公路隧道裂隙水涌突机制及处治对策研究

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随着国民经济快速发展,作为重要的基础性产业,公路建设事业也得到了很大程度的发展。在山区高等级公路建设中,隧道工程采用的越来越多。这既保证了最佳道路线形,又可有效防止山区公路通过陡坡时引起的地质灾害,提高了公路的安全可靠性。山区的地质条件较特殊,复杂多样的工程地质问题成为制约山区公路建设的主要因素,频发的工程灾害是影响隧道工程正常施工、运营的主要问题。在隧道建设中,塌方、岩爆、大变形、涌突水等各种各样的难题接踵而至。而隧道涌突水,容易造成隧道施工中断、停止,甚至在隧道支护或者运营之后引起隧道的破坏,造成较大的经济损失。  本文首先分析了裂隙岩体渗流特征,然后以狮子寨隧道等多条公路隧道为研究对象,在阐明这些隧道的工程地质条件和涌突水特征基础上,采用理论分析、力学解析计算等手段,对隧道裂隙水涌突规律及机制分析进行了较为系统的研究,最后针对典型的裂隙水涌突机制提出了相应的处治对策和措施。通过研究,本文主要取得了以下成果:  (1)通过理论分析,对裂隙岩体的结构特征、裂隙性进行深入研究,从而归纳总结裂隙岩体的渗流特征,为裂隙水涌突机制的研究提供理论基础。总结出裂隙岩体的渗流特征为:组成岩体中的裂隙是非均匀分布的,相邻裂纹的扩展和相互贯通是岩体的主要破坏方式;裂隙中的裂隙水的运动符合达西定律,裂隙水流一般为层流状态;裂隙水的流动符合裂隙网络模型,即岩石块体跟结构面相比,不透水,裂隙水仅在裂隙中流动。裂隙岩体破裂失稳过程中随着裂纹的萌生和扩展,逐渐的将和已经存在的原生结构面互相贯通,岩体最终发生破坏。  (2)通过对我国西部地区几座隧道裂隙水涌突典型案例的分析,阐明了涌突水发生背景、过程和机理,得出了不同裂隙分布和组合状态下的隧道裂隙水涌突的4种主要类型:①揭露含水裂隙引发涌突水,②渗压致洞顶围岩破坏引发涌突水,③渗压致掌子面围岩破坏引发涌突水,④渗压致堵水岩块破坏引发涌突水。  (3)较为深入的研究了4种隧道裂隙水涌突类型的力学机制。对揭露含水裂隙引起的涌突水,计算其涌水量及水压力;其他三类涌突水建立了它们简化的力学模型,将渗压致洞顶围岩破坏引发涌突水简化为悬臂梁,将渗压致掌子面围岩破坏引发涌突水简化为简支梁,将渗压致堵水岩块破坏引发涌突水简化为集中荷载、均布荷载作用在围岩上。通过推导和分析,得出了裂隙水涌突发生的判据、关键影响因素和水压力作用下隧道围岩的破坏准则,以及安全临空长度、掌子面安全厚度。  (4)针对不同的裂隙水涌突机制,进行相应的处治对策研究。处治设计的主要依据为计算得出的水压力、安全临空长度和掌子面安全厚度。对于揭露裂隙引发的涌突水,主要采取注浆阻断水流路径的方式;对于隧道洞壁围岩破坏引起的涌突水,主要采取排水锚杆的方式,并结合超前注浆和径向注浆,排水的同时对围岩进行加固;对于掌子面围岩破坏,首先采取超前注浆的方式,并辅助以掌子面排水孔进行排水,以保证施工的正常进行。  
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