巖溶對水工隧洞圍巖穩定性的影響及研究進展
隨著我國水電事業的迅猛發展和西部大開發的進行,在巖溶地區修建水工隧洞越來越多。而由于巖溶這種不良地質現象的存在,嚴重影響了隧洞的開挖和運營。因此,探討分析巖溶對水工隧洞的圍巖穩定性也十分必要。本文簡要闡述了在巖溶地區巖溶水、巖溶洞隙以及巖溶松散堆積物對隧洞圍巖穩定性的影響,總結了國內外的研究現狀,提出了基于不同巖溶含水系統的等效模型以及在不同巖溶洞隙的情況下對水工隧洞圍巖變形的規律和破壞模式進行研究的方向。
0 引言
地球上約有15%的地形是喀斯特巖溶地貌,而我國是世界上巖溶分布面積最廣的國家之一。在我國,巖溶分布縱深橫廣,除了形成以北方山西為中心,西南以貴州為中心的兩片面積矚目的巖溶高原外,還有更為廣闊的地理環境跨度[1]。隨著我國水電事業建設事業的迅猛發展,水工隧洞日趨增多,規模也不斷加大,水工隧洞是在山體中或地下開鑿的過水洞,可用于灌溉、發電、供水、泄水、輸水、施工導流和通航。水工隧洞是大型水利樞紐的重要組成部分,現在西部地區正在大力興建水利樞紐,然后在西部山區常常會遇到石灰巖溶地區大斷面隧洞工程建設,由于巖溶這種不良地質現象的存在給隧洞開挖和運營安全造成嚴重的威脅。例如,大規模的巖溶涌水,突泥不但危及隧道施工的安全,還影響隧道施工的進度,給人們的生產生活造成重大損失。
1 巖溶地區水工隧洞圍巖穩定性的主要影響因素分析
巖溶是地表水和地下水對可溶性巖層進行化學腐蝕/崩解作用和機械破壞/搬運/沉積作用所形成的各種地表和地下溶蝕現象的總稱。.綜合已有的條件,巖溶產生發育需具備3個條件即可溶性巖石和地質構造與地層結構以及地下水和地表水補給、徑流、滲透和循環。研究一個地區的巖溶發育程度需要結合該地區的巖溶層組類型,地質構造條件,巖溶地貌部位以及巖溶發育歷史等特點來綜合考慮,必須因地制宜,很難得出統一的標準,所以得出的結果僅僅是一種相對的概念。
1.1 巖溶水
巖溶區水工隧洞穩定問題的一個重要的方面就是巖溶地下水運動對圍巖變形和穩定性的影響,它涉及到巖溶水——圍巖的相互作用問題。巖溶水師指存在于可溶性巖石(石灰巖、白云巖)的溶孔、溶洞和溶蝕裂隙中的地下水。巖溶地下水運動的特點是巖溶含水介質具有多重性,并且裂隙流與管道流并存,層流與紊流并存,線性與非線性流并存,連續水流與孤立水體并存。在隧洞施工過程中,由于巖溶發育且高壓、富水,常產生巖溶地下水突出的災變現象。巖溶涌水通常會導致隧洞圍巖穩定性迅速下降,從而坍塌,給隧洞帶來不同程度的危害。如新水花隧道株六復線由于出現巖溶涌水導致圍巖穩定性驟降,邊墻及拱部均出現塌方,拱部格柵和護拱出現下沉、毀壞,給施工的安全造成一定的危害。西坑1號隧洞深圳東部供水網絡干線出現大量巖溶涌水使得洞軸左側100m以外的西坑村老屋地面局部變形,水井干枯,土房墻壁出現明顯裂縫。
巖溶含水系統可分為四類,分別是裂隙巖溶含水系統,管道巖溶含水系統,層間空隙巖溶含水系統,管道—裂隙—孔隙三重含水系統。
1.2 巖溶洞隙
溶洞的形成是石灰巖地區地下水長期溶蝕的結果,石灰巖里的不溶性的碳酸鈣受水和二氧化碳的作用能轉化為微溶碳酸氫鈣。溶洞的發育情況、大小,以及方位位置對隧洞的圍巖都有不同程度的影響,在隧洞施工開挖過程中我們就時常會遇到大型溶洞,如位于黔桂兩省交界上的南盤江的天生橋二級水電站,開挖后發現800m埋深下的隧洞中巖溶仍很發育,溶洞段上下游圍巖很不均勻,巖體破碎。又如達萬鐵路田家坡隧道因溶洞溶蝕嚴重,導致圍巖坍塌、堆積,嚴重影響了施工進度,增加了成本。引黃工程國際二標6號隧洞青羊渠至溫嶺區段,溶洞接連出現,影響隧洞圍巖的穩定性,嚴重削弱了管片的承載能力和防滲性能,影響過流能力。
1.3 巖溶松散堆積物
巖溶松散堆積物對水工隧洞穩定性影響的程度一方面取決于巖溶松散堆積物的體量的大小和堆積物本身的物理力學性能,另一方面和巖溶松散堆積物與水工隧洞是否聯通有直接關系。對于非聯通的巖溶洞隙松散堆積物對水工隧洞穩定性的影響主要表現為洞室與堆積物之間巖墻在堆積物荷載和內水壓力作用下的穩定性問題。對于與水工隧洞聯通的巖溶洞隙松散堆積物,如果堆積物體量尺度大于洞室尺度,可直接按照松散體土質圍巖進行處理,否則需要研究不同體量尺度堆積物對圍巖穩定性的影響以及換填加固處理的最小厚度,以滿足在堆積物荷載和內水壓力作用下的圍巖的整體穩定性問題。
2 研究現狀
目前,國內外對巖溶地區水工隧洞圍巖穩定性的研究并不多。在國外,單獨對巖溶的研究有一些,如Rudolf Lied [2]等通過一個復雜模型方法對巖溶產生的控制機制進行了研究,該模型包括了巖溶系統水力學,溶解動力學以及相關的流動阻力隨時間的降低。巖溶水力特征主要是由高導水低存儲的管道網絡機制與在各種邊界條件約束下低導水高存儲的巖體相互作用所控制,只有考慮流動機制的耦合系統,才能適當表現其他相關因素的作用;Gabrovsck[3]提出了一個用于石灰巖巖溶含水層在長度和深度演化的新模型,即對開始階段,裂縫孔徑只有50um,滲透系數是10-7m/s的含水層巖體,施加以水源補充恒定的邊界條件:運用石灰巖的非線性溶解動力學計算各時間段裂隙溶解擴展情況,從而得到含水層隨時間的演化,該模型也可以描述洞穴隨時間的演化情況。Gabrovsck 對深30m、長200m的含水層利用該模型進行了計算,定性描述了巖溶水擴展機制。
在國內,研究較多的是巖溶對公路隧道圍巖穩定性的影響,尤其是巖溶洞隙的影響。如20**年趙明階教授[4-8]等人就對該方面進行了大量的研究,在分析巖溶的發育特征和巖溶對大斷面隧道工程的危害的基礎上,建立巖溶隧道圍巖穩定性的概化模型,首次利用模型試驗和數值分析通對巖溶區大斷面公路隧道圍巖中的不同發育程度的巖溶對圍巖穩定性的影響進行了系統深入的研究,并結合已有的工程實踐經驗構建巖溶區隧道圍巖穩定性的控制方法和措施。研究得出了圍巖變形與溶洞距離、方位、尺寸之間的非線性關系,并提出了巖溶區隧道圍巖變形特征為全過程變形曲線的負空間效應段增長,阻尼段變短,而正空間效應段變陡。圍巖變形速率在開挖瞬間達到最大,并隨溶洞的尺寸的增大而增大,而隨溶洞距離的增大而減小。吳夢軍[9-10]等也進行了一系列的大型相似模型試驗和數值模擬研究,也探討了溶洞的發育程度和位置對圍巖施工力學響應的影響,總結了巖溶地區公路隧道圍巖位移場,塑性區等的一些分布規律。
綜上所述,國內外針對巖溶對水工隧洞圍巖穩定性的影響的研究幾乎是空白,大都是單獨孤立的分析巖溶或者隧洞,國內研究的比較多的是巖溶洞隙對公路隧道的圍巖穩定性影響,而水工隧洞與公路隧道還是有區別的,因為水工隧洞在建成后投入運營時洞內是要過水的。因此,我們還需考慮有壓隧洞的內水壓力作用,也有可能還有內水外滲的問題,這些對圍巖的穩定都有很大的影響。鑒于此,還可從以下兩方面進行研究:
1)基于不同巖溶含水系統的等效滲流模型,運用流固耦合理論,分別對具有裂隙巖溶含水系統、管道巖溶含水系統、層間孔隙巖溶含水系統以及管道-裂隙-孔隙三重含水介質的水工隧洞圍巖在有無內水壓力作用下的巖溶水—圍巖的相互作用機理進行數值模擬,通過模擬結果分析在巖溶水影響下的水工隧洞圍巖變形規律與破壞模式。
2)依據巖溶的發育特征構建巖溶洞隙對有壓水工隧洞圍巖穩定性影響的概化模型,然后基于該概化模型,采用模型試驗和數值模擬方法就隧洞周邊的不同尺寸、不同距離和不同方位的洞隙對有壓水工隧洞在有、無內水壓力時的圍巖穩定性進行系統研究,通過對研究成果的分析,獲得不同巖溶洞隙分布時有壓水工隧洞圍巖變形規律與破壞模式。
參考文獻
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.科學出版社,20**.
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[10]吳夢軍,許錫賓,劉緒華,等,巖溶對公路隧道圍巖穩 定性的影響研究[J].地下空間,20**,23(1):59-62.
篇2：高速公路隧道工程圍巖監控量測
高速公路隧道工程圍巖監控量測
監控量測是掌握圍巖和支護動態，實施信息化施工管理，是確保施工安全和隧道穩定的重要手段，也是確定二次襯砌澆筑時機的必要手段。根據本標段圍巖狀況，監控量測以支護狀態觀察、周邊位移量、拱頂下沉、地表下沉、錨桿內力及抗拔力檢測為主。
1)量測管理
成立專門量測小組負責測點埋設、日常量測、數據處理和儀器保養，并及時將量測信息反饋于施工。
2)量測內容、方法、布置
?、俚刭|和支護狀態觀察
每次爆破后對圍巖的巖性結構面、產狀及支護裂縫等進行觀察和描述，判斷圍巖穩定性，預測前方地質條件確定支護參數和監測量測布置情況。
?、诠绊斚鲁梁椭苓呂灰屏?/p>
根據圖紙和施工檢測斷方法確定斷面，采用收斂計、測桿、水準儀進行測量，根據測量結果繪制位移時間曲線圖，判斷圍巖及支護穩定性，檢驗支護參數，提出改進方案?？刹捎脭嗝鎯x進行量測。
?、鄣乇硐鲁帘O測
用水平儀、水準尺設于隧道頂部的地表測點進行測量，每5～50m設一個斷面。
?、苠^桿軸力監測
采用錨桿拉拔器或電測錨桿測力計檢測錨固力，檢測錨桿的作用，每10m一個斷面，每個斷面至少做三個錨桿。
3)監測頻率
地質和支護狀態觀察：在開挖后及初期支護后立即進行。
周邊位移和拱頂下沉為：1～15d，2t/d；16d～1M，1t/2d；1～3M，1t/7d，以后每月1次。
地表下沉為：掌子面距量測斷面前后<30m時，2t/d；<60m時，1t/2d；<80m時，1t/7d。
4)量測數據處理
?、俑鶕F場測量數據繪制時態曲線和空間關系曲線，掌握其變化趨勢，及時支護或加強支護。
?、诋斘灰茣r間曲線趨于平緩時，進行數據處理，以推算最終位移和掌握位移變化規律，當曲線出現反彎點時，加強對圍巖的監控，并暫停開挖，加強支護。
?、壑苓呂灰茖崪y值或分析的總相對位移要小于設計要求，否則應補強調整原支護設計。
篇3：圍巖量測施工方法
圍巖量測施工方法
1、現場監控量測目的
現場監控量測，是在隧道施工過程中，對圍巖和支護系統的穩定狀態進行監測，為噴錨支護和二次襯砌砼的參數調整提供依據，把量測的資料經整理和分析得到信息及時反饋到設計和施工中，進一步優化設計和施工方案，以達到安全、經濟、快速施工的目的，圍巖量測是施工管理中的一個重要環節，是施工安全和質量的保障。
2、現場監控量測的作用
?、帕私鈬鷰r、支護變形情況，以便及時調整和修正支護參數，保證圍巖穩定和施工安全；
?、铺峁┡袛鄧鷰r和支護系統基本穩定的依據，確定二次砼襯砌施作時間；
?、且罁繙y資料采取相應措施，在保證施工安全的前提下加快施工進度；
?、确e累量測資料，提高施工技術水平。
3、現場監測項目、儀器及要求
?、庞肂JSD-2型激光隧道限界檢測儀進行隧道周邊收斂位移量測和拱頂下沉量測，并能進行隧道限界檢測。該儀器能快速檢測，快速指導施工決策或驗收；能在各類隧道潮濕、強干擾惡劣環境下工作。儀器構成：檢測頭、控制器和三角架。檢測方法：手動、分段設點或全自動自選。資料存儲及處理：儀器每次可顯示存儲百組截面資料，配接計算器工作時可實現邊測量邊畫圖，配有專門的處理軟件進行比較、畫圖、顯示數據清單及打印等功能。量測項目及頻率見下表。
量測項目與頻率表
?、片F場量測要求
?、賴婂^支護施作2h后即埋設測點，進行第一次量測數據采集。
?、跍y試前檢查儀表設備是否完好，如發現故障應及時修理或更換；確認測點是否松動或人為損壞，只有測點狀態良好時方可進行測試工作。
?、蹨y試中按各項量測操作規程安裝好儀器儀表，每測點一般測讀三次；三次讀數相差不大時，取算術平均值作為觀測值，若讀數相差過大則應檢查儀器儀表安裝是否正確、測點是否松動，當確認無誤后再按前述監控量測要求進行復測。每次測試都要認真作好原始資料記錄，并記錄掘進里程、支護施工情況以及環境溫度等，保持原始記錄的準確性。量測資料應在現場進行粗略計算，若發現變位較大時，及時通知現場施工負責人，以便采取相應的處理措施。
?、軠y試完畢后檢查儀器、儀表，做好養護、保管工作。及時進行資料整理，監控量測資料須認真整理和審核。
?、橇繙y斷面間距、測點布置
量測斷面間距、測點布置將嚴格按設計資料執行。
?、攘繙y資料分析和信息反饋
將量測資料進行處理和分析，繪制時間-位移曲線。一般情況會
出現如下兩種時間-位移特征曲線見下圖：
(a) 圖表示絕對位移值逐漸減小，支護結構趨于穩定，可施作二次砼襯砌。
(b) 圖表示位移變化異常，出現反彎點噴錨支護出現嚴重變形，這時應及時通知施工管理人員，該段支護采取加強措施，確保隧道不坍方；嚴重時施工人員須迅速撤離施工現場，保證施工人員安全。