某地區巖溶隧道涌突水災害風險評價的實證研究目錄第1章緒論 21.1研究背景和意義 21.2國內外研究現狀 3第2章研究區地質環境背景 42.1工程區概況 42.2自然地理條件 52.3地形地貌 52.4地層巖性 52.5地質構造 62.6水文地質特征 62.6.1地表水特征 62.6.2地下水特征 72.6.3地下水的補給、徑流、排泄 7第3章巖溶隧道涌突水災害影響因素分析 93.1概述 93.2巖溶涌突水災害水源體蓄存類型 93.3隧道巖溶涌突水形式分類 103.3.1根據水文地質條件 103.3.2根據隧道施工和涌突水發生的時間關系 113.4巖溶突水影響因素 113.4.1地層巖性 113.4.2地質構造 123.4.3地形地貌 133.4.4水文地質條件 143.5大獨山隧道研究區涌突水災害影響因素分析 153.5.1地層巖性因素 153.5.2地質構造因素 153.5.4水文地質因素 15第4章大獨山隧道涌突水災害風險評價系統 164.1概述 164.2評價指標體系的建立 164.2.1評價指標的選取 164.2.2評價指標量化取值及單指標等級劃分 174.3評價指標權重分析法 21第5章大獨山隧道主要洞段涌突水災害風險評價 215.1大獨山隧道典型洞段基本地質背景條件 215.2評價結果分析 265.2.1涌水量預測法驗證 26參考文獻 28

第1章緒論1.1研究背景和意義進入21世紀以來，我國的綜合實力逐年提高。為縮小東西部發展差距，早日實現四個現代化，我國近些年在西部地區的投入越來越大，特別是大型土木工程和水利水電工程項目逐年增多。公路和鐵路作為現今主要的交通途徑，是西部大開發戰略中主要的建設項目，如川藏公路、青藏鐵路等，其可以拉近各地區人民的之間各方面的交流，對地區經濟起到更好的刺激作用。但由于我國西部地區多山起伏，在這些區域建設交通線路時，通常會為了綜合考慮當前造價、施工技術和長遠經濟效益等因素而選擇建隧道來縮段交通距離。并且，隨著工程施工技術水平的不斷提升，長大隧道和深埋隧道的項目數量逐漸增多。如，我國陜西省的秦嶺終南山公路隧道，全長18.4km，是目前世界最長的雙洞單向公路隧道，它的建成溝通了西安市長安區青岔和商洛市柞水縣營盤鎮，極大的方便了兩地的交通往來;挪威羅爾達隧道(24.5km)的建成使奧斯陸和卑爾根兩大城市間的交通時間縮短了一半;瑞士圣哥達隧道(16.32km)，連通了阿爾卑斯山脈南北部地區，方便了交通往來。長大隧道建成后可以極大地方便兩地的交通，但必須面對和處理更加復雜的隧道工程地質災害問題。如2005年12月22日，四少I}都漢高速董家山隧道接連發生了塌方和瓦斯爆炸事故，最終導致44人死亡，11人受傷，多人因安全事故責任問題被追究刑事責任「1';2011年7月18日，遼寧省大連市勝利路南端南山隧道在施工過程中發生塌方事故;2016年1月18日，蘭新鐵路民和至樂都段張家莊隧道頂部出現裂痕，洞壁多處水泥塊掉落，導致蘭州往西寧、嘉峪關、烏魯木齊等方向的車次全部停運。在各類隧道災害事故中，隧道涌突水災害事故是巖溶區隧道工程建設中重點災害之一，也是我國西部地區隧道建設過程中面臨最多的隧道工程災害問題。巖溶隧道涌突水災害是指在隧道施工過程中，地下含水層被揭露，或者施工導致隔水板變薄，阻水能力減弱，地下水在水頭壓力作用下突破隔水層進入隧道的現象「3,3]隧道涌突水災害根據地下含水層情況的不同，具有不同的爆發規模，小則如滲水、滴水，大則如洪流，常伴有泥沙。由于隧道工程排水空間的限制，人員和設備的撤離空間有限，一旦發生涌突水災害，將對生命財產造成巨大的損害。如2006年1月22日，宜萬鐵路馬麓青隧道在平行導洞進行爆破后發生特大涌水事故，水量高達2米，洞外多處房屋和土地被沖毀;2007年8月5日宜萬鐵路野山關隧道在施工過程中突然爆發突水突泥，涌水量約4}5萬m3/h，造成52名施工人員被困，多臺設備被沖毀，最終導致10人死亡;2013年9月11日，岑水高速岑溪大隧道由于在開挖過程中揭露了導水斷層，使地表水和地下水大量涌入隧道，并因此引發了地表塌陷等次生災害，嚴重影響了隧道的工期;2015年8月6日，四川省滬州市境內敘大鐵路中壩隧道進口左側導洞處在施工過程中發生了突水突泥事故，造成多名工作人員被困。從上述施工案例可以看出，在施工過程揭露的涌突水災害多具有突發性，若沒有提前預防準備，施工人員在災害發生時很難在第一時間做出正確的處理措施，通常導致重大災害事故。因此，加強巖溶區隧道涌水災害的研究，并采用科學，先進的隧道超前預報技術和危險性評價方法對隧道涌突水災害進行評價研究，對保證隧道的安全施工有重要的意義。1.2國內外研究現狀巖溶又稱喀斯特(Karst)，是地表水和地下水對可溶性巖石(如碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)進行以化學溶蝕作用為主，沖蝕、潛蝕及其引起的坍塌等物理作用為輔的作用過程及其結果。由巖溶作用所形成的地貌稱為巖溶地貌(喀斯特地貌)。巖溶突水是指巖溶區含水層地下水在水頭壓力作用下突破隔水層，或由于人類工程活動直接揭露含水層，使得地下水流涌向巖體以外的空間，在隧道施工過程中極易發生。巖溶突水受到巖石力學、水文地質學、工程地質學等多方面因素的共同作用，人們目前對其發生機理的認識仍存在許多不足。西方主要發達國家由于其國內巖溶分布并不廣，且地質條件相比于我國較為簡單，因此國外學者對巖溶涌突水形成機理方面的研究并不多，主要由SalisM等(1983),KuznetsovSV等(1983)和WolkersdorferC等(1983)取得了一些研究成果。我國由于近年基礎建設項目較多，因此在涌突水災害形成機理方面有較多的研究，主要以巖體裂隙水力劈裂、數值模擬和掌子面安全厚度三個方面的研究居多:如黃潤秋等(2000以斷裂力學理論為基礎，構建了巖體裂隙在高水頭壓力作用下的破壞模型，對不同水頭壓力作用下巖體裂隙擴展角的變化規律進行了研究;李術才等用CT機實時掃描技術研究分析了巖體在不同水壓條件下裂隙破壞過程;王建秀等在石灰巖水化作用和水力作用的基礎上，用斷裂力學理論和化學動力學方法建立了水化一水力禍合損傷模型，并通過一富水區隧道工程實例對演化模型進行驗證計算;謝興華(2004)在認識到小規模構造對涌水影響的基礎上，結合巖體水力劈裂機理，對巖體裂縫擴展果子進行了數值模擬研究，并取得了一定的成果;李宗利等從斷裂力學角度對巖體裂紋面水力劈裂破壞模型與水壓力的關系進行研究。風險(RiskDanger)是指某一事物由于外界或內部因素導致某些損害的可能性。風險評價也稱安全評價或危險性評價，它是在分析影響因素和造成研究對象損害關系的基礎上，結合數據挖掘理論分析，對研究對象危險性程度進行分級研究。風險評價最早興起于20世紀初期的美國保險行業，后來隨著工業技術的發展，生產生活過程中諸如火災、爆炸、車禍等安全問題事故逐漸增多，人們開始意識到危險性評價的重要性。近現代以來，隨著計算機技術的發展，以非線性數學理論為基礎的危險性評價模型在各領域安全生產危險性評價方面得到了廣泛的運用。如模糊故障數分析法、模糊綜合評判法、人工智能理論在地學領域，危險性評價理論被廣泛應用于滑坡等地質災害研究領域，如LiuZH等根據長白山地區滑坡形成影響因素，采用關聯理論，對中國長白山北坡進行滑坡風險評價。在隧道工程中，隧道災害風險評價可以對潛在的災害進行預測?？茖W系統的隧道災害危險性評價是隧道工程能否順利安全進行的關鍵。近年來，國外的隧道工程危險性研究主要集中在隧道工程的風險分擔方面。在隧道工程風險評估方面僅對一些具體技術的風險進行了分析和探討，并沒有做系統的分析。目前，我國的隧道工程風險評價分析主要以定性分析或者半定量分析的理論研究為主，并未形成成熟的參考規范，要想得到高可靠度的風險評價結果，必須深入做更多的研究，特別是我國當前在西部地區的隧道工程項目逐漸增多，復雜的區域地質條件要求我們能夠更好地掌握預測工程災害的方法。第2章研究區地質環境背景2.1工程區概況滬昆高速鐵路(滬昆客運專線)是國家“四縱四橫”鐵路網戰略的一條重要的線路，東起上海虹橋站，途徑浙江、江西、湖南等主要南方省份，西至云南昆明站。線路全長2264Km，建成后將是中國東西向線路里程最長，途徑省份最多的高鐵線路。大獨山隧道位于貴州省關嶺布依族苗族自治縣境內，是滬昆線貴州段一個重要的隧道工程項目，隧道全長11.82Km，工程區地質環境極其復雜，共穿越七條斷層，八處推測破碎帶，和一條暗河，且施工過程中揭露多處溶洞溶腔，發生多起涌突水災害事故，被公認為我國目前地質條件最復雜的巖溶區高鐵隧道。2.2自然地理條件工程區屬于中亞熱帶季風濕潤氣候，其主要氣候特點是冬無嚴寒、夏無酷暑，且春季少雨干燥，夏秋雨水集中，冬季陰雨多霧寡照。境內年平均氣溫大約在15.40C-16.90C，其中一月份最低平均氣溫6.70C左右，7-8月最高，平均230C左右，個別年份曾出現極端天氣。關嶺縣降水充沛，并呈現不均勻分布，年平均降水量約為1205.1mm-1656.8mm。受亞熱帶季風氣候的影響，使得區內在全年各月份的降雨分布也不均勻，每年的4-9月為雨季，并且多集中在6-7月份。年平均蒸發量為1219.2mm，相對濕度為79%左右。境內霜雪較少，年平均無霜期為310.6天，年平均積雪天數為1.6天，最多不超過3天。2.3地形地貌關嶺縣處于云貴高原向廣西方法傾斜的斜坡丘陵地帶，總體地勢由西北向東南方向逐漸降低。境內山巒起伏綿延，海拔370m-1850m，平均海拔1000m左右。大獨山屬烏蒙山系，位于黔西高原與黔中丘陵過渡帶，屬構造剝蝕一溶蝕中低山地貌，總體地勢由西北向東南逐漸降低，具有典型的構造剝蝕一一溶蝕地貌特點。研究區最高海拔點位于營盤山頂，海拔高程為1650.5m;最低海拔點為羅秧河處，694.20m。大獨山隧道工程區地面高程多為1000-1400m，區內溶巖區和非溶巖區地貌各有差異，溶巖區地貌類型主要有低山一中低山溝谷、盲谷、槽谷、峰林峰叢一洼地和中盆地等;非可溶巖區地貌類型主要由低山一中低山溝谷、槽谷。2.4地層巖性關嶺縣境內地層有第四系，三疊系，二疊系和石炭系，其中以三疊系地層為主，占全縣面積90%，中間缺失白至系和侏羅系，巖性主要以灰巖、白云巖等碳酸鹽巖為主，局部見玄武巖，大獨山隧道研究區隧道進口及低洼槽谷、洼地和坡面上層主要以第四系坡積物、洪積物和殘積物為主，區內其他地層由新到老主要為三疊系地層，分別有:竹桿坡段(T2Z)、楊柳井組(T2Y)、關嶺組獅子山段(T2g2)、關嶺組松子坎段(T2g1)、永寧鎮組第四段(T1Yn4)、永寧鎮組第三段(T1Yn3)、永寧鎮組第二段(T1Yn2)、永寧鎮組第一段(Tlyn1)和夜郎組(TiY)。2.5地質構造關嶺縣位于婭都一紫云斷裂、陸良斷裂和開遠一平塘斷裂三處燕山期前古斷裂所包圍的三角地帶，屬黔西山字形構造。研究區位于揚子準地臺黔北臺隆六盤水斷陷普安旋扭構造變形區，隧道位于法郎向斜北東翼和新場一九頭坡向斜南西翼，受褶皺擠壓作用，區域內斷層發育，構造條件極其復雜。大獨山隧道線路共穿越七條斷層和八個推測破碎帶。七條斷層分別為大新寨斷層、龍門地斷層、跨巖斷層、大彎斷層、營盤坡斷層、楊家沖斷層和永寧鎮斷層，對隧道涌突水災害起主要控制作用。大新寨斷層為正斷層，屬區域大斷層分支，走向近SN，傾向NE，傾角80-850，區域上由郎家墳經過玉碗井、大新寨，向東延出區外長約3.4km，呈弧形，斷層破碎帶寬度約為50m.龍門地斷層為正斷層，屬區域大斷層分支，走向近SN，傾向NE，傾角80-850，斷層兩側巖層有褶曲拖拉現象，斷層跨度約3.9Km，破碎帶寬度不詳?？鐜r斷層為正斷層，屬區域性大斷層分支，走向NW，傾向NE，傾角75-850斷層北西側在白墳包一帶與小斷層相連，南東側與龍門地斷層相連，斷層跨度約為3.7Km，破碎帶寬度約為71m。2.6水文地質特征2.6.1地表水特征關嶺縣境內有不同規模的河流28條，分屬東部、中部區域的打邦河流域和西南部地區的北盤江流域，河流總長612.3km，河網密度0.46km/km2。打邦河常年水量充沛，河床水位高，落差集中，是區域地下水的重要補給來源;北盤江河流河床深切，水量雨季豐富，枯水期可能斷流，影響地下水補給量。大獨山隧道研究區地下水的排水基準面是北盤江流域的羅秧河，河流總長12km，平均流量1.03m3/s，主溝水量充沛，常年有流水，支溝枯水期斷流。地表水及地下水向河中排泄，加劇了隧道區地表溶蝕的發育。2.6.2地下水特征關嶺縣境內碳酸鹽巖分布廣泛，區內地下水存儲環境根據巖層類型可分為第四系松散土層孔隙水、碳酸鹽巖裂隙溶洞水和碎屑巖夾碳酸鹽巖巖溶裂隙水。第四系松散層孔隙水含水層是指賦存于第四系土層中的地下水，含水層主要以第四系殘積物和坡積物為主，富含粘土、碎石、砂、礫石等。巖層厚度不大，含水量較小，對隧道影響不大。碳酸鹽巖類巖層中的節理裂隙在巖溶水的作用下形成溶槽、溶蝕洼地、落水洞等巖溶地貌，這些巖溶地貌為地下水提供了存儲空間，存儲于這些溶洞、洼地空間內的地下水稱為碳酸鹽巖裂隙溶洞水，多見于灰巖、白云質灰巖、白云巖、泥質白云巖、泥質灰巖等巖層中。在大獨山隧道研究區主要含水層有永寧鎮組一段、三段和四段，關嶺組二段、楊柳井組和竹桿坡組。在深埋巖層中通常形成復雜的巖溶管道，地下水含量較豐富，局部地段出露巖溶大泉，和地下暗河深切，對隧道影響較大。碎屑巖夾碳酸鹽巖層中由于相對隔水層的限制作用，影響地下水的補給，且地下水在接受補給后主要沿著溶蝕裂隙運移。地下水鮮有出露地表，巖層富水性一般為弱一中等富水。在大獨山隧道研究區主要含水層有夜郎組、永寧鎮組二段、關嶺組一段等的灰巖、白云巖、和泥質白云巖等組成的含水巖組中。在大獨山隧道研究區各含水層中，巖溶化程度較高，多見溶蝕洼地、落水洞、溶洞等溶蝕地貌，地表負地形面積比較大，植被發育，有利于大氣降水的補給，地下水含量豐富，巖溶管道復雜，多處有巖溶泉水和暗河出露。2.6.3地下水的補給、徑流、排泄區內地下水的補給來源主要為大氣降水補給和部分山區溝谷地表水補給。在可溶巖地區，大氣降水和地表水通過落水洞、漏斗、溶洞和巖溶管道等連接地下空間和地表的通道進入地下，補給地下水;在非可溶巖地區，大氣降水和地表水主要通過巖體中貫通地表與地下空間的裂隙進入地下空間，補給地下水。區內地下水徑流方式受巖性分布的影響:在灰巖區，巖體中復雜的巖溶管道、溶孔等空間給地下水提供了運動和存儲環境，并且通常在可溶巖和非可溶巖接觸帶存在地下水向地表水排泄的通道。在局部河谷、可溶巖與非可溶巖接觸帶可見地下暗河和巖溶泉水的地下水排泄口。研究區根據區域內地質環境背景和巖層富水程度，可將研究區劃分為納丙寨水文單元、永寧鎮一綿羊坡水文單元和老鷹巖一舊營水文單元，三個二級水文單元。其中，再根據地下水的補給、徑流和排泄類型特征，可將永寧鎮一綿羊坡水文單元細分為永寧鎮子系統和綿羊坡斷層帶子系統;老鷹巖一舊營水文單元可以細分為老鷹巖子系統和舊營子系統。納丙寨水文單元的地下水補給主要來自其北部和西部水文單元，沿著槽谷，地下巖溶網絡，向東南方向排泄。永寧鎮子系統中的地下水主要來自北部高山地表水和基巖裂隙水補給，并沿著區內溝谷向南部徑流排泄。綿羊坡斷層帶子系統北高南低，北西向斷層密集發育。系統內可溶巖層主要有永寧鎮組第四段、第三段、第一段和楊柳井組，僅在東瓜林處出露有非可溶巖巖組一永寧鎮組第二段。地表巖溶發育，分布有串珠狀洼地、溶洞、落水洞和石芽。區內巖層以北西向為主，槽谷、洼地多為南北向分布。區內在北西向發育多處斷層，巖體結構多較破碎。地下水補給主要來自大氣降水和北部山區地表水和串珠狀巖溶洼地地下水的補給，并沿著區內斷層構造帶徑流，在張家寨暗河處出露。地下水徑流途徑較短，地下巖溶管道大魚。地下暗河在出露地表后，最終流入黑牛凹處的一落水洞。在該落水洞處發育有一處北北西向斷層，水流在流入暗河溶洞后沿著一處洼地順著永寧鎮組第一段地層，在冬瓜林處流出。老鷹巖子系統地勢由北向南逐漸降低，區內地表水和地下水由溝谷或地下暗河，向羅秧河排泄。系統內巖層主要有關嶺組二段和夜郎組巖層。區內多處分布有洼地、落水洞等巖溶地貌。在大獨山半坡位置，出露多處泉點，分布分散，涌水量較小。有一地下暗河出口位于下九達寨北東側，該處巖層為厚層壯灰巖，高程位置越位7_57m，與北盤江高差約為200m。區內地下水補給主要來自大氣降水和東部山區地表水和成片洼地地下水的補給。舊營子系統地下水主要老子單元內北部高山地表水和巖溶洼地地下水的補給，沿近東西向槽谷徑流，在舊營部分地區以上升泉的方式排泄，其他大部分排泄于向谷日河。第3章巖溶隧道涌突水災害影響因素分析3.1概述巖溶又稱喀斯特(Karst)，是可溶巖地區碳酸鹽巖和地表水或地下水之間長期復雜的物理作用和化學作用的過程和結果，由此形成的地貌稱為巖溶地貌，其在世界各地均有分布。中國碳酸鹽巖廣泛分布，據統計，中國境內碳酸巖系分布總面積可達200萬平方公里，其中出露地表的約占中國國土面積的130700區域上以西南各省地區為主要分布區，此外太行山區、魯中及晉西北、昆侖山脈及黃淮海平原等地也有大量分布。3.2巖溶涌突水災害水源體蓄存類型巖溶地區由于巖性、巖體結構面多樣性、地表水和地下水溶蝕能力和巖體地下水作用時間等因素之間的差異，導致不同地區巖溶發育會有很大區別:小的如溶孔、溶隙等，大的如溶潭、大型巖溶管道等。這也最終導致巖溶區巖溶水蓄存形式的多樣性。1)裂隙巖溶蓄水型溶巖區巖體中的裂隙構造易形成與地表或地下含水層連通的裂隙管道，地表水或地下水可以通過這些裂隙管道存儲在巖體中。并且可溶巖中的節理裂隙構造通常有利于地下水的流通，許多結構面多處于地下水、空氣三相接觸狀態。巖體結構面在與水和空氣經過多年的相互作用，會使原本細小的裂隙變成較大的蓄水空間。2)溶腔溶潭蓄水型在強巖溶區，巖層潛藏的溶腔或溶潭往往蓄存有大量靜態水，當其與地下暗河或地表水系連通時，將形成龐大的水源補給系統。如宜萬鐵路馬鹿籌隧道在施工時就曾揭露大型溶腔，并由此引發了重大涌突水災害事故。3)斷層蓄水型斷層構造區域巖體破碎，節理裂隙發育，可以形成許多導水管道，并且提供較大的蓄水空間。此外，斷層可以連通巖體中的某些裂隙，使裂隙水匯聚到一起。巖溶區活斷層派生構造帶和膠結帶往往容易形成典型的斷層含水構造。如大瑤山隧道在揭露F9斷層時，發生了多次涌水災害。4)地下暗河及巖溶管道蓄水型巖層中的層面，節理裂隙和破碎帶等在地下水的長期溶蝕和沖刷作用下會形成地下暗河和復雜的巖溶管道網絡，為地下水提供蓄水空間。5)層間巖溶蓄水型在巖層中含有砂巖或頁巖等隔水巖層時，由于非可溶巖的阻水作用，會使地下水流經這些區域時產生聚集現象，若非可溶巖在巖層空間中可以構成“凹”形結構，則可謂巖溶水提供存儲空間。6)組合型巖溶蓄水類型由于巖體中裂隙結構的多樣性，導致巖溶區的地下水系統往往具有復雜的網狀結構，使得各蓄水體之間存在一定的水力聯系，許多涌突水災害發生時其水體可能來自多種蓄水形式。3.3隧道巖溶涌突水形式分類3.3.1根據水文地質條件從水文學角度分析，巖溶隧道涌突水災害可以分為滲漏型突水型，施工穿越隔水斷層突水型，水力劈裂突水型，施工揭露充水巖溶管道網絡突水型和底膨破壞性突水型。滲漏型突水在地下工程施工中非常常見，它是指隧道開挖過程中，地表水或巖層中的地下水順著巖層中的裂隙匯聚到隧道圍巖，然后以水滴或小股流的形式進入到隧道空間中，對隧道和地下工程的施工影響較小。巖層中隔水斷層兩側的地下水水位往往存在一定的水頭差，施工穿越隔水斷層突水是由于隧道的開挖導致隔水斷層的破壞，連通了斷層兩側的水文單元，在巨大的水頭壓力作用下，地下水涌入隧道，造成災害事件。水力劈裂突水是由于隧道開挖過程會造成隔水巖層厚度變化，進而造成應力重分布，當地下水壓力大于隔水圍巖強度時，隔水巖體可能產生劈裂破壞，進而導致地下水涌入隧道中，造成災害事故。水力劈裂突水由于爆發突然，具有極強的破壞力。施工揭露充水巖溶管道網絡突水是由于隧道開挖導致地下巖溶管道與隧道洞腔連通，地下水通過連通的管道涌入隧道中，從而造成隧道施工災害事故。底膨破壞突水是由于隧道開挖導致承壓水的上層隔水板變薄，地下水在水壓作用下突破上層隔水頂板，涌入隧道，造成災害。3.3.2根據隧道施工和涌突水發生的時間關系根據隧道施工和突水發生的時間關系，可以將巖溶隧道涌突水災害分為，突發型、緩發型和滯發型:突發型涌突水是指隧道施工過程中爆破一結束即發生涌突水，具有爆發突然，破壞力強等特點;緩發型涌突水是指在爆破結束一段時間后發生的，涌突水速度相對較緩慢的突水類型;滯發型涌突水是指隧道開挖后，由于隔水巖層持續應力變化，最終導致地下水突破隔水板造成涌突水災害，具有規模大，破壞力極強等特點，發生時間多為隧道開挖后幾個月甚至更長。3.4巖溶突水影響因素巖溶隧道涌突水災害的形成及其涌突水規模、涌突水類型是研究區多種因素共同作用的結果。根據己有的研究成果，巖溶隧道涌突水災害的影響因素主要包括地層巖性、地質構造、地形地貌、水文地質條件和其他不良地質條件等因素。3.4.1地層巖性地層巖性是巖溶發育的物質基礎，其直接影響著巖溶的發育程度和速度，且主要由巖石的類型和結構特性兩方面決定。就可溶巖中的碳酸鹽類巖石而言，其可根據方解石和白云石等礦物成分在巖石中的含量劃分為石灰巖類(方解石>50%)、白云巖類(白云石>50%)和過渡類型，碳酸鹽類巖石的溶水能力主要由方解石的含量決定，方解石含量越多，越易溶于水。因此，在灰巖區更加有利于巖溶的發育。碳酸鹽類巖石的結構特性對巖溶發育的影響主要體現在礦物顆粒大小和結構孔隙率。當礦物顆粒較小且孔隙率較大時，礦物晶粒與水接觸機會和巖石的吸水率較大，增加了巖溶水與巖石中易溶礦物的接觸，從而有利于巖溶的發育。在碳酸鹽巖中，常見的結構有粒屑結構、泥晶結構、亮晶結構、生物骨架結構和重結晶交代等數種。根據相關文獻可知，溶巖不同巖石結構對巖溶發育由易到難依次排序為:生物碎屑結構、泥晶結構、粒屑結構、亮晶結構和粗晶結構，且晶粒越細小越有利于巖溶發育。此外，巖層的厚度和產狀等因素對巖溶的發育也會產生影響。在溶巖地區，巖層厚度越大，巖層中的碳酸鹽類巖石所含雜志越少，越有利于巖溶的形成。巖層的產狀主要決定著地下水的滲流規律，在巖層中往往順層方向節理裂隙比較發育，且滲透率遠高于垂直巖層面的方向，更有利于地下水的滲透，進而決定了巖溶的發育規律和特征。另外，在不同巖層的接觸帶是典型的巖溶易發區，常常造成大規模溶蝕現象。3.4.2地質構造地殼由于地質構造作用會導致原本完整的巖層或巖體發生變形或破裂，在巖層中留下斷層、褶皺和節理等地質構造痕跡。這些構造痕跡的存在改變了巖層中地下水的運動規律，進而在不同程度上影響著巖溶的發育:1)斷層構造巖體中的斷層構造由于破碎帶中大量裂隙的存在，為地下水提供了良好的運移通道和存儲環境?？梢哉f區域地下水的分布規律受區域斷層的分布影響很大，進而決定這區域巖溶的發育特征和分布規律。如，湖北宜昌某地巖溶溝谷、溶盆等巖溶地貌主要沿著區域構造的分布區分布。本文根據不同受力狀態下形成的斷層:張性斷層、壓性斷層和扭性斷層三個方面介紹不同斷層類型對區域巖溶發育的影響。張性斷層是指受水平拉張地應力作用而形成的斷層，多表現為正斷層。斷裂面通常具有形狀不規則、表明粗糙的特點;構造巖多以角礫巖為主，且大小懸殊，無定向規則排列，結構疏松，裂隙率高，有利于巖溶水的穿流。張性斷層是非常有利的巖溶作用場所。壓性斷層是指在擠壓應力作用下而形成的斷層，多表現為逆斷層(包括沖斷層、逆掩斷層、輾掩斷層)。其斷裂面往往程舒緩波狀，且寬度大，通常為區域性大斷層。斷層中的構造巖以角礫巖、糜棱巖、斷層泥為主，有時可見構造滑鏡體。斷層中的構造巖通常呈致密膠結狀態，孔隙率較低，不利于地下水流通。因此，壓性斷層中的巖溶化程度相對較弱。扭性斷層是指受剪應力作用而形成的斷層，多表現為平移斷層。其斷層面通常光滑、平整，有時呈鏡面出現。構造巖可見角礫巖與糜棱巖，并具有偏離花的窄帶。斷層產狀平穩，斷層線近平直，斷層面多陡傾或近直立，延伸較深較遠，有利于巖溶水向地下深處流動，易形成一些規模較大的溶洞和廊道。2)褶皺褶皺不同部位由于受力條件和變形結果不一樣，導致不同位置巖體的裂隙發育程度有所差異。本文從褶皺核部、轉折部位和翼部三個角度介紹褶皺構造對巖溶發育的影響。背斜軸部通常為分水嶺地段，在巖溶水系統中一般屬于補給部位。該區域由于張應力的作用，張節理發育，有利于雨水或地表水沿著這些裂隙運動，對可溶巖層進行侵蝕、運移，易形成落水洞、漏斗、洼地等，其通常與構造軸線一致呈帶狀分布。向斜軸部易富集地下水，在巖溶地下水系統中易形成聚水區。并且，由于軸部層間裂隙發育，給巖溶水的水平運動創造非常有利的條件，有利于巖溶水向地表河流排泄，因此又是巖溶水系統的排泄區。同時，巖溶區軸部的垂向裂隙在長期水流溶蝕作用下易形成漏斗、落水洞等巖溶區垂直地貌形態。3)節理裂隙節理裂隙是巖層中最常見的地質構造，它對巖溶發育的影響主要由結構面的發育程度，節理寬度等因素決定。巖體中結構面越發育，節理開口和寬度越大，越有利于地下水與溶巖發生巖溶作用，對巖溶發育越有利。3.4.3地形地貌地形地貌對巖溶發育特征的影響主要體現在其對地表水和地下水運動規律的影響，首先地形線的形態決定著巖溶區匯水范圍和水源補給能力，匯水面積大，水源補給來源多，匯集水量就越大。更有利于巖溶的發育。其次，地面的坡度和起伏情況影響著水流的速度和滲透量，坡度越陡，水流速度越大，對地表水向地下巖層的滲透越不利，巖溶發育越弱;坡度越緩，水流速度越小，對地表水向地下巖層的滲透越有利，巖溶發育越強。此外，巖溶區某些特有地貌如，巖溶洼地、落水洞等負地形區通常與地下水系統存在連接通道，并且在雨季時容易使雨水在這些地方匯集，使得此類地貌區間內的巖溶發育程度與其他凸地形區的發育程度差異越來越大。3.4.4水文地質條件巖溶隧道涌突水災害的水文地質條件主要包括地下水的水力學特性和地下水對隧道圍巖的侵蝕能力。其中，地下水的水力學特性主要與地下水水位線和隧道埋深位置有關;而地下水對隧道圍巖侵蝕能力主要與隧道洞軸線所在的的巖溶水動力分帶有關。不同的巖溶水動力分帶，地下水的活動規律不同，我國學者在研究巖溶區地下水動力規律時通常根據巖層剖面至上而下可以劃分為表層巖溶帶、垂直滲流帶、季節變動帶、淺飽水帶、壓力飽水帶和深部緩流帶六個分帶。1)表層巖溶帶:在可溶巖地區，由于強巖溶化作用，使得地表巖體中形成很多裂隙和孔隙，為巖溶水提供了存儲空間，此類水稱為表層巖溶帶水。其通常處于水圈、大氣圈、生物圈、巖石圈的交匯區域，也是人類生產生活和動物生存的重要的水源來源地。由于埋藏淺，當隧道線路通過表層巖溶帶時，一般不會發生較大的涌水災害。2)垂直滲流帶:垂直滲流帶又稱包氣帶，其位于表層帶以下，雨季區域最高水位以上。本帶巖體中多發育有裂隙、溶隙和溶水管道等導水通道，通過其與地表連通，可以將大氣降水和地表水引入地下。其與表層巖溶帶的交界處一般為溶蝕相對微弱的完整的溶巖面。垂直滲流帶的垂向厚度因地而異，有的地方可能十幾米或者幾十米，有的地方可達幾百米。當隧道線路穿過此帶時，多發生季節性圍巖滲漏水或小股流涌突水災害。3)季節變動帶:季節變動帶一般位于雨季最高水位以下和旱季最低水位以上的巖層位，又稱過渡帶。其含水量受季節因素影響較大，雨季時，地下水位上升，巖層多處于飽水狀態;旱季時，水位下降，巖層多處于枯水狀態。若隧道穿越此帶，在雨季時節或者大雨天時，容易發生較大的涌突水災害。4)淺飽水帶:淺飽水帶是指旱季最低水位以下和地下暗河系統排水面以上的層位，又稱水平管道循環帶。其常年有水流循環，地下水具有較強的巖溶化能力。且在雨季時節，由于大量大氣降水的補給和地表水的下滲，巖層中常形成充水溶洞和溶潭，隧道線路穿過時，常常造成大型涌突水災害，對施工安全造成巨大威肋、。5)壓力飽水帶:壓力飽水帶是指地下暗河系統排水面以下和區域主要水系排水基準面以上的層位。相比于淺飽水帶，本帶巖層的巖溶化發育程度相對較弱，但是沿著斷裂帶和各種結構面，巖溶可以發育很強，也可以發育很深。由于水深較大，通常具有較大的水壓，當隧道施工揭露此帶時，常發生特大型突水突泥災害。6)深部緩流帶:深部緩流帶是指受區域排水基準面影響較小的層位。通常巖溶發育較弱，但當存在較大的斷裂構造時，常形成溶洞或溶蝕斷裂帶;并伴有復雜的混合溶蝕作用和古巖溶作用。由于埋藏位置通常較深，隧道工程一般不會經過此處。3.5大獨山隧道研究區涌突水災害影響因素分析3.5.1地層巖性因素大獨山隧道研究區廣泛分布有灰巖、泥質灰巖、白云巖、泥質白云巖等可溶巖，為巖溶發育提供了物質基礎;局部巖層中夾有頁巖、泥巖等非可溶巖層，在層面處以形成巖溶徑流管道;巖層產狀多為15-450，有利于巖溶發育。3.5.2地質構造因素大獨山隧道研究區主要位于法郎向斜和新場一九頭坡向斜翼部，向斜軸線未于隧道相交，向斜巖層產狀不對稱，兩翼擴展角分別約為134“和1520。大獨山隧道穿越7條斷層和8處推測破碎帶，斷層破碎帶寬度約為8m-70m,其控制著地下水的運移和存儲規律，影響著巖溶的發育，對隧道涌突水災害的影響較大。3.5.4水文地質因素根據大獨山隧道研究區鉆孔資料，穩定地下水水位與隧道位置高程差為20m-150m，其值越大時，對隧道涌突水災害的影響程度越大。隧道穿過納丙寨水文單元、棉羊坡斷層帶子系統、永寧鎮水文單元和老鷹巖水文單元。隧道埋深位置多位于季節變動帶和淺飽水帶，地下水補給主要來自大氣降水補給和山區地表徑流補給，在對應隧道里程D1K852+740.O}D1K855+300D1K855+300}D1K858+020和D1K860+0_SO}D1K864+6_5_5處，地下水流量較大。在D1K856+630}D1K856+650位置大致位于洞頂70}90m處，處，大獨山隧道與張家寨暗河大角度相交，相交對隧道的施工影響較大。第4章大獨山隧道涌突水災害風險評價系統4.1概述隧道工程由于其施工環境的特殊性，再加上涌突水災害有突發性的可能，當發生涌突水災害時，很難及時做出有效的處理手段，從而對隧道工程設備造成破壞，對工程人員生命安全造成威肋、。為了盡可能減少隧道施工時涌突水災害對人類生命財產造成的損失，有必要對隧道各洞段涌突水災害發生可能性情況和災害發生時的破壞規模做超前風險分級評價，以提前采取應對措施。隧道涌突水災害風險評價是通過分析研究區隧道涌突水災害的形成機理，確定評價指標，通過對各評價指標的權重分析，結合特定的評價模型，對涌突水災害的風險程度進行等級劃分評價。其主要核心內容包括:評價指標體系的建立、評價模型方法的確定、評價指標權重的確定，圖4.1。圖4.1隧道涌突水災害風險評價系統4.2評價指標體系的建立4.2.1評價指標的選取巖溶隧道涌突水災害的評價指標是基于涌突水災害的形成機理和研究區特定的地質環境背景決定的。根據大獨山隧道地質條件和巖溶隧道涌突水災害形成機理，本文從地層、地質構造、地形地貌、水文地質和不良地質5個角度考慮，選取巖性、巖石結構等13個涌突水災害影響因素作為本文大獨山隧道涌突水災害評價指標，表4.1。表4.1大獨山隧道涌突水災害風險評價指標體系4.2.2評價指標量化取值及單指標等級劃分在根據影響因素選取了評價指標后，為了進一步分析隧道涌突水災害的風險等級，需要根據隧道涌突水災害風險等級劃分標準，在定性分析的基礎上對各評價指標進行影響程度量化分級劃分。本文參照工程界常用的隧道風險五級劃分標準(表4.2)，結合定性分析，對各評價指標做量化分級。表4.2隧道涌突水災害風險評價等級劃分標準(1)地層因素量化取值及影響等級劃分地層因素從巖性、巖石結構、巖層產狀和巖層接觸帶四個角度進行分析。其中:巖性的溶水性強弱可以用巖石中方解石(CaC03)的含量作為度量標準;巖層的接觸帶，由于溶解性的差異，地下水的活動規律會受到影響。溶解性相對較低的巖層或非可溶巖可以起到相對隔水層的作用，這可以為地下水形成富集區域。另外，巖層接觸帶處容易匯聚來自不同巖層的地下水，可以對溶巖造成混合侵蝕作用。巖石的可溶性主要由其中的方解石(CaC03)含量決定的，因此可以通過計算巖層接觸帶兩側不同巖層的方解石(CaC03)含量差來體現兩個巖層之間的溶水能力差異大小，并對其分級打分。根據上述分析，地層因素的五個二級指標分級標準如表4.3。表4.3地層因素影響等級劃分標準(2)地質構造量化取值及影響等級劃分地質構造因素可以從斷層、褶皺、和節理發育程度三個方面來考慮。大獨山隧道共穿越七條斷層和八處推測破碎帶。在本文研究中，可以根據斷層帶寬度來度量導水能力的強弱，大獨山隧道研究區主要有兩處褶皺，均為向斜，且向斜軸線與隧道洞軸線均未相交，即隧道都處于向斜翼部，因此可以根據褶皺兩翼的擴展角進行分級，褶皺擴張角越狹小，越有利于巖溶發育，為了使評分依據與其他指標統一滿足等級遞增原則，根據褶皺兩翼擴張角補角進行等級劃分。。因此，地質構造因素的具體分級標準為表4.5。表4.4節理狀況分級評分標準表4.5地質構造因素影響等級劃分標準(3)地形地貌因素量化取值及影響等級劃分地形地貌主要考慮匯水能力和地形坡度兩方面的影響，其中，匯水能力可以根據區域地表負地形面積比進行判斷;地形坡度對涌水災害的影響呈負相關。因此，可以按照表4.6的分級標準對地形坡度因素和匯水面積因素進行分級。表4.6地形地貌因素影響等級劃分標準(4)水文地質因素量化取值及影響等級劃分隧道施工過程中發生涌突水災害的風險大小與其所處的區域地下水垂直動力分帶有很大關系。此外，地下水水位的和隧道位置的高程差在很大程度上也表征了突水的危險程度。根據歷年突水實例統計資料，總結了不同地下水水位條件下發生巖溶涌突水災害的頻率。本文大獨山隧道涌突水災害的水文地質因素從隧道所處的地下水垂直分帶位置和地下水水位和隧道高程位置差兩方面進行考慮，并可以根據如下規則進行分級，如表4.7。表4.7水文地質因素影響等級劃分標準(5)不良地質因素量化取值及影響等級劃分不良地質因素主要考慮隧址區巖層中石膏富含情況和隧道線路附近溶洞、洼地發育情況。根據勘察資料，大獨山隧道研究區多處巖層揭露有石膏，可根據其在巖層中的富含情況對其進行分級打分，表4.8。表4.8不良地質因素影響等級劃分標準4.3評價指標權重分析法在隧道涌突水災害風險評價過程中，各評價指標對隧道涌水結果的影響程度是不同的，因此需要對各評價指標的權重進行分析。權重分析通常有主觀權重分析法和客觀權重分析法兩大類:主觀權重分析主要是根據專家經驗判斷不同指標在決策問題中的重要性;客觀權重分析是基于分析樣本數據和決策目標之間某種內在關系，判斷不同指標的重要性程度。為了綜合考慮專家經驗和研究區客觀規律，本文采用層次分析法和嫡權法分別對各評價指標進行主觀權重分析和客觀權重分析，并采用距離函數組合規則得到適合本文評價的組合權重。第5章大獨山隧道主要洞段涌突水災害風險評價5.1大獨山隧道典型洞段基本地質背景條件D1K852+900-D1K853+000上層覆蓋有2m厚的黑褐色，硬塑狀，粘土層。成分主要為茹粒，含部分炭質，土質不均，夾少量灰巖碎石，粘性一般。巖性主要為淺青色、淺灰黃色，中厚層狀，弱風化白云質灰巖和灰黃色薄層狀，弱風化白云巖，巖石結構以亮晶結構為主，巖層層面傾角均為470，節理裂隙較發育，有少量方解石脈和泥質物填充，圍巖綜合評價等級為V級。構造上位于法郎向斜翼部，附近無斷層。水文地質劃分上該段處于北盤江水系統，納丙寨水文單元。穩定地下水水位高程為1240.35m，根據巖溶地下水動力分帶，隧道位置處于季節變動帶。D1K853+600-D1K853+850:上層覆蓋有4m厚的褐灰色，硬塑狀，粉質粘土層。成分主要為茹粒，次之為粉粒，上層0-2m處土質較均勻，且0-0.3m處為種植土，含植物根系，下層2-4m處的土層約含5%的泥灰巖礫石，粒徑40-60mm。巖性主要含有黃灰色，薄層一中厚層狀弱風化泥灰巖;灰色，中厚層狀，弱風化白云質灰巖和灰綠色，薄層一中厚層狀弱風化頁巖。泥灰巖和白云質灰巖的結構以粒屑結構為主，頁巖為泥質結構。節理裂隙較發育，局部有溶蝕現象，圍巖綜合評價等級為V級。構造上位于法郎向斜翼部，有一處推測破碎帶，破碎帶寬度約為55m。隧道位置位于北盤江水系統，納丙寨水文單元。根據巖溶地下水動力分帶，隧道位置處于季節變動帶，穩定地下水水位高程為1302.6m。圖5.1D1K852+900-D1K853+000段剖面圖圖5.2D1K853+600-D1K853+850段剖面圖D1K854+000-D1K854+150:本區段處隧道走向方位為N_500W，地表略微起伏，坡面平均傾角約為50，該段剖面圖見圖5.3。上層覆蓋有3m厚的褐黃色，硬塑狀，粉質粘土層。成分主要為茹粒，次之為粉粒，土質較均勻，手捻有砂感，0-0.4m處為耕植土，土層中含有植物根系。巖性主要為黃灰色，中厚層狀，弱風化泥灰巖和灰色，中厚層狀，弱風化白云質灰巖。巖石結構以粒屑結構和亮晶結構為主，節理裂隙較發育，巖層中多處可見不同程度的溶蝕現象，局部夾有炭質灰巖，圍巖綜合評價等級為V級。構造上位于法郎向斜翼部，附近無斷層。隧道位置位于北盤江水系統，納丙寨水文單元。根據巖溶地下水動力分帶，隧道位置處于季節變動帶，穩定地下水水位高程為1304.8m。圖5.3D1K854+000-D1K854+150段剖面圖D1K855+200-D1K855+300本區段處隧道走向方位為N600W，地表略微起伏，坡面平均傾角約為200該段剖面圖見圖5.4。上層覆蓋有3.7m厚的淺黃夾灰色，硬塑狀粉質粘土層。成為主要為粉茹粒，為坡積物。坡積物下方為6.9m厚的灰色全風化泥質白云巖和11.2m厚的灰褐色全風化泥灰巖，均為散體結構，遇水易軟化。其他層位主要為淺灰色，中厚層狀，強風化泥質白云巖;灰色，中厚層狀，弱風化泥質白云巖;紫紅色，薄層-中厚層狀，強風化泥巖;灰黑色、灰色，薄層一中厚層狀，弱風化泥巖;灰色，中厚層狀，弱風化灰巖。隧道穿越處主要以泥巖和灰巖為主，巖石結構分別為泥晶結構和生物碎屑結構。節理裂隙極發育，夾泥質填充物，圍巖綜合評價等級為V級圍巖。構造上位于法郎向斜翼部，隧道在此處穿越大興寨斷層，斷層破碎帶寬度約為l0m，破碎帶母巖成份主要以泥質灰巖為主，見構造泥，局部可見擠壓痕跡，可見粒徑1-2cm角礫，巖面可見擦痕，局部可見薄層石膏夾層，斷層旁側巖層有褶曲拖拉現象。水文地質上位于北盤江水系統，納丙寨水文單元。穩定地下水位高程為1398.41m，根據巖溶地下水動力分帶，隧道位置處于季節變動帶。在本段左側大約109m處大興寨斷層附近有一巖溶洼地，洞徑約為82m，在雨季此處的地下水可能通過地下導水通道和斷層進入隧道。D1K855+550-D1K856+000本區段處隧道走向方位為N630W，地表較陡，坡面平均傾角約為4_50，該段剖面圖見圖5.5。巖性主要分布有灰色，中厚層狀，強風化、弱風化灰巖;灰色，薄層狀，強風化泥質白云巖;灰黑夾灰色，薄層一中厚層狀，弱風化泥質灰巖。巖石結構以亮晶結構為主，節理裂隙很發育，圍巖綜合評價等級為m級。構造上位于法郎向斜翼部，隧道附近為園團斷層，斷層破碎帶寬度約為_50m,破碎帶原巖為灰色、薄層中厚層狀、灰巖和灰黑夾灰色泥質灰巖，節理裂隙很發育，有方解石脈填充。水文地質劃分上該段處于北盤江水系統，永寧鎮綿羊坡水文單元，綿羊坡斷層帶子系統。地下