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随着国家基础设施建设规模的不断扩大,大量山区越岭长大隧道工程纷纷建设,特别是越岭长大公路隧道得到了前所未有的发展,同时遇到的地质条件也越来越复杂,隧道施工也出现了大量施工地质灾害问题,而超前地质预报可以有效预防隧道施工地质灾害的发生及其产生的不良后果,也是隧道施工过程中重要的安全技术保障手段。目前,越岭长大公路隧道超前地质预报是隧道工程中的一个难题,仍未能得到很好的解决。因此,在越岭长大公路隧道建设中进行系统的超前地质预报研究,不仅具有现实的工程意义而且具有很强的理论价值。
本文紧密结合武神公路沿线隧道工程实际,以对地层岩性特征、地质构造、断裂构造、地应力条件、地下水、不良地质等综合地质调查分析为基础,综合运用系统科学的理论与方法、风险评价理论、现场试验与室内试验相结合、定性分析与定量分析相结合等方法与手段,通过对公路隧道施工地质灾害的评估方法、隧道施工超前地质预报方法、公路隧道施工围岩动态分级方法、综合施工地质预报方案优选方法和施工预报成果综合分析方法等关键技术问题的研究,初步建立了一套适合山区公路隧道的综合施工地质预报系统。所有成果直接在现场进行实际应用和检验,取得了较好的效果。
全文主要研究内容和结论有:
(1)研究并分析了武神公路隧道工程地质条件对隧道施工的影响。研究区分布有较多的碳酸盐岩,在岩性、地貌、构造及水动力条件等共同组合作用下,岩溶及岩溶水比较发育:部分隧道区域或隧道线路上的部分区域,岩层结构面比较发育,尤其有大量张拉性裂隙发育,结构面结合较差,岩层破碎,在隧道施工过程中易发生大规模的掉顶、围岩变形,甚至是塌方。因此,隧道施工中应做好风险评估与超前地质预报工作。
(2)研究了武神公路隧道施工可能存在的地质灾害风险及评估方法。首先,简要论述了公路隧道施工地质灾害风险评价理论,包括公路隧道施工地质灾害风险产生的机理、风险辨识主要方法和风险估计的方法。公路隧道施工地质灾害风险的发生有其内在原因(孕险环境)和外在原因(致险因子),概括起来包括:隧道区域的工程地质和水义条件、隧道周边的环境状况和要求、施工工艺水平以及人为因素等。然后,结合武神公路沿线隧道勘察资料和补充地质调查情况,运用德尔菲法识别得出武神公路隧道施工中可能遇到的工程地质火害风险有:塌方风险、岩溶风险、涌水突泥风险、围岩大变形风险、岩爆风险、瓦斯风险等六种,并建立了武神公路隧道施工地质灾害风险评价体系。最后,以椿树垭隧道为例,采用德尔菲法建立了椿树垭隧道地质灾害风险评价指标体系:运用层次分析法计算出各风险因素的相对权重:以问卷调查的形式对各风险因素进行单因素评价并建立模糊关系矩阵:采用模糊综合评价法计算出椿树垭隧道地质灾害的风险等级及风险值。研究表明在椿树垭隧道施工中最可能发生的地质灾害风险是岩溶和岩爆,其次为塌方和涌水,而发生大变形和瓦斯的可能性则非常小。椿树垭隧道整体综合评价风险等级为三级,即中等风险。根据评价结果,提出了椿树垭隧道施工地质灾害风险控制的措施,为椿树垭隧道的安全施工提供了有实际意义的指导,确保了椿树垭隧道施工的顺利进行。
(3)研究了隧道施工地质预报的主要方法地质调查分析法、TRT法、TSP法、TGP法、地质雷达(GPR)、红外线探水法和超前钻孔法等的工作原理、使用方法、数据处理技术等:分析了各种方法的特点与适用范围,总结出影响隧道综合地质预报的因素包括:①地质因素。包括不良地质、水文地质、地质构造、地层岩性等:②物探方法特点因素,包括对溶洞的敏感性、对地下水的敏感性、对破碎岩体的敏感性、占用掌子面的工作时间、预报费用等。
(4)研究了武神公路隧道围岩动态分级预报方法。提出了武神公路隧道围岩综台动态分级的思路,通过地质调查分析和物探、现场试验与室内试验相结合等方法与手段,研究BQ法分级参数的现场获取方法,并对BQ法中的参数以及公式进行修正及优化,建立了一套适合于武神公路隧道的围岩动态分级预报方法。通过研究得出了以下的结论:
①论文提出的修正方法——BQws分级方法是在《设计规范》围岩分级相关内容的基础上完善和补充的过程,分级的形式和思路与原分级方法一致,均是粟用在基本质量指标的基础上进行详细的修正分级,其目的在于增强方法应用的灵活性和广泛性,使得最后的修正BQws方法便于在其它类似的工程上也能得以应用和推广。
②在参数的现场获取上,论文考虑到施工中要求围岩分级信息的及时性与准确性,结合。TSP、地质雷达及红外探测等超前地质预报手段,运用TSP波速获取岩体完整性指数Kv:运用回弹法或点荷载法等方法现场快速获得岩石单轴饱和抗压强度Rc,研究表明可以采用现场回弹试验代替点荷载试验快速获取岩石单轴饱和抗压强度,更为方使。试验也表明:对于回弹试验,在硬岩及裂隙发育较少的岩体中。回弹试验同室内岩石单轴饱和抗压强度实验的测试结果是比较接近的:而在页岩等软岩及风化较严重岩体中运用时存在一定的偏差:回弹测试适合于较坚硬或裂隙发育相对较少的岩石(抗压强度值一般应大于20MPa)。对于点荷载试验,点荷载试验换算抗压强度较接近室内试验单轴饱和抗压强度值,但整体上偏高。尽管两种试验结果都存在一定误差,但误差不会影响其应用的可靠性。建立了地质雷达及红外探测特征与地下水修正系数取值的对应关系。采用定性和定量相结合方法,对丰要结构而修正系数、地应力修正系数也进行了修正,使之更加便于应用。
⑧对修正公式[BQ]优化的核心内容就是提出针对研究区实际的BQws公式。对BQws公式中的指标仍采用规范的相关规定。在对公式确定上,通过回归分析,对二元直线式和二元二次多项式形式进行比较,发现二元直线式虽然在精度上略逊于二元一次多项式,但通过增加两个限制公式后,可以大大的增加其精度。最终得出了附带两个限制条件的修正BQws公式BQws=112+0.6Rc+356Kv。
④将修正后的方法应用到现场实际中,与现场实际级别的吻合率很高,平均能达到85%左右,说明该公式的合理性和可行性。
(5)研究了武神公路隧道综合施工地质预报方案优选方法。遵循全面性、系统性、科学性、定性分析和定量分析相结合、可行性和可操作性等原则,以及“地质分析为主,物探钻探为辅,长短预报结合,宏微观预报结合,定性定量预报结合,物性参数互补”的综合地质超前预报原则,建立了武神公路隧道综合施工地质预报系统及工作体系。采用多层次多目标模糊优选理论,建立了武神公路隧道综合地质超前预报的模糊优选系统,并介绍了方案优选求解方法。以椿树垭隧道为例,详细介绍了综合地质预报方案优选方法的具体应用方法。考虑武神公路隧道的具体地质环境特点和各种常用预报方法的特点,建立了隧道综合地质超前预报方案优选系统,该系统包含有地质条件和物探方法特点两个一级指标。其中,地质条件指标包括不良地质、水文地质、地质构造、地层岩性共四个二级指标;物探方法特点指标包括对溶洞的敏感性、对地下水的敏感性、对破碎岩体的敏感性、占用掌子面的工作时问、预报费用等五个二级指标。在此基础上,以椿树垭隧道为例,采用多层次多目标系统模糊优选理论,建立了椿树垭隧道综合地质超前预报方案优选系统。经模糊优选分析,采用二元对比法确定各级指标的权重,然后分别确定各级各个指标的相对优属度,经两层模糊优选,求解得出椿树垭隧道进口段岩溶综合预报的最优方案为“地质法+TRT+GPR+炮孔加长探测”:得出椿树垭隧道出口段破碎岩体综合预报的最优方案为“地质法+TSP十红外探水十炮孔加长探测”。
(6)进行了武神公路隧道综合施工地质预报成果分析的研究。针对武神公路沿线隧道的地质条件,按照上述优化方案,并参考已有相关研究成果,采用模糊层次综合评价法,确定了武神公路隧道掌子面前方岩溶、地下水和岩体破碎综合施工地质预报结果综合评价的应用模型,其中采用层次分析法确定各个影响因素的权重,根据已有工程经验确定评价因素的相应等级特征值以及隶属度函数采用特征函数来确定隶属度,最后分别得出溶洞特征、地下水情况和岩体破碎程度的隶属度,根据最大隶属度原理分析得出最终预报结论。隧道掌子面前方岩溶预报的应用模型中,按照“地质法+TRT+GPR+炮孔加长探测”综合预报方案及模糊层次综合评价法确定勘察及地质调查资料、TRT成果图色谱特征、地质雷达电磁波综合特征、炮孔加长探测综合特征、掌子面溶蚀情况和地下水发育情况等六类因素作为综合分析模型的评价因子:隧道掌子面前方地下水预报的应用模型中,按照“地质法+‘TSP或TRT+红外探测+GPR”综合预报方案及模糊层次综合评价法确定勘察设计资料、掌子面出水情况、TSP的P波和s波速度之比Vp/Vs的变化情况或TRT纵波波速变化情况、红外探测的场强变化情况和地质雷达波形综合特征等五类因素作为综合分析模型的评价因子;隧道掌子面前方岩体破碎程度预报的应用模型中,按照“地质法+TSP+红外探水+炮孔加长探测”综合预报方案及模糊层次综合评价法确定勘察设计资料、TSP的Vp波速特征、红外场强差值、掌子面节理裂隙发育情况和炮孔加长探测综合特征等五类因素作为综合分析模型的评价因子。以椿树垭隧道和燕子垭隧道为例,进行了综合施工地质预报系统预报成果综合分析,并将预报结论与实际开挖揭露的情况进行对比,结果表明,采用综合地质预报手段能较为准确地预报出隧道掌子而前方的地质条件和地质灾害体的位置,为施工的安全、顺利进行提供了重要信息。