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_李利平

1、第30卷第7期岩石力学与工程学报V ol.30 No.7 2011年7月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering July,2011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李利平1,李术才1,陈军2,李景龙1,许振浩1,石少帅1(1. 山东大学岩土与结构工程研究中心,山东济南 250061;2. 湖北三峡翻坝高速公路建设指挥部,湖北宜昌 443007摘要:突水涌泥是岩溶隧道施工中的主要地质灾害之一,建立基于勘察、设计和施工3个阶段突水风险评价的隧道施工许可机制是减少损失和控制风险的有效途径。通过对我国近50 a岩溶隧道(洞突

2、涌水工程实例资料的系统收集与归类整理,分析隧道突涌水的孕险环境和致险因子,遴选出突涌水的典型影响因素作为模糊层次评估方法的影响因子,统计分析出各影响因素与突涌水发生概率和发生次数之间的隶属函数或表征关系,采用综合赋权法确定评价指标的权重,建立岩溶隧道突涌水风险模糊层次评价模型,进行隧道施工前勘察和设计2个阶段的突涌水风险预评价和施工中的动态评价。首先,据勘察资料对隧道突涌水的孕险环境进行初步评价,以确定隧道不同区段降低致险因子影响度的施工对策;然后,为检验其有效性,在设计阶段综合考虑孕险环境和致险因子进行突涌水风险的预评价;最后,在施工过程中,基于突涌水风险预评价结果的区段特征,全程动态追踪隧

3、道揭露围岩的水文地质、力场和地球物理场等反馈信息,辨识隧道即将揭露区段突涌水风险的孕险环境和致险因子,进行突涌水风险等级的动态修正,并通过对不同风险等级区段的风险接受准则和风险控制对策的界定,实现隧道施工期突涌水风险的实时、准确和有效的风险管理,从而建立完善的基于隧道施工许可机制的施工安全风险控制体系。经三峡翻坝高速公路3条高风险岩溶隧道试运行证明,基于突涌水风险评价的施工许可机制在岩溶隧道突水预测与灾害控制方面具有明显作用,其分析结果相对准确可靠,具有广泛的应用前景。关键词:隧道工程;突涌水;风险评价;模糊层次分析;施工许可机制中图分类号:U 45 文献标识码:A 文章编号:10006915

4、(201107134511CONSTRUCTION LICENSE MECHANISM AND ITS APPLICATION BASED ON KARST WATER INRUSH RISK EV ALUATIONLI Liping1,LI Shucai1,CHEN Jun2,LI Jinglong1,XU Zhenhao1,SHI Shaoshuai1(1. Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan,Shandong250061,China;2. SanxiaFanba

5、 Expressway Construction Headquarters of Hubei Province,Yichang,Hubei443007,ChinaAbstract:Water inrush and mud gushing are the typical common geologic hazards for the karst tunnel construction. Based on risk evaluation model of water inrush,management system of construction permission mechanism can

6、be established to reduce the economic loss and water inrush risk. The major factors are summed up and selected as the impact factor of fuzzy analytic hierarchy process(FAHP by collecting and collating information of water inrush examples of karst tunnels in recent 50 years,the membership function is

7、 proposed between the factors and the probability of occurrence of water inrush and its volume,and a FAHP model of risk evaluation for water inrush is established by a comprehensive assigning method which is adopted to determine the收稿日期:20110130;修回日期:20110417基金项目:国家自然科学基金资助项目(51009085;中国博士后科学基金面上项目(

8、20090461235;西部交通建设科技资助项目(2009318000008 作者简介:李利平(1981,男,博士,2004年毕业于山东科技大学资源与环境工程学院工程力学专业,现任讲师,主要从事地下工程地质灾 1346 岩石力学与工程学报2011年weight of evaluation indices;and water inrush risk can be evaluated for the three different stages of tunnel construction. Firstly,based on the preliminary evaluation for envir

9、onment of dangerous source at the prospecting stage,the risk factors effect and construction of risk reduction can be determinated. Secondly,pre-evaluation of water inrush for environment of dangerous and risk factors can be done in order to prove the effectiveness of construction organization at th

10、e design stage. At last,based on distribution of the pre-evaluation results,risk grade can be modified by tracing the hydrogeology,mechanical and geophysical information of exposed rock during the excavation process;and risk control criterion and countermeasures for different excavated sections can

11、be determined by identifying the environment of dangerous source and risk factors for next excavated section;and management system of construction risk can be established in order to get the accurate,effective and real-time risk control of water inrush. The risk management system of water inrush has

12、 been proved that the evaluation result is accurate and reliable by its application to three typical karst tunnel of Sanxia highway,which can be further used for other underground projects.Key words:tunnelling engineering;water inrush;risk evaluation;fuzzy analytic hierarchy process(FAHP; constructi

13、on license mechanism1 引言岩溶又称喀斯特,即岩溶作用和岩溶地貌的总称。地表水和地下水对石灰岩、白云岩、石膏、岩盐等易溶性岩石进行的以化学过程(溶蚀和沉淀为主,机械过程(流水侵蚀和沉积以及重力崩塌、陷落为辅的破坏和改造作用,总称为岩溶作用;由岩溶作用所造成的地下形态则称为岩溶地貌,即喀斯特地貌。喀斯特现象分布在世界上极为零散的几个地区,但全球发育有岩溶的地区将近5×107 km2,以中国最为突出,可溶岩层分布面积约占国土总面积的1/3,其中以西南部云、贵、桂和川、鄂、湘部分地区岩溶最为发育,恰是西部大开发中公路和铁路隧道穿越的主要区域。由于水流是喀斯特发育的动力,

14、可溶岩层中发育和赋存不同类型的含导水构造和岩溶水体,隧道开挖不可避免地扰动或揭穿隔水结构,诱发突水、涌泥以及塌方等大型地质灾害,造成严重的工程损失和人员伤亡。在西部大开发的公路和铁路隧道修建过程中,不同危害程度的突水灾害日益严重,诸如渝怀线圆梁山隧道、武隆隧道以及宜万线马簏箐和野三关隧道,均发生过大型突水事故,经济损失和人员伤亡惨重。随着隧道修建长大深的发展趋势,岩溶突水已逐渐成为制约我国岩溶隧道建设发展的瓶颈问题,如何准确评价隧道设计和施工阶段的突水风险,并基于施工反馈信息动态修正和规避风险,是隧道修建过程中减少损失和风险控制的有效途径。实质上,岩溶突水是岩溶含水介质系统、水动生急剧变化,存

15、贮在地下水体的能量瞬间释放,并以流体的形式高速地向工程临空面内运移的一种动力破坏现象,其影响因素可以划分为水文地质和工程扰动2类。基于这一认识,李术才等1-8从隧道突水发生条件和影响因素角度进行了分析,并在突水机制和防治对策方面取得了重要的进展。由于岩溶发育的复杂性,突水风险较难把握,尤其是在施工阶段,孕险环境和致险因子是动态变化的信息,更加剧了突水风险评价和风险规避的难度。黄宏伟等9-11将风险概念引入隧道及地下工程的施工安全控制中,并将相关概念规范化,对隧道塌方风险进行了研究。张庆松等12开展了高风险岩溶隧道的突水风险评价理论和方法研究,并建立了突水风险定量评价方法和灾害四色预警机制。此外

16、,李昌有等13-14也相继从突水风险动态评价和风险管理体系角度开展了大量的研究,提高了评价方法和管理措施的及时性、有效性和实用性。近些年来,水下隧道的突水风险评价研究已经取得了长足进步。许建聪等15-18采用信心指数专家调查法、层次分析法、风险系数法等定性以及定量或半定量的风险评价方法,对水下隧道的规划阶段、预工可阶段以及施工阶段的突水风险进行了评估研究。但由于突水风险的复杂性,相关研究大多停留在突水风险辨识、风险评价和风险控制的表象上,缺乏其内在联系和作用协调机制的研究,评价方法和控制模式具有较强的主观性和盲目性,尚且无法直观地展示隧道突水风险的区段分布特征及其随施工反馈信息的动态调整过程,

17、为突水风险控制的合理有效方法提供风险界定、风险估计和风险评价的实时数据和动态信第30卷 第7期 李利平等: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 1347 从风险管理角度来看,隧道风险管理流程应分为风险界定、风险辨识、风险估计、风险评价和风险控制22,基于突水风险的预评价和动态评价,建立岩溶隧道施工风险管理技术体系,是减少损失和控制风险的有效途径。本文基于历年岩溶隧道突水实例的统计分析,筛选出突水风险的影响因素,采用综合赋权法建立隧道突涌水风险模糊层次评价模型,进行勘察、设计阶段的预评估和施工阶段的动态评估,逐步考虑突水的孕险环境、致险因子及其动态反馈信息,并根据突涌水风险等级的

18、隧道区段分布特征,建立基于监控量测和超前地质预报等动态信息的隧道施工许可机制,从而实现隧道施工期突涌水风险的动态管理。2 施工许可机制施工许可机制是以隧道勘察和设计阶段两阶段灾害风险预评估为基础,评价隧道突涌水的孕险环境(岩溶水文地质条件,并在施工阶段考虑孕险环境和致险因子(施工因素的双重影响,全程实时追踪施工动态信息(监控量测、超前地质预报等进行风险动态评估,修正风险等级,实现风险规避,并在施工期全程严格执行风险界定、风险辨识、风险估计、风险评价和风险控制的一种全新的风险管理运行机制。 2.1 突水风险辨识突水风险辨识,即调查隧道施工期所有潜在导致突水灾害发生的风险因素,并进行系统的归类整理

19、和筛选过程,可从孕险环境和致险因子2个角度进行突水风险因素辨识,建立如下因素集:孕险环境是指潜在发生突水事故的各种工程场地区域、周边环境、施工工艺及管理方案等,是突水风险发生的基础条件。(1 不良地质不良地质构造通常是隧道附近潜在的突水通道或突水水源,诸如导水断层、充水溶洞、岩溶管道以及宽裂隙等不同类型的含导水构造。显然,不良地质构造的富水性、导水性及其与空间位置关系的差异性,在很大程度上决定突水风险的大小。据不良地质属性对突水风险的影响程度可将其划分为4个水平等级,即强致灾性、中等致灾性、弱致灾性以及无致灾性,具体见表1。表1 不良地质等级划分表Table 1 Grade division

20、of unfavorable geology for waterinrush等级划分 具体描述强致灾性 隧道附近底板上方有大型含导水构造,或 隧道附近底板下方有大型承压含导水构造 中等致灾性 隧道附近底板上方有中型含导水构造,或 隧道附近底板下方有中型承压含导水构造 弱致灾性 隧道附近底板上方有小型含导水构造,或 隧道附近底板下方有小型承压含导水构造 无致灾性隧道附近不存在可致突水的不良地质现象据上述划分,由于强致灾性含导水构造易引起重视,其导致突水灾害的几率反而小于中等含导水构造。同样,弱致灾性含导水构造在施工中容易被忽略,其导致突水的概率高到17%,具体见图1。图1 不良地质水平划分及其突

21、水发生频率 Fig.1 Relationship between grade division of unfavorablegeology and occurrence frequency of water inrush(2 地下水位地下水在突水过程中扮演物质载体和源动力的双重角色,是较重要的突水风险因素。由于不同高程的隧道处于不同的岩溶水垂直动力分带,地下水位与隧道底板的高程差很大程度上表征了突水的危险程度。根据历年突水实例统计资料,根据高程差可将地下水位划分为4个水平(见图2。(3 地层岩性可溶岩地层是地下水赋存和运移的场所,主要包括灰岩、白云岩以及大理岩等。由于可溶岩的类型、厚度以及发育

22、环境的差异性,地层岩性表现出不同的可溶性,导致含导水构造具有不同的赋存特征。根据地层岩性的可溶性,可将其划分为强可溶岩、中等可溶岩、弱可溶岩和非可溶岩4个水平,不同地层岩性发生突水的频率差别也较大,具体见表2和图3。17%0%38%45%强致灾性中等致灾性弱致灾性无致灾性 1348 岩石力学与工程学报 2011年 图2 地下水位水平划分及其突水发生频率 Fig.2 Relationship between grade division of groundwaterlevel and occurrence frequency of water inrush表2 地层岩性等级划分表Table 2

23、Grade division of formation lithology for water inrush等级划分 具体描述强可溶岩 厚层中厚层质纯灰岩、古老的硅质胶结白云岩、炭质和沥青质灰岩中等可溶岩 厚层中厚层大理岩、厚层中厚层泥质 灰岩、厚层中厚层白云岩弱可溶岩 薄层大理岩、薄层泥质灰岩、薄层白云岩 非可溶岩非可溶岩在碳酸岩地区一般可认为是可靠 的相对隔水层与非岩溶层 图3 地层岩性水平划分及其突水发生频率 Fig.3 Relationship between grade division of formationlithology and occurrence frequency o

24、f water inrush(4 地形地貌地表岩溶形态是地下岩溶发育的重要表象,诸如岩溶洼地、降水漏斗以及落水洞等,均是地下岩溶系统与地表岩溶、大气降雨等外部环境的主要联络点,直接影响和反映地下岩溶不良地质和岩溶水的发育和赋存特征。可将地形地貌划分为大型负地形、中型负地形、小型负地形和无负地形4个水平,各地形地貌水平划分与突水发生频率见表3和图4。表3 地形地貌等级划分表Table 3 Grade division of topography and geomorphology forwater inrush等级划分 具体描述大型负地形 汇水能力强,地下岩溶系统中地下水常具有大水量、高压力的特

25、点、且岩溶发育正反馈强烈,岩溶强发育 中等负地形 汇水能力次之,岩溶发育程度一般也次之 小型负地形 汇水能力差,地下岩溶发育程度一般也较差无负地形地下水活跃强度低,一般而言,突水突泥致灾能力很弱图4 地形地貌水平划分及其突水发生频率Fig.4 Relationship between grade division of topography andgeomorphology and occurrence frequency of water inrush(5 岩层倾角岩层倾角是影响岩溶发育和地下水流动的重要因素,由于岩层产状具有各向异性特征,沿岩层的渗透系数远大于垂直层面的渗透系数。同时,地表

26、汇水条件也与岩层倾角有关,不同的岩层倾角导致地表的汇水面积发生变化,直接影响地下的岩溶分异反馈。据统计资料分析,将岩层倾角划分为4个水平较为合适,具体见图5。图5 地形地貌水平划分及其突水发生频率 Fig.5 Relationship between grade division of stratainclination and occurrence frequency of water inrush致险因子是指导致突水风险发生的直接因素,诸如施工方案、施工技术以及人员活动等,是突水发生的导火索,而孕险环境则等同于待燃的火药桶。(1 开挖与支护工程扰动是突水发生的直接诱因,主要包括开挖和支护。

27、不同开挖方法对岩溶水体及其潜在通道稳定性的影响程度不同,直接揭露则是突水风险的最高形式。支护结构是突水防治的最后一环,若支护活动对岩溶水体及其潜在通道造成显著影响,则支护效果至关重要,诸如支护结构强度、渗透性以<0 <30 3060 >60高程差/m突水次数所占比例/%14%11%51%24%强可溶性中等可溶性弱可溶性非可溶性岩层倾角/(° 突水次数所占比例/%(6580 50%(大型负地形20%(小型负地形0% (正地形30%(中型负地形第30卷 第7期 李利平等: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 1349 及耐久性等,很多滞后型突水都与支护有

28、直接关系。(2 超前地质预报在突水灾害中,岩溶水体和不良地质通常表现为突水的水源和通道,对于两者定位定量的准确预报是突水风险规避的重要前提,但这恰是目前地质预报的短板。超前地质预报不但和预报人员、设备有关,还与业主的管理水平及其运作模式密切相关。(3 监控量测通过对围岩揭露地质情况和围岩力学特征信息的监控,可及时掌握防突结构的稳定状态,了解隧道附近岩溶水体和不良地质在施工过程中的动态响应特征。同超前地质预报一样,监控量测也与量测人员、设备及其相应的管理水平有关。致险因子涉及到施工、设备以及管理等多方面因素,难以进行量化描述。根据实例统计资料,可将开挖支护、超前地质预报和监控量测划分为极不合理、

29、不合理、基本合理、合理4个水平,以反映其多方面影响因素对突水风险影响的综合效果。 2.2 风险估计突水风险估计是对风险发生的可能性以及不良后果进行数量估算的过程,具体包括风险发生的频率、分布特征及其估算方法。(1 风险发生频率实质上,突水的发生是各影响因素综合作用的结果,但任一案例均存在主导诱因。其中,在近50 a 重大突涌水实例统计中,不良地质和超前地质预报作为主导诱因占据49%,地下水位占16%,见图6。图6 突水主导诱因及其发生频率Fig.6 Relationship between leading inducement andoccurrence frequency for water

30、 inrush因此,大型突涌水风险规避的关键问题,是对不良地质实施有效准确的超前地质预报,并掌握地下水位的变化规律。(2 风险分布特征在式(1中,突水风险因素18u u 可划分为若干个区间,等级越高则导致风险度越大,突水风险发生的概率也越大,具体见表4。表4 突水风险因素等级划分Table 4 Grade division of risk factors for water inrush等级划分不良地质地下 水位 地层岩性地形地貌 岩层倾角 开挖支护超前地质预报监控量测I强致灾性h >60 m强岩溶层大型负地形 25° 65° 极不合理极不合理极不合理II中等致灾性3

31、0 m h <60 m 中等岩溶层 中型负地形 10° <25°或 65°< 80° 不合理 不合理不合理III弱 致灾性0h <30 m 弱岩溶层小型负地形 80°< 90° 基本合理基本合理基本合理IV无 致灾性h <0非岩溶层无负地形0° <10°合理合理合理在上述突水风险因素中,仅有地下水位为定量描述,可采用构造隶属度函数的方法来确定各等级的隶属度23-24,隶属度函数的客观与否决定评价结果的有效性,构造如下函数:121211221 ( (0 (x x x x x

32、x x x x x x =<< (2131*320 ( (x x x x x x x x x x x x x x x x x x =或<<< (32233223320 ( ( (x x x x x x x x x a x x x x =<< (422432232320 ( (x x x x x x x x x x x a x x x x=<< (5 4%4%地层岩性地下水位 不良地质 地形地貌 岩层产状 超前地质预报监控量测 开挖支护7%18%5%15%31%16%式中:1,2,3,4为地下水4个风险水平的隶属函数;1x ,2x ,3x 和

33、a 分别取60,30,0和10。对于其他不能量化描述的突水风险因素,可采用工程中常用的Karwowski 提出的隶属度函数(见表5。表5 Karwowski 推荐的模糊隶属度函数 Table 5 Fuzzy membership function recommended byKarwowski模糊语言变量隶属度具体函数取值1.00 0.90 0.70 0.30 0.10 0.000.00每一个因素都有k 个等级,每个因素等级对于评价集的评价指标具有相应影响,其影响程度用隶属度来表示,建立评价矩阵B :11111kn nk n B b b b b B ="#%#",B (6式

34、中:ik b 为第i 个因素第k 等级相对于因素的隶属度。(3 风险估算方法突水风险估算方法宜采用综合分析方法,从而可兼顾突水风险因素权重确定的主观能动性和客观真实性。 综合赋权在突水风险因素集中,对各因素赋予相应的权数以反映其对评价目标的重要程度,这些权数组成的集合即为因素权重集,即12n a a a =",A (7式中:A 为综合权重集。综合权重由采用频数统计法和层次分析法相结合的信息集结法来确定,由客观权重和主观权重2个部分组成,即考虑了历史数据信息,又可以根据现场情况对评价指标进行动态调整,具体赋值过程如下:1122=+A k A k A (8式中:1A 为基于历年突水实例的

35、频数统计法得到的客观权重;2A 为基于具体评价的隧道由层次分析法得到的主观权重;1k ,2k 分别为客观权重和主观权重的分配权重,由评判专家根据现场具体情况来确定。 客观权重通过对近50 a 岩溶隧道突涌水实例的系统收集与整理分析,分别对突水风险因素18u u 进行统计,得到了不良地质、地下水位、地层岩性、地形地貌、岩层倾角、开挖支护、超前地质预报和监控量测的客观权重:128 0.268 0.179k k k k a a a =",A0.130 0.075 0.039 0.048 0.192 0.069, (9 主观权重主观权重的确定主要取决于专家对具体拟评价隧道现场情况的认识,可采

36、用层次分析法,通过对突水风险因素权重的排序、构造相对判断矩阵和一致性检验,求得与现场实际关联的主观权重值。 2.3 风险评价风险评价是根据制定的突水风险分级标准和接受准则,对突水风险进行等级分析、危害性评定和风险排序的过程,具体包括突水风险接受准则、评价、排序和决策4个部分。(1 风险接受准则风险接受准则是工程建设参与各方对不同等级突水风险的可接受或可容忍的水平,采用定性分级指标标准进行描述,具体见表6。表6 突水风险接受准则Table 6 Standards of risk acceptance for water inrush风险等级接受准则控制对策应对部门 一级拒绝接受停工。整改、启动预

37、警、召 开专家论证会、风险强规避 政府部门与工程建设各参与方 二级不可接受停工。决策、预警、规避 指挥部及所属 三级可接受 正常施工。预防、监控 设计、监理和施工四级可忽略正常施工。日常管理施工方用模糊语言对突水风险发生概率评价目标进行分类表述,建立评价集:1234v v v v =,V (10式中:1v 为一级风险,2v 为二级风险,3v 为三级风险,4v 为四级风险。突水地质灾害程度依次减弱,各元素i v 代表各种可能的总评判结果,即在综合考虑所有突水影响因素,从评价集中得出最佳的评价结果。(2 风险评价与排序应用模糊变换原理对相关各因素进行综合评价,可得到突水风险发生概率的综合评价集:

38、111f 121 k n n nk b b a a a b b =""#%#",P AB (11根据最大隶属度原则,在上式计算结果中,最后的隶属度矩阵中,综合指标l 对应的评价等级的隶属度l c 最高者,即为突水风险评价等级。用公式表示为s l l 1/max ki i c c = (122.4 风险控制风险控制即为降低工程风险损失所采取的处置对策、技术方案或措施等。根据隧道突涌水风险评价目标在勘察、设计和施工期的阶段特征,可先后对孕险环境、致险因子及其动态反馈信息进行逐步评价,以渐次降低和修正突涌水的风险等级,并实现突涌水灾害风险的实时和有效控制,确保隧道施工阶

39、段的安全。(1 预评估风险控制在隧道勘察阶段,通过选址勘察、初步勘察和详细勘察,逐步获取隧址及其附近围岩的水文地质信息,即隧道发生突涌水的孕险环境,包括地形地貌、地层岩性、地下水位以及不良地质等。通过对突涌水孕险环境的评价,划分隧道不同区段的灾害风险等级,为相应区段合理的施工组织设计(致险因子提供理论依据,具体见图7。 图7 勘察阶段初期评估Fig.7 Initial evaluation at prospecting stage为检验不同风险等级区段施工组织设计的合理性,综合考虑孕险环境和致险因子,进行突涌水风险评价,划分隧道突涌水风险的区段分布特征,并制定相应地段的风险控制和风险接受准则,

40、具体见图8。图8 设计阶段预评估 Fig.8 Pre-evaluation at design stage(2 动态评估风险控制在施工过程中,由于前期勘查的不准确性和设计的局限性,隧道的岩溶水文地质条件难免发生一些变化,相应的设计也会出现偏差,隧道某些区段突涌水的风险等级需要修正。根据施工过程中揭露围岩的动态信息,汲取监控量测、超前地质预报以及超前钻孔等孕育的岩溶水文地质信息,实时修正突涌水的风险等级、风险控制和风险接受准则,具体见图9。图9 施工阶段动态评估Fig.9 Dynamic evaluation at construction stage在施工阶段突水风险的动态评估过程中,基于突涌

41、水风险预评价结果的区段特征,全程动态追踪隧道揭露围岩的水文地质、力场和地球物理场等反馈信息,辨识隧道下即将揭露区段突涌水风险的孕险环境和致险因子,进行突涌水风险等级的动态修正,并通过对不同风险等级区段的风险接受准则和风险控制对策的界定,实现隧道施工期突涌水风险的实时、准确和有效的风险管理。3 工程应用3.1 工程概况三峡翻坝高速公路位于我国南方较为典型的岩溶山区,沿线属长江流域地质灾害易发区,水文地质条件极为复杂。其中,季家坡隧道、鸡公岭隧道和天鹅岭隧道为3条特长岩溶隧道,存在较高的岩溶突水、涌泥以及塌方等风险,属I 级高风险岩溶隧道。季家坡隧道位于三峡翻坝高速公路S3与S4合同段(K13+7

42、30K17+310,单洞全长3 580 m ,最大埋深520 m 左右。据初期勘察资料,季家坡隧道地处构造侵蚀溶蚀低山丘陵地貌单元,在大地构造位置上属扬子准地台(上黄陵小区,位于燕山期构造运动产生的黄陵大背斜东南翼,岩溶水文地质条件极为复杂,在全线隧道工程中施工风险最高。 3.2 风险因素与风险估计(1 孕险环境分析 不良地质隧址区发育龙洞窝地下河系统,暗河系统出口位于隧道出口端NE 约800 m 的艾家河左岸,高出河面2 m ,标高265 m ,暗河系统与隧道轴线相交(YK16+040附近,相交部位水位高于隧道底板约30 m ,施工中若揭露龙洞窝暗河系统内大型充水溶洞或管道,极易造成大型突水

43、事故,水平分级为强中等致灾性,其余部位为弱致灾性或无致灾性。 地下水位龙洞暗河系统与隧道轴线相交部位地下水位高于隧道底板约30 m ,强降雨后可高达50 m 以上,对隧道施工安全具有中等弱致灾性,地下水位水平分级为30 m h <60 m ,其余部位为0h <30 m 。 地层岩性隧址区穿过灯影组白云岩、硅质白云岩,岩溶中等强发育,层面与层间裂隙发育,区内灯影白云岩水平分级为中等可溶岩层,陡山沱组岩层水平分级为弱可溶岩层,其余非碳酸盐类为非可溶岩层。 地形地貌从地表情况来看,隧址区地表负地形以干谷为主,局部发育中小型岩溶洼地,大气降雨多通过干谷内地表径流和漏斗输入地下岩层,并最终汇

44、入龙洞窝暗河水系统,K15+620K15+900水平分级为大型负地形,K16+100K16+440水平分级为中型负地形,其余为小型负地形或无负地形。 地层产状隧道岩层产状平缓(12°左右,且由于切层构造裂隙发育,导致隧址区水循环强烈,岩溶发育。(2 致险因子分析根据隧道围岩状况,大部分采用全断面和台阶法施工,挂网锚喷,双层支护,局部地段施作抗水压衬砌。在施工过程,全程采用以TSP 长期超前地质预报为主,地质雷达与超前水平钻探为辅,瞬变电磁与激发极化补充探测的综合预报方案。并全程监测隧道围岩变形和受力性能,及时反馈信息修正设计参数。3.3 风险评价与风险控制(1 突水风险预评估在隧道勘

45、察阶段,对隧址区赋存的水文地质条件进行评价,即突水风险的孕险环境。根据不同地段的评价结果,制定相应安全系数较高的开挖和支护设计方案。勘察阶段突水风险预评估情况见图10。(2 突水风险动态评估在隧道设计阶段,对隧道突水的孕险环境和致险因子进行评价。在施工阶段,对修正的水文地质条件、开挖与支护方案、超前地质预报以及监控量测等因素进行动态评价(见表7。 3.4 应用效果在隧道勘察阶段,初勘和详勘资料均表明K14+700K16+000地段隧道洞身赋存的水文地质条件整体相对较差,基本属于II 级风险地段。隧道端口位置埋深浅,风险影响因素各项指标较易把握,该段在勘察、设计和施工阶段均划分为IV 级风险区。

46、但隧道洞身中段部分埋深较大,勘察钻孔资料较少,赋存的水文地质条件较难准确把握,部分地段施工揭露的地层环境发生较大变化,尤其是ZK15+300ZK16+740地段,由勘察阶段评价的III 级风险升至施工阶段I 级风险(见表8。图10 突水风险预评估Fig.10 Pre-evaluation of water inrush risk风险级别III IIIK13+710K14+040 K14+720 K15+240K16+000K16+740 K17+280表7 突水风险动态评估Table 7 Dynamic assessment of water inrush risk里程桩号设计阶段施工阶段序号

47、左洞右洞等级划分依据等级划分依据1 ZK13+740ZK14+060YK13+730YK14+040IV震旦系下莲沱组砂岩,夹2030 cm软弱页岩,岩体较破碎较完整,一般无水,雨季地表水顺裂隙渗入IV震旦系莲沱组砂岩,夹2030 cm软弱页岩,岩体较破碎较完整,雨季局部裂隙水发育,地表水顺裂隙渗入2 ZK14+060ZK14+700YK14+040YK14+720IV震旦系南沱组冰碛砾岩,隧道穿越震旦系莲沱组与南沱组、南沱组与陡山沱组的接触面,存在基岩裂隙水。设计大多采用台阶法施工,IV级围岩和紧急停车带设置 22 mm格栅钢架,钢支撑间距为1.0 mII震旦系南沱组冰碛砾岩,隧道穿越震旦系

48、莲沱组与南沱组、南沱组与陡山沱组的接触带,岩体较破碎,完整性较差,南沱组与陡山沱组存在基岩裂隙水与局部高浓度瓦斯,特别是南沱组与陡山沱组接触带高浓度瓦斯问题严重3 ZK14+700ZK15+300YK14+720YK15+240III震旦系陡山沱组薄中厚层状白云岩,完整性较好,但隧道上方存在物探异常区,并且地下水位高出隧道约200 m,基岩裂隙水和岩溶水较发育,有突水涌泥的危险。设计围岩衬砌多采用S3,全断面开挖II震旦系陡山沱组薄中厚层状白云岩,富含炭质页岩或石煤层,以碳酸盐岩、泥碳质岩的韵律性互层沉积为主,岩体完整性差,局部瓦斯浓度高,隧道施工过程中滴渗水严重,局部有小型涌泥和塌方现象4

49、ZK15+300ZK16+060YK15+240YK16+000III震旦系陡山沱组与灯影组接触带,中厚层白云岩,接触带处岩溶与岩溶水发育,且存在大范围物探低阻异常区,有突水涌泥的危险I中厚层白云岩,震旦系陡山沱组与灯影组接触带,接触带处岩溶裂隙发育,并且裂隙充泥含水,雨季台阶法施工过程中渗滴水较严重,主要采用S4-q支护5 ZK16+060ZK16+580YK16+000YK16+740III震旦系灯影组白云岩,岩体较破碎较完整,处于地表汇水下区下方,存在基岩裂隙水和岩溶水I震旦系灯影组白云岩,岩体较破碎较完整,地表汇水面积较大,存在基岩裂隙水,局部存在岩溶水6 ZK16+580ZK17+2

50、66YK16+740YK17+235IV震旦系陡山沱组弱风化白云岩,寒武系水井沱组炭质页岩,完整性较好,存在裂隙水III震旦系陡山沱组弱风化白云岩,寒武系水井沱组炭质页岩,完整性较好,但裂隙水发育表8 勘察、设计和施工3个阶段风险评价结果Table 8 Risk evaluation results of prospecting,design and construction stage里程桩号突涌水风险等级序号左洞右洞勘察阶段设计阶段施工阶段残余风险1 ZK13+740ZK14+060YK13+730YK14+040IV IV IVIV2 ZK14+060ZK14+700YK14+040YK

51、14+720III IVII IV3 ZK14+700ZK15+300YK14+720YK15+240II III II III4 ZK15+300ZK16+060YK15+240YK16+000II IIII III5 ZK16+060 ZK16+580YK16+000YK16+740III III I III6ZK16+580ZK17+266YK16+740YK17+235IV IV IIIIII注:表风险不变;表风险变大;表风险降低。从施工过程中发生的岩溶突涌水地质灾害统计情况来看(见图11和表9,突涌水灾害多发生在I和II级风险区段,勘察和设计2个阶段突水风险的预评估准确反映了不同地段

52、赋存的岩溶水文地质条件的差异性,而施工期的动态风险评价,则及时汲取了施工动态信息,通过修正风险影响因素的变化参数,逐渐逼近真实的风险等级,从而提高了风险预警和风险决策的有效性,确保了隧道施工的安全。(a ZK16+500掌子面涌水(b YK16+042边墙涌水(c YK16+040边墙涌水图11 开挖验证结果Fig.11 Verification by excavation results表9 季家坡隧道岩溶突涌水灾害统计表Table 9 Statistics for karst water inrush of Jijiapo tunnel序号类型时间/年月日里程桩号位置具体描述1 涌水200

53、90406ZK16+500掌子面掌子面有小股水涌出,水量1.02.0 L/s2 涌水20090716ZK16+177掌子面掌子面有小股水涌出,无色,水量不大,0.51.0 L/s3 涌泥20090929YK16+040边墙掘进至YK16+040里程时,右边墙泥浆突出4 涌水20090930YK16+042掌子面涌水量约为200 m3/h,基本上稳定在100m3/h左右5 涌水20091211YK15+945掌子面掌子面小溶洞有水,水量1.02.0 L/s6 涌水20100510YK16+040边墙YK16+040里程边墙发生压力突水,击穿支护层,掌子面以前400 m被淹,水深最深5 m,总涌水

54、量(2.53.5×104m3,涌泥约2 000 m37 涌水20100716YK16+040边墙3 d均发生了持续2.02.5 h的涌水,单次涌水量约为15 000 m34 结论(1 通过逾百例岩溶隧道突水实例的系统统计与整理分析,将突水风险影响因素划分为孕险环境(不良地质、地下水位、地层岩性、地形地貌和岩层倾角和致险因子(开挖和支护、超前地质预报和监控量测,并统计出各影响因素与突水概率之间的隶属函数或表征关系,发现不良地质和超前地质预报因素作为主导因素诱发突水的概率接近50%,即近半数的突水实例主要由上述两因素引起。(2 将统计结果作为突水风险影响因素的客观权重,考虑专家信心指数的

55、主观权重,采用综合赋权法确定评价指标的合理权重,建立岩溶隧道突涌水风险的模糊层次评价模型,可有效进行隧道施工前勘察和设计2个阶段的突涌水风险预评价和施工中的动态评价。(3 通过突涌水风险模糊层次评价模型,建立基于风险估计、风险评价和风险控制的隧道施工许可机制,实现隧道勘察、设计和施工3个阶段突涌水风险的标准化评价。其中,勘察阶段的风险评价,可有效反映隧址区不同地段赋存的岩溶水文地质条件的差异性,直接指导施工组织设计;设计阶段的风险评价,可准确评判施工组织设计的合理性,明确不同地段的相对风险;施工阶段的风险评价,可及时汲取隧道施工动态信息,不断修正风险因素的权重,逐渐逼近隧道施工诱发突涌水地质灾

56、害发生的真实风险。(4 通过隧道施工许可机制在三峡翻坝高速公路3条特长高风险岩溶隧道建设过程中的全程实践应用,季家坡隧道施工期间仅发生7次小型突涌水地质灾害。从应用效果开看,隧道施工许可机制的运行,不但有效规避了强岩溶地段大中型突涌水地质灾害,也为后期隧道运营安全风险评价提供了重要数据,具有较广泛的应用前景。参考文献(References:1李术才,薛翊国,张庆松,等. 高风险岩溶地区隧道施工地质灾害综合预报预警关键技术研究J. 岩石力学与工程学报,2008,28(7:1 2971 307.(LI Shucai,XUE Yiguo,ZHANG Qingsong,et al. Keytechnology study on comprehensive prediction and early-warning of geological hazards during tunnel constr