【摘要】：隧道開挖過程中遭遇的突泥、涌水事故一般發(fā)生在可溶巖地區(qū),然而隧道穿越花崗巖、凝灰?guī)r等非可溶巖地區(qū)發(fā)生的突涌事故越來越多,并給隧道施工帶來重大災難和經(jīng)濟損失。鑒于目前隧道突涌災害的研究和實踐更多的集中在可溶巖領(lǐng)域,而發(fā)生在花崗巖隧道中的突涌災害缺乏機理及治理措施的系統(tǒng)研究。因此,本文結(jié)合梁山隧道和燈火寨隧道的突涌案例,闡述花崗巖隧道突涌災害的預測預報技術(shù)、治理措施及突涌的機理。其相關(guān)的研究成果可對今后類似工程提供參考和借鑒。因此,針對非可溶巖隧道的施工許可評價管理十分重要,然而現(xiàn)有的研究水平嚴重滯后于工程應(yīng)用。對于待評價的隧道,由于影響因素眾多,權(quán)重確定過于主觀,確定、精確、完備的評價指標很難獲得等制約,導致風險評價結(jié)果的可靠性低、準確性差和實用性不強,遠達不到隧道施工的標準化、信息化和安全管理的要求。為此,本論文采用案例推理、模糊綜合評價、粗糙集理論相結(jié)合的方法,探索建立新的評價方法,并將其應(yīng)用于工程實踐,驗證了此方法的可行性。在突涌災害的特點及處置措施方面,論文的第一部分通過2座深埋花崗巖隧道突涌案例的剖析,揭示其突涌災害呈現(xiàn)突發(fā)性、瞬時性、間歇性、破壞力強、影響范圍大和泥砂含量高等特點。首先,針對突涌災害獨特的孕險環(huán)境構(gòu)建了基于地質(zhì)、物探和鉆探相結(jié)合的綜合超前預報方法,實現(xiàn)對蝕變帶的規(guī)模和物質(zhì)的辨識。然后,采用“先固后清”的突涌堆積物處理措施實現(xiàn)潰口封堵和加固。通過“以排為主、以堵為輔、排清留固“的泄水降壓措施實現(xiàn)施工期的釋能降壓和運營期的定量排放。通過全斷面帷幕注漿、雙層大管棚、水平旋噴樁等組合加固措施,實現(xiàn)對強烈擾動巖土體的超前加固和堵水;采用“傳統(tǒng)和改進CD法”實現(xiàn)隧道的安全開挖。最后,通過“提高支護剛度、雙層初支和二襯及時跟進”的技術(shù)措施,有效的避免軟巖大變形。應(yīng)用上述處理措施兩座隧道均順利穿過花崗巖蝕變帶。在突涌災害發(fā)生的機理方面,隧道突涌的本質(zhì)是開挖或爆破擾動觸發(fā)賦存在不良地質(zhì)體的水和碎屑物,使其涌入隧道形成具有泥石流特征的災害。首先,揭示了此類突涌事故的發(fā)生必須同時具備充足的水和礫石、砂、泥等物質(zhì)條件,存儲和運移突涌物的空間條件,開挖或爆破擾動等觸發(fā)條件,三者缺一不可。然后,基于兩隧道開挖揭示巖石的巖相、礦物和蝕變特征的研究,查明了燈火寨和梁山隧道的突涌災害分別發(fā)生在晶洞花崗巖與凝灰?guī)r的接觸帶和晶洞花崗巖的蝕變帶;并厘定了蝕變巖的蝕變類型及發(fā)育規(guī)律。研究表明,富含揮發(fā)分的巖漿在張性構(gòu)造環(huán)境下以淺埋的形式侵入圍巖,在長達40Ma的冷凝、分異結(jié)晶及后期頻繁的高溫熱液滲流、循環(huán)作用下,導致接觸帶或蝕變帶附近巖石普遍發(fā)育鈉長石化、絹云母化和粘土化等蝕變,形成寬達幾十米、松散、深埋的絹云母、高嶺土、蒙脫石等軟土礦物帶。這些蝕變軟土及其賦存的接觸帶或蝕變帶分別構(gòu)成了突涌災害形成的物質(zhì)和空間條件。同時,通過粘土礦物的氫氧同位素組成測試,進一步驗證粘土的成因?qū)儆跓嵋何g變,而不是風化。最后,通過蝕變巖的物理力學水理試驗,發(fā)現(xiàn)隨著蝕變程度的加深,不但巖土體的物性和力學指標大幅度劣化;而且呈現(xiàn)出膨脹、崩解、泥化現(xiàn)象。物理力學水理性能的劣化進一步降低觸發(fā)條件的門檻。因此,隧道開挖通過此類蝕變巖時,在較小的擾動下就極易觸發(fā)突泥、涌水等災害。在非完備決策信息系統(tǒng)的屬性約簡及權(quán)重計算方面。影響隧道突涌事件的眾多因素間不但存在冗余、包容關(guān)系,而且指標的參數(shù)值普遍缺失。對于評價指標中缺失的參數(shù)值,研究在不改變原有分辨能力和分辨關(guān)系基礎(chǔ)上的數(shù)據(jù)補齊方法,以便得到完備的決策信息系統(tǒng)。針對隧道評價指標多、指標權(quán)重差異性大及存在冗余指標的情況,建立基于粗糙集條件信息熵的屬性約簡及客觀權(quán)重計算的新方法。在施工許可評價指標體系的構(gòu)建方面,依托項目管理中及收集的隧道突涌案例,應(yīng)用層次分析法及案例推理法,并且按事故發(fā)生的機理剖析導致突泥、涌水事故發(fā)生的主要因素,通過層次分析法建立突泥、涌水事故發(fā)生的孕險環(huán)境和致險因子。構(gòu)建隧道突泥、涌水等事件的評價指標。然后,基于待評價隧道對象的屬性特征再選取相似的經(jīng)驗案例,并針對粗糙集理論的技術(shù)要求對其實施后續(xù)處理。在施工許可評價方法方面,影響隧道突涌的因素不但眾多,而且普遍存在不確定性、不精確性和不完備性。研究構(gòu)建超前一定距離的、應(yīng)用地質(zhì)預報成果、與施工同步實時評價的、能夠?qū)χ笜诉M行篩選、能夠得到客觀權(quán)重的并能夠動態(tài)調(diào)整施工組織的規(guī)避風險的評價方法。本文擬通過經(jīng)驗案例的推理構(gòu)筑評價指標體系,并通過主要孕險環(huán)境相似的條件聯(lián)結(jié)待評價隧道對象與經(jīng)驗案例,實現(xiàn)應(yīng)用經(jīng)驗案例中已知的評價指標及參數(shù)值對呈現(xiàn)不確定、不精確、不完備的待評價隧道的評估;然后通過粗糙集的屬性約簡功能實現(xiàn)指標的優(yōu)選和權(quán)重的計算;最后,通過將其與模糊綜合評價方法耦合得到評估結(jié)果。
【學位授予單位】：中國地質(zhì)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U457

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本文編號：2588929