)害形成過程。

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