隧道突水涌泥灾害风险模糊综合评价分析与研究.pdf

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隧道突水涌泥灾害风险模糊综合评价分析与研究1 隧道突水涌泥灾害风险模糊综合评价分析与研究2 隧道突水涌泥灾害风险模糊综合评价分析与研究3 隧道突水涌泥灾害风险模糊综合评价分析与研究4 隧道突水涌泥灾害风险模糊综合评价分析与研究5
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———文章编号:10094539(2018)08003604・设计咨询・隧道突水涌泥灾害风险模糊综合评价分析与研究刘东波(中铁十一局集团第三工程有限公司湖北十堰442000)摘要:为了对某隧道进行突水涌泥风险评估,通过对现场地质情况及初步设计方案进行分析研究,对隧道进出口段、易发生突水涌泥段及其它段进行了突水涌泥风险的初步评估,分析了各分段突水涌泥风险可能性并得到以下“”结论:当地质条件满足富水、高压以及不良地质就具备了突水涌泥的客观条件,开挖工法和相关的辅助措施对突水涌泥灾害的发生也起着至关重要的作用。采用模糊综合评价法对易发突水涌泥段进行了风险评价,给出了一级、二级评价指标及各自权重,同时参照国内外隧道工程经验,对突水涌泥风险源进行了辨识与排序,排序结果依次为:破碎岩体一地表水、基岩裂隙水一超前支护一台阶法一超前预报、监控量测一雨季降水。可为各种隧道突水涌泥风险评估提供参考。关键词:突水涌泥风险评估模糊综合评价风险源中图分类号:U457+.2文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009.4539.2018.08.009AnalysisandResearchonFuzzyComprehensiveEvaluationforTunnelHazardRisksofWaterGushingandMudBurstingLiuDongbo(ChinaRailway116BureauGroup3一EngineeringCo.Ltd.,ShiyanHubei442000,China)Abstract:Inordertoassesstherisksofwatergushingandmudburstinginatunnel,thesitegeologicalconditionsandpreliminarydesignschemewereanalyzedandstudied,andtheinitialevaluationWascarriedoutfortherisksintheentranceandexitsectionofthetunnel,thesectionwhichWaspronetogushmudandwateraswellasothersections,andthen,thepossibilityofwatergushingandmudburstingineachsectionWasestimatedtoconcludethefollowingresults:whenthegeologicalconditionsmet“therichwater,highpressureandbad”geology,theobjectiveconditionswereprovidedforthehazard,andtheexcavationmethodandrelatedauxiliarymeasuresplayedanimportantroleintheoccurrenceofwatergushingandmudbursting.TheriskassessmentWascarriedoutbyfuzzycomprehensiveevaluationmethod,andthefirstandsecondgradeevaluationindexesaswellastheirrespectiveweightsweregiven.Meanwhile,therisksourcesofwatergushingandmudburstingwereidentifiedandsortedaccordingtotheexperienceoftunnelengineeringathomeandabroad.Thesequencingresultsareasfollows:brokenrockmass--surfacewaterandbedrockfissurewater---advancesupport--benchingtunnellingmethod--advancepredictionandmonitoringmeasurement--rainfallintherainyseason.ItCanprovidereferenceforriskassessmentofwatergushingandmudburstinginvarioustunnels.Keywords:watergushingandmudbursting;riskassessment;fuzzycomprehensiveevaluation;risksource1引言隧道突水涌泥是指在地下工程开挖过程中,由——收稿日期:20180605作者简介:刘东波(1982一),男,工程师,主要从事桥梁工程方面的工作。于揭露、破坏或削弱地下水体的储存空间或水力通道,或者其它原因导致地下水体存储的平衡环境遭到破坏,从而造成大量高压的地下水流、泥流突然涌出的现象¨’21。一般认为,当水流量大于0.1m3/s时,并有一定压力和流速,称为突水;当突出的地下水中含有的泥沙等物质超过50%时,称为涌泥[3]。隧36铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(Oal万方数据道突水涌泥严重危及隧道施工的安全,影响施工进度,而且会造成地表环境恶化,对周边的生态环境造成极大危害,给生产、生活造成重大损失。隧道发生突水涌泥灾害需要满足以下条件:(1)足量的地下水体或连通水源,要求有岩石破碎发育带提供储水空间或者水力通道。(2)水体应当有较高的初始水压,除补给水源的势差以及隧道埋深与水位的相对关系,同时较高的水压还依赖于水体围岩的岩性强弱。(3)高压水体的释放通道,即稳定的水体储存环境遭到破坏,高压能量从薄弱部位释放HJ。前两点由自然环境所决定,第三点与工程施工息息相①关,可从以下几方面考虑:储水环境直接遭到破②坏、揭露;水体围岩由于工程施工遭到削弱,有效③厚度减少,强度不足;施工扰动造成围岩应力重分布,应力集中导致围岩崩溃,或者施工扰动造成④围岩潜在裂隙的发育而使得承载力降低;气候变化或其它地质活动、施工活动导致水体压力急剧升“高,围岩承载力不足"o。在工程实践中,隧道发生突水涌泥的原因有气候因素、工程地质因素、水文地质因素和施工设计方面。对工程中突水涌泥案例进行了调研,具体见表l。表1突水涌泥灾害事故案例序号隧道名称工程概况事故描述京广铁路隧道全长6666.33Ill,地下水富集,地质条件复自1979年9月开工至1988年11月主体工程竣工,共发生大小突水涌泥l南岭隧道杂24次,涌出稀泥和砂子近30000m3,涌水量高达81000m3/d宜万铁路隧道穿越受地质构造控制、风化溶蚀强烈的中低2008年7月21日,进行超前地质钻孔时,突然发生突水涌砂,涌水量2云雾山隧道山脉,穿越地层构造复杂,岩性差异,岩体破碎780m3/h,涌砂量约l000m3,突泥点埋深700m襄渝线大巴该隧道存在溶隙、断层、涌水、岩爆、高地应力、3Ⅳ大变形等特殊不良地质。其中,、V级围岩占施工切断岩溶通道及断层破碎带,突水量1.9×—1042.7×104n13/d山铁路隧道工程总量的72%厦深铁路全长9888m,地质条件复杂多变,施工中频繁2009年3月14日,梁山隧道进IEI开挖到2505nl(DK96+505)爆破后出4ⅡⅢ出现地质软弱带,隧道、级围岩受不良地质渣时先发生小型突泥,突泥量约200m3。经会商清淤时,突然发生大规梁山隧道模突水突泥,突泥量约8000m3。4月6日再次突泥约2万In3,淤积长度影响较大,存在一定规模的软弱夹层230In。突泥后地表坍陷,陷坑面积50m2,深20m,突泥点埋深270m2009年12月24日,隧道进口开挖到4468m(YDK24+158),注浆完成后龙厦铁路“”隧道衬砌结构采用新奥法复合式衬砌,隧道开挖时,初期支护开裂、掉块,发生坍塌约600m3,涌水量约200m3/h。5象山隧道Ⅳ围岩级别以V、级为主之后,突水持续变大,最大涌水量约7000In3/h,隧道被淹。突水后地表大面积沉降、坍陷,房屋开裂、倒塌,搬迁800余人由以上案例可知,隧道长度、埋深以及地下水富水特性都是造成突水涌泥的原因,由于施工揭露围岩破碎带或者注浆加固、初期支护不合理导致围岩坍塌等也极易引发突水涌泥灾害。总之,当地质“”条件满足富水、高压以及不良地质就具备了突水涌泥的客观条件,开挖工法和相关的辅助措施对突水涌泥灾害的发生也起着至关重要的作用。2突水涌泥风险分段评估2.1隧道突水涌泥风险分段根据突水涌泥风险概述,结合施工设计资料,隧道发生突水涌泥风险分段情况见表2。表2突水涌泥风险分段情况分段标准里程埋深/m围岩级别地质描述K0'4-270~l(o+500O~50V表层为碎石土,下伏基岩节理很发育,岩体破碎,地下水位较浅,孔隙水富集进出口段—K6+500K6+950—0240V表层为碎石土,地下水位较深,赋存基岩裂隙水,富水性较弱K1+500一K2+900270~760Ⅲ节理不发育,围岩差异风化严重,富水性较强—K2+900K3+600400~600IV节理较发育,围岩差异风化严重,富水性较强(高应力岩爆区)易发生段K3+600一K5+600590~990Ⅲ节理不发育,围岩差异风化严重,富水性较强K5+600~K6+500240~600IV节理较发育,围岩差异风化严重,富水性中等~强其它段—Ko+500Kl+500160IV节理较发育,围岩差异风化严重,富水性较弱(1)进出口段。均为V级围岩,上部覆盖松散的碎石土,具有一定的积水效果,有利于地下水的铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018fD8J37万方数据・设计咨询・补给。下伏基岩多呈强风化碎石状,节理发育,岩体破碎,地下水渗流通道开阔。同时施工开挖可能导致隧道上覆岩层的节理进一步扩张,加大岩石的破碎程度,进一步扩宽地表水的渗流通道。进口段(K0+270~K0+500)水位埋深较浅,孔隙水富集,但是由于隧道埋深较浅(最大埋深50m),加上围岩整体较为破碎,无法形成较高的水压,但要加强地下水流的疏导排工作;出口段(K6+500一K6+950)隧道最大埋深240m,水位埋深较大,但基岩裂隙水相对贫乏,开挖采取台阶法施工,并辅有注浆措施,突水涌泥的可能性较小。需要关注雨季地下水的补给状况,提前确认岩体的含水变化情况。ⅢⅣ(2)易发生突水涌泥段。围岩以、级为主,差异风化严重,岩层强弱不均,局部地段夹强风化角砾碎石状岩体,形成破碎的差异风化带。围岩整体富水性较强,且海拔普遍较高,地下水埋深较大,具备突水涌泥产生的客观条件。图1所示硒+600~l(5+600段,海拔达900m以上。K4+000附近左右侧均发育有较大的冰蚀湖,地表冰雪剥蚀强烈,地下水补给、渗流通道畅通,高压的地下水体突破风化软弱面的可能性较大。同时此段处于高应力岩爆区,岩爆的能量释放导致围岩强度减弱,极有可能引起次生的突水涌泥灾害。图1K3+600一K5+600段断面拔最高的硒+600~l(5+600段风险‘最大7。9]。(3)其它段。Ⅳ级围岩,上层呈强风化碎石状,下层中风化块石。隧图2K2+900一K3+603段断面道处于下层中风化层,埋深160m左右,节理发育,赋存基岩裂隙水,但富水性一般较弱。该区地势相对较为平坦,有利于地表水的汇集,强风化岩层形成较好的渗流通道,需要关注雨季积水对岩层含水量的影响。开挖采取台阶法,辅助工法有超前小导管,且采取开挖后径向注浆和局部注浆措施,突水涌泥的可能性很小。2.2模糊综合评价根据以上分析,对易发突水涌泥段按照模糊综合评价法进行风险评估。评价指标见表3。表3突水涌泥概率评价指标评价指标一级指标二级指标A地表因Al地表岩溶发育情况(0.500)较大冰蚀湖发布素(0.181)A2地表坡度(o.500)>400B工程地质Bl岩性(0.270)中风化碎块状花岗闪长岩B2地质构造(O.365)岩体较完整,节理局部发育因素(0.244)B3节理发育(O.365)密闭张拉节理,无填充c水文地质c1年均降雨量(O.239)l—6673672nunc2地表水状况(0.323)大量地表水补充因素(O.244)c3地下水状况(O.438)水位埋藏较深,富水性较强D施工设计Dl开挖工法(O.438)台阶法D2施工排水(O.239)反坡排水因素(O.331)D3超前支护(0.323)超前小导管采薹盘0..摹=.:士÷≮x囊0:.≈~.._.jC、.c...c>二.c~..、.i...i~‘‘‘ic....}c、..t,.c.c..;,≈FP.c....}..c..~、...c...C.c,C.≈;襞装蒜茬饕簦箨‘#.-、、、..._.,j_.、.___,c.c..、.c>‘‘,{,1....,..,c,....c.c..~.,Ⅳ颤《萍=:=:::=:菇::::::::::::一::鬈游..,F.、、jc......~~..~}__c}ci..‘‘‘≈叠c..jc、..}寞,,c.≈≈‘年.c~._.c.c、、、.c.c.,_.※囊囊馨嫠*豢荣r}.-_~~jc,C..、,c).,...、,.^p,SpSjp,S=p十^C,霉}...,c、~jc._.,c~●每..~...C.__j..c}....C‘,章.._C..~,c~~~,c、0..‘‘‘己.c>c,.、....__.._i..=、..,c.c~.c~}..c....c,c.i....~、fc.Cj.~≤至E._____~荨._._._...,._........._..万方数据甜心=(0.239,0.323,0.438),tO.d.=(0.438,0.239,o.323)∞按照×R=R进行一级评价,计算结果如下:∞Rl=。lXRl=(0.250.2500.5)R2=0.9位XR2=(0.8180.18300)∞∞R3=XR3=(0001)∞“R4=×R4=(000.8810.120)(2)二级评价一级评价指标权重集tO。=(0.1810.2440.2440.331)二级评价矩阵:RlR2R3R4I-0.250.2500.8180.1830J000L000.881∞按照B=。ב(R。,R:,R,,尺。)1对系统进行综合评价,计算得:B=(0.2450.0900.2910.374)F=1X0.245+2×0.090+3X0.291+4×0.374=2.794Ⅲ由表4可知,突水涌泥概率等级为级,风险较大。表4风险水平评价等级评价指标范围F说明I≤l,<1.5安全,风险很小,基本可忽略比较安全,风险中等,须引起重视,仍Ⅱ≤1.5F<2.5在可接受范围不安全,风险较大,需要采取一定的Ⅲ≤2.5,<3.5控制措施方可接受Ⅳ≤≤3.5,4极不安全,风险很大,不可接受(3)分段评价结果根据对隧道的地质情况以及初步设计方案的分析,结合对突水涌泥风险的模糊综合评价结果,得出隧道突水涌泥风险发生的概率等级和损失等级,由风险矩阵法可得隧道初步设计阶段分段突水涌泥风险等级,见表5。表5突水涌泥风险等级区段里程桩号风险概率等级风险损失等级风险等级洞口段3lⅡ易发生突水涌泥段—K3+600K5+6004lⅡK2+900~K3+600其它区段2lI综合分段风险评估和专家调查结果,隧道突水涌泥风险的整体风险概率等级为3级,风险损失等Ⅱ级为2级,整体风险等级为级,属有条件接受风险,可采取必要控制措施以提高安全性。3突水涌泥风险源辨识与排序3.1风险源辨识基于以上风险分析结果,参照国内外隧道工程经验,对隧道(易发生突水涌泥段)突水涌泥风险源辨识见图3。图3突水涌泥风险源辨识3.2风险源重要性排序突水涌泥风险的层次结构按照图3辨识结果建立,构造层次单排序判断矩阵见表6。表6突水涌泥风险判断矩阵地表破碎雨季超前超前预报、突水涌泥台阶法才(岩体降水支护监控量测地表水、基1.00O.52.001.502.001.50岩裂隙水破碎岩体2.001.003.002.002.502.50雨季降水0.50O.331.000.50.330.33台阶法O.670.502.001.00O.801.25超前支护O.500.403.001.251.002.00超前预报、0.670.403.000.800.501.00监控量测3.3和积法对判断矩阵进行一致性检验(见表7)表7突水涌泥风险源一致性检验突水涌泥w(归一化处理)AWAW/nWi地表水、基岩裂隙水0.1931.2161.050破碎岩体0.3061.9121.042雨季降水O.07l0.4341.018台阶法0.1380.8541.03l超前支护0.1641.0251.039超前预报、监控量测0.1280.7851.023“Am6.203铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(08)(下转第69页)万方数据・桥梁工程・参考文献[1]王鹏,李小红.对称悬臂拼桥梁支座端假悬拼施工方—法:ZL201410094947.3[P].201510一14.[2]王渊.城市高架轨道交通节段拼装桥梁施工及控制技术研究[D].长沙:中南大学,2008.[3]孙大权.公路施工方法与实例[M].北京:人民交出—版社,2003:4965.[4]王传素.悬臂拼装法在城市节段桥梁中的应用[J].—桥梁建设,1999(2):5254.[5]王英.城市桥梁预制箱梁节段拼装关键技术的研究[D].成都:西南交通大学,2011.[6]BS5400.BRITISHSTANDARDforSteel,concreteandcompositebridges[S].British:theauthorityoftheBoardofBSI,1988.[7]罗鸣.节段预制拼装桥梁耐久性设计要点研究[J].—铁道工程学报,2012(2):4648.[8]谭坤,周玲敏,葛斌斌,等.短线匹配节段梁预制及架设—的线形偏差调整[J].铁道建筑技术,2015(5):911.[9]刘泰成.预应力混凝土简支箱梁线形控制及整孔斜移—施工技术[J].铁道建筑技术,2012(12):2830.[10]杨滢涛.基于分形几何的极曲线半径桥梁短线匹配几何控制技术[J].铁道建筑技术,2016(8):14一18.[11]刘海东:侯文崎,罗锦.短线节段预制拼装桥梁几何线形三维控制方法[J].铁道科学与工程学报,2017(4):—769778.[12]曾雷.短线匹配预制梁悬臂拼装线形控制研究[J].铁道建筑技术,2016(8):10一13.——‘—‘———————————————■—————・+-+++-+---卜一卜--一-+-++++++一++++-+-+-++卜+-+-++一++-+++-+一+-++一+一+一-P--'-..-ct---k-+一+・(上接第39页)代入一致性指标公式得:—CI=(A一一n)/(n一1)=(6.203-6)/(61)=0.041而CR=Cl/RI=0.041/1.25=0.032<0.1,因此,矩阵满足一致性判断。3.4风险源重要性排序结果根据计算结果得突水涌泥风险的风险源排序为:破碎岩体>地表水、基岩裂隙水>超前支护>台阶法>超前预报、监控量测>雨季降水n0。11]。4结论(1)隧道进口段,V级围岩,水位埋深较浅,形成高水压可能性较小。出口段,V级围岩,水位埋深较大,基岩裂隙水相对贫乏。因此,进出口段突ⅢⅣ水涌泥可能性较小。易发生突水涌泥段,以、级围岩为主,围岩富水性较强,地下水埋深较大,突Ⅳ水涌泥可能性较大。其它段,级围岩,富水性较弱,采取径向注浆和局部注浆措施,突水涌泥可能性很小¨2。13|。(2)隧道突水涌泥风险的整体风险概率等级为Ⅱ3级,风险损失等级为2级,整体风险等级为级,属有条件接受风险,可采取必要控制措施以提高安全性。(3)隧道突水涌泥风险的风险源排序为:破碎岩体>地表水、基岩裂隙水>超前支护>台阶法>超前预报、监控量测>雨季降水。铁道建筑技术RAlLWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY参考文献[1]孙胜考.新倮那隧道施工风险分析[J],铁道建筑技—术,2012(SI):134137.[2]朱勇.湘桂铁路莲藕塘隧道施工安全风险控制研究—[J],铁道建筑技术,2013(12):5760,122.[3]黄明琦,王渭明,林毅,等.某海底服务隧道施工中涌水处—理及风险控制措施[J].铁道建筑技术,2007(4):1315.[4]李利平,李术才,陈军,等.基于岩溶突涌水风险评价的隧道施工许可机制及其应用研究[J].岩石力学与—工程学报,201l(7):13451355.[5]许振浩,李术才,李利平,等.基于层次分析法的岩溶隧道—突水突泥风险评估[J].岩土力学,2011(6):17571766.[6]杨永强.长大隧道施工风险评估与控制技术[D].西安:长安大学,2015.[7]靳世鹤,严松宏,孙红斌,等.兰州地铁穿黄隧道施工风险分析与控制措施[J].工程管理学报,2017,31—(2):8489.[8]谭磊.论隧道施工安全风险与施工管理[J].工程技术—研究,2017(1):130131.[9]李云华,李杰,彭小云,等.隧道突水涌泥风险管理[J].交通科技,2013(2):9l一93.[10]汪易森.关于深埋长隧洞开挖中高压涌水问题的讨论—[J].南水北调与水利科技,2006(5):47.[11]欧尔峰,严松宏,梁庆国,等.岩体隧道施工安全风险模糊综合评判研究[J].兰州交通大学学报,2011,30—(4):3842.[12]金生斌.结合层次分析法的特长公路隧道初步设计阶段安全风险评估研究[D].西安:长安大学,2016.[13]朱国光,余凡凡.青龙山一号隧道突水涌泥风险评估—[J].中国水运(下半月),2015(7):242245.∞2018)69万方数据
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