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隧道施工期主要地质灾害的预测

时间:1970-01-01  作者:秩名

论文导读:隧道施工期常见的地质灾害。塌方。突水。瓦斯。岩爆。塌方,隧道施工期主要地质灾害的预测。
关键词:地质灾害,塌方,突水,瓦斯,岩爆
 

1前言

国内外隧道工程的实践表明,制约隧道建设的主要因素是地质灾害及伴生的地质环境问题。尽管施工前进行了大量的地质勘察工作,但由于当前勘察技术手段和方法技术的限制,加上地质体的复杂多变,期望在施工前完全查明工程岩体的状态、特性,准确地预测隧洞施工中可能发生地质灾害的位置、性质和规模是十分困难的。因此,世界各国隧洞工程界都十分重视施工期间的超前预报工作。

施工阶段的地质灾害预测是在施工前地质预测所提供资料的基础上进行的。它直接为施工、支护和处理服务,也可称为临阵预测。施工过程中,开挖面(掌子面)前方的地质预测是实时的、动态的。科技论文,塌方。施工阶段的地质预测不但包括业已存在的地质现象(静态的),还包括了因开挖引起地质状况的演化(动态的)。因而更为复杂和困难。[1]

2 隧道施工期常见的地质灾害

(1)塌方

塌方是隧道隧洞施工中最经常出现的重大地质灾害,约占各类重大地质灾害出现机率80%以上,因此,塌方是隧道隧洞施工地质灾害防范的重点。引起隧道塌方的直接原因主要有工程地质条件、地下(表)水、支护措施、爆破扰动等。[3]

(2)突水

突水是隧道施工中仅次于塌方的最常见的地质灾害之一,特别在我国降雨量较大地区施工的隧道更为常见。造成突水最为常见的不良地质是断层(断层裂隙水)、大型溶洞和暗河(岩溶水),煤系地层中的采空区(老窖积水)和金属、非金属矿山老积水。科技论文,塌方。隧道工程中突水必须具备的两个基本条件是:有充足的水源;水源和隧道之间有顺畅的、足够大的通道。

(3)瓦斯

一般瓦斯指的是甲烷(CH4),又称沼气。它是一种无色、无味、无臭、无毒的气体,比重0.554,比空气轻,因此常常聚集在隧洞的顶部。科技论文,塌方。瓦斯本身并不助燃,但当与空气混合到一定程度,并遇火源的时,就能燃烧或爆炸。隧道工程遇到的瓦斯多出现在煤系地层。它在空气中达到一定的浓度,遇见明火就会发生猛烈的爆炸。施工中处理不当极易发生瓦斯爆炸事故。瓦斯的涌出可分为普通涌出和特殊涌出两种形式。

(4)岩爆

岩爆也是影响隧道施工的一种地质灾害。它本质上是岩体中积累的高弹性应变能,因地下工程的开挖,破坏了原有地应力的平衡,并在隧道隧洞两壁或拱顶某些部位产生局部应力集中,当其超过了岩石的抗剪强度时,高弹性应变能突然释放,岩体急剧破坏而产生的一种施工地质现象。

3 隧道超前地质灾害预报方法

隧道超前地质灾害预报方法可根据预报距离或探测原理分类。按照预报距离可分为长距离和短距离超前地质灾害预报两类。长距离超前地质灾害预报采用的预报方法主要有工程地质调查法、断层参数预测法和TSP等仪器探测法。短距离超前地质灾害预报又称为跟踪预报,是长距离超前地质灾害预报的深化和印证。科技论文,塌方。其主要的预报方法有掌子面编录预测法、地质雷达法等。

按照探测原理可分为直接法、间接法及其它方法。直接法有地质法和钻孔探测法。间接法亦称物探法,主要有隧道地震超前预报系统(TSP)、水平声波剖面(HSP)法、陆地声纳法、地质雷达(GPR)法和红外探水法等。其它方法有超前导坑法、断层参数预测技术和掌子面地质编录预测法等。

4 隧道施工期地质灾害的预测

隧道施工地质灾害预测预报工作既是修正和完善前期地质勘察工作成果的一种手段,又是地下工程信息化施工和新奥法施工中的一个重要环节[2]。超前预报主要是加强施工期间的地质工作,是在开挖之前,除根据开挖时揭露出来的实际地质情况,校正补充地勘时未能查到的资料外,还要根据这些成果资料,分析推断掌子面前方的地质情况,是否存在前期勘察时没有查到的不良地质体,以便预先采取措施。

4.1 隧道塌方的预测

引起塌方的主要不良地质有断层破碎带、岩溶陷落柱。断层破碎带塌方的判断和警报,主要包括断层破碎带塌方影响因素的正确分析、断层破碎带围岩级别的准确鉴定和塌方即将发生前兆的及早发现。

1、影响断层破碎带塌方的地质因素主要有:断层上下盘岩性和岩石力学性质、断层的力学性质、断层复合与复合特征、断层破碎带厚度、断层破碎带物质组成和固结程度、断层破碎带的围岩结构,断层破碎带的产状及其与隧道的空间关系、地下水、地应力影响共8个方面。

2、断层破碎带围岩级别的评定

断层塌方的监测与警报,必须在断层识别和影响断层塌方地质因素分析的基础上,落实到断层塌方判断的终极目标——即对断层破碎带围岩级别的准确评定上。

3、塌方即将发生前兆的及早发现

大规模塌方的临近前兆主要有:

(1)顶板岩石开裂,裂缝旁有岩粉喷出或洞内无故尘土飞扬;

(2)支撑拱架变形或发生声响;

(3)拱顶岩石掉块或裂缝逐渐扩大;

(4)干燥围岩突然涌水等。

发现上述征兆,立即采取紧急处理措施。科技论文,塌方。

4.2 隧道突水的预测

隧道隧洞突水的监测主要是查明地下水源体(溶洞、暗河、老窖、老崆和大型断层破碎带)的位置和地下水源体的性质,判断突水的可能性并及早发出警报。

发生突水可能性的判断与警报,主要依据临近各种水源体前兆和具体的涌水量测量来实现。

临近各种水源体前兆如下:

(1)临近断层水源体前兆

①各种临近断层的前兆

②下盘泥岩、页岩等隔水岩层明显湿化、软化或出现淋水现象。

③其他水流痕迹的出现。

(2)临近大型溶洞水体前兆

①临近各种水源体前兆出现较多的铁锈染或夹泥的裂隙。

②小溶洞出现的频率增加。

(3)临近暗河前兆

①出现大量铁锈染裂隙或小溶洞。

②大量出现的小溶洞含有河沙。

③钻孔中的涌水量剧增,且夹有泥砂或小砾石。

(4)临近老窑积水的前兆(老崆积水与其相似)

①煤壁或顶板渗出水珠,或出现煤层发潮松软。

②顶板淋水或底板涌水。

③煤层中出现暗红色水锈或渗水中挂红。

④掌子面空气变冷或发生雾气。

⑤有嘶嘶的水声。

4.3 隧道瓦斯的预报

瓦斯预报主要包括两个方面:瓦斯浓度的监测和可能的瓦斯溢出部位探测.对于瓦斯溢出部位的预报,应从瓦斯产生、储存及运移环境等进行分析, “以地质法为基础、以物探为主要手段,结合超前钻探和瓦斯浓度监测相结合的综合方法”进行瓦斯地质预报。

(1)地质法是最基本、最简单、最直接的预报方法,主要包括地表及洞内地质调查、瓦斯整体地质分析预测法、隧道开挖掌子面地质素描和钻孔、钻孔探测法等。

(2)物探方法很多,如地震法、TSP系统、HSP声波反射法、电磁波反射法、电法等,它们各有其适用条件和优、缺点。根据隧道的地质条件,文献[3]确定“以地质法为基础、以HSP声波反射法为主要手段,结合超前钻探和瓦斯浓度监测相结合的综合方法”实施该隧道瓦斯地质预报,其措施:①采用地质素描和超前钻孔实施掌子面瓦斯观测;②采用HSP声波反射实施掌子面前方的断层、破碎带预报;③选用专用的瓦斯检测仪监测瓦斯浓度。

4.4 隧道岩爆的预测预报

在工程实践中,岩爆的预测,一般在工程勘测阶段进行,但岩爆的预报,则是在预测的基础上要求进一步提供岩爆发生的地点、量级和时间的准确信息,以保证工程的安全和经济。岩爆的预测带有定性分析,而岩爆的预报则是定量分析,这两者是各自独立而又相互关联的不同的工作阶段。在岩爆预测阶段,最重要的是建立岩爆的判别准则,目前有以下几种方法:

(1)地质力学宏观分析法

利用地质力学原理、分析区域构造发展史,推断岩体中近代构造应力场,再结合少量岩体应力量测结果,综合判断初始应力场最大主应力方向和量级,以此预报岩爆的可能性。

(2)岩石强度与应力对比法

岩爆是围岩应力超过岩体强度而发生的一种脆性破坏现象,因此,可以用强度应力比来估计发生岩爆的可能性。

针对不同的岩爆现象,不同学者分别提出了不同的理论和预测方法,如强度理论、刚度理论、能量理论、失稳理论、断裂损伤理论、扩容理论、突变理论、分叉理论、表面失稳理论等,以及数值分析方法、模糊数学综合评判方法、分形几何方法、声发射法、地震法、位移测试法等。尽管理论很多,提出了各种各样的岩爆判据,但由于岩体本身的复杂性和各种环境因素的影响,使得岩爆的预测难以满足设计需要,探讨一种新的有效的预测方法是很有必要的。[3]

5 小结

隧道超前地质灾害预报是隧道施工中十分重要的一个环节。有效的隧道超前地质灾害预报将保证施工安全。尽管隧道施工超前预报已引起国内外隧洞工程界的重视,也做了许多卓有成效的工作,但到目前为止还没有一套系统的普遍适用的方法,国内外隧道工程的重大地质灾害仍时有发生。因此,准确预报开挖前方的地质条件是隧道建设者们的迫切要求,二十世纪八十年代以来世界各国都把这类问题列为重点研究课题。科技论文,塌方。但是隧洞施工超前预报又是一项复杂而艰难的任务,尚需在工程实践中不断创新、优化、总结、完善和提高,要真正搞好隧洞施工超前预报任重道远。


参考文献
[1]何峰.三峡引水工程秦巴段深埋长隧洞开挖地质灾害研究[D].中国地质科学院博士论文.2005
[2]何发亮,李苍松.隧道施工期地质超前预报技术的发展[J].现代隧道技术.2001,38(3)
[3]谭竣.孙家寨隧道瓦斯地质超前与预报防治措施[J].路基工程,2007,(3)
 

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