趙永生

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量山區(qū)交通建設(shè)都采用長(zhǎng)大隧道方式通過(guò)越嶺地段，特別是在我國(guó)西南部;云南省地處云貴高原，大部分地區(qū)位于西南橫斷山脈地帶，溝谷縱橫，山高谷深，地勢(shì)陡峻，這給公路隧道的建設(shè)和發(fā)展提供了有利條件。還有地鐵，過(guò)江和海底隧道的建設(shè)等等。由于隧道施工及運(yùn)營(yíng)將穿越不同地層地質(zhì)條件下的圍巖介質(zhì)，從而將不可避免的遇到山體變形、地震、塌方、涌水、巖溶塌陷、巖爆、泥屑流、高地溫、瓦斯爆炸及有害氣體突出等地質(zhì)災(zāi)害，其中以涌水最為普遍和嚴(yán)重。除此之外，隧道施工開(kāi)挖工作面前方地質(zhì)情況的預(yù)報(bào)是國(guó)內(nèi)外工程地質(zhì)和隧道工程界關(guān)注而又沒(méi)有得到很好解決的難題。實(shí)踐證明在隧道施工中開(kāi)展災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)能極大的減少塌方突水突泥等不良地質(zhì)災(zāi)害，既可保證施工的順利進(jìn)行，又能極大的降低成本，故其在隧道施工中非常重要且十分必要。

1 隧道涌水災(zāi)害的研究

隧道涌水是隧道建設(shè)中較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一，歷來(lái)在隧道工程的修建中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員都非常重視隧道涌水的預(yù)測(cè)問(wèn)題，對(duì)此進(jìn)行了大量勘探、試驗(yàn)及分析研究工作。1856年法國(guó)工程師達(dá)西(Henry Darcy)通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)提出了線性滲流定律，為滲流理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，從而揭開(kāi)了滲流力學(xué)研究的序幕。與達(dá)西同時(shí)代的裘布伊(J.Dupuit)以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出地下水單向及平面徑向穩(wěn)定流公式，描述了特定條件下地下水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，裘布伊公式對(duì)地下水力學(xué)的發(fā)展起到了重要的作用。

該研究是從巖體單裂隙滲流特征研究起步的。早在20世紀(jì)40年代，前蘇聯(lián)學(xué)者Bonoubko(1941年)及稍后的Jiomnae(1951年)在實(shí)驗(yàn)室用一對(duì)平行板模擬了單個(gè)裂隙中的水流，驗(yàn)證了單裂隙介質(zhì)中地下水運(yùn)動(dòng)的立方定律(Cubic Law)，即:

其中，q為裂隙內(nèi)單寬流量，L2T-1;Kf為單裂隙介質(zhì)滲流系數(shù)，LT-1;b為裂隙寬度，L;Jf為裂隙內(nèi)水力梯度(無(wú)量綱);μ為地下水的動(dòng)力粘滯系數(shù)，ML-1T-1;g為重力加速度，LT-2;v為地下水的運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，L3T-1;γ為地下水的容重，M-2L-2;ρ為地下水的密度，ML-3。

2 隧道巖爆災(zāi)害的研究

巖爆作為一種特殊的開(kāi)挖地層的地質(zhì)災(zāi)害，在交通隧道、水工隧洞，在煤礦、黑色金屬礦山、有色金屬礦山、黃金礦山，在深埋巖石工程中時(shí)有可遇。隨著我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度的加大及國(guó)內(nèi)外的地下工程深部化發(fā)展趨勢(shì)，隧道巖爆地質(zhì)災(zāi)害則漸轉(zhuǎn)嚴(yán)重。深入研究隧道巖爆這類(lèi)動(dòng)力災(zāi)害將成為國(guó)際重大熱門(mén)課題。

有關(guān)巖爆最早報(bào)道始于1738年英國(guó)某錫礦。在歐洲、前蘇聯(lián)、中國(guó)、印度等都出現(xiàn)過(guò)煤礦沖擊地壓;在鉀鹽、銅、銻、鉛鋅、鋁土、鐵、磷灰石、徽滬山刀采時(shí)均發(fā)生過(guò)巖爆災(zāi)害;在高山峻嶺及深部地下開(kāi)挖的交通或水工隧道、地下洞室也出現(xiàn)過(guò)各類(lèi)巖爆，如瑞典維斯塔輸水隧洞、挪威Sima地下電站、意大利格蘭薩索公路份勤道，在我國(guó)魚(yú)子溪引水隧洞、瀑布溝水電站、太平騷水電站、天生橋引水隧洞、錦平探洞、川藏公路二郎山公路隧道等都出現(xiàn)過(guò)巖爆。巖爆災(zāi)害的出現(xiàn)，促使人們關(guān)注巖爆機(jī)理、巖爆預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、巖爆防治的研究，圍繞巖爆機(jī)理各種理論得以長(zhǎng)足發(fā)展，有G.布霍依諾的“夾持煤體理論”，N.G.COOK.的“巖爆能量理論”，Blake的“巖爆剛度機(jī)理理論”?！皫r爆沖創(chuàng)頃向理論”則把巖爆性態(tài)劃分出能量、時(shí)間、形變、剛性比四類(lèi)指標(biāo)，但工程實(shí)用性還較缺乏。20世紀(jì)80年代以后，隨巖石力學(xué)發(fā)展，從巖爆破壞過(guò)程出發(fā)又出現(xiàn)若干新假設(shè):失穩(wěn)理論、斷裂理論、損傷理論、災(zāi)變理論等。這與滿足隧道工程的需要——預(yù)測(cè)與防治相距較遠(yuǎn)。謝和平用分形理論對(duì)巖爆的特征和機(jī)制進(jìn)行了研究。大量的學(xué)者從不同的角度在不同的理論基礎(chǔ)上采用不同的研究方法對(duì)巖爆進(jìn)行了深入細(xì)致的研究，取得了豐碩的成果，至目前為止，關(guān)于巖爆的發(fā)生規(guī)律還沒(méi)有形成權(quán)威性結(jié)論，爭(zhēng)論不斷不可避免，進(jìn)一步推動(dòng)了巖爆領(lǐng)域的研究發(fā)展。中國(guó)地質(zhì)條件復(fù)雜，地處環(huán)太平洋和地中海構(gòu)造活動(dòng)帶交接部位，高應(yīng)力與高能量集中引起的內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害顯著。我國(guó)西北區(qū)、西南區(qū)、康滇區(qū)均屬高構(gòu)造應(yīng)力值區(qū)。西部最大主壓應(yīng)力方向接近SN，包括NE和NW，顯示西域系、河西系、反S形系構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)活動(dòng)特征。在我國(guó)東部，屬新華夏系構(gòu)造帶的長(zhǎng)春—廣州地帶，各類(lèi)內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害顯著，常以地震、瓦斯突出、巖爆、沖擊地壓、地下熱害等形式出現(xiàn)，并具明顯的分段選擇性。我國(guó)為世界上工程巖爆多發(fā)區(qū)之一。本文從隧道工程及巖爆實(shí)況出發(fā)，充分利用國(guó)內(nèi)外巖爆機(jī)理與破壞過(guò)程研究的豐碩成果，對(duì)巖爆進(jìn)行分類(lèi)，研究在逆斷層區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下隧道巖爆的預(yù)測(cè)與防治方法，是地質(zhì)研究與工程實(shí)踐相結(jié)合，減小隧道開(kāi)挖災(zāi)害，發(fā)展隧道工程又一重要途徑。

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