隧道施工过程中的地质灾害问题研究

赵永生

0 引言

随着经济的飞速发展，大量山区交通建设都采用长大隧道方式通过越岭地段，特别是在我国西南部;云南省地处云贵高原，大部分地区位于西南横断山脉地带，沟谷纵横，山高谷深，地势陡峻，这给公路隧道的建设和发展提供了有利条件。还有地铁，过江和海底隧道的建设等等。由于隧道施工及运营将穿越不同地层地质条件下的围岩介质，从而将不可避免的遇到山体变形、地震、塌方、涌水、岩溶塌陷、岩爆、泥屑流、高地温、瓦斯爆炸及有害气体突出等地质灾害，其中以涌水最为普遍和严重。除此之外，隧道施工开挖工作面前方地质情况的预报是国内外工程地质和隧道工程界关注而又没有得到很好解决的难题。实践证明在隧道施工中开展灾害预测预报技术能极大的减少塌方突水突泥等不良地质灾害，既可保证施工的顺利进行，又能极大的降低成本，故其在隧道施工中非常重要且十分必要。

1 隧道涌水灾害的研究

隧道涌水是隧道建设中较为严重的地质灾害之一，历来在隧道工程的修建中，国内外学者及工程技术人员都非常重视隧道涌水的预测问题，对此进行了大量勘探、试验及分析研究工作。1856年法国工程师达西(Henry Darcy)通过大量的实验提出了线性渗流定律，为渗流理论的发展奠定了基础，从而揭开了渗流力学研究的序幕。与达西同时代的裘布伊(J.Dupuit)以达西定律为基础，推导出地下水单向及平面径向稳定流公式，描述了特定条件下地下水的运动状态，裘布伊公式对地下水力学的发展起到了重要的作用。

该研究是从岩体单裂隙渗流特征研究起步的。早在20世纪40年代，前苏联学者Bonoubko(1941年)及稍后的Jiomnae(1951年)在实验室用一对平行板模拟了单个裂隙中的水流，验证了单裂隙介质中地下水运动的立方定律(Cubic Law)，即:

其中，q为裂隙内单宽流量，L2T-1;Kf为单裂隙介质渗流系数，LT-1;b为裂隙宽度，L;Jf为裂隙内水力梯度(无量纲);μ为地下水的动力粘滞系数，ML-1T-1;g为重力加速度，LT-2;v为地下水的运动粘滞系数，L3T-1;γ为地下水的容重，M-2L-2;ρ为地下水的密度，ML-3。

2 隧道岩爆灾害的研究

岩爆作为一种特殊的开挖地层的地质灾害，在交通隧道、水工隧洞，在煤矿、黑色金属矿山、有色金属矿山、黄金矿山，在深埋岩石工程中时有可遇。随着我国的基础设施建设力度的加大及国内外的地下工程深部化发展趋势，隧道岩爆地质灾害则渐转严重。深入研究隧道岩爆这类动力灾害将成为国际重大热门课题。

有关岩爆最早报道始于1738年英国某锡矿。在欧洲、前苏联、中国、印度等都出现过煤矿冲击地压;在钾盐、铜、锑、铅锌、铝土、铁、磷灰石、徽沪山刀采时均发生过岩爆灾害;在高山峻岭及深部地下开挖的交通或水工隧道、地下洞室也出现过各类岩爆，如瑞典维斯塔输水隧洞、挪威Sima地下电站、意大利格兰萨索公路份勤道，在我国鱼子溪引水隧洞、瀑布沟水电站、太平骚水电站、天生桥引水隧洞、锦平探洞、川藏公路二郎山公路隧道等都出现过岩爆。岩爆灾害的出现，促使人们关注岩爆机理、岩爆预测预报、岩爆防治的研究，围绕岩爆机理各种理论得以长足发展，有G.布霍依诺的“夹持煤体理论”，N.G.COOK.的“岩爆能量理论”，Blake的“岩爆刚度机理理论”。“岩爆冲创顷向理论”则把岩爆性态划分出能量、时间、形变、刚性比四类指标，但工程实用性还较缺乏。20世纪80年代以后，随岩石力学发展，从岩爆破坏过程出发又出现若干新假设:失稳理论、断裂理论、损伤理论、灾变理论等。这与满足隧道工程的需要——预测与防治相距较远。谢和平用分形理论对岩爆的特征和机制进行了研究。大量的学者从不同的角度在不同的理论基础上采用不同的研究方法对岩爆进行了深入细致的研究，取得了丰硕的成果，至目前为止，关于岩爆的发生规律还没有形成权威性结论，争论不断不可避免，进一步推动了岩爆领域的研究发展。中国地质条件复杂，地处环太平洋和地中海构造活动带交接部位，高应力与高能量集中引起的内动力地质灾害显著。我国西北区、西南区、康滇区均属高构造应力值区。西部最大主压应力方向接近SN，包括NE和NW，显示西域系、河西系、反S形系构造应力场活动特征。在我国东部，属新华夏系构造带的长春—广州地带，各类内动力地质灾害显著，常以地震、瓦斯突出、岩爆、冲击地压、地下热害等形式出现，并具明显的分段选择性。我国为世界上工程岩爆多发区之一。本文从隧道工程及岩爆实况出发，充分利用国内外岩爆机理与破坏过程研究的丰硕成果，对岩爆进行分类，研究在逆断层区域构造应力作用下隧道岩爆的预测与防治方法，是地质研究与工程实践相结合，减小隧道开挖灾害，发展隧道工程又一重要途径。

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