深埋隧道工程灾害地质学论文

在深埋隧道施工过程中，由于隧道线路长、埋深大、地质条件复杂，如果施工过程中处理措施不当，会出现地温高、岩爆、高压涌水等问题。鉴于此，本文以实际工程为例，对深埋隧道工程中存在的主要地质问题进行分析和探讨，以确保施工顺利进行，以期为类似工程提供参考。

关键词:深埋隧道工程；灾害地质学；高压涌水

1项目概况

太行山高速公路邯郸东坡隧道位于武安市岭底村南，淇水岭村东，歙县东坡村东北。该隧道为分离式特长隧道，全长3134m。左幅为ZK38+624~ZK41+740，长度为3116；右幅为K38+642~K41+776。最大埋深为176m，本文以该工程为例，对深埋隧道工程的主要地质问题进行了分析和探讨。

2深埋隧道的高地温问题

在深埋地下隧道工程中，地质问题是需要探索和研究的重点领域。首先，要预测自然地温。一旦地温超过30℃，一般称为高地温。高地温不仅会恶化深埋隧道的工作环境，还会严重降低工人的劳动生产率，甚至对现场施工人员的生命造成极大的危害。此外，深埋隧道的施工材料选择难度也相应增加[1]。而地温值是随着地下工程埋深不断变化的，但地下工程最大埋深与地温值增加的关系并不是线性的，因为这个深埋隧道的高地温问题主要是地下水活动和近期岩浆活动中放射性发热元素含量高造成的。

3深埋隧道与岩爆高地应力问题

在深埋地下隧道工程中，突出的地质问题之一是岩爆。地下隧道工程埋得越深，地应力就越高。深埋隧道工程与近地表工程的区别不仅在于高水平构造应力，还在于围岩中的高地应力。不仅在平硐侧壁造成高的压应力，而且在平硐顶部造成高的拉应力，会导致硐室围岩失稳，埋下隐患。由于高地应力的存在，一些粘性土含量高、硬岩含量低的围岩可能发生塑性挤压。随着高地应力的不断释放，地下隧道会发生变形，隧道会在短时间内突然变小。例如，当隧道掌子面距离主隧道30m时，隧道洞身变形长度为40m，支护结构的破坏首先会非常严重。通过测量计算，隧道拱顶下沉在10~20cm之间，隧道拱脚和边墙受到不同程度的挤压和位移，甚至混凝土出现裂缝[2]。这时候就需要设计一套科学有效的施工方案，刚柔并济，综合治理。为抑制高地应力，考虑约10000根超长锚杆，要求总长度超过11×104m，并将地下洞内断面改为环形，形成拱形，以满足先柔后刚，后抗的设计要求。岩爆受地震爆破、邻近岩爆的振动或机械外力的影响，但影响岩爆的最基本原因是岩石的结构特性。通过大量的数据分析发现，岩石颗粒的排列是定向的或随机的，岩石是胶结或结晶的，钙质或硅质胶结最终与岩爆的强度有关。例如:(1)花岗岩、闪长岩等随机排列岩石的岩爆强度强于定向排列的片麻岩、花岗片麻岩、糜棱岩等围岩颗粒；(2)结晶连接的深部岩浆岩岩爆强度大于胶结连接的沉积岩岩爆强度；(3)天生桥二级水电站引水隧洞硅质胶结岩的爆破强度大于官村坝隧洞钙质胶结岩。

4深埋隧道高压涌水问题

在深埋地下隧道施工过程中，除了高地温外，突水已成为隧道运营中另一个亟待解决的难题。由于地质条件复杂，隧道经过的地段会开挖很多涌水量大的地质单元，一般会出现涌水量大或水头压力高的情况。当深部岩体中地下水压力极高时，会导致岩体水力劈裂。这说明在高水头压力的作用下，岩体中的断续裂隙和裂缝在突水点附近呈一定方向，受网状交织的构造裂隙影响，延伸的裂隙和缝隙最终在融合后张开。随着隧道深部岩体涌水量的增加，地下水压力越来越高，这将导致深埋隧道工程中围岩的水力劈裂。水力压裂一旦发生，会迅速将裂缝连接起来，缝隙中的张力和裂缝程度会越来越大，涌水的渗透力会越来越强。再加上动水压力的影响，裂缝会再次扩展，引起裂缝表面填充物的剪切变形和位移。无论是深埋隧道工程还是浅埋隧道，易发生的地质灾害主要表现在断层破碎带、岩体不整合接触面和构造不利组合段引起的塌陷和地震，以及瓦斯爆炸、有害气体、岩溶塌陷和泥石流[3]。其中，瓦斯爆炸主要是指甲烷CH4在相对封闭的煤系构造地层中发生爆炸，由于产生冲击波和剧烈氧化，灾难性极大。

5基岩裂隙水

5.1基岩裂隙水的含义

只有储存在坚硬岩石裂隙中的不溶性地下水才能归入传统的基岩裂隙水范畴。根据含水介质的基本特征，地下水可分为孔隙、裂隙和岩溶三种类型，但地下水、岩石和岩石中的孔隙之间没有对应关系。储水孔隙系统具有双重孔隙介质，在地下水勘探中，人们对储水孔隙类型进行了新的探索。基岩裂隙水主要赋存于满足地质构造条件的坚硬或半坚硬岩石所控制的以裂隙为主的储水空间中，是具有运动和富集规律的地下水。溶岩中的部分溶解裂隙水和孔隙裂隙水中的半硬岩都属于基岩裂隙水，其与其他类型地下水的根本区别在于不受地质构造因素的严格控制。岩石中的含水裂隙主要根据其成因分为成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙。如果非要和风化裂隙水、成岩裂隙水比，那一定是水源集中、水量大的构造裂隙。

5.2基岩裂隙水特征

由于主控因素不同，基岩裂隙水在不同蓄水构造中分布富集的基本规律和决定主控的因素基本相同，具有独特的分布和运动规律。我国基岩裂隙水富集的基本特征理论是蓄水构造体系，其主要特征如下。(1)基岩裂隙水具有复杂多样的埋藏和分布规律。储存和输送基岩裂隙水的空间和通道称为岩石裂隙。基岩裂隙的大小和形态，以及控制埋藏和分布的裂隙发育带的产状，都受地质构造、地层岩性和地貌条件的影响。埋藏和分布不均匀的基岩裂隙水具有含水层不规则、形态多样、呈带状分布的特点[4]。比如比较脆性和塑性地层，会产生很强的保水性。如果褶皱构造中裂缝发育，如褶皱轴、转折处、背斜倾角等，会更容易形成富水段，而挤压破碎带的含水能力相对较差。(2)在复杂的基岩裂隙水中，由于储存空间介质的不均匀性，同一含水层不同埋深的地下水运动状态也不同。地质构造是岩石中孔隙形成和分布的最基本因素，主要表现为岩石裂隙的发育和裂隙水的储存受地质构造和地层岩性的影响，基岩裂隙水的运动规律也受地质构造的制约。由于地下水位不同，即使在基岩相同的裂隙水中，有时也有潜水，有时也有承压水[5]。层流、管道流、紊流和明渠流是在岩石裂隙和溶洞的特殊形状下，水运动的不同状态。因此，基岩裂隙水的非均质性和极强的方向感是裂隙岩体渗流复杂而不规则的根本原因。

6结论

在深埋地下隧道工程中，几个突出的地质问题是高地应力和岩爆、高压突水和高地温。此外，还有震害、瓦斯爆炸、涌水突泥、围岩坍塌、岩溶塌陷、泥流等。因此，在这个复杂而系统的深埋隧道工程中，灾害地质的研究是隧道工程顺利开展的关键一步。隧道工程施工前，应根据隧道工程的具体情况，采取有效的、有针对性的防御措施。

参考资料:

[1]重庆交通研究设计院。公路隧道设计规范:JTGD70—2004[S]。北京:人民交通出版社，2004。

清华大学上海隧道工程轨道交通设计研究院。隧道工程防水技术规范:CECS 370-2014 [S]。北京:中国计划出版社，2014。

孙驰。金平ⅱ深埋隧道大理岩段突水破坏机理研究[D].成都:成都理工大学，2014。

王红新。EPB盾构刀盘开口率的选择及其地层适应性[J].土木工程学报，2010 (3): 88-92。

李悟，瞿辅政，孙伟，等.基于离散元的EPB屏蔽舱压力分析[J].北京:中国工程出版社，2002 .岩土工程学报，2010，32 (1): 18-23。

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