铁道部课题项目建议书——高风险岩溶隧道不良地质预报方法、设备-与灾害控制研究.doc
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5、94、解决的关键技术问题及达到的目标124.1 基本思路124.2 技术路线174.3 技术路线细化215、主要研究内容及研究方法225.1 工作内容235.2 进度安排255.3 组织管理285.4 任务分工285.5 仪器设备286、年度计划及年度目标307、主要参研单位和研究人员308、经费预算301、立项意义及背景近年来,随着湖北省高速公路的迅速发展,在地形、地貌及地质条件复杂的西部地区修建铁路、公路、水电等长大隧道工程将会遇到更多的岩溶和不良地质灾害。三峡翻坝高速公路位于长江三峡低台原岩溶地区,穿越中上寒武统和震旦系灯影组碳酸盐岩地层分布区,线路多条特长隧道面临较大的岩溶突水、突泥等
6、地质灾害。本项目主要以三峡翻坝高速公路的三条岩溶长隧(季家坡隧道、鸡公岭隧道和天鹅岭隧道)为依托,重点针对岩溶隧道施工中可能遇到的突水、突泥等问题开展地质灾害预防与控制的系统研究。据岩溶隧道初勘和详勘报告,季家坡岩溶隧道全长约3400m,最大埋深约488m。隧道区沿走向NE50的纵张裂隙带及走向325350的横张裂隙岩溶发育,它们与隧道走向接近,极有可能导致大型岩溶突水、突泥等地质灾害。鸡公岭隧道全长约4500m,最大埋深约311m,天鹅岭隧道全长约3600m,最大埋深约210m,隧道与其右侧岩溶洼地下岩溶管道相交,岩溶洼地与其正南方向一冲沟相连,雨季大量地表水通过水沟汇入洼地,对隧道的稳定及
7、施工极为不利。上述三条岩溶隧道有很大一部分洞线在季节变化带或包气带中穿行,如何开展不良地质预测预报和灾害控制,防护和预测洞穴充填物塌落、跨越干溶洞等技术是课题重点解决的关键技术问题。岩溶地区因其特殊的地质条件,在施工中经常出现地质灾害,如突水、突泥、坍塌、岩爆和有害气体等。灾害一旦发生,将致使工程提高成本、延误工期、降低质量。一旦造成人员伤亡,在国内外将产生恶劣的社会影响。如在翻坝高速公路区修建的宜万铁路马鹿菁隧道和野三关隧道都出现过重大突水突泥灾害。宜万铁路野三关隧道2007年8月5日发生特大涌水,死亡10人,马鹿箐隧道2006年1月发生涌水,死亡11人。同时,隧道内大量的涌水、涌砂和涌泥,
8、使岩体内部应力状态发生改变,导致地下水渗流场和补排关系发生变化,从而引起成水资源的衰减和枯竭、地表塌陷和沉降、导水质污染等一些环境问题,给沿途居民的正常的生产和生活带来严重影响和重大损失。经验表明,公路岩溶隧道由于岩溶介质的高度不均一性,往往难以在设计阶段完全查清隧洞沿线地质灾害的所有细节,必须在施工阶段进一步借助施工超前预报查明隧道前方的不良地质和岩溶水情况,以避免造成突水、突泥等重大工程灾害。本课题拟结合三条依托岩溶隧道,开展岩溶发育规律、岩溶突水前兆、突水靶段等级及其界定、不良地质和裂隙水超前预报方法、理论研究和仪器开发、隧道突水机理、临突模型及最小安全距离、灾害预测预警、应急预案和现场
9、应用研究等方面研究,并期望取得突破进展。本项研究将对我国在高风险岩溶区修建大型地下工程时预防和控制大型地质灾害起到积极的作用。2、总体目标针对本项目依托工程所处地质环境及施工中面临的主要问题,为确保隧道施工过程的安全,本课题系统开展高风险岩溶隧道不良地质预报与灾害控制研究,项目总体研究目标如下:(1)依托工程的岩溶地质规律和隧道灾害防治关键技术攻关。 完成依托工程所处三峡地区低台原面岩溶和不良地质的研究报告,重点查明大型岩溶洞穴和岩溶水体的分布情况,形成此类地质情况岩溶隧道地质灾害探测和治理的技术指南。 提供一套较为成熟可靠的施工期灾害超前预报综合技术及控制方法,研发出能够用于隧道远距离水体探
10、测的瞬变电磁仪和激发激化仪(探测距离达到60m),完善三维空间正反演理论和开发相应的处理软件,实现含水体位置与涌水量的准确探测,并为依托工程的物探工作提供技术支持。 研制可用于突水前兆多元信息采集的监测系统,开展突水前兆信息演化规律研究,建立隧道突水前兆信息识别模型,基于典型含水构造潜在的突水模式,建立相应的突水力学模型,给出突水判据,为依托工程地质灾害分级标准与风险评估体系的建立提供科学依据。 完成岩溶地区地质灾害分级标准及其风险评估体系,建立临灾快速反应预警预案和治理技术体系,实现大型、特大型突水、突泥灾害的快速预警控制,确保施工安全。 完成岩溶突水治理浆材的优选研究,提供实用的成套洞穴和
11、岩溶裂隙水封堵与排导技术,为依托工程建设提供一套实用有效的施工期突水灾害治理和控制方法。(2)岩溶隧道地质灾害防治技术指南的编制。 结合依托工程开展施工预报方法、理论和仪器开发,突水、突泥前兆监测方法与理论,灾害预警和应急预案以及注浆封堵技术的系统研究,最终形成一套行之有效的防灾减灾科学技术体系。为依托工程安全和顺利施工提供地学和技术保障,全面总结和分析我国公路、铁路和水利等工程建设经验。 重点归纳我国隧道建设经验,特别是西部地质岩溶类型及其发育规律的研究,针对每种类型提出用于隧道建设的规范性的岩溶水流域分析理论和方法。 综合岩溶流域分析、现代岩溶勘察技术以及施工预报和控制技术,为我国岩溶隧道
12、地质灾害防治建立一套规范性方法体系。3、研究内容、关键技术及考核目标3.1 研究内容(1)长江三峡低台原面岩溶发育规律研究1)三峡低台原面形成历史与岩组岩性研究。 三峡地区低台原面地形地貌特征及形成历史; 三峡地质上元古-下原古生代碳酸盐岩岩组的层序学研究; 三峡上元古-下元古生代碳酸盐岩的岩溶发生学研究。2)低台原面岩溶流域演化规律。 依托工程区域岩溶发育的基本特征; 依托工程区域岩溶流域的演化机制。3)三峡低台原面含水构造和突水构造分析,开展突水、突泥靶段等级圈定研究。 位置的确定; 突水、突泥量预测; 风险等级评估。4)峡谷区卸荷裂隙的形成机理研究。 我国卸荷裂隙形态的调研与分析; 卸荷
13、裂隙形成机理的数值模拟。(2)高风险岩溶隧道地质缺陷施工综合预报方法研究1) 研究综合地质灾害超前预报技术(地质、物探和岩体力学相结合);2)不同地质灾害的各种物探方法的选择、搭配及互相配合的最佳效果研究(常用物探设备与超前钻、钻孔电视等辅助设备); 3)反射类物探方法对探查对象空间定位方法和精度的改进研究。(3)高风险岩溶隧道含水构造的定位定量预报方法研究1)对目前探查地下水有较好效果的物探方法(瞬变电磁法、复合式激发极化法等)现有技术和手段进行理论和试验研究,主要包括: 瞬变电磁法a) 适用于隧道超前预报的三维全空间正反演方法的研究;b) 瞬变电磁数据精细处理与解释方法研究;c) 瞬变电磁
14、法对各种水体病害响应的物理与数值模拟实验研究;d) 瞬变电磁仪器改进及其专用后处理软件的优化研究;e) 隧道主要干扰因素对瞬变电磁信号响应特征的影响研究;f) 瞬变电磁接收探头屏蔽效果及抗干扰能力试验研究。 复合式激发极化法a) 适用于隧道超前预报的三维全空间正演计算方法的研究;b)适用于隧道超前地质预报的电极布置方式的优选;c)适用于隧道超前预报的三维全空间的快速有效的反演方法研究;d) 开展二次时差参数与涌水量关系的模型试验研究,为含水构造涌水量的预测奠定试验基础;e)在隧道施工中的干扰因素及资料解释时消除方法的研究;f) 复合式激发极化法仪器及电极的改进;g)直流电阻率法、时域激电法、频
15、域激电法等多参数联合解译软件的开发。2)综合物探法对探查到的含水构造空间精细定位技术的研究;3)地质方法与最佳物探方法相结合的岩溶裂隙水预报系统研究;4)地面补充勘查与隧道内地质预报相配合的方法和原则研究。(4)高风险岩溶隧道突水前兆信息演化规律与破坏机理研究1)研究岩溶地区隧道突水前兆信息特征及其演化规律 研究岩体在水力耦合条件下破裂突水的多场前兆信息特征及其耦合演化规律,包括声场、电场、温度场、渗流场、应力场和位移场的信息演化特征; 研制新型固流耦合相似材料和突水模型试验装置,通过对不同含水构造开展相似模型试验研究,分析不同突水条件下岩体破裂的前兆信息特征及其破坏模式; 基于相似模型试验,
16、对突水前兆信息进行系统分析,建立隧道突水信息识别模型和突水监测理论体系,研制突水前兆多元信息采集的监测系统。2)突水通道形成机理的研究 研究岩溶地区常见含水构造模式,从地质角度分析其岩溶构造形成机理及其相应的突水模式; 研究裂隙岩体突水通道发育生长过程,分析含水单裂纹扩展、相邻裂纹贯通直至最后突水通道的形成机理。 3)地质缺陷渗透失稳突水的灾变机理与突变模型研究 对岩溶隧道突水实例进行调研分析,系统归纳典型的突水类型,基于岩土力学和岩溶学分析其灾变机理; 以典型含水构造系统势能为目标函数,引入辅助函数建立典型突水模式的突变模型,并分析其灾变演化路径。 针对不同充填物类型,建立相应的渗透失稳力学
17、模型,并对突水量和涌泥量进行预测。(5)高风险岩溶隧道灾害风险评估及快速预警机制研究1)建立有效的灾害预警机制和临灾快速反应机制;2)通过对施工中出现的不良地质体前兆的研究,建立正确预测地质灾害类型、规模及风险评估的方法;3)基于岩溶裂隙发育的特征和规律、超前预报成果及岩溶隧道突水机理研究,建立岩溶隧道突水风险评估标准及有效预警方案。(6)高风险岩溶隧道注浆施工工艺及材料优化研究1)研究不同含水构造潜在突水模式的治理方法,提出相应有效快速的施工工艺和工法;2)研究岩溶突水治理浆材的合理选型,开展水泥、特种水泥和化学浆液等注浆材料的优化研究;3)研究化学浆液的加固和封堵性能,对浆液的扩散半径、加
18、固强度和封堵参数等技术指标进行量化分析。 3.2 关键技术(1)流域分析理论和技术方法在三峡低台原区和西部岩溶隧道建设中的应用。(2) 岩溶地下水位判别技术与方法及其在依托岩溶隧道工程建设中的应用。(3)地质方法和物探方法最佳组合的地质缺陷和岩溶裂隙水超前预报系统,综合物探方法探查结构的可视化图象处理软件与解译理论体系的建立。 (4)新型固流耦合相似材料和突水多元信息采集系统的研发,突水模型架内置含水构造和地质缺陷的实现方法。(5)岩溶突水、突泥前兆特征及其多场耦合演化规律与失稳突水、突泥机理的内在联系,系统失稳灾变的演化路径的力学描述。(6)岩溶洞穴、岩溶水的治理措施及岩溶隧道施工工艺和方法
19、。(7)合理的灾害预警系统和风险控制措施,对大型和特大型突水、突泥灾害实现有效控制。 3.3 考核目标(1)确保依托工程的安全和顺利施工。(2)建立峡谷低台面地质比较成熟的流域分析理论、方法与技术。(3)为峡谷低台面岩溶隧道建设提供一套可靠的施工期灾害超前预报综合技术及控制方法,并在几种主要预报方法的理论方面取得突破性进展。(4)研制突水前兆信息监测系统,实现突水前兆多元信息的并行采集与综合处理,并建立隧道突水信息识别模型和突水前兆实时监测理论体系。(5)提供实用的成套溶穴及岩溶裂隙水封堵与排导技术;发展和完善2种较好探水物探设备。(6)按课题提交成果报告,发表学术论文10篇,出版专著1部,成
20、功申报专利3项,并预计研究成果达国内领先水平,部分达国际先进水平。4、技术路线4.1 基本思路中生古长江西流先注入四川盆地,形成巨原侏罗系和百垩湖盆沉积,再向西流至南部亚洲大陆南缘和西南缘的古特梯斯海洋。在至今约5000万年的下第三纪始新世,喜马拉雅山开始抬升,中国大陆形成西高东低的地貌格局,长江开始穿越现今三峡一带的低山区,转向东流。江汉平原底部的始新世陆相沉积见证了这一地貌格局的根本性转变。在第三纪至第四纪约5000万年的时间里,在喜马拉雅山运动三个幕次的接连作用下,三峡地区间歇性地隆起,在现今三峡地区形成深约2000m的“穿山”式深切峡谷。三峡两侧以及台面以下的几级长江阶地发育的鄂西期、
21、山原期、山盆期三组台面记录了这一隆起和“切穿”的全过程。我国半个世纪的岩溶地质学时间表明,岩溶流域是岩溶水赋存和岩溶作用进行的基本自然单元,是由3个层次的子系统(个体含水形态或个体岩溶形态;含水构造或地下岩溶组合形态;含水层或可溶岩组)构成的一种复杂原系统。每级子系统又由若干组分构成。岩溶个体形态(个体含水形态)和组合形态(含水构造)是引发隧道地质灾害的元凶。但要查明其三维空间分布,必须对流域系统全部4个层次及其组分的关联进行系统分析。对岩溶流域这类巨系统的结构、物质流、能量流和信息流进行系统分析称为“岩溶流域分析”。我国岩溶地质工作者已在岩溶流域分析的理论、方法和技术方面积累了相当成熟的经验
22、,并逐步成功应用于水资源的开发和水电、铁路、公路等工程的建设中。应用岩溶流域分析技术查明工程区域岩溶地质规律,并将分析结果应用于物探方法的实测资料解译、探测精度以及正、反演等研究中,以此提高物探理论、技术和方法,尤其是在对大型地质缺陷体的准确预测预报方面。同时,结合施工揭露围岩岩溶特征,开展突水机理的仪器研制、力学模型以及突水判据等研究,并研制出突水前兆信息监测系统。在施工过程中,跟踪隧道地质调查、超前预报以及突(涌)水治理情况,应施工方要求开展原位注浆试验,提供岩溶裂隙水的综合治理技术和地质灾害预警方向案,为避免大型地质灾害的发生建立快速反应体系及有效治理方案。本项研究的特点是把流域分析法、
23、综合预报技术以及突水实监测理论等最新研究方法应用于山原峡谷型岩溶的低台面隧道地质灾害的预报与控制,其创新之处在于地质和岩土力学的交叉渗透,从解决生产的关键技术出发,经理论研究和技术开发,回到实用技术的具体实践中。4.2 技术路线以系统科学思想为指导,运用岩溶发生学、岩土力学、裂隙岩体水力学、地球物理探测及能量突变等理论的最新成就,借助现场试验、室内试验、物理模拟试验和数值实验相配合手段,在分析三峡地区低台原面岩溶流域的结构、物质流、能量流和信息流的基础上,建立预测隧道掌子面前方灾害靶段(地质缺陷和突水构造)位置的综合物探方法和以瞬变电磁和激发激化法为主的探查岩溶裂隙水的综合预报方法;从理论上揭
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