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岩溶地区长大隧道修建过程中,经常遇到突水突泥、岩爆、瓦斯等地质灾害,其中突水突泥尤为严重。研究对象马鹿箐隧道是宜万铁路控制性工程,存在着严重的突水风险,严重威胁人员及设备安全,影响隧道运营及隧址区环境的可持续发展。因此,隧道施工期突水风险评价和预警研究对岩溶突水地质灾害防治工作具有重大的理论意义和工程应用价值。马鹿箐隧道大部分经过碳酸盐岩地区,地表岩溶强烈发育,漏斗、落水洞、岩溶洼地密布,地下暗河发育。毛田~箐口暗河、鸟腊河~凉风洞暗河可能通过各种通道与隧道连通,油竹~垮岩湾暗河、小马滩~凉风洞暗河、朱家槽~和尚鞍暗河穿越隧道干线。隧道区岩溶发育,地下水丰富,可能发生大规模的突水、突泥和涌水。为保证施工安全,运用岩溶学、地质学、模糊数学、物探技术手段,研究隧道岩溶突水风险评价及预警机制。
模糊层次分析法是模糊数学的一种具体应用方法,是将模糊数学与层次分析法相结合、对存在多因素场的事物和系统进行综合评价的方法,并大量应用于岩土工程领域中。它应用模糊变换原理和模糊数学的基本理论—隶属度或隶属度函数描述中问过渡的模糊信息量,将模糊信息定量化,考虑与评价事物和系统相关的各个因素,合理地选择因素域值,作比较合理的划分,再利用传统的数学方法对多因素进行定量评价,从而得出科学的评价结论。
本文在分析研究区岩溶水文地质资料的基础上,研究了岩溶发育的主控因素,得出岩溶发育受地层岩性、地下水动力分带、地质构造和地形地貌等因素控制,并建立了突水风险评价指标体系与突水风险评价模型,提出了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4级(风险性依次减小)突水风险分级标准,这为隧道岩溶突水风险评价奠定基础。在此基础上,利用层次分析法对影响突水的各因素进行权重分析,得出各指标的权重;采用调查统计方法确定各指标的隶属度。计算过程中,利用fuzzy综合评判软件,直接输入判断矩阵与隶属度矩阵,选择加权平均型模糊合成算子,运用模糊变换原理,根据最大隶属度原则,即可得出风险评价结果。在研究区,用EH-4和V6两种物探方法对全隧道进行了探测,根据探测成果、岩溶发育特征、暗河管道分布、岩溶含水层的富水性及分段涌水量预测结果将整个隧道划分为15个区段,分区进行突水风险性评价。依次得到各区段岩溶突水风险评价结果,实现隧道岩溶突水风险定量化。风险性评价结果为:Ⅰ级地段有1个,Ⅱ级地段有1个,Ⅲ级地段有5个,Ⅳ级地段有8个。
利用风险评价方法得出的突水高风险地段范围较大,不能得出哪一个具体位置会发生突水,为缩小范围,建立了隧道岩溶突水风险源辨识体系—隧道综合地质超前预报技术体系。针对不同风险等级的区段,制定不同的综合地质超前预报方案,找出突水的重点预警地段。本文以DK255+380~DK256+560(小马滩~凉风洞暗河从此通过)段为例,此区段突水风险性等级为Ⅰ级,采用Ⅰ级风险综合地质超前预报方案。即采用TSP、超前钻探、地质雷达预报方案对此区段进行隧道综合地质超前预报工作。综合地质超前预报成果表明,PDK255+978.99附近存在突水大溶腔。可见,突水风险性评价与综合地质超前预报非常有必要,能为突水预警提供资料。
预警是防灾减灾的重要手段,隧道突水量与水质、钻孔涌水量、钻孔水压力等因素有关。因此,将水质、钻孔涌水量、钻孔水压力作为预警监测指标。根据隧道岩溶突水造成的危害,将预警等级分为A、B、C、D四级。隧道施工过程中,对突水重点预警地段进行预警指标监测。将预警指标监测数据与隧道岩溶突水风险评价结果相结合,对隧道岩溶突水灾害进行预警,发布预警等级。DK255+380~ DK256+560区段风险性评价结果为Ⅰ级,PDK255+978.99附近存在突水大溶腔,因此此区段为A级特别紧急预警,隧道内会发生严重突水、突泥地质灾害,该突发灾害能导致特大安全事故,给隧道施上造成灾难性后果。
实践表明,准确及时的发布预警能有效减轻突水灾害造成的损失。