1、2022-12-17西南交通大学1隧道工程施工建设常见地质灾害及治理 主讲人：巫锡勇教授 西南交通大学前言前言 普遍存在于隧道及其它地下工程中的地质灾害，是隧道工程建设的大敌。因此探讨隧道地质灾害的发生发展规律，研究其监测系统及防治对策，对隧道工程建设将具有重要的意义。在隧道及其它地下工程中，经常发生由于地质作用和人类工程、经济活动引起的灾害，有的还相当严重，是隧道工程建设中的重要问题。地质灾害作为其中的一种，有其固有的形成条件，其发生发展也有一定的规律，但对这些问题的认识目前还不够深入，规律亦尚未完全掌握，特别是对地质灾害的预报尚无突破性的进展。人们意料中的地质灾害，并不可怕，也不是不可战胜
2、，但意料之外的地质灾害，往往给人以措手不及之感，甚至还会给工程建设带来灾难，轻则停工、停产、延缓建设速度，重则造成机毁人亡，工程报废。正确、合理的防治措施，将起到抑制或减轻灾害危害程度的作用。相反，若不加以重视或采取错误的对策，将加重灾害的程度，甚至起到诱发灾害发生的作用。因此，探讨隧道地质灾害发生发展规律，研究预测出现灾害的可能时间、空间位置的技术方法，预见灾害的危害程度，以及研究灾害的监测，防治对策，将具有重要的意义。隧道地质灾害概述隧道地质灾害概述 隧道地质灾害具有普遍性，现以中国铁路建设为例概述之。o 例一，成昆铁路。全线有415座隧道，施工期间约有25%的隧道发生过较大型的塌方；93
3、.5%的隧道发生过不同程度的水害，其中涌水量超过10000m3/d的有8座；有多座隧道出现地下水对混凝土的腐蚀，含盐、含石膏地层的膨胀，以及岩溶塌陷、瓦斯、地热和岩爆等灾害。o 例二，穿越于地形、地质条件复杂的秦岭、大巴山、云贵高原等山区的宝成、襄渝、贵昆、川黔、湘黔及枝柳铁路等，都修建了大量的隧道工程，在隧道的建设和运营中，除发生大量的规模不同的塌方外，许多隧道还出现了洞口仰坡变形、洞身偏压在岩溶地区，大部分隧道还遇到了严重的岩溶涌水、突泥和巨大洞穴以及地表塌陷等灾害。o 例三,近年来修建的衡广复线、大秦铁路,也有许多隧道发生了较严重的地质灾害如著名的大瑶山隧道中段，就发生了岩溶管道涌水、涌
4、砂、地表大量塌陷和塌方等灾害南岭隧道则遇到了以严重岩溶涌水、大量突泥为特点的地质灾害，仅下连溪一段，最严重的一次突泥就达8000m3，堵塞了施工坑道长达177m。o 按隧道地质灾害的成因和特性，可将其分为以下四种类型：（一）围岩的变形破坏（一）围岩的变形破坏o 这类灾害主要由于围岩的属性、结构体和结构面的性状及应力条件不利而引起。包括：1、软弱岩体的变形破坏：主要破坏形式表现为大的变形位移和滑塌等；2、破碎岩（如断层破碎带、风化带等）的变形破坏主要表现为大量的掉块、滑塌、崩塌和泥砂石流等；3、块状岩的变形破坏主要表现为局部掉块；4、坚硬脆性岩的岩爆多发生于深埋、高应力区的隧道中。（二）涌水、漏
5、水灾害（二）涌水、漏水灾害o 这类灾害主要是由于隧道的开凿，破坏或改变了隧道所在地区原来的水文地质环境,隧道成为新的良好的地下水排泄通道引起。灾害的主要形式包括：1、破碎岩的裂隙、缝隙渗水、漏水、涌水；2、岩溶裂隙水、管道水的涌出，以及携带大量泥砂的突泥、突砂。（三）地面沉降和塌陷（三）地面沉降和塌陷o 由于隧道开挖及大量抽排地下水引起。包括：1、浅埋隧道、城市地铁或大型管道开挖及大量抽取地下水造成的地面沉降；2、岩溶地区隧道开挖排放大量地下水造成的地面塌陷和泉水枯竭。（四）其它地质灾害（四）其它地质灾害主要包括：1、有害气体如瓦斯突出造成的灾害；2、地下水对隧道建筑物的侵蚀、腐蚀作用引起的灾
6、害；3、隧道的冻融灾害；4、高地温灾害；5、地震灾害。特长隧道地质灾害及其特殊性特长隧道地质灾害及其特殊性 o 隧道施工地质灾害发生的普遍机制及其分类隧道施工地质灾害发生的普遍机制及其分类 广义的隧道地质灾害从时间上可以分为施工地质灾害和运营灾害两大类。前者是指施工期间，由水、岩、热、气等构成的复杂地质系统对开挖过程形成的人工扰动的一种正常反应，反应的形式和程度不同，灾害的类型和规模也就不同；后者是指隧道运营期间，由于设计不合理、施工方法不当或施工质量不过关等因素，而出现的与地质环境有关的影响列车正常通过的各种问题。如漏水、涌水、涌泥、翻浆冒泥、仰供破裂、衬砌内鼓及洞门塌方等。这里主要讨论隧道
7、施工的地质灾害。尽管人类为各种目的修建的各类隧道长度越来越大，但从宏观角度来看，即使最长的隧道和地球的半径相比仍然是十分渺小的；从隧道工程及触及的深度来看，基本限于岩石圈浅表部硅铝层的风化卸荷带及其附近的新鲜岩带内，修建隧道的主要目的还限于克服地球表面的高山和水体对工程活动的阻隔。由于受到内力和外力地质作用的联合影响，风化卸荷带及其附近的新鲜岩带内各种成因、不同次序的非连续结构面十分发育，使其成为岩石圈中连续性、整体性最差的层圈。同时该层位又是地下水最主要的赋存场所，地球的陆地部分就像被笼罩在一层饱水的海绵里一样。此外，来自地核的热能还通过传导、对流等方式向地表散射，即存在所谓的地温梯度。不仅
8、如此，地球表面还存在一系列的温异常区，构造发育的褶皱山系就是地温异常的多发区之一。煤层、煤系地层是十分普遍的岩性组合之一，做为隧道围岩，其中蕴涵的瓦斯对子隧道施工是一个巨大的威胁。因此，隧道工程往往是修建在由水、岩、热、气等构成的一个复杂的巨系统之内的。天然情况下，该系统具有自身的(动态)边界(力学、补给或排泄)，系统各构成要素或不同要素之间维系着一种动态平衡的关系。隧道的开挖，相当于在一定空间范围内改变了系统的边界(对于岩体)或增加了输出边界(对于流体)，这样，系统本身就必然按照其固有的运动规律对此作出反应，具体表现则为隧道附近一定范围内的围岩破坏，水、热、瓦斯气向隧道排泄。当这种反应形式过
9、于强烈时，便演化为施工地质灾害。o 根据地质系统对隧道开挖的反应形式，可以对施工地质灾害进行如下图所示的分类。对隧道施工地质灾害进行分类的目的，在于研究其发生规律并进行超前预报和防治，其中规律研究是基础。从物理形态和对开挖的反应形式上看，隧道周围环境系统的构成要素基本上可以分为固体及流体两大类。软岩在通常情况下具有固体特征，但在开挖条件下向隧道运动时，具有显著的流体特征，因此，将其划归准流体单独列出。显然，将隧道施工地质灾害按构成围岩系统的物质的物理形态进行分类，将有助于灾害的成灾机制研究。需要指出的是，尽管从物理形态上硬岩、软岩、水、瓦斯等是可以分开的，但是，无论是天然条件下，还是开挖环境下
10、，它们的变形、运动往往都是互相联系、彼此影响的，即(岩体)应力场、(水和瓦斯)渗流场和(地温)温度场之间存在藕合作用。一个典型现象是，开挖后，形成地下水的人工排泄边界，隧道附近水力梯度加大，对结构面的潜蚀作用变强，最后导致裂隙开度增大，岩体强度减弱，变形加剧，并形成新裂隙，这些新裂隙反过来又促进地下水向隧道的汇流，如此反复。同时，隧道与正常地温场之间的温度梯度也因水的强烈径流而增大，从而促进了热向隧道的传输。因此，既要看到不同物理形态变形、运动规律的差异，同时也不能忽视它们之间的相互联系。上面所述的各类地质灾害一般不会在一座隧道的施工中同时出现，但是两种以上灾害同时发生的情况也是不少的。最典型
11、的例子是辛普伦隧道，施工期间同时发生了软岩大变形、高地温和大涌水，而我国的家竹臀隧道则同时发生了大变形和高瓦斯。应该说，隧道施工地质灾害是自然环境对人工扰动的一种正常反馈，其发生有一定的必然性。相同环境下，灾害的严重程度取决于人工扰动的程度，因此，降低开挖对环境的扰动可以实现减灾的目的。当灾害不可避免时，通过超前预测并采取适当的治理措施，同样可以达到降低灾害损失的目的。o 特长隧道施工地质灾害的特殊性特长隧道施工地质灾害的特殊性 尽管上文所述的各类地质灾害在不同长度的隧道施工中都可能出现，但是特长隧道施工地质灾害及其研究工作与中、短隧道具有一系列不同之处，这主要表现在以下三个方面：(1)相对于
12、中、短隧道，特长隧道地质灾害研究的意义更加相对于中、短隧道，特长隧道地质灾害研究的意义更加重大。重大。o 对于中、短隧道，由于长度和施工周期短，即使施工中遇到较严重的灾害间题，一般不会严重制约整条线路的工期;此外，如果前期预测的灾害问题比较严重，改道饶行也不至于严重恶化线形质量。o 特长隧道工程巨大，建设周期长，长隧道的成功不仅将极大地改善线路的运营条件，将具有“一劳永逸”的效果;如果失败或不顺利，不仅会严重影响工期，成为整个线路通车的卡脖子工程，而且可能为运营留下不易根治的后患，因此，特长隧道往往是整个线路可行性论证中的重中之重，特长隧道施工地质灾害研究具有特殊意义。（2）和中、短隧道相比，
13、特长隧道施工地质灾害本身也具）和中、短隧道相比，特长隧道施工地质灾害本身也具有一系列特殊性。有一系列特殊性。o 特长隧道的显著特征之一是可能出现深埋或超深埋洞段，而且长度比较大。对涌水灾害而言，大埋深有两种情况发生，一是隧道已经进人空隙不发育的隔水带或不透水带，涌水量很小或千燥无水，水头压力也很小;另一种情况则是，隧道仍然处于空隙发育带，由于隧道的位置低，降落漏斗规模大，将发生难于疏干的大涌水而且水头压力高，强行疏干可能引起大范围的浅层地下水水位下降，甚至引起地表水倒灌及地面塌陷等环境生态问题。o 对于硬岩特长隧道，随着埋深的增大，围岩中的结构面将越来越稀疏，岩体强度将越来越高，块体稳定和塌方
14、等问题将有所减少，这对于围岩稳定是有利的；但同时也必须看到，岩体强度提高的同时，地应力量级也在增大，特别是构造应力的量级较高时。o 如果能采用合理的掘进方式，如采用TBM或实施严格控制爆破的钻爆法，岩爆、片帮等灾害的发生几率和规模应该是较小的。如果对围岩扰动过大，岩爆、片帮等灾害的发生程度就可能比中、短隧道严重得多。o 因此，对特长隧道施工地质灾害应该有一个合理的认识，既要看到安全的一面，又要看到可能发生严重灾害的一面。只要对地质灾害进行详尽的超前(设计阶段和施工阶段)预测，并采取合理的施工方式，特长隧道地质灾害是可以避免或治理的。(3)超前预测的难度更大。超前预测的难度更大。中、短隧道的埋深
15、一般较小，对于危险路段，可以通过增加勘探工程量为灾害预报提供尽可能多的深部信息。特长隧道重点路段的埋深一般都在数百米以上，往往达到一、二千米，通过大量的勘探工程来获取各类参数是困难的。因此，特长隧道地质灾害预测是一个十分复杂的研究领域。隧道突涌水地质灾害一、突涌水的概念、形成条件、征兆二、突涌水的地质特征三、突涌水的危害及治理2022-12-17西南交通大学212022-12-17西南交通大学22（二）突涌水的概念o 突涌水的概念o 突涌水形成的条件o 突涌水断裂的导水性、富水性的影响因素o 2.1概论概论 隧洞的开挖，往往会使围岩的性状发生明显的变化，而地下水是影响围岩稳定性和隧洞施工安全的
16、重要因素。影响其一使围岩的完整性和强度降低，其二是当地下水位较高时对洞室稳定不利，其三是向洞室涌水(涌流)。地下岩溶、导水构造等往往是地下水富集的场所,一旦在洞室中出露,就会形成一定规模的涌水、涌砂或者是碎屑流涌入洞室中,给隧洞的施工造成很大的困难。o 2.1.1隧道涌水的特点隧道涌水的特点o 涌水属于隧道施工中遇到的流体地质灾害类型之一，与其它地质灾害相比，隧道涌水具有以下特点：（1）发生几率高。由于地下水的高度流动性、在地壳表层中分布的普遍性以及大多数隧道都处于地下水富集带或其以下附近，只要存在导水通道，就可能发生涌水，因此，其发生条件要比其它灾害类型宽松得多。据不完全统计，在我国1996
17、年前已建成运营的4800余座隧道中，约三分之一发生过涌水问题，其中30余座属大型涌水，每座的涌水量均超过1.0104m3/d，最大的20.6104m3/d。（2）一旦发生大规模的隧道涌水，不仅施工本身会严重受阻，而且可能引起浅层地下水及地表水枯竭，甚至引起地面塌陷等伴生的环境地质问题。襄渝线中梁山隧道涌水造成地表14km2范围内的地表井泉干枯、农田漏水，给三个乡的人畜用水造成极大困难；衡广复线上的南岭隧道涌水、涌泥，连溪河水全部灌人隧道，造成大面积地表塌陷，引起京广线既有铁路和107国道路基严重下沉。也正是由于上述原因，无论是在隧道勘测设计阶段还是在施工阶段，涌水都是重点研究的不良地质现象之一
18、，研究的核心则在于超前预测。o 2.1.2研究现状研究现状 20世纪50年代后期，日本学者高桥彦治(在修建北陆隧道中)，首次提出了简便的涌水量计算方法。此后，许多学者在涌水量)的室内模拟和涌水量的计算方法方面进行了大量的研究工作。从60年代后期开始，日本学者伊腾洋、佐腾邦明等利用室内渗流槽对水下隧道的涌水量预测问题进行了模拟试验研究；80年代初，另一日本学者基于模拟试验，提出了隧道涌水量预测的非稳定流方法；原苏联学者阿拉文(V.I.ARVIN)和努米洛夫(S.N.NUMEROV)基于模拟试验结果提出用复数速度势理论计算水底条形渗渠的涌水量。o 尽管经过了几十年的研究，但涌水仍然是隧道地质灾害超
19、前预测中十分薄弱的环节，涌水量预测的准确度还很低。o 襄渝线大巴山隧道预测涌水量4.14104m3/d，施工时最大涌水量达到20.55104m3/d；o 川黔线娄山关隧道预计涌水量6.00104m3/d，施工最大涌水量为19.20104m3/d；o 贵昆线岩脚寨隧道预计涌水量0.66104m3/d，施工最大涌水量达10.08104m3/d。o 2.1.3特长隧道的特殊性特长隧道的特殊性 特长隧道作为隧道的一种特殊类别，其涌水和中短隧道既有相同之处，又有其特殊性，这种特殊性主要与它的大埋深有关：（1）由于围岩渗透性一般是随着埋深增大而减小的，从总体上说，涌水的发生几率相对较小；（2）如果存在通畅
20、的充水通道及丰富的补给源，可能发生比条件相同的中短隧道规模更大的涌水，并形成更大范围的地下水疏干漏斗；（3）发生高压涌水的可能性增大。o 2.1.4滴渗水及突发涌水可能性判断滴渗水及突发涌水可能性判断 地下岩溶、岩石中的裂隙、是地下水运移、贮存的场所，它的发育程度和成因类型影响着地下水的分布和富集。涌水地质灾害通常发生在特定的地质洞段，在被揭露之前会表现出一些明显或不明显的前兆标志，除利用TSP、HSP、CSAMT、TEM、BEAM 超前地质预报或超前钻以外，通过提高施工人员对前兆标志的认识，增强防范意识，有可能会及时避免突发涌水灾害的发生。若发现掌子面节理裂隙渗水量和组数增加、且常常含有泥质
21、或浑浊(常规钻爆法的炮孔中的涌水量剧增、且夹有泥沙或碎石)等则为突水、突泥的前兆标志。若发现有铁锈染裂隙或有水、无水小溶洞的频繁出现。对于大溶洞来说，还常出现夹泥裂缝或小溶洞；对于暗河来说，小溶洞还常常含有河沙，钻孔中的涌水量剧增且夹有泥沙和小砾石；对于稀释的淤泥带来说，钻孔中的涌水量剧增且浑浊，常常夹有大量泥沙和棱角尖锐的小碎石等，则为溶洞、暗河和淤泥带的前兆标志。2022-12-17西南交通大学31隧道突涌水的征兆 与承压水有关的断层水突水征兆：（1）工作面顶板来压、掉渣、冒顶、支架倾斜或折断柱等现象：（2）沿隧道开挖纵向的底面膨胀、底鼓开裂，一般在顶板来压之后发生；（3）隧道侧壁上出现小
22、水珠并且有变大成线状流动的趋势；洞内温度明显下降；（4）开挖过程中水量增大，这是因裂隙增多、联通所致；2022-12-17西南交通大学32隧道突涌水的征兆 与含水层有关的断层水突水征兆：（1）突水部位岩层发潮、滴水，且逐渐增大，仔细观察可发现细砂；（2）局部出现突水而且泥砂含量增加，水质变浑浊，直到有大量的泥砂流出；（3）发生大量的溃水、溃砂，可导致塌方；通过废弃的煤窑附近时突涌水的征兆：（1）煤层发暗，色泽无光；（2）煤层不透水或不含水，若其上有水或其它方向有高压水时，则煤层表面会有水珠；o 岩溶o 岩溶o 岩溶的地下形态o 岩溶的地下形态o 地下水层示意图o 地下水层示意图o 岩石中的裂隙
23、往往是地下水运移、贮存的场所。o 岩石中的裂隙水2022-12-17西南交通大学41 突涌水：山岭隧道施工中十分常见的一种地质灾害，它是由先期赋存在隧道围岩中地下水，在隧道掘进施工过程中，通过构造裂隙、施工钻孔、爆破孔等涌入隧道形成的，对于隧道施工威胁很大。深埋长大隧道涌水的发生必须满足一定的条件，涌水量的大小及其时间和空间的变化特征受地形地貌条件、地层岩性、地质结构特征及水文地质条件的综合影响，尤其各种破碎带(特别是断裂破碎带)更是隧道涌(突)水(泥)最常见的出现部位，其涌水具有突然性和水量大的特征，整治难度大。2022-12-17西南交通大学42突涌水的形成条件 隧道工程中突水必须具备的2
24、个基本条件是:（1）有充足的水源；在隧道掘进过程中，必然破坏含水或潜在含水围岩，揭露部分地下导水通道，使地下水或与之有水力联系的其它水体(地表水、地下暗河及溶洞等)突然涌入隧道，发生涌水突水灾害。隧道涌水是由于隧道的掘进破坏了含水层结构，使水动力条件和围岩力学平衡状态发生急剧改变，以致地下水体所储存的能量以流体高速运移形式瞬间释放而产生的一种动力破坏现象。当涌水中有大量的固体物质(尤其是泥质物)时，称为隧道的突泥。隧道涌水突泥是否发生，需满足一定的条件，即含水围岩的水源、能量储存性能、释放性能、水动力性能和围岩稳定性能等。2022-12-17西南交通大学43o 水源 充足的水源是造成隧道工程突
25、水的前提条件。目前隧道突水、涌水主要有以下几种水源：（1）含水层特别是承压含水层是常见的情形，隧道工程突水多是由地下承压含水层的水造成的；（2）隧道工程之上的水库、江、河、海也是经常遇到的易造成突水的水源；（3）溶洞、老采空区积水；（4）江、河等发生洪水时，洪水沿各种通道进入地下的倒灌水；（5）一些富水的优势断裂本身就是含水层，此时，它不仅是导水的通道，还是断裂含水层。2022-12-17西南交通大学44 通道 顺畅的、足够大的通道是造成隧道工程突水的必要条件。它既是能量的储存地，又是能量的产出地；有通道水才能储水，才能流动，才会有更大能量。岩体中储存的大量地下水体具有较高静水压力外，其它应力
26、的综合作用也会使岩体储存较大的能量。包括:岩体的结构体(骨架)在静水压力、构造应力和重力等作用下产生的应变能;静水压力等对地下水体压缩产生的应变能;在高水头压力作用下，地下水产生的运动势能。一旦能量达到一定程度，在隧道开挖过程中，必然发生释放，引起地下水向隧道高速涌出而形成涌(突)水(泥)。2022-12-17西南交通大学45隧道涌突水的通道主要有以下几种：（一）隧道直接穿过水源区(如图1)隧道施工过程中，有时会直接揭露含水层。此时，如果地下水位事先没被疏降或含水层中水没有事先得到探放，发生突水事故就在所难免。有时因为条件限制，隧道不得已有含水层中且沿着含水层的走向施工，则突水突涌水发生的可能
27、性就更大了，此时必须放下探地下水。2022-12-17西南交通大学46隧道通过即有断层又有煤层承压水、岩溶地区，将会发生各种可能的危害：突涌水，塌方，冒顶，突泥。2022-12-17西南交通大学47（二）原生断裂及其施工扰动后的活化或扩展断裂 断裂是最重要的原生通道，这里指的就是断裂，相应地，施工扰动后的活化或扩展通道指的也是断裂的活化或扩展。断裂包括断层、节理、裂隙等，其中断层的两盘有相对位移，而节理和裂隙没有。断裂带透水性好，往往断裂带本身就是地下水的储集场所，而当断层与某种含水层有水力联系时就成为地下水传输通道。2022-12-17西南交通大学48大量的实例表明，突水与断裂关系密切，因断
28、裂富水、导水而发生突水事故的情形有3种：图2（a）:表示隧道揭露富水的张性断裂而发生突水事故；图2（b）:压性断裂本来不富水、不导水，是隔水断裂，但由于施工的影响，其压性断裂的力学状态发生变化而导水；图2（c）:原断裂没有延伸到含水层，隧道施工影响造成原断裂扩展而沟通含水层；2022-12-17西南交通大学492022-12-17西南交通大学50影响断裂富水性、导水性的主要因素 影响断裂富水性、导水性的主要因素:断裂的时间性；断裂的规模和空间结构；断裂的力学性质；断裂两盘的岩性；断裂的施工扰动程度；（隧道工程突水机制及对策）2022-12-17西南交通大学51（三）突涌水特征o 突涌水段岩层的
29、地质特征o 突涌水段岩层的物理力学特征2022-12-17西南交通大学52突涌水段岩层的地质特征 突涌水段岩层的地质特征 分析隧道突涌水的地质构造和特征是进行防治水的第一步，通常主要根据勘察和设计文件的地质资料并结合岩溶隧道施工实践来判断分析，根据工程地质和水文地质以及我国大量隧道施工中产生涌(突)水的部位分析，可能产生涌(突)水的地质条件主要有：（1）断层破碎带、不整合面和侵入岩接触带。特别是活动性断层，其未胶结构造岩和派生构造常形成断层含水构造（见图1）；2022-12-17西南交通大学532022-12-17西南交通大学54 （2）背斜轴部逆冲断层的上升盘。隧道穿越背斜分水岭时，往往产生
30、逆冲挤压断层带，断层的下盘受压，虽破碎但挤压紧密，不易透水，而上升盘由于牵引作用，张裂隙发育，多成为导水通道，富水性强；（3）向斜盆地形成的蓄水构造。向斜盆地轴部往往富含地下水；2022-12-17西南交通大学552022-12-17西南交通大学56 (4)可溶岩与非可溶岩接触面、膏溶面和碳酸盐岩层间滑动带。极易发生强烈溶蚀生成溶洞，很多岩层面走向发育的地下河都处在层间滑动带上，在石灰岩、白云岩与碎屑岩或煤系地层的接触面上最易汇集地下水而形成溶洞。(5)其他含水构造、含水体，如层状隔水层形成的含水体、岩溶地层中的孤立含水体等（如图3）；（长大隧道防治水措施）2022-12-17西南交通大学57
31、2022-12-17西南交通大学58突涌水段的岩层物理力学特征o 不同岩体结构和岩性条件的岩体，物理力学性质存在较大差异，隔水层厚度也不尽相同。因此，不同类型围岩被涌水突破所需的最小突水量差别较大，见表1。单位厚度岩体承受的水压也随岩体种类不同而异，如砂岩为0.1 MPa、砂质页岩为0.07 MPa、粘土质页岩为0.05 MPa、断层角砾岩约为0.035 MPa。厚层且完整的岩体往往能承受较大水压力，如数米厚的砂岩和灰岩能承受数十米高水头压力，甚至页岩和泥岩等在有保护作用下也能承受一定水压，阻止涌水突水的发生;而薄层岩体和破碎岩体所能承受的水压力相对要小得多，抗涌水和突水的能力较低。2022-
32、12-17西南交通大学592022-12-17西南交通大学60（四）突涌水的危害及防治措施o 突涌水产生的影响因素o 突涌水的危害o 突涌水的预防o 突涌水的治理o 突涌水的征兆2022-12-17西南交通大学61突涌水问题的普遍性 京广线大瑶山铁路隧道(长143 km)过9号断层时，最大突水量达48104m3d-1 16。襄渝线大巴山铁路隧道因切断岩溶通道及断层破碎带,突水量达1910427104m3d-1 17。日本旧丹那铁路隧道过大断层时，突水量高达288104m3d-1，由于突水事故的频繁发生，隧道历时16年才建成。日本黑部4号铁路隧道穿越一条NE向陡倾断层破碎带时，突水量达066 m
33、3s-1。黎巴嫩阿尔瓦水电隧道，穿越断层时突水量达7125 m3s-1。美国San Jacinto输水隧道，施工中遇到4条大断层、20余条小裂隙(受NW向的Sanjacinto断层控制)，断层突水量达7125 m3s-1。2022-12-17西南交通大学62突涌水产生的影响因素总结发现突涌水产生的主要影响因素有：1 地形地貌条件 统计资料表明，隧道涌水与隧道穿过区地形地貌条件密切相关。按隧道与地形地貌的关系，在横断面上，分为平坦型(T1)、凸型(T2)、山谷正下方平行型(T3)、山谷侧下平行型(T4)和单斜面型(T5);在纵断面上，分为平坦型(L1)、凸型(L2)、横贯河流型(L3)、盆状(L
34、4)和平凸型(L5)。在横断面地形类别中，以T3和T4两类隧道的比涌水量(单位长度涌水量)较大，其次为T1和T5型，T2型最小;从纵剖面来看，T5，T4和T3三类隧道的比涌水量最大，T1和T2类较小。从组合来T1/L5，T3/L3，T3/L5及T4/L3的比涌水量较大，其次为T5/L3和T2/L2，T5/L2和T2/L3组合时的比涌水量最小。2022-12-17西南交通大学63o 砒霜坳隧道位于京珠高速公路小塘至甘塘段内，为上下行分离式单向双车道公路隧道。隧道区地形地貌复杂，位于低山丘陵区，山坡及低洼处有第四系残坡积层分布。山体纵断面呈不对称的马鞍形，地形地貌复杂。山体周围群山环绕，汇水面积较
35、大，雨季水量大，隧道岩体溶蚀现象严重，分布有较多溶洞、溶沟、溶槽等，其、类围岩段长度占据隧道长度一半以上，据此可知砒霜坳隧道地质复杂。在隧道施工时，隧道底部发生“突水”、“突泥”等不良现象，对施工造成巨大的灾害。2022-12-17西南交通大学64 2 地层岩性 灰岩、白云岩等可溶岩类围岩，隧道涌水量大、水量高，比涌水量一般为0.353.47 m3/(minkm)，丰水期和枯水期涌水量之比(即不稳定系数)达2.54.0。国内外大于10000 m3/d的隧道涌水，几乎均发生在这些围岩中，如我国的梅花山隧道(55497 m3/d)、平关隧道(108060 m3/d)和大巴山隧道(205518 m3
36、/d)，意大利格兰萨索隧道(388800 m3/d)等。火山岩、火山碎屑岩等洞段，隧道涌水量较可溶岩段小，比涌水量为0.351.39 m3/(minkm)，不稳定系数1.52.5，如日本青函隧道(100800 m3/d)和大清水隧道(120384 m3/d)等。2022-12-17西南交通大学65 2006年，龙潭隧道左线出口ZK72+167ZK72+202段发生突水导致拱顶坍塌，隧道洞身处于奥陶系下统南津关组强岩溶地层，上半断面左侧及下半断面为泥夹块石状洞穴充填堆积体结构，夹泥呈可塑状。掌子面右侧拱有多处股状混水流出，随后掌子面垮塌，发生突水涌泥，泥石流由掌子面向下涌出，瞬间突水涌泥量最大约
37、0.34 m3/s，间歇性涌泥，涌泥总量约1200 m3，并使ZK72+178ZK72+205段初期支护个别部位变形、环向开裂、剥落（见下面图1、2）。2022-12-17西南交通大学662022-12-17西南交通大学672022-12-17西南交通大学68 花岗岩等深成岩的比涌水量一般为0.208 0.694 m3/(minkm)，不稳定系数为1.5 2.0，如日本的六甲隧道(25 920 m3/d)和新清水隧道(66 960 m3/d)等。泥质岩及砂岩类围岩，隧道涌水量相对较小，但当其受断裂带的影响时，往往会发生较大的涌水量，如梅坎铁路松南隧道位于广东省梅县松南镇境内，全长3398 m，
38、从实际已开挖的近540 m地段揭示:自洞口共约340 m地段均为挤压破碎石英砂岩，严重风化，自稳能力差，局部易坍，洞口局部严重偏压，均为类围岩，余下近200 m均为类断层破碎带，施工中多处、多次发生涌水，最大出水点水量达200 m3/h以上。2022-12-17西南交通大学69 3 地质构造 从隧道围岩的结构特征来看，不论何种围岩，当其各种破碎带较为发育时，隧道常会发生大规模、高水压的涌水，并且往往伴有突泥灾害。破碎带可以是断层(裂)破碎带和节理密集带，也可以是各种岩性接触带，如可溶岩与不可溶岩接触带、岩浆接触挤压带和变质接触带等。其中，在大断裂带和区域性断层(尤其是张性断层)附近，隧道涌水量
39、更为严重，见表2。事实上，隧道大规模的涌(突)水均与断层破碎带有关。这种涌水虽也有一般涌水的特征，但其涌水量更大、水压高、突发性强，且通常有突泥相伴，灾害性更为严重;涌水的动态变化主要取决于围岩的地质构造特征。2022-12-17西南交通大学702022-12-17西南交通大学71o 褶皱储水时受到各种因素的影响，从而造成储水能力有所差异，其特点如下所示：（1）两翼比较开阔的褶曲的富水性将比两翼紧密时好；（2）不对称的褶曲，缓倾斜翼的富水性较陡翼好；（3）褶曲构造中含水层所占比例越大，则富水带水量一般也大，对于等斜褶曲，富水特征则和单斜岩层相似。2022-12-17西南交通大学72（4）非溶岩
40、与可溶岩的地层界面处和强溶岩与弱溶岩的地 层界面处。（5）隧道开挖过程中的岩层分界面(侵入岩与围岩的接触 面)、节理裂隙发育带等。2022-12-17西南交通大学734 隧道的长度及埋深 隧道延伸越长，经过的水文地质单元就越多，汇水面积及补给范围越大，其单位涌水量就越大.但不同的隧道，经过的地质单元及水文地质单元有较大的差异，故其比涌水量与隧道长度的关系并不十分明显，也即隧道的比涌水量主要受控于地形地貌、地层岩性和地质构造特征.当长大隧道埋藏较深时，地下水补给较为充足，隧道总涌水量和比涌水量均有随着上覆岩体厚度增加而增大的特征。2022-12-17西南交通大学74突涌水的危害 国内外许多隧道发
41、生过涌水甚至突泥灾害，如法国仙尼斯峰隧道、日本青函隧道、前苏联北穆隧道、我国大瑶山隧道和军都山隧道等，我国有近1/3的铁路隧道发生漏水，如成昆铁路的415座隧道中，在施工期间有93.5%的隧道发生不同程度的涌水或突水灾害，其中涌水量超过10 000 m3/d的有8座，而严重涌水者13座。涌水的存在，不仅填塞坑道、淹埋设备，给隧道施工带来了巨大的困难，严重者还会造成人员伤亡。若施工时对隧道涌水认识不足，防排和处理措施不当，还会不同程度地影响隧道建成后的正常运营。2022-12-17西南交通大学75（一）突泥 通渝隧道位于重庆市开县与城口交界的雪宝山地区，为单洞二车道双向行驶公路隧道，全长4279
42、m。隧址区岩层主要为石灰岩，岩溶发育，特别是地表浅部溶蚀洼地、落水洞、漏斗成片出现，再加上隧址区处于向斜地质构造，极利于地下水的汇集，且汇集的地下水形成岩溶水使隧道施工的难度增大。故，岩溶及岩溶水问题是该隧道修建中的最主要的不良地质现象，并且极易发生涌水突泥。连续多天降雨后，在通渝隧道K21+780处右侧围岩突然发生涌水突泥事故，涌出坍方量累计约3 000m3，沿隧道轴线长约70m范围，形成了纵向最长约9m，高达拱顶的坍塌穴口，部分初支钢拱架已变形破坏，而且发生了数次小规模的突泥，坍渣以饱水泥夹石为主。（通渝隧道涌水突泥灾害的处治）2022-12-17西南交通大学76通渝隧道涌水突泥灾害现场2
43、022-12-17西南交通大学77 突泥产生的原因为:（1）与岩体裂隙的关系 岩溶引起的裂隙面为附近地表水、地下水天然的排泄通道，也是突水涌泥的良好通道。根据重庆天池隧道钻探揭露和掌子面开挖揭露情况可知：K35+040掌子面为27563构造裂隙面，该裂隙面为附近地表水、地下水天然的排泄通道，地表水和地下岩溶水先沿岩层岩层排泄后沿受陡倾裂隙切割影响，改变其排泄通道，使其顺裂隙面向下渗透并运移至隧址区进洞的低洼地段。2022-12-17西南交通大学78（2）与大气降雨的关系 大气降雨使土体含水量中等丰富，土质较软；雨季丰水期地下水量突然增加，土体易产生软化、泥化现象，容易产生围岩变形失稳；洞顶地层
44、为砂层，其透水性较强，地表水容易下渗，土石界面含水量增加，更发生突泥现象。天池隧道于2007年4月29日突泥以来，先后共发生了5次的涌水、突泥事件。其总涌水、突泥量达12。8万方。通过对地表水文及气象观测，累计降雨量达402mm。通过一系列的计算，结果表明：隧道溶隙内的固有物质已基本排干，大气降雨已通过隧道顶部或底部发育的的水平岩溶管道排泄。2022-12-17西南交通大学79 （3）与结构构造裂隙的关系 结构构造造成的裂隙面或是孔隙可以将封闭的孔隙连通起来，形成大的孔洞，当其与含水岩土层一旦连通，地表水、地下水、降水等将沿着构造裂隙涌入隧道。（天池隧道突水_突泥段地质分析研究）2022-12
45、-17西南交通大学80（二）涌水 岩溶地区铁路隧道的开挖及隧道内的岩溶涌水，将改变隧道所在地区地下水原有的运移、排泄条件，开挖的隧道成为地下水新的排泄廊道。岩体中裂隙水隧道涌水初期主要是静储量释放，涌水因水力梯度较大，由大变小而后趋向与动储量均衡的稳定涌水相比，岩溶涌水由于大小溶隙、溶道充填物冲蚀逐渐贯通，常呈现涌水量由大到小又由小到大反复变化现象，涌水很难达到动态平衡状态。尤其岩溶地下水大量补给为大气降雨补给时更是如此，甚至隧道完工交付运营多年后，每年雨季仍涌水不断。2022-12-17西南交通大学81 截止1998年底我国26座岩溶地区铁路长隧道中，发生过较大岩溶涌水者10座，38.46%
46、;涌泥砂5座，占19.2%;不同程度的地表塌陷水源枯竭5座，占19.2%。研究岩溶地区铁路长隧道涌水、涌泥砂及地表塌陷和水源枯竭灾害的规律，不仅对今后的岩溶地区长隧道的勘察、设计和施工具有重要的指导意义，而且对既有岩溶地区铁路长隧道岩溶水害、泥害、砂害及地表塌陷和水源枯竭灾害防治具有重要的现实意义。2022-12-17西南交通大学82涌水特征：(1)时间特征 突发性：隧道衬砌背后或底板下岩溶集结突破衬砌或底板涌水，在时间上无不表现出突发特性。o 滞后性：降雨经过一段时间累积和大气降雨达到一定量时才突然增大。观测表明，娄山关、梅花山、大瑶山等隧洞内岩溶涌水量突然增大滞后于地表大气降雨开始的时间约
47、为515h。一般而言，滞后时间随隧道岩溶段埋深、岩溶管道贯通度变化。埋深越大，滞后时间越长;岩溶贯通度越高，滞后时间越短。阵发性：岩溶涌水往往含有大量的泥砂，在岩溶涌水时，水中所含泥砂常由于涌水速度的下降而沉积堵塞涌水口或岩溶管道中的某一段致使涌水中断，当岩溶管道水位上升至一定高度时，水压力作用又将堵塞物破坏，造成二度、三度涌水。（岩溶地区铁路长隧道涌水涌泥砂及地表塌陷规律的研究）o 隧道涌水o 隧道施工中遭遇雨状涌水隧道施工中遭遇雨状涌水o 2.2渝怀线圆梁山特长隧道的地质与水文地质背景渝怀线圆梁山特长隧道的地质与水文地质背景o 渝怀铁路西起重庆，经涪陵、彭水、黔江、酉阳、秀山，至湖南怀化，
48、航空距离400km左右。是“十五”期间，国家将在西部地区兴建的长大干线铁路之一，总投资近220亿人民币。o 渝怀铁路是60年代曾经论证过的川汉铁路的一部分，沿线地形高差大，地质条件十分复杂，选线、展线困难。圆梁山隧道位于酉阳县城东北40km，隧道全长近11km，总投资4.7亿人民币，是渝怀铁路的关键性控制工程，也是我国继大瑶山、长梁山、秦岭后的第4条铁路特长隧道。隧道穿越的主要地质单元是桐麻岭背斜和毛坝向斜，隧道标高550m左右，最大埋深700m(图5.l、5.2)。o 桐麻岭背斜和毛坝向斜均为N2030E展布的线状褶皱，宽度23 km，延长超过60 km。桐麻岭背斜的主体岩性为寒武系石灰岩，
49、翼部为奥陶系灰岩；毛坝向斜的翼部主要为志留系砂泥岩，志留系顶部为厚度不大的泥盆系砂岩，向斜核部为二叠系和三叠系石灰岩。o 圆梁山隧道开挖可能遇到的主要施工地质灾害是高压涌水，可能发生涌水的地段包括桐麻岭背斜段、冷水河河谷段和毛坝向斜段。由于上述三个区段的地质结构及可能的涌水机制差异较大，这里主要介绍毛坝向斜段的涌水灾害预测问题。o 2.2.1地层、构造与岩溶地层、构造与岩溶 毛坝向斜为一四周被厚达1775m的志留系砂泥岩隔水层完全圈闭的、主要由可溶岩构成的一个相对独立的水文地质单元。边界为P1q形成的悬崖峭壁，内部为P1、T1灰岩及P2w泥岩形成的规模不一的槽谷与洼地，向斜区域内的降水除蒸发外
50、，几乎全部渗人地下，地下水的补给条件极好。此外，不仅向斜内部各种成因、不同序次的构造形迹十分发育，而且该区的新构造运动也比较活跃，这些因素的综合使得毛坝向斜区碳酸盐岩的岩溶作用极为发育。强岩溶化首先表现在地表岩溶方面。根据规模，地表岩溶可以划分出三级岩溶景观：o 一级为巨型组合槽谷，如长度超过10km的黄家槽毛坝槽谷及小排坡毛家院子槽谷等；o 二级为独立的岩溶槽谷、岩溶洼地及溶丘；o 三级为规模较小的溶沟、溶槽等。这些岩溶地貌的有机组合，使得整个向斜区具有很强的吸收降水能力。o 地下岩溶发育的最直接表现是岩溶贮水空间的高度管道化，地下水的高度(暗)河流化。毛坝场西侧发育于T1中的K381号暗河
