隧硐常见灾害的分布特征及其地质概化模型综述.pdf
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1、随着人口和城市化的不断增长,隧道系统的数量和复杂性在不断增加,隧道安全保障问题越来越突出,因此,有必要全面掌握隧道及地下硐室灾害的工程地质成因机理。基于前人的研究结果,对我国隧硐灾害的分布特征进行了分析,并对常见隧硐灾害的地质成因进行了探讨,得到了多种可能的地质概化模型,研究发现,坍塌/地陷事故是最为严重的事故,在国内外文献和报刊中所报道数量最多;此外,突水突泥、瓦斯爆炸、崩塌和冒顶也是隧道施工中主要的事故类型,采取合理的防治措施,隧道事故数量及其带来的损害程度是可以措施降低的。进一步,基于国内外工程实例,对隧硐中5种常见灾害(坍塌/地陷、突水突泥、岩崩、岩爆、变形过度)的地质结构、构造作用、
2、岩土体性质、扰动诱因等影响因素进行了分析,总结了各种灾害下隧道可能的失效模式,并建立了对应的地质概化模型,旨在为隧道安全建设提供借鉴意义。关键词隧道灾害;工程分析;地质概化模型;失效模式;防治措施中图分类号X37;TV213.4文献标志码AOverview of the distribution characteristics and geologicalgeneralization models of common tunnel disastersCHENG Yaoxuan1,ZHONG Zhu2(1.Shanxi Transportation Planning Survey and Des
3、ign Institute Co.LTD,Taiyuan,Shanxi 030012,China;2.School of Civil andTransportation Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)AbstractWith the continuous growth of population and urbanization,the number and complexity of tunnel systems areincreasing,and concerns of tunnel safe
4、ty are becoming more and more prominent.Therefore,it is necessary to comprehensively grasp the engineering geological mechanism of tunnel and underground space disasters.Based on the previousresearch results,the distribution features of the tunnel disaster in China were analyzed,and the common tunne
5、l disastergeological genesis were discussed.Finally,a variety of possible geological generalized model were achieved in this paper.It has been found that the collapse/subsidence accidents are the most serious accident,therefore they have been reported most frequently in literature and newspapers.In
6、addition,flooding,explosion,collapse and rock falling are alsothe main types of accidents in tunnel construction.The number of tunnel accidents and the damage caused by them canbe reduced by taking reasonable prevention measures.Further,based on engineering examples in the world,the geological struc
7、ture,tectonic action,geotechnical property,disturbance incentive and other influencing factors of the five kindsof common disasters in tunnel(such as collapse,flooding,rockfall,rock burst,excessive deformation)were analyzed.Their possible failure modes under various disasters tunnel were put forward
8、,and the corresponding geological generalized models were set up so as to provide reference for tunnel safety construction.Key wordstunnel disasters;engineering analysis;geological generalization model;failure mode;prevention and control measures文章编号:1007-2373(2023)04-0071-08DOI:10.14081/ki.hgdxb.20
9、23.04.009程耀烜,等:隧硐常见灾害的分布特征及其地质概化模型综述收稿日期:2023-06-29基金项目:河北省自然科学基金(D2021202001)第一作者:程耀烜(1983),男,高级工程师,。0引言近年来,随着我国“交通强国”战略的实施,铁路、高速公路得到迅速发展,隧道建设的规模越来越河北工业大学学报72第 52 卷大,隧道里程、长度、埋深等纪录也不断被刷新。据不完全统计,截至2021年4月,我国在建的10 km以上超长公路隧道为54条1。而铁路方面,伴随西部地区铁路建设规模逐年加大,高海拔、高烈度地震区、大埋深超长铁路隧道也越来越多。尤其是作为国家的战略性工程川藏铁路,沿线地形地
10、质和气候条件非常复杂,生态环境脆弱,隧道比例占据总里程的86%2。此外,随着水利工程、城市轨道交通、油气工程等的蓬勃发展,隧道和地下硐室所承担的作用也越来越突出3。因此,全面掌握隧道及地下硐室灾害的工程地质成因机理,对隧道施工事故的安全防控具有重要的意义。国内外众多学者对隧道灾害的分布特征已开展了研究,刘辉等4、张军伟等5、孙振海等6对我国近年来的隧道施工事故进行了统计分析,指出隧道坍塌为第一要害,事故次数和死亡人数均呈下降趋势,主要集中在中西部地区,事故是人为可控的,加强管理是降低事故数量、减少死亡的关键。王7对20032016年城市地铁施工事故案例进行了统计与分析,根据事故风险源指向细化确
11、定了风险指标,得到了事故风险传递性模型。周晶晶8对上海市10条越江隧道的交通事故数据,进行数理统计分析,获得了上海越江隧道事故的时空分布、伤亡程度和事故类型分布规律。胡群芳等9通过对20032011年我国地铁隧道施工事故数据资料统计分析,揭示了我国地铁隧道施工事故发生规律。在隧道事故的地质成因及地质模型方面,Sousa 和Einstein10对全球132个重大隧道事故进行了统计,提出了常见隧道灾害与工程地质条件的相关性,指出了盾构法可以大大减少隧道施工灾害。胡新红等11对针对三黎高速公路盘岭隧道工程发生的突水、突泥类破坏模式进行分析,探索未胶结的富水压性断层突水、突泥的特征、模式及地质成因。综
12、上所述,目前针对于隧硐灾害的研究多数是统计其分布规律,对常见事故的失效模式及地质成因归纳较少。因此,本文基于前人研究成果,对我国隧硐灾害的分布特征进行了解的基础上,结合实际隧硐工程灾害,对常见隧硐灾害的地质成因进行了探讨,得到了多种可能的地质概化模型,为隧道安全建设提供借鉴意义。1我国隧硐灾害的分布特征我国隧硐灾害的分布特征,已有学者们进行了研究。张军伟等5统计了20062016年我国隧道建设(不含地铁隧道、市政隧道)中发生的89起事故,分析了我国隧道建设事故的特征,隧道事故发生类型以坍塌、爆炸、突水突泥、冒顶片帮、窒息中毒及滑坡崩塌为主,各类型事故所占比例如图1所示。将图1的数据经过进一步整
13、理,可获取各类型事故伤亡人数占比与相应事故数量占比的关系,如图2所示,从图中可以看出,除冒顶片帮意外,事故伤亡人数与事故数量具有正相关性。此外,孙振海等6对我国在20052019年期间发生的109起隧道施工事故进行了统计分析,给出了各事故类型的单次事故人员伤亡数(见图3)以及20052009年的事故数量与死亡人数的关系(见图4)。从图1图4的统计数据可以获得我国隧道灾害具有以下显著特点。1)坍塌、突水突泥、爆炸、崩塌和冒顶为隧道施工中主要的事故类型。其中,坍塌为事故发生最频繁的事故类型,爆炸、火灾发生频率虽不及坍塌,但是一旦发生将造成巨大的人员伤亡。2)各类事故的伤亡人数与对应事故数量具有正相
14、关性。故而要降低事故的死亡人数,首先需采取措施降低事故的发生数量。3)20052007年,隧道事故发生数量和死亡人数均处于较高水平,而从2008年以后,各年份发生的隧道事故数量和死亡人数总体处于下降态势并趋于稳图 120062016 年国内隧道事故类型统计5Fig.1Statistics of Tunnel accident types in China from 2006 to 20165坍塌爆炸突水突泥冒顶片帮窒息中毒滑坡岩崩机械设备火灾溺水9.51%4.65%5.97%6.19%11.06%3.54%0.66%46.02%12.39%a)死亡人数坍塌爆炸突水突泥冒顶片帮窒息中毒滑坡岩崩机
15、械设备火灾溺水7.87%7.87%6.74%3.37%5.62%2.55%1.12%55.06%10.11%b)事故次数程耀烜,等:隧硐常见灾害的分布特征及其地质概化模型综述73第 4 期定。说明隧道事故数量及其带来的损害程度是可以采取措施降低的。4)爆炸、火灾、窒息事故往往与施工管理失误具有紧密的联系,而坍塌、突水突泥、崩塌、岩爆(冒顶或片帮)及过度变形与隧道所在趋于工程地质条件紧密相关12-14。2典型隧硐灾害的工程地质概化模型由上述隧道灾害的总体概况可知,与工程地质条件紧密相关的灾害类型包括坍塌、突水突泥、崩塌、岩爆(冒顶或片帮)及过度变形。下面结合实例就以上几类常见隧道灾害分析其地质机
16、理及其相应的特点,并建立其工程地质概化模型。2.1坍塌/地陷国内外文献和报刊中所报道的隧道施工事故大多数是坍塌/地陷,但这并不意味着坍塌/地陷是隧道施工过程中发生的最多数事件。坍塌事件往往会造成一段隧道整个结构的损毁,威胁着建筑施工、人民生命以及地面建筑物的安全,尤其是在城镇地区,所造成后果是最严重的。造成隧道坍塌的常见地质原因包括3类。1)隧道围岩结构破碎,自稳能力差。当隧道穿过强风化的软弱岩体(如页岩、砂泥岩等),由于节理发育,岩体开挖后强度急剧降低,围岩自稳能力低,易发生隧道坍塌。典型实例如广西南黎铁路那适2号隧道2009年的7.11重大坍塌事故,该隧道的围岩为强风化的粉砂岩夹页岩,隧道
17、打通300 m左右的距离,发生了坍塌,塌方长度40余米,10名被困人员遇难15。2)隧道掌子面前部遇地质条件迅速变化地层。当隧道前部出现地质条件变化快,未能及时进行超前地质预报而迅速释放地应力,易发生隧道坍塌。如2014年的黄延高速公路扩能工程甘泉段7.28隧道坍塌事故,在隧道左线出口,出现了硬塑性黄土夹古土壤层(板结,几近成岩)和黏土岩层的界面,界面结合差,在隧道开挖卸荷后,发生了脱层坍塌,造成了3人死亡。3)隧道上覆层过薄。当隧道上覆层过薄且为松散地质体,衬砌和支护结构未达到强度要求时,易发生隧道坍塌。典型事例如2016年5月份的德国莱茵河谷铁路隧道工程坍塌事故(如图5),隧道采用盾构施图
18、 2伤亡人数与隧道事故数量的关系Fig.2Relationship between number of casualties and number of tunnelaccidents各类型事故数量占比/%50454035302520151050各类型事故伤亡占比/%0102030504060溺水火灾机械设备滑坡岩崩冒顶片帮突水突泥爆炸坍塌图 320052019 年各类型事故的单次人员伤亡6Fig.3Single casualties of each accident type from 2005 to 20196事故类型109876543210数量/人次塌方 冒顶 爆炸火灾窒息2.672.2
19、60.743.500.673.567.568.677.304.005.004.002.000.30死亡受伤涌水 泥石流图 420052009 年的事故数量与死亡人数的关系6Fig.4Relationship between accident number and deaths from 2005 to 20096年份181614121086420事故数量2004 2006 2008 2010201420122016 2018年份1009080706050403020100死亡人数2004 2006 2008 2010201420122016 2018河北工业大学学报74第 52 卷工,其上覆地
20、质体为厚度为5 m的疏松沙土层和砾石沉积层,在外径10.97 m的隧道周围形成2 m厚冻土层以维持其稳定,当盾构机即将到达盾构接收井时,盾构机上部发生隧道坍塌,2台盾构机受限于地下,并引起地面莱茵河谷铁路轨道扭曲变形,引起铁路交通中断10。2.2突水突泥地下水活动是隧道突水突泥灾害发生的根源,隧道开挖后,打破了原始地下径流的平衡,给地下径流创造了通道。其次,不良地质也是引起突水突泥的原因,例如溶洞、地下暗河、断层破碎带等不良地质区域,特别容易发生突水突泥灾害。因此,富水和不良地质组合是诱发隧道突水突泥灾害的主要地质原因,根据隧道掘进方向和地下水文地质条件,常见的突水突泥灾害有8类。1)缓倾地层
21、隧道突水(图6a):地下水为自然水,地下水浸润线与地面近于平行,当隧道沿逆缓倾地层方向掘进时,极易由地下水浸润线以上进入到浸润线以下,在隧道掌子面前部出现突水突泥现象,严重时引起掌子面坍塌而导致地面下陷。2)难透水-透水互层地质体突水(图6b):当隧道穿越难透水-透水互层地质体时,易在不透水层与透水层的截面处发生涌水突泥问题,往往也会诱发掌子面坍塌问题。3)固结含水地层的突水(图6c):当隧道在固结含水层内掘进,进入浸润线以下部分时,往往会发生掌子面和洞壁的突水问题,隧道内发生坍塌的可能性较小。4)地下溶洞/暗河涌水(图6d):隧道采用爆破的方式掘进时,掌子面前方遇地下溶穴或地下暗河,在掌子面
22、接近溶穴或暗河时,易出现集中涌水现象,掌子面发生坍塌,往往会导致人员伤亡的重大事故。5)侵入裂隙含水岩涌水(图6e):侵入岩往往是火成岩岩浆侵入上覆软岩缓慢冷却而成,其具有强度高脆性强的特点,在地质作用下,内部裂隙比较发育。侵入岩中渗入的地下水往往是承压水,隧道由不透水软岩进入裂隙侵入岩,会出现突发性的涌水现象,导致重大灾害事情发生。6)含水裂隙岩突水(图6f):隧道掘进入含水裂隙岩体,掌子面易出现集中突水现象,裂隙岩体内部的软弱夹层或碎石体会随着涌水流出,严重会导致大的坍塌或大块体崩落。7)含水变质黏土突水突泥(图7g):隧道由不透水黏土层掘入含水变质黏土地质体,易发生掌子面前部的突水突泥,
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- 常见 灾害 分布 特征 及其 地质 模型 综述
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