穿越花岗岩蚀变带的隧道突涌机理及施工许可评价方法研究

发布时间：2020-03-18 16:36

【摘要】：隧道开挖过程中遭遇的突泥、涌水事故一般发生在可溶岩地区,然而隧道穿越花岗岩、凝灰岩等非可溶岩地区发生的突涌事故越来越多,并给隧道施工带来重大灾难和经济损失。鉴于目前隧道突涌灾害的研究和实践更多的集中在可溶岩领域,而发生在花岗岩隧道中的突涌灾害缺乏机理及治理措施的系统研究。因此,本文结合梁山隧道和灯火寨隧道的突涌案例,阐述花岗岩隧道突涌灾害的预测预报技术、治理措施及突涌的机理。其相关的研究成果可对今后类似工程提供参考和借鉴。因此,针对非可溶岩隧道的施工许可评价管理十分重要,然而现有的研究水平严重滞后于工程应用。对于待评价的隧道,由于影响因素众多,权重确定过于主观,确定、精确、完备的评价指标很难获得等制约,导致风险评价结果的可靠性低、准确性差和实用性不强,远达不到隧道施工的标准化、信息化和安全管理的要求。为此,本论文采用案例推理、模糊综合评价、粗糙集理论相结合的方法,探索建立新的评价方法,并将其应用于工程实践,验证了此方法的可行性。在突涌灾害的特点及处置措施方面,论文的第一部分通过2座深埋花岗岩隧道突涌案例的剖析,揭示其突涌灾害呈现突发性、瞬时性、间歇性、破坏力强、影响范围大和泥砂含量高等特点。首先,针对突涌灾害独特的孕险环境构建了基于地质、物探和钻探相结合的综合超前预报方法,实现对蚀变带的规模和物质的辨识。然后,采用“先固后清”的突涌堆积物处理措施实现溃口封堵和加固。通过“以排为主、以堵为辅、排清留固“的泄水降压措施实现施工期的释能降压和运营期的定量排放。通过全断面帷幕注浆、双层大管棚、水平旋喷桩等组合加固措施,实现对强烈扰动岩土体的超前加固和堵水;采用“传统和改进CD法”实现隧道的安全开挖。最后,通过“提高支护刚度、双层初支和二衬及时跟进”的技术措施,有效的避免软岩大变形。应用上述处理措施两座隧道均顺利穿过花岗岩蚀变带。在突涌灾害发生的机理方面,隧道突涌的本质是开挖或爆破扰动触发赋存在不良地质体的水和碎屑物,使其涌入隧道形成具有泥石流特征的灾害。首先,揭示了此类突涌事故的发生必须同时具备充足的水和砾石、砂、泥等物质条件,存储和运移突涌物的空间条件,开挖或爆破扰动等触发条件,三者缺一不可。然后,基于两隧道开挖揭示岩石的岩相、矿物和蚀变特征的研究,查明了灯火寨和梁山隧道的突涌灾害分别发生在晶洞花岗岩与凝灰岩的接触带和晶洞花岗岩的蚀变带;并厘定了蚀变岩的蚀变类型及发育规律。研究表明,富含挥发分的岩浆在张性构造环境下以浅埋的形式侵入围岩,在长达40Ma的冷凝、分异结晶及后期频繁的高温热液渗流、循环作用下,导致接触带或蚀变带附近岩石普遍发育钠长石化、绢云母化和粘土化等蚀变,形成宽达几十米、松散、深埋的绢云母、高岭土、蒙脱石等软土矿物带。这些蚀变软土及其赋存的接触带或蚀变带分别构成了突涌灾害形成的物质和空间条件。同时,通过粘土矿物的氢氧同位素组成测试,进一步验证粘土的成因属于热液蚀变,而不是风化。最后,通过蚀变岩的物理力学水理试验,发现随着蚀变程度的加深,不但岩土体的物性和力学指标大幅度劣化;而且呈现出膨胀、崩解、泥化现象。物理力学水理性能的劣化进一步降低触发条件的门槛。因此,隧道开挖通过此类蚀变岩时,在较小的扰动下就极易触发突泥、涌水等灾害。在非完备决策信息系统的属性约简及权重计算方面。影响隧道突涌事件的众多因素间不但存在冗余、包容关系,而且指标的参数值普遍缺失。对于评价指标中缺失的参数值,研究在不改变原有分辨能力和分辨关系基础上的数据补齐方法,以便得到完备的决策信息系统。针对隧道评价指标多、指标权重差异性大及存在冗余指标的情况,建立基于粗糙集条件信息熵的属性约简及客观权重计算的新方法。在施工许可评价指标体系的构建方面,依托项目管理中及收集的隧道突涌案例,应用层次分析法及案例推理法,并且按事故发生的机理剖析导致突泥、涌水事故发生的主要因素,通过层次分析法建立突泥、涌水事故发生的孕险环境和致险因子。构建隧道突泥、涌水等事件的评价指标。然后,基于待评价隧道对象的属性特征再选取相似的经验案例,并针对粗糙集理论的技术要求对其实施后续处理。在施工许可评价方法方面,影响隧道突涌的因素不但众多,而且普遍存在不确定性、不精确性和不完备性。研究构建超前一定距离的、应用地质预报成果、与施工同步实时评价的、能够对指标进行筛选、能够得到客观权重的并能够动态调整施工组织的规避风险的评价方法。本文拟通过经验案例的推理构筑评价指标体系,并通过主要孕险环境相似的条件联结待评价隧道对象与经验案例,实现应用经验案例中已知的评价指标及参数值对呈现不确定、不精确、不完备的待评价隧道的评估;然后通过粗糙集的属性约简功能实现指标的优选和权重的计算;最后,通过将其与模糊综合评价方法耦合得到评估结果。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U457

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