文摘

在隧道突水是一种严重的地质灾害。为有效防治突水的发生,一个动突水风险评估方法提出了考虑Micangshan隧道为例。首先,突水现象的四种可能的类型识别是基于隧道的地质和水文地质条件:突水在含水的裂缝,断层断裂区,岩溶管道和岩溶洞穴。接下来,确定影响突水的评价指标。通过结合指标权重值计算通过层次分析法(AHP)指数量化值,静态突水灾害评价模型,建立了隧道设计提供依据。最后,结合静态评价模型和先进的预测方法,建立了突水风险动态预测方法,为安全施工提供指导。结果证实,该方法是一种可靠的理论依据隧道突水灾害的早期评估和预测。

1。介绍

检测等异常地质构造断层,断层,含水层,岩溶隧道施工过程中是具有挑战性的由于他们的大型隧道的埋深和长度1- - - - - -4]。特别是在复杂岩溶地区隧道建设,高水压力使围岩不稳定,导致涌水灾害,进而可能导致延迟建设,经济损失,甚至严重人员伤亡(5,6]。因此,在隧道涌水现象的预测是隧道施工的关键一步7]。

层次分析法(AHP)通过考虑突水的几个评价指标已被广泛用于解决复杂决策问题的决策支持工具(8]。律等。9- - - - - -12)应用遥感和GIS结合AHP方法描述在半干旱地区地下水潜力区。多级目标的层次结构,建立了标准,不合格的,选择[13]。王等人。14]用模糊层次分析法构造煤层突水指标层基于地质、水文地质、地面弱透水层和mine-size因素预测突水通过煤层地板。雪et al。15]选择7个主要因素,即围岩等级,岩石完整性、上覆岩层厚度、海水厚度、隧道部分,渗透系数,和施工技术水平,为风险评估指标的评价模型。Zhang et al。16)被认为是岩溶地质条件和地下水位等选择九个主要因素,土地形式和生理学、岩层的态度,不利地质条件评价指标影响突水的隧道。然而,现有的预测模型不介绍的突水类型影响因素。首先,岩石屋顶与不同的厚度有不同的故障模式复杂压力(17,18]。此外,地质条件的不确定性在隧道面前引起不同的水文地质条件和类型的突水现象在不同的领域。第二,AHP中判断矩阵的一致性测试是复杂的,需要多次调整,和大多数现有的评价模型缺乏定量评价指标因素分析突水和危害的风险19]。因此,有必要引入突水灾害类型的评价指标预测模型,以建立一个定量和定性突水预测方法。

突水和泥浆侵入及其预警系统关注的风险评估和先进的预测被广泛研究。目前先进的隧道的预测方法,如隧道地震预测(TSP),隧道反射断层扫描(泰爱泰党),探地雷达(GPR)检测、红外检测水、和先进的井下探测,可以确定不同的响应特性对地下水根据各检测方法的具体特点,采用和后续动态预测方法来预测隧道突水灾害的位置。例如,为了防止不可预见的不利的地质条件,有必要研究面前的地质和水文地质条件下隧道开挖面在施工阶段(20.]。根据地震波的特性,使用TSP长途预测方法,使用这种方法,炸药震源识别异常相关的地质结构和地下蓄水层(21- - - - - -23]。Yamatoto et al。24)开发了一种三维反射器跟踪系统,即泰爱泰党,它可以检测地质条件在100 - 150米隧道面前。改进的检测和解释,探地雷达作为短期预测方法(25,26]。探地雷达图像的解读,丰富的,可以提炼出有用的信息来描述和区分地下水及其特定位置(27]。Corbeanu et al。28)使用探地雷达属性预测三维流体渗透率和泥岩分布华东犹他州。探地雷达属性也一直在研究岩溶隧道的地质勘探27]。促进钻井可以检测地层岩石的软硬,岩体的完整性,可能错误的分布位置和突水,通过推进速度的分析,旋转速度和暴露的岩性(29日]。然而,由于之间的关系的解释标准先进的非线性预测方法和地质结构,存在普遍的不确定性和多个结果[解释的地质超前预报30.,31日]。因此,有必要深入了解各种先进的响应特性预测地下水的方法,建立动态的风险评估系统,预测施工过程中的突水灾害的风险。

在这项研究中,我们建立了一个考虑风险评估方法来预测突水灾害Micangshan隧道为研究对象。首先,突水灾害的类型分类基于工程地质和水文地质条件。根据层次分析法和评分方法,定量和定性的静态评价方法建立了量化突水灾害的风险,从而提供一个基础设计阶段。其次,根据静态评价方法,对应三种动态预测方法建立了施工过程中的突水灾害。最后,验证了该方法的可靠性和适用性的一个例子隧道突水灾害预测、预防和控制提供参考。

2。工程配置文件

2.1。网站和地质

山西省Micangshan隧道连接四川如图1。它是分离深埋超长隧道和Taoba高速公路是一个重大的工程结构。其beginning-ending里程K39 + 733 - k53 + 527;它有13.8公里长,而且最大埋深约1055米。隧道入口位于Nanzheng县汉中城市,陕西省。这个地区的降水分布不均匀,主要集中在7月到9月,占全年的53%,平均年降水量为920毫米。隧道的出口位于南疆巴中市县、四川。这一地区拥有丰富的降水、多年平均降水量1828毫米。地表水体在隧道的地质区域很发达,与大多数沟壑发展成为树的形状和大多数的小水沟都只有季节性水。隧道地区的地下水主要分为碎屑岩裂隙水、岩溶裂隙水和基岩裂隙水。

2.2。地质构造

Micangshan隧道的地质构造图所示2。基于钻孔Z1-Z4数据,岩性主要由泥质粉砂岩、泥质石灰石、白云石、石英闪长岩。这种成熟的结构包括两个向斜结构,即。Xiaoba和中子山背斜构造,即。、大巴山、以及6断层断裂区(F1-F6)。基于钻孔数据Z1, Xiaoba向斜轴向地层的结构严重皱巴巴的,岩溶的特征。根据钻孔Z4的暴露,大巴山背斜构造位于凹谷和岩体在其两个翅膀和核心是岩浆岩和大规模的结构。石灰石部分属于区域岩溶区,与弱中岩溶发育相对成熟的裂缝,丰富的含水量,高水头,高压力。有表面岩溶洞穴、轴和漏斗在某些部分。

有一个联合密度区岩接触带的位置,向斜构造,断层破裂带。构造和防水效果使可溶性岩石在该地区有利于地下水的充电和可溶性岩石成分的溶解,导致强烈的岩溶发育程度和各种解散形式。

2.3。预测的突水类型

隧道突水的涉及三个方面:灾难源、突水通道,antioutburst结构。这场灾难是最重要的能源来源,突水的物质基础。的可能性和状态在Micangshan隧道突水预测根据其潜在的地质和水文地质条件。四个主要类型的识别突水:突水含水的裂缝、断层裂缝区,岩溶管道,和岩溶洞穴32,33]。

2.3.1。突水在含水的裂缝

如图3挖掘在岩石地层渗透性较差,围岩的应力不断变化,因为隧道开挖引起的扰动破坏了原始渗流平衡系统。的共同作用下,地下水压力水头高、围岩压力、地下水削弱了裂隙岩体,形成水楔形。当裂缝面地下水压力超过极限强度断裂扩展的岩体,含水断裂可能逐渐扩大和分裂(32,33]。地下水的冲刷和放大效应将不断扩大突水通道,导致地下水直接涌入的隧道或渗透进入隧道裂缝,形成涌水通道,造成突水现象。

2.3.2。在断层突水断裂区

如图4,故障导致的特殊构造作用形成的大量岩体断裂区,和大多数的填充物在断层带角和不同的大小。因为水断层破裂带的渗透率高于含水层的岩体,强大的切向应力和周向应力可能出现在断层破裂带,导致原始断层带的放松,原始裂缝的进一步扩张,甚至形成新的裂纹。同时,地下水可以收集两个岩体之间的缺点,提供了空间和渠道地下水的储存和迁移。进行隧道开挖时这样的错误,的水泄漏量可能相当大(32,33]。

2.3.3。在岩溶突水管道

如图5地形、岩性影响导致低洼地区容易形成盆地,成为岩溶地下水的补给区。由于地表水或地下水的长期作用,是侵蚀的岩石,和含水的存在管道具有良好的连接,强烈渗透含水地层、裂缝或其他含水围岩的结构具有良好的渗透性结果形成的岩溶管道(32,33]。在岩溶地区隧道的开挖管道直接揭示了围岩含水结构,导致隧道突水现象。

2.3.4。在岩溶洞穴突水

如图6,由于地质构造、裂缝和层间滑动空间中形成可溶性岩层创建最初的岩溶洞穴的形成和扩张的空间。化学溶解的作用下很长一段时间,地下水携带沉积物,碎片,和其他材料进入溶洞裂缝通道,形成溶洞充填介质,源岩,砾石、角砾岩和其他材料。在隧道的施工过程中,岩溶洞穴是不安和他们直接推倒防水层;当他们达到临界状态时,由于强烈的水压力,以前沉积材料取出,形成一个水和泥浆侵入到隧道地质灾害(32,33]。

3所示。评分法和静态分析突水灾害

一个静态突水灾害评估模型是一个风险评估系统的突水现象基于AHP和评分方法。首先,确定影响突水风险的评价指标。基于AHP,每个评价指标进一步划分为若干个评价因素,并确定每个指标的权重。第二,灾害风险值与每个评价指标的量化分数通过一定方法,和量化值能准确反映环境因素的特点是输入。根据评分法,定量的影响每一个基本评价指标或标准评价因子得分对事情的发展。最后,建立了数值模型使用倒序叠加的方法,并结合实际的分析,以确定最终的判断。

3.1。AHP分析方法

的AHP Saaty[推荐的34),是一个分层加权多目标综合评价决策分析方法基于网络系统理论。结合quantitative-qualitative分析用于多目标决策和评估复杂的问题。它包括以下主要步骤。

步骤1。建立层次分析法结构模型。
在这一步中,建立了总体目标,决策问题是详细分解,形成层次和组织特征,多层次梯度结构模型。在发达的模型中,元素分为顶部,中间,和较低的层根据它们的属性和相互关系。上层的元素是由底层的元素,他们扮演主导的角色在决定后续的相关元素层。采用线性串联来构建一个层次级别的特征。

步骤2。建立比较判断矩阵。
在这一步中,一个特定的因素U被认为是标准的判断矩阵,在此基础上比较底层的因素,和n所示顺序判断矩阵得到以下方程: 在哪里 , 。
假设有n因素(U₁,U₂、…U_n在同一层);然后所有成对比较的因素;例如,U_我是相对于U_j和相对重要性评估1 - 9的规模;尺度的含义如表所示1。

步骤3。计算元素的相对权重后,单一标准及其一致性检验。
根据判断矩阵的最大特征值对应的特征向量Z通过使用线性代数。获得的特征向量是各个评价因子的重要性的顺序,然后归一化因素给的重量分布。本文采用sum-product方法的近似解的方法。(1)每一列由判断矩阵归一化,见以下方程: (2)规范化的判断矩阵的每一列添加一行,见以下方程: (3)如方程所示(4),矢量 是归一化: 进而获得特征向量。(4)如方程所示(5),最大的特征值计算: (5)一致性的判断:验证是否判断矩阵具有满意的一致性结果,一致性比率的价值(CR)是用于判断,见以下方程: 在CI一致性指标;国际扶轮随机指数取决于数量的评估因素判断矩阵(表吗2);λ_马克斯判断矩阵的最大特征值;和n的数量指标。当CR < 0.1,这些措施的一致性判断基于矩阵的结果是令人满意的水平,这意味着重量分布合理和可靠的。否则,必须重组,直到满意一致性矩阵。

步骤4。后的元素相对权重计算总标准及其一致性检验。
等级,每个影响因素的权重计算相对于总体目标,通常采用自顶向下的方法。随后,最后合成结果的一致性检查来判断总体的一致性。

3.2。得分方法

评分法用于计算突水的综合评价得分,确定突水的风险水平。首先,影响事情的发展的因素分解为许多评价指标(U₁,U₂、…U_n)。第二,每个评价指标分为几个基本评价因素(C₁,C₂、…C_n的分数),每个基本评价指标或评价因素的影响对事情的发展是根据定量标准决定的。最后,风险价值的突水是用倒序叠加的方法获得的,这是一个线性组合关系;最后的评价是结合实际进行分析。的具体方法相反的顺序叠加法给出方程(7)和(8): 突水风险值(即。,TRV) is the comprehensive evaluation index of the water inrush phenomenon; the higher the TRV value, the greater the possibility of water inrush in the tunnel;U_n每个评价指标的量化评分;W_联合国各评价指标的权重;C_n是基本的评价因素的量化评分;W_cn每个的重量基本评价因素。

3.3。模型分析

超过100例中国隧道突水系统地总结和分析主要基于变化特征和发生在隧道突水条件(16,35- - - - - -38]。隧道突水灾害是由于隧道工程的影响及其与地下水的交互环境。地层岩性是地下水的基础存储。的围岩的岩性地层的分布是不同的。地形条件发挥重要作用在地下水补给,径流和放电作为影响地下水循环交替的一个重要因素。地质构造条件的主导因素控制地下水埋藏的方向、分布和运动。因为隧道截面的位置在地质构造变化,地层的隧道部分的生产和下游区也显著不同。隧道的长度和埋藏深度是外部影响因素的形成灾难;隧道在施工过程中延伸的时间越长,越多的水文地质单元和岩层它遍历;隧道越深,排水区越大,径流和补给区隧道的网站。 Karst development is an intrinsic factor affecting the water inrush phenomenon.

在这篇文章中,一个静态的Micangshan隧道突水灾害评价模型建立了考虑工程地质条件,隧道断面特征,和隧道的水文地质条件,以及统计分析突水类型的发展。这些特征主要分为地层岩性(U₁)、地形条件(U₂),地质构造条件(U₃)、隧道长度和埋深(U₄)和岩溶发育(U₅)。这是进一步分为五个评价指标和12个评价因素(C₁,C₂,C₃,C₄,C₅,C₆,C₇,C₈,C₉,C₁₀,C₁₁,C₁₂)。突水灾害的AHP层次结构模型图所示7。突水灾害的程度分为五种类型,即非常低的风险(风险等级I),低风险(风险等级II),中等风险(风险等级III),高的风险(风险等级IV)和极高的风险(风险水平V)。

专家的AHP判断问卷是一个关键点。专家问卷调查有两种方法:(1)一个是成对比较,提出Saaty [34),提高了李et al。39];(2)做问卷调查的另一个方法是使用律提出的表比较et al。40]。本文使用第二种方法进行问卷调查,不仅可以得到合适的专家的回复也决定了模糊数基于专家的回答。作者选择了六个有经验的专家与水文地质专业知识和隧道工程评估Micangshan隧道突水风险。

如表所示3- - - - - -8索引层的判断矩阵可以计算。最大的特征值(λ_马克斯)可以计算判断矩阵方程(5),可以计算并验证了CR方程(6)。另一个分指数层的判断矩阵指数层也可以获得。此外,每一个判断矩阵的权重可以使用上述方法计算。如表所示9和10,初级和二级评价指标的权重值分别计算在这个水平,CR计算的合理性和验证。CR小于0.1,这表明判断矩阵的一致性。

根据灾难的程度和范围导致因素评价指标,灾难导致因素的量化值(见表决定11)[41- - - - - -43]。至少五个隧道工程专家选择得分基于野外地质和水文地质条件。每个评价指标的平均分数计算分数的基础上所有的专家,可以改善每个索引的最后分数的准确性。使用方程(7)和(8)和确定评价指标的权重,突水的风险价值(和)使用得分计算方法如下:

的最大成绩U_n是20。这一点必须增加了五倍达到100年的目标和价值。根据刺价值,风险等级分为五个等级;分数越高,灾难的风险水平越高,如表所示12。

4所示。突水现象的动态风险预测方法

突水现象的动态预测是基于静态突水的风险等级,并提前预测方法用于确定和分析突水的位置在施工阶段的地位。隧道突水灾害的动态预测是通过一个集成的实现先进的预测方法,结合了长途(如TSP,泰爱泰党)和短的距离(例如,探地雷达、TEM、红外水分检测方法,先进的钻探)预测方法。长途意味着预测隧道的距离约100米,和短的距离意味着预测隧道的脸的距离大约30米。根据每个提前预测方法的特点,可以减少解决方案的多样性和可以提高检测结果的可靠性。

4.1。先进的隧道的预测方法

传统的预测方法是地质分析方法(例如,palm-top地质分析,先进的钻探),地震波的方法(例如,TSP,泰爱泰党),电磁方法(例如,探地雷达、TEM),和其他方法(如红外水分检测方法)。每个检测方法是基于地质介质的一些性质的差异(如弹性、电阻率和波速)。由于的限制和约束等因素的交叉区域地质条件的复杂性,深埋隧道和地球物理方法的多个解决方案,每个先进的预测方法都有自己的优势和局限性(见,例如,表13)。只使用一个先进的预测方法,很难准确地检测隧道的地质条件在前面。特别是,在复杂的地质和水文地质条件下如Micangshan隧道,更重要的是确定一个科学,有效,准确的地质超前预测方法(44,45]。

4.2。动态预测方法

根据突水风险的静态评价结果的不同部分Micangshan隧道,不同突水灾害的风险水平确定。然后,采用动态突水灾害预测方法,用不同的先进的预测方法对不同风险级别的突水灾害预测突水灾害的位置在施工过程。因此,划分三个动态突水预测方法,即主动态预测,二级动态预测,和终端动态预测(表14)。在此基础上,全面先进的地质构造预测系统适用于隧道工程,并形成动态预测的过程。

5。模型验证

的埋深K41 + 440 - k43 + 080里程的Micangshan隧道751米,岩性主要由白云石和岩石形成的中间层。截面图表明,它是一种并行在山谷,地下水是岩溶裂隙水,与当地突水发生在含水的裂缝。面对的隧道挖掘K42 + 480断面如图8。围岩主要是白云石和层面是微微弯曲,由于构造运动部分破碎。隧道的关节面不均匀地分布,库的来源是雨,水从裂缝中,吐出的左边脸上的隧道。根据公路隧道的规格设计,围岩的水平诉的定量和定性分析静态评价模型提供了一个和值为75,这意味着这隧道区ⅴ风险。如表所示14采用三级动态预测在该地区,包括隧道的地质分析面对分析、TSP探测、探地雷达水检测方法,和先进的钻探。

在TSP方法中,地震波是由人为兴奋源和传播在隧道沿隧道轴。当不利地质的身体(如岩溶洞穴或裂缝)遇到隧道前脸,海浪反映,受到高度敏感的传感器。根据反射时间、传播速度和反射波的波形,不同的数据处理特点TSPwin光软件预测不利地质机构的位置。如图9(一个)、物理力学参数结果由TSP K42 + 510 - K42 + 540节清楚表明,P波与S波的速度降低,波形异常。P S波的比例增加,而弹性模量和密度减少。反映层由TSP在相应的部分表明显著增强的负面反映区域(图9 (b))。预测结果通过TSP K42 + 510 - K42 + 540节清楚表明,有相当大的裂缝发展和大量的水在这一节的内容。

在探地雷达方法中,岩体媒体的分布规律是由传输脉冲电磁波在一定频率范围内。通过雷达数据的综合分析和处理和复杂的气象要素,各种灾难可以获得来源,特征参数和洞穴等不良地质构造和断层隧道可以被探测到。根据突水的关键区域预测的TSP方法,SIR3000探地雷达探测地质构造用于K42 + 510 - K42 + 540部分。两条测量线用于测量,以确保检测精度高。雷达从左向右移动在均匀运动实现,同时避免分离的现象,经济停滞,突然开车尽可能多。速度和位置的两行是一致的。探地雷达解释结果K42 + 510 - K42 + 540剖面表明,雷达反射波振幅显著增加,强反射界面清晰(见图10)。这表明破碎岩体在洞穴部分,可能含有孔隙和海绵的地质结构。K42 + 492部分主要由中白云石和先进的钻井在这一节中使用。先进的钻探结果表明,钻井速度增加到一个较大的值和保持不变。从管芯,喷出来的水的喷射距离大约1米(图11)。这个地区有发达的关节和裂缝和高水压力,并通过水井地下水喷出来。

当隧道挖掘K42 + 530里程部分,隧道面临主要由白云石,相对较弱和裂缝发展作为一个整体。根据突水的静态评价结果和动态评价结果的解释,突水的危险被认为是极有可能发生在这一节中。开挖后围岩容易变形,卸载,并卸荷裂隙逐渐扩大形成渗流或爆发通道地下水排放。如图12大量的水喷出来的水井和裂缝,和突水不断增加约800米³平均每小时。因此,隧道充斥60 m后面工作的脸。在先进的钻探,释放高压水事先存储在围岩,紧急疏散的工人和设备进行了隧道和及时采取排水措施,避免灾难性的涌水事故。动的突水风险评估方法实现了准确预测岩溶隧道突水风险。这将大大减少突水的可能性,并提供设计基础治疗。

6。结论

(1)基于Micangshan隧道的地质和水文地质条件,确定了四种类型的突水:突水含水的裂缝、断层裂缝区,岩溶管道和岩溶洞穴。(2)通过考虑定性和定量因素,5个一级评价指标和12个二级评价指标提取,形成隧道突水风险评估指标。根据这些指标,建立了静态突水灾害风险评估模型。突水灾害的风险分级和值是我(非常低的风险),二(低风险)、第三(中等风险)、第四(高风险)和V(极高的风险)。准确地识别赋存特征和损伤程度的含水的身体,先进的敏感性预测方法地下水进行了综述和分析,并建立了以下三种动态预测方法:主动态预测,二级动态预测,和终端动态预测方法。(3)的挖掘K42 + 510 - K42 + 540里程的Micangshan隧道使用静态突水风险评估方法和评估是判断风险很高。基于动态评估模型和使用终端动态预测方法在施工过程中,可以推断,丰富隧道裂隙水发展之前的脸,和隧道的脸和地下水之间的连接是好的。动的准确性突水灾害风险评估和预测方法验证,证明了该方法的合理性和适用性。

数据可用性

底层数据支持我们的研究结果不可用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(41807255号,41772329,和U19A20111),国家重点实验室的研究基金会的地质灾害预防和Geoenvironment保护独立研究项目(SKLGP2020Z010)和四川科技项目(没有。2019 yj0465)。