（岩土工程专业论文）雅泸高速公路泥巴山隧道及断层涌突水预测研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 隧道作为地下线性建筑物，修建过程中不可避免地穿越不同水文地质体。 涌水是隧道旌工中常见的地质灾害，同时也是其它地质灾害的主要诱因之一， 其会造成开挖时的突水、突泥、翻浆冒泥等等，后果严重，危害巨大，故对 隧道工程的地下水涌水量预测研究具有重大意义。 本文以雅安至泸沽高速公路大相岭泥巴山隧道为研究对象，以地质分析 原理及水文地质分析原理为基础，运用工程地质、水文地质、数值模拟等理 论和方法，深入研究了隧址区区域地质环境特征和水文地质环境特征，并预 测了隧道及断层涌水量。通过研究，本文主要得到了以下几个方面的结论： l 、通过现场勘察和资料收集，隧址区地处四川盆地亚热带季风湿润气候 与青藏高原大陆性干冷气候，雨量充沛，为隧道涌水提供了充分条件。隧址 区共有1 6 条断层发育，断层裂隙发育，为隧址区内地下水赋存提供了有利条 件。 2 、通过对隧址区的水文地质结构特征及地下水类型分析表明，构造裂隙 带为主要的含水体，完整的火山岩段为主要隔水体；隧址区地下水类型主要 有第四系松散岩类孔隙水、裂隙水和碳酸盐岩岩溶裂隙水。裂隙水是隧道涌 水的主要源头，主要赋存于隧址区的断层和破碎带中。 3 、通过采用大气降水入渗法、地下水径流模数法及地下水动力学法对泥 巴山隧道涌水量理论计算预测结果的分析表明，隧道最大涌水量介于2 9 0 0 0 - - 3 8 0 0 0 m 3 d ，正常涌水量介于2 1 5 0 0 2 5 0 0 0 m d 。 4 、通过采用3 d - f l o w 数值软件对大相岭泥巴山隧道涌水量进行了模拟计 算，并对不同模拟状态下隧道的整体涌水量、断层涌水量进行了分析。隧道 整体涌水量为2 1 3 8 3 - 4 1 3 6 6 m 3 d 之间，并推测在隧道的主要断层发育处，隧 道极易发生涌水的可能。因此在这有断层的区段施工时需注意加以防范，提 前采取措施。 关键词：泥巴山隧道；断层涌水；涌水预测； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t a sak i n do fu n d e r g r o u n dl i n e a m e n tb u i l d i n g ，t h et u n n e li n e v i t a b l yw i l lp a s s t h r o u g hd i f f e r e n th y d r o l o g yg e o l o g yi nc o n s t r u c t i o np r o c e s s w a t e r i n f l o wi s a c o m m o ng e o l o g i c a ld i s a s t e ra n dt h em a i ni n d u c e m e n tc a u s eo fo t h e rg e o l o g i c a l d i s a s t e r s i tw i l lc a u s ep e r c o l a t i n gw a t e r ，e m e r g ef l o o d i n g ，i n r u s hp u t t ya n do t h e r d i s a s t e r si nt u n n e le x c a v a t i o n t h ec o n s e q u e n c eo ft u n n e ld i s a s t e ri ss e r i o u s ，s oi ti s s i g n i f i c a n to fe s t i m a t i n go nt h ew a t e r i n f l o wa m o u n to f t h et u n n e lp r o j e c t b a s e do nt h eg e o l o g i c a la n a l y s i sp r i n c i p l ea n dt h eh y d r o l o g i c a lg e o l o g y a n a l y s i sp r i n c i p l e ，t h et h e s i sa p p l yt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g y ，h y d r o l o g i c a lg e o l o g y a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h e o r i e sa n dm e a s u r e st ot h es t u d yo ft h en i b am o u n t a i n t u n n e lo fy a a n - l u g uh i g h w a y ，a n df o r e c a s tt h ew a t e r i n f l o wa m o u n to ft h e t u n n e la n df a u l t i nt h ec o u r s eo fs t u d y i n g ，t h et h e s i sd r a w ss o m ec o n c l u s i o n s ： 1 t h r o u g h o n - s i t e i n v e s t i g a t i o na n dd a t a - c o l l e c t e d ，t h et u n n e l l o c a t e si n s i c h u a nb a s i n s u b t r o p i c a l m o n s o o nc l i m a t ea n dt h eq i n g h a i - t i b e t p l a t e a u c o n t i n e n t a ld r yc l i m a t e t h ea b u n d a n tp r e c i p i t a t i o np r o v i d es u f f i c i e n tc o n d i t i o n f o rt h ew a t e r - g u s h i n gi nt h et u n n e l t h e r ei s16f a u l t si nt h et u n n e lz o n e ，s oi ti st h e f a v o r a b l ec o n d i t i o nf o rt h ee x i s t e n c eo fg r o u n d w a t e ri nt h et u n n e lz o n eb yt h e f r a c t u r e ，w h i c hg r o wi nt h ef a u l t s 2 b ya n a l y s i so ft h eh y d r o l o g i c a lg e o l o g ys t r u c t u r a lf e a t u r e sa n dg r o u n d w a t e r t y p e si nt h et u n n e lz o n e ，i ti n d i c a t e st h a tt h es t r u c t r a lf r a c t u r ez o n ei st h em a i n h y d r o u sb o d y ，t h e i n t a c tl a v a s e g m e n ti s t h em a i nw a t e r - p r o o fb o d y ；t h e g r o u n d w a t e rt y p e sa r em a i n l yc o n s t i t u t e db yq 4l o o s er o c kf i s s u r ew a t e r ，f i s s u r e w a t e ra n dc a r b o n a t i t ek a r s tf i s s u r ew a t e r f i s s u r ew a t e ri st h em a i ns o b r c eo f w a t e r i n f l o wi nt h et u n n e l ，i tm a i n l ye x i s t si nt h ef a u l ta n df r a c t u r e da r e a 3 n l et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h en i b am o u n t a i nt u n n e lw a t e r i n f l o w a m o u n ti sc a l c u l a t e db ya t m o s p h e r i cp r e c i p i t a t i o ni n f i l t r a t i o nm e t h o d ，g r o u n d w a t e r r u n o f fm o d u l em e t h o da n dg r o u n d w a t e rd y n a n m i c sm e t h o d ，t h er e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h em a x i m u mw a t e r i n f l o wa m o u n to ft h et u n n e li sb e t w e e n2 9 0 0 0t o 38 0 0 0 m 3 d , t h en o r m a lw a t e r i n f l o wa m o u n ti sb e t w e e n215 0 0t o2 5 0 0 0 m j d 4 t h ew a t e r i n f l o wa m o u n to ft h en i b am o u n t a i nt u n n e li sc o m p u t e d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 s i m u l a t i v i l yb yu s i n g3d - f l o wn u m e r i c a ls o f t w a r e ，a n dt h e nw ea n a l y s et h e w a t e r i n f l o wa m o u n to ft h ew h o l et u r m e la n df r a c t u r e su n d e rt h ed i f f e r e n t s i m u l a t e dc o n d i t i o n s t h ew a t e r i n f l o wa m o u n to ft h ew h o l et u n n e l2 13 8 3 4 1 3 6 6 m 3 d w es p e c u l a t e ，i ti sp o s s i b l et oo c c u rt h ew a t e b u r s ta c c i d e n ti nt h em a i n f a u l to ft h et u n n e l ，w es h o u l dt a k em e a s u r e st op r e v e n tw a t e r g u s h i n gi na d v a n c e w h e n w ew o r ki nt h ef r a c t u r e dz o n e k e y w o r d s ：n i b am o u n t a i nt u n n e l ；f a u l tw a t e r i n f l o w ；w a t e r i n f l o wf o r e c a s t ； 西南交通大学曲南父逋大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密切使用本授权书。 学位论文作者签名：审互砖雾 日期：弘嵋年6 月s 日 指导教师签名： 日期 西南交通大学曲南父逋大罕 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： l 、运用大气降水入渗法、地下水径流模数法和地下水动力学法对泥巴山隧道进行理论涌水 量预测研究，并对结果进行了分析； 2 、运用3 d - f l o w 数值软件对泥巴山隧道进行模拟计算，根据模拟结果预测断层的涌突水量， 并分析了断层可能的涌突水形式。 学位论文作者签名：懈 日期：加年6 月 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章前言 1 1 课题研究背景及意义 随着我国社会、经济的快速发展，至2 0 0 6 年我国已有8 6 0 0 多座铁路、 公路隧道，总长度约4 3 7 0 公里，居世界第一。其中公路隧道总数已达2 4 9 5 座，总长度1 2 4 6 公里。3 公里以上的长大公路隧道有6 0 余座。5 公里以上特 长公路隧道有3 0 余座。1 0 公里及以上特长公路隧道有6 座。是世界上公路隧 道最多的国家。而且，随着我国高速公路的发展，特长公路隧道越来越多。 隧道涌水是隧道工程施工中，围岩含水层的地下水在水头压力和其它压 力的综合作用下，克服了隔水层、断层、裂隙带等的阻力，以突然的方式涌 入隧道的现象，因而又称之为突水。如果地下水携带有大量泥砂，或饱水的 泥砂突然涌入隧道，则称之为突泥。突泥可以看成为突水的伴生现象。因此， 突泥的关键仍是涌水，没有地下水作为动力和载体，突泥是不可能发生的幢1 。 由于涌水突泥的发生常在施工的意料之外，往往造成施工人员束措手无 策。特别是隧道中施工场地空间有限，使涌水突泥的处理难上加难。因此， 涌水突泥给隧道施工，甚至运营带来了极大的危害。轻则掩埋、淹没设备、 堵塞坑道，重则造成人身伤亡，影响施工进展，使铁路、公路等工程建设蒙 受巨大损失口1 。如在建的圆梁山隧道中段发生涌水突泥，淹没了坑道及设备， 造成了人员伤亡，严重影响了隧道施工h 1 。又如日本青涵海底隧道涌水，使正 洞被淹数十米，掌子面塌方体1 0 0 0 方左右，经过数月才掘进通过涌水段瞒1 。 因此，加强隧道涌水的研究，对保障隧道施工、施工地质超前预报、拟定有 效的整治措施以及隧道的安全运营，均有非常重要的意义阻1 。 国内外对隧道水文地质条件的研究历来较重视。一般情况下，隧道水文 地质研究首先应查明隧道所在水文地质单元内地下水补给、径流、排泄规律， 确定隧道水文地质类型和主要充水来源、充水途径，进而计算隧道涌水量的 大小，为隧道施工过程中疏干排水方案设计提供科学研究。当长、特长隧道 必须通过岩溶发育地带，即为岩溶隧道时，则有可能发生严重的涌突水问题。 对岩溶隧道涌突水灾害的评价，主要涉及到涌突水量的预测预报h 儿羽。 正是由于涌水灾害的危害性和突然性，使得隧道施工设计对这类地质灾 害加大了研究和防治力度。特别是在金融危机的影响下，国家为了保持经济 稳定增长，在基础项目领域投入了大量资金m ，这意味着更多的公路和铁路等 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 基础项目陆续投入建设，势必会出现更多的隧道工程。因此，研究如何更准 确地预测评价隧道涌水量及如何更合理地对隧道涌水的地质灾害进行防治， 将会对我国经济建设的发展起到至关重要的作用。 本文以拟建的北京至昆明高速公路四川雅安至泸沽段大相岭泥巴山隧道 为研究对象。泥巴山隧道位于四川省雅安市荥经县和汉源县交界处的大相岭 高中山区，左线k 5 3 + 8 0 4 m - k 6 3 + 7 5 0 m ，9 9 4 6 m ，进口高程约为1 5 2 6 5 4 m ， 出口高程为1 5 4 0 4 1 m ；右线y k 5 3 + 7 7 3 m y k 6 3 + 7 8 0 m ，长1 0 0 0 7 m ，进口高程约 为1 5 2 5 8 8 m ，出口高程约为1 5 4 0 2 1 m 。采用人字坡穿越大相岭岭脊，进口设 计纵坡0 7 5 ，出口设计纵坡- 0 5 ，左右线均于岭脊分坡，左线为k 5 8 + 6 5 0 m ， 右线为y k 5 8 + 6 5 0 m 。隧道穿越段最大埋深1 7 0 1 米，属于深埋特长越岭公路隧 道。大相岭泥巴山隧道交通位置图见图1 1 。 经地质调查，共验证和发现大相岭泥巴山隧道隧址区主要断裂1 6 条，从 水文地质结构以及地下水补给、径流和排泄特征来看，大相岭泥巴山隧道发 生涌突水的可能性非常大。大相岭泥巴山隧道是雅安至泸沽高速公路的关键 工程，对整条线路的通车运行起着控制性作用，而且由于隧址区位于高中山 区，交通不便，施工条件恶劣，一旦发生严重的涌突水事故，将不仅增加大 量的整治费用，而且整治困难并延误工期，使工程投资成倍增加，造成大量 的损失。 本课题研究意义在于通过收集整理大相岭泥巴山隧道各方面的资料，再 加以归纳分析，对隧道涌水量进行预测研究，为设计和安全施工做出合理的 指导，以免或减少不必要的损失。并在此基础上分析大相岭泥巴山隧道各主 要断层发生涌水的机理，探讨防治涌水的措施，为以后类似工程提供参考。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 国内外研究现状 图1 1 大相岭泥巴山隧道交通位置图 ( 1 ) 涌水理论研究现状 国内外对隧道水文地质条件的研究历来重视。一般情况下，隧道水位地 质研究首先应查明隧道所在水文地质单元内地下水补给、径流、排泄规律， 确定隧道水文地质类型和主要充水来源、充水途径，进而计算隧道涌水量的 大小，为隧道施工过程中疏干排水方案设计提供科学研究。其中，隧道涌水 量计算及预测是隧道水文地质研究的重要内容。 由于地下水运动问题本身的复杂性和生产力发展水平的限制，尽管人类 利用地下水已有几千年的历史，但对地下水运动规律的认识却经历了很长的 历史过程。在十九世纪以前，还谈不上对地下水进行科学的定量计算。十九 世纪中叶，随着地下水开发利用规模的扩大，生产上有了计算水井涌水量的 要求，才有达西( h e r r yd a r c y ) 于1 8 5 6 年通过长期实验得出的水在多孔介 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 质中的渗透定律，即著名的o a r c y 定律。这个定律是对地下水运动定量认识 的开始，直到今天仍然是地下水运动理论的基础。接着j d u p u i t ( 1 8 6 3 年) 以d a r c y 定律为基础研究了一维稳定流动和向水井的二维稳定运动，此后 p f o r c h h e m e r 等研究了更复杂的渗流问题，从而奠定了地下水稳定流理论的 基础。此后数十年内，地下水动力学一直沿着这条道路前进，它对生成实践 起过重要作用，直到今天仍有一定的实用价值。但这种理论不包括时间这个 变量，因而它不能反映不断发展、变化的地下水实际运动状态，只能用来描 述在一定条件下，地下水所达到的一种暂时的相对的平衡状态，具有一定的 局限性。这是与当时生产力发展水平相适应的，在开采量不大的情况下，井 中水位一般说来很快会出现似稳定状态，因而可以近似地认为地下水不随时 间变化，用稳定流理论来描述。 隧道地下水涌水的预测最早是从定性分析开始的。最早的预测只是通过 查明隧道含水围岩中地下水的分布及赋存规律，分析隧道开挖区的水文地质 及工程地质条件，依据钻探、物探、水化学及同位素分析、水温测定等手段， 确定地下水的富集带或富集区，以及断裂构造带、裂隙密集带等可能的地下 水涌水通道，并且用均衡法估计隧道涌水量的大小。随着技术水平和施工要 求的提高，基于定性分析的隧道涌水预测研究发展成为隧道涌水的定量评价 和计算。主要体现在隧道涌水位置的确定和涌水量预测这两个方面n 们u 。 在隧道涌水位置的确定方面，人们通过对隧道围岩水文地质及工程地质 条件的定性分析，发展了随机数学方法和模糊数学方法。在涌水量预测问题 上，人们根据隧道环境地下水所处地质体的不同性质、水文地质条件的不同 复杂程度、施工的不同方式及生产的不同要求等因素，提出了隧道涌水量预 测计算的确定性数学模型和随机性数学模型两大类方法。其中确定性数学模 型方法包括水文地质类比法( 比拟法、径流模数法) ，水均衡法、解析法和数 值模拟法等。 二十世纪二十年代末期，随着美国地下水的开采规模越来越大，地下水 的天然状态不断受到破坏，一些地区地下水水位出现持续下降，地下水的运 动状态表现出明显的随时间变化的特征。于是人们开始注意地下水运动的不 稳定性和承压含水层的贮水性质( 0 e m e i n z e r1 9 2 8 年) 。1 9 3 5 年c v t h e i s ( 泰斯) 在此基础上提出了地下水向承压水井的非稳定流公式。泰斯公式的 出现开创了现代地下水运动理论的新纪元。在t h e i s 公式出现以后的三、四 十年内，解非稳定流的解析法得到了很大的发展，不仅对t h e i s 公式的使用 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 作了各种推广，而且出现了越流理论和潜水含水层中的非稳定流理论。溶质 在地下水运动问题，非饱和带中水分运移问题也逐渐引起了人们的注意。但 当把解析法应用于大范围的含水层系统时，其局限性马上就暴露出来了，因 为实际水文地质条件远较解析法依据的假设条件( 含水层是均质各向同性， 形状是规则的) 要复杂得多。 为了解决地下水开采规模进一步扩大所出现的问题，必须对实际含水层 系统进行研究。在五十年代至六十年代前期，很多研究人员转向以电网络模 拟为代表的模拟技术，到六十年代初它已成为解决大范围含水层系统的有力 工具。六十年代中期又出现了于计算机结合在一起的混合机。 六十年代后期随着计算技术的进步，人们开始把数值模拟应用到地下水 计算中来。同电网络模拟相比，它迅速显示出巨大的优越性。不仅易于处理 电网络模拟不易处理的潜水流问题，而且本身又有很大的通用性。由此，今 天数值模拟在很多发达国际已基本上代替了电网络模拟。数值方法不仅可以 有效地解决地下水水流问题，还能解决水质和污染物在地下水中运动问题， 地下水的最优管理问题等。总之，近十多年来，随着计算机和计算技术的进 步，人们在分析地下水问题的能力上有了突破性的发展。 在二十世纪六十年代中期以前，解析法是应用地下水动力学原理，以数 学分析的方法，对一定边界条件和初始条件下的地下水流动问题建立定解公 式，然后，应用这些公式预测隧道涌水量。m u s k a t ( 1 9 3 7 ) 首次利用解析法解 出了地下水流问题的一系列解析解n 引，后来由h a n t u s h 及j a c o b ( 1 9 5 5 ) 扩展 了解析法的概念用来处理从弱透水层越流补给入含水层的水量n 引；再后来 p 0 1 u - b a r i n o v a k o c h i n a ( 1 9 6 2 ) 及h a n t u s h ( 1 9 6 4 ) 等人也分别在自己的著作 中论述了该方法。c a r s l a w 及j a e g e r ( 1 9 5 9 ) 的著作中收编了大量用于热流的 表达式，这些方法可以在大多数情况下直接应用于求解隧道涌水量n 钔。 在此之后，由于解析法等难以描述非均质含水层中和复杂条件下的地下 水运动规律，并且随着快速大容量电子计算机的出现和广泛使用，数值计算 法( 主要有有限差分法和有限单元法) 在地下水计算中得到推广，解决了非稳 定流解析法计算中难以解决的复杂条件下的水文地质计算问题。1 9 6 5 年由斯 托尔曼( 1 9 5 6 ) 将数值方法引入地下水水文学，并提出了一种用对承压水进行 数值分析以确定含水层渗透系数的方法n 引；k l u t e ( 1 9 6 5 ) 等人用一种迭代数值 方法以解非线性水流方程n 们；l i a k o p o u l o s ( 1 9 6 5 ) 把隐式交替方向法用于同时 通过孔隙介质的水和空气一维流问题，并假定与流体压强和含水量相关的函 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 数以及渗透系数和压强相关的函数是己经确定的，使问题大大简化“；鲁宾 ( 1 9 6 8 ) 将迭代交替方向法用于水平入渗及渠道渗漏研究中的非稳定状态不饱 和水流；f i e r i n g ( 1 9 6 4 ) 首次利用数值法计算地下水含水层对抽水的反应， 他采用迭代隐式方法及从质量平衡推导出来的有限差分近似方程组u 引。 e s h e t t 及l o n f f e n b a u g h ( 1 9 6 5 ) 采用高斯消去法来解一个均质各向同性含水 层中水流的基本二维非线性二阶偏微分方程的有限差分近似解。该模型可以 用来处理具有不透水侧向边界或者诸如河流式的定水头边界的潜水含水层： 比廷杰等人( 1 9 6 7 ) 简要地描述了数值模型的数学原理以及用来解产生的代数 方程的各种计算方式，并描述了可能遇到的各种边界条件。m e i r i ( 1 9 8 5 ) 基于 地下水非稳定流理论，运用有限单元法，提出地下水自由流动的计算模型n 引。 美国h e u e r ( 1 9 9 5 ) 根据钻孔水压力试验结果，运用半经验方法预测隧道涌水量 【舯】 o 在国内也出现了一批学者致力与这方面的研究，二十世纪8 0 年代初，我 国出版了几本有关地下水流动问题数值方法的专著，它们对推广数值方法在 水文地质中的应用起到了积极的作用，在应用中发展很快，但是主要采用一 维或二维流( 平面流) 地下水运动原理乜妇啪m 町。到了9 0 年代初期，在国内出现 地下水三维流原理和模型的报道，一些水文地质学界专家和学者对此作了一 些初步的研究和探索，如长春科技大学宿青山教授在大庆市和哈尔滨市小范 围内应用地下水三维模拟和优化管理模型，并取得了良好的成效。1 9 9 5 年至 1 9 9 9 年，仵彦卿先后提出了考虑温度场的岩体渗流场与应力场耦合分析的等 效连续介质模型、改进的等效连续介质模型、狭义和广义双重介质模型以及 裂隙网络介质模型乜钔。1 9 9 9 年，黄涛、杨立中提出了渗流与应力藕合环境下 以及渗流场、应力场与温度场藕合环境下，裂隙围岩特长大埋深隧道涌水量 预测计算的确定性数学模型，并对秦岭隧道涌水量进行了预测验证，结果涌 水量为1 4 9 0 m 3 d ，实际为1 4 8 2m * d 乜5 盯1 。2 0 0 0 年王媛等人对应力场渗流场之 间的耦合作用作了较为细致的研究工作啪1 。由于岩溶隧道更易发生涌水灾难， 而成为山区隧道水文地质学研究的关注点。1 9 9 8 年，贾疏源等学者通过对处 于岩溶地区华蓥山隧道西口左洞的暴雨突水及有关区域水文地质资料的收集 与整理，探讨了暴雨涌突水的形成演化，进而分析了该暴雨涌突水系活动的 特点，并预测了涌突水对隧道的影响；同时指出，若对现己形成的涌突水系 不加研究和合理的治理，或在施工过程中处理不当，暴雨涌突水将成为严重 影响隧道工程质量与威胁隧道安全的隐患。2 0 0 1 年，王建秀等学者通过对典 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 型岩溶蓄水构造及其对地下工程施工运营的影响分析，给出了大型地下工程 中岩溶涌突水的典型模式，并对岩溶区大型地下工程防水工作的程式进行了 初步探讨。2 0 0 2 年，刘高等通过对岩溶山区深埋长大隧道涌突水条件及影响 因素的分析，指出各种破碎带( 特别是断裂破碎带) 是隧道涌突水( 泥) 最常见 的出现部位，其涌水具有突然性和水量大的特征，整治难度大。2 0 0 4 年，徐 则民等提出了充水水源为地下暗河、充水通道为管状、板状及裂隙网络3 种 条件下深埋岩溶隧道涌水水头压力的近似计算公式。2 0 0 5 年，蒋忠信考虑了 深埋岩溶隧道水压力受地下水水头损失和地下水与衬砌接触面的双重影响， 通过调整隧道水头的折减系数，对隧道的水压力模式进行了分析。2 0 0 5 年， 白明洲等探讨了岩溶形成条件综合判识、水平钻探与探地雷达相结合而进行 岩溶地区隧道突水突泥灾害超前预测预报的方法。 在确定性模型中，为了能够求解，方程式中的变量不能考虑太多，常常 人为地把某些因素加以删减或简化。有时由于认识上的错误，还会把主要因 素遗漏掉，这必然会给确定性模型的应用带来一定的局限性。特别在一些研 究程度较低、地质及水文地质条件尚未全面了解的隧址区，要建立预报隧道 涌水量确定性模型非常困难口 。在这种情况下，可以运用概率统计方法来分 析隧道涌水量的影响因素，以区别主要影响因素与非主要影响因素，由此建 立的随机模型比勉强建立的确定性模型更切合实际情况。这类方法主要包括 “黑箱( b l a c k b o x ) ”理论法、灰色系统理论法、时间序列分析法和频谱分析 法等啪1 。布鲁克斯( b r o o k s ，1 9 6 1 ) 和辛( s i n g l y ，1 9 6 9 ) 推导出特定非线性问题 的解析解，c o o p e r 与r o r a b a u g h ( 1 9 6 3 ) 、g l o v e r ( 1 9 6 7 ) 、v e n e t i s ( 1 9 7 1 ) 、h a l l 与m o e n c h ( 1 9 7 2 ) 通过对方程式的线性化求得随机模型的确定性解具有代表性 方法；s i n g h ( 1 9 6 9 ) 、h o r b e r g e r ( 1 9 7 0 ) 等在他们的著作中论述了几种非线性 裘布依方程的数值解法。然而在某些情况下，含水层性质的空间变化在含水 层对各种输入的响应方面具有重要影响。布耶维奇等人( b u y e v i c h ，1 9 6 9 ) 分 析了多孔介质中的渗流与随机变化的孔隙度的关系问题；埃里克逊( 1 9 7 0 ) 和 杰克逊( j a c k s o n ，1 9 7 3 ) 等人将谱分析用于地下水水位、降水量和温度等时间 序列的定性解释方面。随机模型经过国内外学者近二、三十年的发展，取得 了很大的成果。 自从g e p b o x 和g m j e n k i n 于1 9 7 0 年写了( t i m es e r i e sa n a l y s i s ： f o r e c a s t i n ga n dc o n t r o l 一书后，时间序列分析就逐渐应用于电信、水电、 气象、水文等系统，以后h i p e l ，m e l e o d ，s a l a ，a k i k e w 等人对模型识别、参 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 数估计、诊断检验等方面的研究进一步完善了时阳j 序列分析雎9 1 。由中国学者 邓聚龙在1 9 8 2 年首创的灰色系统理论，在科学上有较大突破，受到国内外许 多权威学者的重视。灰色系统理论是指部分信息清楚、部分信息不清楚的系 统，相对于黑色和白色系统而言，它更加真实地更为广泛地反映了自然和人 类社会的现象，己在工程控制领域取得了可喜的成就。在水文地质界内有人 把灰色系统理论在隧道涌水量预报方面的应用作了一些尝试，并且取得了令 人满意的成果跚】 3 u 。 ( 2 ) 理论研究存在的不足 隧道涌水量的预测计算是水文地质学科中的一个重要的理论问题，同时 也是隧道防排水设计和施工中一个待解决的实际问题，迄今为止尚无成熟的 理论和公认的准确计算方法。由于隧道所处的特殊地质环境、水文地质条件 的高度复杂性及受深部勘探的经济技术、施工工期等因素的限制，用传统的 隧道涌水量预测预报方法预测的隧道涌水量与实际涌水量的差异一直较大， 不尽人意。南昆铁路9 8 座隧道，勘测阶段预测的隧道涌水量与实际涌水量相 差悬殊者占多数，这些隧道发生的涌突水灾害都曾造成严重的经济损失和工 期的延误u 副。 隧道预测涌水量与实际涌水量发生差异的主要原因是：传统的隧道涌水 量计算和预测方法多采用水均衡法、地下水动力学法( 解析法) 、水文地质比 拟法等方法，这些方法对客观地质和水文地质条件简化较多，而岩溶地区水 文地质条件远较基岩及第四系含水层复杂，岩溶含水层为非均质、岩溶水径 流特征为管道流或管道裂隙流，大部分隧道，特别是越岭隧道多数情况是位 于岩溶发育的不同的水动力剖面分带或岩溶蓄水构造类型内，决非地下水动 力学法( 解析法) 要求的均质、层流、各向同性等条件，边界条件的过分简化 和计算时简单地套用解析法公式，致使隧道涌水量计算结果的可靠性和准确 性较低。 1 3 本文研究内容及研究方法 1 3 1 研究内容 通过隧道涌水研究相关领域的国内外研究现状的分析，我们认识到国内 外进行了大量关于隧道涌水的研究，但仍存在一定的缺点。因此本文研究目 标是围绕影响隧道施工过程中可能出现的涌突水灾害因素，在收集到的现场 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 地质调研资料及钻孔测试资料基础上，对水文地质结构、断层的性质和结构 及地下水的类型、赋存条件加以分析研究，并根据一定的指标及分类体系， 对隧道的断层涌水进行分析评价，初步判断隧道开挖施工及运营过程的稳定 性，为工程设计和施工提供合理好用的基础资料。本课题拟在参考一些学者 提出的以前的分类体系的不足，考虑对以前的涌水预测体系考虑不全的方面 加以改进或补充，以及考虑大相岭泥巴山隧道的特点，建立一套比较切合该 隧道实际的涌水预测体系。本文的研究内容主要如下： ( 1 ) 实地调查隧址区的地质环境情况，包括隧址区气象水文、地形地貌特 征、地层分布情况及隧址区主要断层构造特征等； ( 2 ) 根据泉水分布、河流流量及钻孔地下水等资料，研究隧址区水文地质 特征，主要内容有隧址区的水文地质结构、地下水类型、地质构造与地下水 的关系、隧道涌水宽度的划分、地下水动态特征等； ( 3 ) 在现有的地质资料和试验资料基础上，对隧道涌水量理论计算方法进 行研究与理论计算，分析理论涌水量对隧道的影响； ( 4 ) 根据地质资料和试验资料，采用有限元数值分析软件模拟分析隧道的 渗流情况，并分析隧道涌水量模拟结果； ( 5 ) 对理论计算结果与数值模拟结果进行比较，并结合该隧道实际情况， 对大相岭泥巴山隧道断层涌水量进行预测。 ( 6 ) 对现有隧道防排水技术进行研究比较，结合大相岭泥巴山隧道涌水情 况，研究适用于大相岭泥巴山隧道防排水的控制措施。 1 3 2 研究方法及技术路线 本论文的研究方法主要是： ( 1 ) 收集大相岭泥巴山隧道所处区域的相关基础资料，包括详细的地下水、 地表水情况、围岩地质情况、气候条件及植被情况等；确定隧道涌水灾害的 影响因素； ( 2 ) 通过分析大相岭泥巴山隧道工程地质条件和水文地质条件，主要研究 隧址区岩溶发育特征、构造裂隙、断层发育、地下水补给、径流和排泄特征， 根据两种地质条件对隧道进行分区与分段，推测大相岭泥巴山隧道可能的集 中涌水地段及其涌水方式； ( 3 ) 通过现场工程地质勘察或借助于其他项目组人员在现场、室内试验测 试结果及其野外观测数据等，评价工程区岩体的透水性：选择多种涌水计算 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 方法，对隧道涌水量进行计算，进行隧道涌水量的计算评价； ( 4 ) 收集国内外与渗流理论相关的资料和国内外有关渗流的数值模拟的 资料，并根据大相岭泥巴山隧道的区域地质条件，建立涌水量计算模型，进 行隧道涌水量的计算评价； ( 5 ) 根据隧道理论涌水量计算结果与数值模拟隧道涌水量结果进行比较分 析，进而校正和完善该模型，并探讨断层可能的涌突水形式及涌突水量。 本课题主要采取理论分析与数值分析相结合，并结合现场实际情况，对 泥巴山隧道涌水量进行预测。因此根据泥巴山隧道工程的特点，本论文的技 术路线以理论研究和数值模型为基础，最后把得出的模型和结论再反馈到实 际问题中检验，研究过程遵循“资料收集一现场调研一地质分析一影响因素 确定一建立模型一模型检验一结合实际综合分析的研究思路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 2 1 气象水文 第二章隧址区地质构造 大相岭泥巴山隧道地处四川盆地中亚热带季风湿润气候与青藏高原大陆 性干冷气候的过渡地带。大相岭是一条重要的气候分界线，因此，大相岭南 坡和北坡气候差异较大。总的来说，北坡湿润，南坡干燥。大相岭北坡荣经 一侧的主要气候特点是：四季基本分明，冬有严寒，气温较低，隆冬常有降 雪，积雪和结冰；春季回暖迟，气温多变；秋季入秋早，秋绵雨明显。多年 平均降水量为1 6 5 0 m m 左右，多年最大降水量可达1 8 0 0 m m 。主要集中在夏 季，占8 0 以上，且多夜雨。年平均气温1 0 左右。风速较小，雨天多，日 照少。大相岭多年月平均降水量与多年月极值日降水量见图2 1 。 图2 - l 大相岭多年平均月降水量与多年月极值日降水量图 由于地形的影响，进入北坡的弱冷空气一般不易翻越大相岭。大相岭南 坡( 汉源一侧) 属于背风坡，由于焚风效应，南坡的气温比北坡高，气候较 为干燥。南坡区域的主要气候特点是：冬少严寒，气候干燥；春早回暖快， 但气温不稳定，夏有酷暑，时有高温：秋迟绵雨不明显。年降水量6 5 0 m m 左 右，主要集中于夏季，占8 5 以上，年平均气温为1 3 左右。风速大，睛天 多，日照多。 充沛的降水量，可以使地下水得到充分的补给，但由于降水年内分配不 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 均，雨季降雨强度往往大于地层的渗透强度，来不及渗入的水分分别沿地表 斜坡流动，形成地表径流汇入沟谷流走，不利于地下水的补给。 大相岭岭脊为地表分水岭，北东一侧属青衣江水系，木沟岩沟、高桥河、 清水河等属于青衣江流域的荥河、经河上游支流；南西侧属大渡河水系，施 查沟、青林沟、狮子沟等属大渡河水系流沙河支沟。 河流的补给水源来自大气降水和地下水( 一般情况下) ，由于降水不均， 河水流量丰枯季节变化很大，丰季流量比枯季流量大2 , - - 一3 倍，北东侧枯季流 量最低值在1 月，南西侧枯季流量最低值出现在3 月，隧址区附近所有沟谷 均建有水电站，在高程1 9 0 0 - - 2 4 0 0 m 以上的沟水多被电站防渗渠引走，用于 发电。 大相岭植被茂密，以分水岭为界，两侧存在一定差异，北东坡以高大乔 木为主，植被覆盖率8 0 - 9 0 ：西南坡以灌木、草丛为主，植被覆盖率6 0 - - 7 0 ，茂密的植被层( 叶面、根系、腐植层) 可以截留大气降水，有利于地 下水渗入。隧址区附近主要沟谷特征见表2 1 。 表2 1 隧址区附近沟谷主要特征 沟谷长度 流域面积 平均坡降 名称落差( m )所属水系 ( k m )( k m 2 ) ( ) 高桥河 7 53 7 52 0 6 02 7 5青衣江水系 施查沟 82 41 8 l o2 2 大渡河水系 青林沟 71 41 9 0 02 7 大渡河水系 木沟岩沟1 07 0 1 6 0 01 6 青衣江水系 狮子沟 8 52 5 51 6 0 01 9大渡河水系 2 2 地形地貌特征 大相岭泥巴山隧道位于四川盆地与青藏高原过渡的西南缘，地貌分区属 于峨眉山中山区。大相岭横亘于北段，受南北走向的康滇地轴和凉山褶皱带 控制。总体走向北西，岭脊呈“s 型蜿蜒起伏，山顶浑圆，为大渡河与青衣 江水系的分水岭。主要由中生代红色砂泥岩、古生界、元古界的火山碎屑岩、 碳酸盐岩及岩浆岩构成，高程2 0 0 0 - 3 4 0 0 m ( 背后山海拔3 3 8 8 3 m ) ，山势雄 伟，外营力以流水侵蚀作用为主，同时伴有生物风化及寒冻风化( 高海拔地 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 带) 作用。岭谷延伸较长，沟谷深切，切割深度达2 1 0 0 m 。隧址区区域地形 地貌见图2 2 。 图2 - 2 隧址区区域地形地貌图 南坡沟谷平行发育，谷与谷之问距离2 3 k m ，与构造线近于垂直，高程 2 0 0 0 m 以上沟谷呈“v ”型，沟谷陡直，谷底狭窄，沟床纵坡降大，谷坡陡峻， 地形坡度角一般大于3 5 。，近谷底坡角可达6 0 7 0 。，谷坡多为残坡积、崩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 坡积物覆盖，基岩零星出露，多成：悬崖峭壁，谷坡植被茂密，2 0 0 0 m 以下， 冰水堆积物发育，被沟谷切割成独立的台地，沟谷形成宽阔的槽谷，冰水堆 积物构成的谷坡近于直立，高数十至近百米，谷底满布漂砾块石。 北坡沟谷发育方向与构造线垂直或平行，多形成树枝状水系，沟谷呈“v 型，谷坡地形坡度角一般大于3 5 。，近谷底坡角一般大于5 0 。，沟床纵坡降 大，除沟谷交汇处谷底较为宽阔外，沟谷一般狭窄，多跌水，谷底满布漂砾 块石，谷坡基岩零星出露，多成悬崖峭壁，谷坡植被茂密。 隧址区地形陡峭，多悬崖陡坡，沟谷发育，坡面堆积物质移动强烈，崩 塌、滑坡、泥石流经常发生。 隧址区地形起伏大，地面坡度陡，大气降水易成为地表径流流失，不利 于地下水的补给，另外由于切割深，地面坡度陡，水力坡度相应较大，地下 水循环交替强烈，多为就地补给，就近排泄，补给地表水。 对于潜水来说，地下水的汇水面积与地表水的汇水面积近相一致，由于 隧址区沟谷发育，地形切割破碎，各沟谷的汇水面积相应减小，地下水的补 给量也就减少。 2 3 地层岩性 隧址区处于扬子地层区上扬子地层分区峨嵋地层小区，西与扬子地层区 康定地层分区相接，东与上扬子地层分区成都地层小区相连，北与上扬子地 层分区九顶山地层小区相邻。隧址区出露地层比较简单，震旦系相对发育， 尤以位于隧址区中部的下震旦统分布广泛；上震旦统仅见于隧址区进口附近。 此外，有少量的寒武系、奥陶系、二叠系出露于进、出口一带。根据区域地 质资料，本区出露的基岩地层有1 1 个地层单位。 ( 1 ) 下震旦统苏雄组( z l 肛) ：该组岩性总体上具有基性火山岩一中( 酸) 性火山岩一酸性火山岩、火山一沉积岩的旋回性。可将其分为安山岩段和流 纹岩段。 1 ) 安山岩段( z l 麟。)