岩溶隧道涌突水原因分析及治理技术探讨
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1)可溶性岩石的向斜核部和背斜翼部容易发生 岩溶涌突水 。向斜褶皱核部纵张裂隙发育 ,轴部易汇 水 ,易形成溶蚀裂隙和溶洞 ,发育成强岩溶带或暗河 ; 在背斜褶皱翼部发育的层面裂隙和层间滑动裂隙通常 是过水通道 ,受溶蚀作用 ,易沿岩层走向发育椭圆或扁 平状溶管或洞穴 ;与背斜和向斜褶皱直交的横张裂隙 一般张开性强 、岩石破碎 、胶结程度差 、透水性强 ,容易 起导水和汇水的作用也是岩溶发育带 。
2)断层破碎带容易发生岩溶涌突水 。断层破碎 带常因导水 、富水而成为岩溶富水带 ,张性断裂常因张 开性好 、构造角砾胶结松散 、孔隙较大而容易形成具有 较大储水空间和宽大径流通道的强岩溶带和暗河径流 带或管道流 ,张性断裂横切褶皱或挤压性断裂 ,使褶皱 不同部位的地下水互相连通 ,促进岩溶发育 ,共轭出现
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
852
隧道建设 第 28卷
图 1 岩溶管道涌突水 Fig. 1 W ater gushing through karst p ipes
根据有关理论 、工程类比和岩溶涌突水现象的观 察和分析 ,可以总结出岩溶地下水的运动规律 ,隧道岩 溶突水主要分 5种类型 ,其特征和运动规律及危害性 如表 1。
收稿日期 : 2008 - 05 - 12; 修回日期 : 2008 - 05 - 22 作者简介 : 张炜 (1963—) ,男 , 1983年毕业于西南交通大学铁道工程专业 ,本科 ,高级工程师 ,从事科学技术研究管理工作 。
脉管经溶蚀进一步扩大 ,延长 ,形成 较大的管 ,其宽度很大 ,连通性很好 ,一 旦揭示 ,水和泥砂会涌出或喷出 ,一般 管道型 呈有压状态 ,水量和水压较大 ,地下水 大 很大
和泥砂运动状态比较复杂 ,这种形式的 涌水一般具有突发性 ,对施工和运营安 全影响很大
空间体积较大 ,形状不规则 ,有水溶 洞如果内部充满大量的水和泥砂等充
ZHAN G W ei, L I Zhiguo, WAN G Q uansheng
( L uoyang R esea rch Institu te of S cience and Technology, Ch ina R a ilw ay Tunnel Group Co. , L td. , L uoyang 471009, Henan, Ch ina)
关键词 : 岩溶隧道 ; 涌突水机理 ; 止水岩柱 ; 裂隙 ; 治理技术
中图分类号 : U55
文献标志码 : A
文章编号 : 1672 - 741X (2008) 03 - 0257 - 06
Cause Ana lysis and Coun termea sures for Wa ter Gush ing of Karst Tunnels
主要原因是 , 1)爆破或非爆破开挖直接破坏含水 构造周围的地层 ,导致止水岩柱或关键岩块失稳和破 坏 ,岩溶水突然涌出 ; 2)隧道开挖直接揭穿高压 、富水 溶洞或岩溶管道造成隧道涌水突泥Leabharlann Baidu; 3)为爆破或非爆 破施工导致岩体溶隙或岩溶管道扩张 ,造成岩体局部 应力集中和破裂 ,岩溶水突然涌出 。 2. 3. 2 隧道开挖间接诱发涌水突泥
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 3期 张炜 , 等 : 岩溶隧道涌突水原因分析及治理技术探讨
0 引言
近年来 ,随着高速铁路 、高速公路及水电基础设 置的大规模建设 ,在岩溶地区修建的高水压 、富水 、 岩溶隧道也越来越多 ,由于岩溶发育的复杂性 ,在隧 道施工过程中遇到了不少问题 ,其中涌突水问题最 为突出 ,隧道穿越岩溶区时 ,由于采取爆破或人工开 挖 ,扰动围岩 ,改变地下水的流动状态 ,破坏了围岩 的原始力学状态和岩溶水平衡体系 ,因而导致岩溶 隧道施工中出现岩溶涌突水问题 。岩溶涌突水对施 工安全 、施工质量及周围环境影响很大 [ 1 - 2 ] ,严重时 还将影响运营和环境安全甚至带来工程灾难 ,因此 分析岩溶隧道涌突水原因 ,找出涌突水的关键因素 , 探讨涌突水治理技术显得非常重要 。岩溶隧道涌突 水与隧道穿越的地质构造有关 [3 - 4 ] ,不同岩溶构造 , 涌水突 水 特 点 不 同 , 同 时 还 与 施 工 和 降 雨 因 素 有 关 [5 - 6 ] ,另外岩溶突水还与隧道的位置及安全距离 有关 [ 7 ] ,但以前的研究仅局限于对具体工程的处理和
Abstract: The relationship between the karst development features and the water gushes are p resented in detail and as2 sessment criteria is p roposed; it is p roposed that the karst water gushes are related to the atmospheric temperature, rain2 fall and rainfall intensity and the stress distribution caused by the construction; the water gushing m echanism s, such as the tensioning failure of the water2sealing rock columns, the shearing failure of the fissures, the hydrodynam ic expansion of the fissures and the stability2losing failure of the ground, are expounded by means of num erical analysis and theoreti2 cal analysis; the estimation of the water gushing quantity and the water gushing p ressure, as well as the karst treatment technology, are p resented. Key words: karst tunnel; water gushing mechanics; water2sealing rock column; fissure; treatment technology
的 2组扭性断裂常成为地表水下渗和地下水径流的通 道 ,控制岩溶水的分布形态 。
表 1 岩溶涌突水特征和运动规律及危害性
Table 1 Features, moving pattern and harmfulness of karst water gu sh ing
类型
特征及运动规律
涌突水 几率
危害性
3)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 ,产生岩溶涌 突水 。很多沿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 上最易汇集地下水和发生强溶蚀作用而形成岩溶管道 和溶洞突水 。
4)其他含水构造 、含水体涌突水 。如层状隔水层 形成的含水体 、岩溶地层中的孤立含水体等 。 2. 2 气象条件
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节 ,地层水位迅速上升 ,水压力增大 ,隧道突发涌水的 可能性极大 。 2. 3 施工因素
在隧道施工之前 ,岩体处于自然平衡状态 ,隧道开 挖时扰动了岩体 ,形成临空面 ,并在隧道周边形成松动 圈 ,导致原有裂隙扩张和出现新的裂隙 ,改变了围岩的 应力状态和地下水的流动状态 ,加速了水循环 ,而岩体 的破裂首先是从围岩内的节理裂隙面开始的 ,当充水 裂隙垂直方向受拉应力作用或者裂隙面上受剪应力作 用时 ,不高的水压即可使其产生破裂 ,从而引起裂隙进 一步扩展 ,水流在扩展方向的流动和劈裂又加剧了裂 隙的扩展 ,从而诱发隧道涌水突泥 ,其主要表现在以下 3个方面 。 2. 3. 1 隧道开挖直接诱发涌水突泥
图 2 溶洞涌突水 Fig. 2 W ater gushing from karst caves
2 岩溶涌突水的主要影响因素
2. 1 地质原因 [ 3 - 4 ] 岩溶发育条件具备时 ,岩溶作用即可产生并逐步
发展 ,侵蚀性的水流在构造裂隙中流动使构造裂隙不 断扩大形成溶蚀裂隙 ,宽大的溶蚀裂隙继续发展成岩 溶管道 ,岩溶管道继续溶蚀逐渐形成大的溶洞 ,岩溶水 具有水量大而分布不均 、流动迅速和集中排泄的特点 。
可溶岩被溶蚀作用的强弱和突涌水 ,还受气温的 高低 、降雨的多少和强度等气象因素影响 。气候的变 化决定气温的高低 、总降水量 、降水强度和降水量的季 节分配 、蒸发量以及地面径流量与渗透量之间的比例 关系等 。在低温条件下 ,水的溶蚀力 、流动交替和岩溶 作用反应速度都较小 ,岩溶发育过程缓慢 ;随着温度的 升高 ,岩溶作用增强 ,降雨的多少和强度不仅影响水的 渗透条件和水的运动交替 ,而且雨水通过空气和土壤 层 ,形成的游离 CO2能使岩溶作用大大加强 。因此 ,夏 季雨量充沛 ,地表水径流和下渗容易转化为岩溶水 ,且 携带大量泥砂 ,隧道容易发生突水涌泥 ,此外暴雨季
一般由构造裂隙经溶蚀加宽后形成 ,
其宽度一般很小 ,延续性较好 ,岩溶水
溶隙型
从地层中缓慢渗出或流出 ,水量和水压 很小 ,岩溶水经过较长距离的过滤和沉
小
小
淀 ,出水一般为清水 ,地下水运动为渗
流 ,符合达西定律
溶隙经溶蚀进一步扩大 ,延长 ,形成 脉管状 ,其宽度较大 ,连通性较好 ,地下 脉管型 水从地层 中股状 流出 , 压力 和水量 较 中 大 小 ,出水一般为清水 ,运动状态以重力 梯度流为主 ,基本符合伯努力方程
分析 。
1 岩溶发育特征和涌突水的类型
岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层 (碳酸岩 类 、硫酸岩类 、卤盐类等 )进行化学侵蚀 、崩解和机械 破坏 、搬运 、沉积作用所形成的各种地表和地下溶蚀现 象的总称 。 1. 1 岩溶发育特征
岩溶发育具有位置和空间形态的不确定性 、充填 物的不均匀性 ,连通的复杂性 、地下水和地表水相互转 化的敏捷性 、流态多变性 。岩溶水既可以是潜水 ,也可 以是承压水 ,既有稳定流状态 ,也有非稳定流状态 。岩 溶突水见图 1,图 2。 1. 2 岩溶涌突水的类型和危害性
第
28卷 第 3期 2008年 6月
隧道建设
Vol. 28 No. 3
Tunne l C onstruc tion
June 2008
岩溶隧道涌突水原因分析及治理技术探讨
张炜 , 李治国 , 王全胜
(中铁隧道集团有限公司洛阳科学技术研究所 , 河南 洛阳 471009)
填物 ,甚至可能存在气体 ,则压力很高 , 溶洞型 一旦揭示 ,水 、泥 、气体就会大量涌出和 大 很大
喷出 ,地下水 和泥砂 运动状 态比较 复 杂 ,这种形式的涌水突泥对施工安全影 响很大
过水断面大 ,水中泥砂含量低 ,出水一 暗河型 般为清水 ,其运动状态一般为重力梯度 大 很大
或压力梯度流 ,基本符合伯努力方程
摘要 : 对岩溶发育特征与涌突水的关系作了深入介绍并给出了判断标准 ,提出岩溶涌水与气温 、降雨量和降雨强度 、施工引起的应
力分布等因素有关 ,通过数值模拟和理论分析阐述了岩溶突水的止水岩柱受拉破坏 、裂隙剪切破坏 、裂隙水力扩张 、块体失稳破坏
等突水机理 ,并对突水压力和突水量的估算和岩溶治理技术做了介绍 。
2)断层破碎带容易发生岩溶涌突水 。断层破碎 带常因导水 、富水而成为岩溶富水带 ,张性断裂常因张 开性好 、构造角砾胶结松散 、孔隙较大而容易形成具有 较大储水空间和宽大径流通道的强岩溶带和暗河径流 带或管道流 ,张性断裂横切褶皱或挤压性断裂 ,使褶皱 不同部位的地下水互相连通 ,促进岩溶发育 ,共轭出现
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
852
隧道建设 第 28卷
图 1 岩溶管道涌突水 Fig. 1 W ater gushing through karst p ipes
根据有关理论 、工程类比和岩溶涌突水现象的观 察和分析 ,可以总结出岩溶地下水的运动规律 ,隧道岩 溶突水主要分 5种类型 ,其特征和运动规律及危害性 如表 1。
收稿日期 : 2008 - 05 - 12; 修回日期 : 2008 - 05 - 22 作者简介 : 张炜 (1963—) ,男 , 1983年毕业于西南交通大学铁道工程专业 ,本科 ,高级工程师 ,从事科学技术研究管理工作 。
脉管经溶蚀进一步扩大 ,延长 ,形成 较大的管 ,其宽度很大 ,连通性很好 ,一 旦揭示 ,水和泥砂会涌出或喷出 ,一般 管道型 呈有压状态 ,水量和水压较大 ,地下水 大 很大
和泥砂运动状态比较复杂 ,这种形式的 涌水一般具有突发性 ,对施工和运营安 全影响很大
空间体积较大 ,形状不规则 ,有水溶 洞如果内部充满大量的水和泥砂等充
ZHAN G W ei, L I Zhiguo, WAN G Q uansheng
( L uoyang R esea rch Institu te of S cience and Technology, Ch ina R a ilw ay Tunnel Group Co. , L td. , L uoyang 471009, Henan, Ch ina)
关键词 : 岩溶隧道 ; 涌突水机理 ; 止水岩柱 ; 裂隙 ; 治理技术
中图分类号 : U55
文献标志码 : A
文章编号 : 1672 - 741X (2008) 03 - 0257 - 06
Cause Ana lysis and Coun termea sures for Wa ter Gush ing of Karst Tunnels
主要原因是 , 1)爆破或非爆破开挖直接破坏含水 构造周围的地层 ,导致止水岩柱或关键岩块失稳和破 坏 ,岩溶水突然涌出 ; 2)隧道开挖直接揭穿高压 、富水 溶洞或岩溶管道造成隧道涌水突泥Leabharlann Baidu; 3)为爆破或非爆 破施工导致岩体溶隙或岩溶管道扩张 ,造成岩体局部 应力集中和破裂 ,岩溶水突然涌出 。 2. 3. 2 隧道开挖间接诱发涌水突泥
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 3期 张炜 , 等 : 岩溶隧道涌突水原因分析及治理技术探讨
0 引言
近年来 ,随着高速铁路 、高速公路及水电基础设 置的大规模建设 ,在岩溶地区修建的高水压 、富水 、 岩溶隧道也越来越多 ,由于岩溶发育的复杂性 ,在隧 道施工过程中遇到了不少问题 ,其中涌突水问题最 为突出 ,隧道穿越岩溶区时 ,由于采取爆破或人工开 挖 ,扰动围岩 ,改变地下水的流动状态 ,破坏了围岩 的原始力学状态和岩溶水平衡体系 ,因而导致岩溶 隧道施工中出现岩溶涌突水问题 。岩溶涌突水对施 工安全 、施工质量及周围环境影响很大 [ 1 - 2 ] ,严重时 还将影响运营和环境安全甚至带来工程灾难 ,因此 分析岩溶隧道涌突水原因 ,找出涌突水的关键因素 , 探讨涌突水治理技术显得非常重要 。岩溶隧道涌突 水与隧道穿越的地质构造有关 [3 - 4 ] ,不同岩溶构造 , 涌水突 水 特 点 不 同 , 同 时 还 与 施 工 和 降 雨 因 素 有 关 [5 - 6 ] ,另外岩溶突水还与隧道的位置及安全距离 有关 [ 7 ] ,但以前的研究仅局限于对具体工程的处理和
Abstract: The relationship between the karst development features and the water gushes are p resented in detail and as2 sessment criteria is p roposed; it is p roposed that the karst water gushes are related to the atmospheric temperature, rain2 fall and rainfall intensity and the stress distribution caused by the construction; the water gushing m echanism s, such as the tensioning failure of the water2sealing rock columns, the shearing failure of the fissures, the hydrodynam ic expansion of the fissures and the stability2losing failure of the ground, are expounded by means of num erical analysis and theoreti2 cal analysis; the estimation of the water gushing quantity and the water gushing p ressure, as well as the karst treatment technology, are p resented. Key words: karst tunnel; water gushing mechanics; water2sealing rock column; fissure; treatment technology
的 2组扭性断裂常成为地表水下渗和地下水径流的通 道 ,控制岩溶水的分布形态 。
表 1 岩溶涌突水特征和运动规律及危害性
Table 1 Features, moving pattern and harmfulness of karst water gu sh ing
类型
特征及运动规律
涌突水 几率
危害性
3)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 ,产生岩溶涌 突水 。很多沿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 上最易汇集地下水和发生强溶蚀作用而形成岩溶管道 和溶洞突水 。
4)其他含水构造 、含水体涌突水 。如层状隔水层 形成的含水体 、岩溶地层中的孤立含水体等 。 2. 2 气象条件
952
节 ,地层水位迅速上升 ,水压力增大 ,隧道突发涌水的 可能性极大 。 2. 3 施工因素
在隧道施工之前 ,岩体处于自然平衡状态 ,隧道开 挖时扰动了岩体 ,形成临空面 ,并在隧道周边形成松动 圈 ,导致原有裂隙扩张和出现新的裂隙 ,改变了围岩的 应力状态和地下水的流动状态 ,加速了水循环 ,而岩体 的破裂首先是从围岩内的节理裂隙面开始的 ,当充水 裂隙垂直方向受拉应力作用或者裂隙面上受剪应力作 用时 ,不高的水压即可使其产生破裂 ,从而引起裂隙进 一步扩展 ,水流在扩展方向的流动和劈裂又加剧了裂 隙的扩展 ,从而诱发隧道涌水突泥 ,其主要表现在以下 3个方面 。 2. 3. 1 隧道开挖直接诱发涌水突泥
图 2 溶洞涌突水 Fig. 2 W ater gushing from karst caves
2 岩溶涌突水的主要影响因素
2. 1 地质原因 [ 3 - 4 ] 岩溶发育条件具备时 ,岩溶作用即可产生并逐步
发展 ,侵蚀性的水流在构造裂隙中流动使构造裂隙不 断扩大形成溶蚀裂隙 ,宽大的溶蚀裂隙继续发展成岩 溶管道 ,岩溶管道继续溶蚀逐渐形成大的溶洞 ,岩溶水 具有水量大而分布不均 、流动迅速和集中排泄的特点 。
可溶岩被溶蚀作用的强弱和突涌水 ,还受气温的 高低 、降雨的多少和强度等气象因素影响 。气候的变 化决定气温的高低 、总降水量 、降水强度和降水量的季 节分配 、蒸发量以及地面径流量与渗透量之间的比例 关系等 。在低温条件下 ,水的溶蚀力 、流动交替和岩溶 作用反应速度都较小 ,岩溶发育过程缓慢 ;随着温度的 升高 ,岩溶作用增强 ,降雨的多少和强度不仅影响水的 渗透条件和水的运动交替 ,而且雨水通过空气和土壤 层 ,形成的游离 CO2能使岩溶作用大大加强 。因此 ,夏 季雨量充沛 ,地表水径流和下渗容易转化为岩溶水 ,且 携带大量泥砂 ,隧道容易发生突水涌泥 ,此外暴雨季
一般由构造裂隙经溶蚀加宽后形成 ,
其宽度一般很小 ,延续性较好 ,岩溶水
溶隙型
从地层中缓慢渗出或流出 ,水量和水压 很小 ,岩溶水经过较长距离的过滤和沉
小
小
淀 ,出水一般为清水 ,地下水运动为渗
流 ,符合达西定律
溶隙经溶蚀进一步扩大 ,延长 ,形成 脉管状 ,其宽度较大 ,连通性较好 ,地下 脉管型 水从地层 中股状 流出 , 压力 和水量 较 中 大 小 ,出水一般为清水 ,运动状态以重力 梯度流为主 ,基本符合伯努力方程
分析 。
1 岩溶发育特征和涌突水的类型
岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层 (碳酸岩 类 、硫酸岩类 、卤盐类等 )进行化学侵蚀 、崩解和机械 破坏 、搬运 、沉积作用所形成的各种地表和地下溶蚀现 象的总称 。 1. 1 岩溶发育特征
岩溶发育具有位置和空间形态的不确定性 、充填 物的不均匀性 ,连通的复杂性 、地下水和地表水相互转 化的敏捷性 、流态多变性 。岩溶水既可以是潜水 ,也可 以是承压水 ,既有稳定流状态 ,也有非稳定流状态 。岩 溶突水见图 1,图 2。 1. 2 岩溶涌突水的类型和危害性
第
28卷 第 3期 2008年 6月
隧道建设
Vol. 28 No. 3
Tunne l C onstruc tion
June 2008
岩溶隧道涌突水原因分析及治理技术探讨
张炜 , 李治国 , 王全胜
(中铁隧道集团有限公司洛阳科学技术研究所 , 河南 洛阳 471009)
填物 ,甚至可能存在气体 ,则压力很高 , 溶洞型 一旦揭示 ,水 、泥 、气体就会大量涌出和 大 很大
喷出 ,地下水 和泥砂 运动状 态比较 复 杂 ,这种形式的涌水突泥对施工安全影 响很大
过水断面大 ,水中泥砂含量低 ,出水一 暗河型 般为清水 ,其运动状态一般为重力梯度 大 很大
或压力梯度流 ,基本符合伯努力方程
摘要 : 对岩溶发育特征与涌突水的关系作了深入介绍并给出了判断标准 ,提出岩溶涌水与气温 、降雨量和降雨强度 、施工引起的应
力分布等因素有关 ,通过数值模拟和理论分析阐述了岩溶突水的止水岩柱受拉破坏 、裂隙剪切破坏 、裂隙水力扩张 、块体失稳破坏
等突水机理 ,并对突水压力和突水量的估算和岩溶治理技术做了介绍 。