高风险岩溶隧道地质灾害评价与施工控制技术研究——以叙大铁路岩溶隧道为例

摘要

随着我国以铁路、公路为代表的基础设施不断向西南山区推进，岩溶隧道的重大岩溶灾害已成为工程勘察、设计和施工重点关注的关键技术问题。在大量工程实践和研究工作中，国内外学者已基本建立一套关于超前识别岩溶灾害的技术和方法体系。但在实际的工程应用中，对大规模充填型溶洞的识别还尚未有针对性的方法体系。本文以川南叙大铁路的高风险岩溶隧道为研究对象，在分析岩溶发育宏观背景的基础上，重点研究了竖向充填型溶洞的超前识别和探测方法，分析了岩溶突水、突泥后可能产生的工程效应，并探讨了防治这类岩溶灾害产生的控制措施。在研究工作中取得的研究成果如下:
　　(1)在大量区域水文地质调查的基础上，查明了线路区岩溶发育的控制性因素，建立了以可溶岩分布范围、岩溶历史及地下水特征为关键指标的水文单元划分标准。利用该标准将全线划分为三级水文地质单元，其中岩溶发育最为明显的是Ⅰ-1-2大官水单元，Ⅰ-1-3大寨水单元和Ⅱ-1-3水落河水单元。统计表明大型岩溶都发育在P茅口组和T嘉陵江组中。
　　(2)以隧址区的水文地质宏观特性为基础，结合隧道区地表岩溶特征和开挖揭露岩溶特征，建立了岩溶隧道岩溶风险的五级分级指标体系。利用该体系对全线路的主要岩溶隧道进行了危险性等级预测与评价，仙人洞隧道和中坝隧道是该路线的高风险岩溶隧道。
　　(3)对重点隧道开展岩溶灾害发育规律的研究，对“长(TSP)短(GPR)结合”物探方法在探测竖向充泥溶洞的适应性进行了研究，并通过预测与实测多项对比，得到了:TSP探测距离长，可判别宏观风险，但低速带解译中不容辨识是破碎岩体还是夹泥充填物;GPR探测距虽短，但是首个反射界面明显，精度较高。
　　(4)采用反演解译和开挖验证等方法，对不同规模、形状、填充物质的竖向充泥溶洞进行了研究，提出了采用“两正一负”的反射波特征确定溶洞顶部边界，采用侧壁多次波干扰和曲率半径定性判断溶洞规模的方法;还提出了利用主频波峰特征来判断填充物类型的方法。
　　利用正演分析方法，对溶洞壁覆泥的反射波响应特征进行了研究，得到了以下成果:
　　①不存在覆泥层的空溶洞顶界面位置由正反射对应两个负反射，溶洞顶界面位置为较强正反射界面;存在覆泥层的空溶洞顶界面由负反射对应两个正反射，溶洞顶界面位置为强负反射界面。
　　②不存在覆泥层的空溶洞顶界面反射较强，频带较窄，频率相对较高，溶洞内部振幅低，能量低;存在覆泥层的空溶洞顶界面反射增强，频带宽，频率相对较低，溶洞内部反射振幅值增高，能量增强。
　　(5)利用上述成果，探明了岩溶风险等级较高的仙人洞隧道，中坝隧道存在的竖向溶洞、暗河等岩溶灾害，特别是竖向充泥溶洞灾害7处，特大型突水点1个，仙人洞隧道潜在大规模突泥灾害1个。通过计算分析要保证仙人洞特大突泥点的安全，必须保证其围岩安全厚度在3.5m以上，并结合地质条件，提出采用套拱，大管棚和注浆小导管对大型充泥溶腔进行联合支护方案，并采用数值模拟方法分析了支护效果。
　　(6)通过对隐伏溶洞隧道进行分析，根据梁板抗弯、抗剪估算理论，结合仙人洞隧道的实际营运载荷，采用FLAC对不同衬砌厚度、溶洞形态、位置关系的安全距离进行了分析，在处于理论计算临界范围附近时，隧道衬砌厚度的增加对于底板稳定性改善有非常明显的效果。在较浅的位置衬砌厚度的增加时，由于自身重量增加，可能对底板稳定性起到一定负面影响，并对底板进行了稳健度分析。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩溶地质的研究现状

1．2．2 岩溶地质灾害探测方法的研究现状

1．2．3 岩溶地质灾害类型及危害的研究现状

1．2．4 岩溶地质灾害稳定性评价的研究现状

1．2．5 岩溶隧道施工控制技术的研究现状

1．3 研究思路与技术路线

1．4 主要完成的工作和取得的成果

1．4．1 完成的主要研究工作

1．4．2 获得的主要成果

第2章 区域地质环境条件

2．1 自然地理条件

2．2 工程地质条件

2．3．1 地形地貌

2．3．2 地层岩性

2．3．3 地质构造与地震

2．3 水文地质条件

第3章 研究区岩溶及岩溶水文地质条件

3．1 研究区岩溶发育特征

3．1．1 研究区地表岩溶形态特征

3．1．2 研究区地下岩溶形态特征

3．1．3 研究区岩溶发育程度的初步分级

3．2 岩溶水类型划分

3．3 岩溶水的补、径、排特征及水循环

3．3．1 岩溶水的补给特征

3．3．2 岩溶水的径流特征

3．3．3 岩溶水的排泄特征

3．3．4 岩溶地下水循环特征

3．4 水文地质单元划分及岩溶特征

3．5 小结

第4章 隧址区岩溶发育规律及危险性预测

4．1 隧道穿越区地表岩溶特征

4．2 隧道与暗河体系的基本关系分析

4．3 潜在岩溶灾害类型

4．4 岩溶灾害危险性预测

第5章 岩溶隧道地质灾害体识别

5．1 充泥溶洞探测技术

5．1．1 探测方法的选择

5．1．2 地质方法

5．1．3 GPR探明方法

5．1．4 TSP探测方法

5．1．5 地球化学探测方法

5．2 仙人洞隧道充泥溶洞地质灾害体识别

5．2．1 仙人洞隧道概况

5．2．2 地表漏斗测氡探测

5．2．3 地质雷达探测

5．2．4 TSP200探测

5．2．5 竖向发育充泥溶洞的探测方法

5．3 中坝隧道暗河地质灾害体探测

5．3．1 中坝隧道概况

5．3．2 隧道水文地质条件

5．3．3 隧道涌水特征

5．3．4 溶腔形态探测

5．3．5 隧道岩溶涌突水成因分析

5．3．6 隧道后续施工涌突水灾害危险性预测

第6章 溶腔突泥控制技术

6．1 溶腔的分类

6．2 叙大线溶腔充填物特性分析

6．2．1 充泥型溶腔

6．2．2 碎块型溶腔

6．3 大型充泥型竖向贯通溶腔安全厚度研究

6．3．1 充泥型溶腔安全厚度的影响因素

6．3．2 安全厚度的计算

6．4 不稳定竖向充泥溶腔支护方案优化

6．4．1 仙人洞隧道溶腔支护优化设计

6．4．2 溶腔加固措施方案比选

6．4．3 大型竖向溶腔施工控制方法

6．5 控制邻近隧道溶腔的施工技术

6．5．1 隧道近接工程影响基本理论

6．5．2 研究区概况

6．5．3 邻近工程变形特征

6．5．4 邻近隧道岩溶区域施工控制方法

第7章 大型隐伏溶洞隧道通过技术

7．1 隐伏溶洞隧道底板评价

7．1．1 结构力学近似法

7．1．2 数值模拟方法

7．2 基于Info-Gap理论的隧道底板健康度分析

7．2．1 info-gap理论的简介

7．2．2 建立底板稳健性模型

7．2．3 工程实例计算

7．3 大型隐伏溶洞暗河通过处置技术

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果