深埋隧道工程的災(zāi)害地質(zhì)問題論文
摘要：在進(jìn)行深埋隧道工程施工過程中，由于洞程較長，洞深埋設(shè)較大，地質(zhì)條件較復(fù)雜，在施工時，如果處理措施不當(dāng)會出現(xiàn)高地溫、巖爆、高壓涌水等問題。鑒于此，以實際工程為例，對深埋隧道工程主要存在的災(zāi)害地質(zhì)問題進(jìn)行了分析和探討，保證了施工的順利進(jìn)行，以期為類似工程提供參考與借鑒。
關(guān)鍵詞：深埋隧道工程；災(zāi)害地質(zhì)；高壓涌水
1工程概況
太行山高速公路邯鄲東坡隧道位于武安市嶺底村南、七水嶺村東、涉縣東坡村東北處。隧道為分離式特長隧道，隧道工程總施工長度為3134m。左幅為ZK38+624~ZK41+740，長3116；右幅為K38+642~K41+776。最大埋深為176m。本文以此工程為例，對深埋隧道工程主要災(zāi)害地質(zhì)問題進(jìn)行分析和探討。
2深埋隧道中的高地溫難題
深埋地下隧道的工程中，地質(zhì)問題是需要進(jìn)行探索和研究的關(guān)鍵領(lǐng)域，最先要通過預(yù)測天然地溫，一旦地溫超過30℃一般將其稱之為高地溫。高地溫不僅會惡化深埋隧道作業(yè)的環(huán)境，還會嚴(yán)重降低工人的勞動生產(chǎn)率，甚至?xí)䦟ΜF(xiàn)場施工人員的生命造成極大危害。此外，對深埋隧道施工材料選取的難度也相應(yīng)增加[1]。然而，地溫值是隨著地下工程埋深在不斷變化的，但地下工程的最大埋深和地溫值的增加關(guān)系不是呈線性的，因為造成這種深埋隧道中的高地溫問題的原因主要是地下水活動以及近期巖漿活動中放射性生熱元素含量較高等。
3深埋隧道與巖爆的高地應(yīng)力問題
在深埋地下隧道的工程中，其中一個突出的地質(zhì)難題就是巖爆問題。地下隧道工程埋得越深，其地應(yīng)力就會越高。深埋隧道工程和近地表工程的不同之處除了具有較高的水平構(gòu)造應(yīng)力外，最主要取決于圍巖出現(xiàn)的高地應(yīng)力。它不僅在硐側(cè)壁引起高壓應(yīng)力，還導(dǎo)致硐頂部出現(xiàn)高拉應(yīng)力，這樣會導(dǎo)致硐室圍巖不穩(wěn)定，埋下隱患。由于高地應(yīng)力的存在，一些黏性土含量較高，而硬巖含量較低的圍巖就會產(chǎn)生被塑性擠出的可能。高地應(yīng)力不斷釋放，地下隧洞就會發(fā)生變形，往往會出現(xiàn)隧洞短時間內(nèi)突然變小的異常現(xiàn)象。就好比從掌子面距離正洞30m開始，洞身變形的長度有40m，起初的支架保護(hù)結(jié)構(gòu)破壞就會非常嚴(yán)重，通過測量計算，隧洞拱頂?shù)南鲁猎?0~20cm之間，隧洞的拱腳和邊墻也出現(xiàn)不同程度的擠壓和移位，甚至還有混凝土開裂的情況[2]。這時就需設(shè)計一套科學(xué)有效、剛?cè)峤Y(jié)合、綜合治理的施工方案。為克制高地應(yīng)力，考慮使用約1萬根超長錨桿，要求總長超過11×104m，把地下隧洞中的斷面改成環(huán)形成拱，做到先柔后剛、先放后抗的設(shè)計要求。巖爆受影響的原因有地震爆破，也有相鄰巖爆或機(jī)械等外因動力的振動，但其中影響巖爆的最基本原因是巖石的結(jié)構(gòu)特征。經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，巖石顆粒排列呈定向排列還是隨機(jī)排列，巖石是膠結(jié)連接還是結(jié)晶連接，是鈣質(zhì)膠結(jié)還是硅質(zhì)膠結(jié)，這最終關(guān)系著巖爆烈度的強(qiáng)弱。例如：（1）隨機(jī)排列的花崗巖、閃長巖等巖石的巖爆烈度，會比片麻巖、花崗片麻巖、糜棱巖等具有定向排列的圍巖顆粒更強(qiáng)一些；（2）結(jié)晶連接的深層巖漿巖石中的巖爆烈度比膠結(jié)連接的沉積巖強(qiáng)；（3）具有硅質(zhì)膠結(jié)巖石的天生橋二級水電站引水隧洞比關(guān)村壩的隧道中鈣質(zhì)膠結(jié)巖石的爆烈度強(qiáng)。
4深埋隧道中的高壓涌水難題
深埋地下隧道的施工過程中，除了高地溫以外，涌水問題也成為隧道運營中亟待解決的又一難題。由于地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道通過的地段會挖掘出很多水流量大的地質(zhì)單元，一般就會出現(xiàn)涌水量大或水頭壓力高的情況。地下水水壓在深部巖體中極高時，就會導(dǎo)致巖體水力劈裂。這就說明在高水頭壓力的作用下，在巖體的突水點附近，巖體斷續(xù)裂隙、裂縫是朝著某個方向的，受網(wǎng)狀交織的構(gòu)造裂隙影響，經(jīng)過融合后發(fā)生擴(kuò)展的裂隙、空隙最終張裂開來。隨著隧道深部巖體涌水量越來越大，地下水水壓越來越高，會導(dǎo)致深埋隧道工程圍巖水力劈裂。一旦出現(xiàn)水力劈裂的情況，就會迅速連通裂隙，空隙的張裂程度就會越來越大，涌水的滲透力會越來越強(qiáng)。再加上動水壓力的影響，裂隙會再擴(kuò)展，而使在裂隙面上的充填物發(fā)生剪切變形和位移。不論是在深埋隧道工程中還是在淺埋隧道中，容易發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害主要表現(xiàn)為斷層破碎帶，巖體不整合接觸面和結(jié)構(gòu)不利組合段造成的塌方、地震，還有瓦斯爆炸、有害氣體以及溶巖塌陷、泥屑流等[3]。其中，瓦斯爆炸主要指甲烷CH4在相對封閉的煤系構(gòu)造地層中，由沖擊波的產(chǎn)生、劇烈的氧化作用而導(dǎo)致的爆破，其災(zāi)害性極強(qiáng)。
5基巖裂隙水
5.1基巖裂隙水的含義
只有儲存在堅硬巖石裂隙中的非可溶性地下水，才被統(tǒng)一歸納在基巖裂隙水的傳統(tǒng)范疇中，根據(jù)含水介質(zhì)的基礎(chǔ)特征，可以將地下水分為空隙、裂隙、巖溶3種，但并非在地下水、巖石以及巖石中的空隙這3者之中產(chǎn)生對應(yīng)關(guān)系。貯水空隙系統(tǒng)具有雙重空隙介質(zhì)，在地下水勘探中，關(guān)于貯水空隙類型還探索到了新的領(lǐng)域。基巖裂隙水主要存在于受符合地質(zhì)構(gòu)造條件的屬堅硬或半堅硬的巖石所控制的以裂隙為主的貯水空間，是具有運動、富集規(guī)律的地下水。不管是溶蝕裂隙地下水在可溶性巖石中的部分，還是孔隙裂隙水中的半堅硬巖石，都屬于基巖裂隙水，而它與其他類型地下水的基本區(qū)別，關(guān)鍵在于是不是受地質(zhì)構(gòu)造因素的嚴(yán)格控制。巖石含水的裂隙有成巖裂、構(gòu)造裂和風(fēng)化裂，主要是依照它的成因來劃分的。如果非要與風(fēng)化裂隙水和成巖裂隙水作比較，那么水源集中、水量較大的必定是構(gòu)造裂隙。
5.2基巖裂隙水的特點
由于主控因素作用，不同的蓄水構(gòu)造中分布、富集基巖裂隙水的基本規(guī)律和決定主控的因素也基本相同，具有獨特的分布和運動規(guī)律。我國基巖裂隙水富集的基本特色理論就是蓄水構(gòu)造系統(tǒng)，其主要特點如下。（1）基巖裂隙水具有復(fù)雜多樣的埋藏和分布形態(tài)。將儲存、運移基巖裂隙水的空間和通道，叫做巖石裂隙。基巖裂隙的大小和基巖裂隙的形狀，以及控制埋藏和分布裂隙發(fā)育帶的產(chǎn)狀，都是受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地貌條件等影響的。埋藏、分布不均勻的基巖裂隙水，大多具有不規(guī)則的含水層、多種多樣形態(tài)、分布呈帶狀的特點[4]。比如用脆性和塑性這兩種地層做比較，會產(chǎn)生較強(qiáng)的賦水性。若裂隙發(fā)育在褶皺構(gòu)造中，像褶皺軸、轉(zhuǎn)折、背斜傾伏等處，富水段的形成就會比較容易，而壓性斷裂破碎帶中的賦水性是比較差的。（2）復(fù)雜的基巖裂隙水中，由于儲存空間中不均勻的介質(zhì)，埋深程度不同的同一含水層，其地下水的運動狀態(tài)也各有不同。對于巖石中所要形成和分布的空隙，最基礎(chǔ)的因素是地質(zhì)構(gòu)造，主要表現(xiàn)在：巖石裂隙的發(fā)育和裂隙水的儲存都是受地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性所影響，其中，基巖裂隙水的運動規(guī)律也被地質(zhì)構(gòu)造所牽制。由于地下水面的不同，即便是在基巖相同的裂縫水中，也是有時而出現(xiàn)無壓水，時而出現(xiàn)承壓水的情況[5]。層流、管道流、紊流、明渠流水是在巖石裂隙、溶洞的特殊形態(tài)作用下形成水運動的不同狀態(tài)，因此，基巖裂隙水的不均一性以及強(qiáng)烈的方向感，是導(dǎo)致裂隙巖體的透水復(fù)雜多樣、不具有規(guī)律性的根本原因。
6結(jié)論
在深埋地下隧道的工程中，比較突出的幾大地質(zhì)難題包括高地應(yīng)力及巖爆問題、高壓涌水突水問題、高地溫問題等。此外，還有像地震震害、瓦斯有害氣體爆炸以及涌水突泥、圍巖塌方、巖溶塌陷、泥屑流等。于是，在這個復(fù)雜的、系統(tǒng)的深埋隧道工程中，關(guān)于災(zāi)害地質(zhì)的研究，對隧道工程能否順利開展是關(guān)鍵的一步，在隧道工程施工前應(yīng)按照隧道工程的各方面具體情況，采取有效、有針對性的防御措施。
參考文獻(xiàn)：
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[2]上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院，清華大學(xué).隧道工程防水技術(shù)規(guī)范：CECS370—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014
[3]孫赤.錦屏二級深埋隧道大理巖段突水破壞機(jī)理研究[D].成都：成都理工大學(xué)，2014.
[4]王洪新.土壓平衡盾構(gòu)刀盤開口率選型及其對地層適應(yīng)性研究[J].土木工程學(xué)報，2010（3）：88-92．
[5]武力，屈福政，孫偉，等.基于離散元的土壓平衡盾構(gòu)密封艙壓力分析[J].巖土工程學(xué)報，2010，32（1）：18-23．
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