地质环境与隧道工程的安全(卢耀如）

THEEXPLORATIONOFUNDERGROUNDSPACEANDPREVENTIONOFGEOLOGICALHAZARDSLUYAORU，LIUQIChineseAcademyofGeologicalSciences,TongjiUniversity 地质环境与隧道工程的安全卢耀如院士，刘琦中国地质科学院同济大学地下建筑与工程系 地质环境与地下工程的关系隧道、地铁等地下空间的开拓与地质环境之间存在着密切的联系地质环境的特性制约了地下工程的经济与安全地下空间的开拓应以地质环境作为规划、设计与施工的重要基础 主要内容对影响隧道工程建设的几种地质环境进行探讨分析不同地质环境中进行隧道工程建设可能诱发的工程地质问题针对隧道等地下空间的开拓提出了八点建议 一、中国隧道（隧洞）工程的历史与现状 HistoryandPresentSituationoftunnelinChina Before3600years,thetunnelsystemforminingmineralresourceshadalreadyreachedhigherlevel,whichsomestructuralwoodsystemarestillremainedinDaye,Hubeiprovince,China. AncienttunnelsystemforminingcopperarestillexitedinDaye,Hubei 中国具有五千多年的文明历史，对隧道等地下空间的开拓已有长久的历史在湖北的大冶地区，目前仍保留有三千一百多年前西周时期的开矿巷道，深度达到地下二十至六十多米，有四百多座竖井、斜井和上千条平巷，纵横交错，层层叠压，显示了开凿隧道的高超技术 井巷结构示意图湖北大冶铜绿山古代矿井和炉渣分布图（湖北黄石市博物馆潘红耘、周百灵、周保权供稿）（卢耀如，1986） 中国古代地下隧道的开挖还用于帝王陵墓的建造，通过修建隧道在战争中用于攻城等。目前，地下空间的开拓已遍及各个方面。在水利水电建设方面，大型引水隧洞长的达41km，大型发电隧洞长度达17km以上，埋深达2500多m。铁道建设方面，隧道至少长度在10km以上，已建成的有20多km，拟建设的还有35km以上的。中国许多城市正在大力发展地铁建设，城市地下空间的开拓显示了其多功能性 InancientChina,thedevelopmentsofsub-surfaceweremainlyforthepurposesrelatedtominingmineralresources,emperortombs,war,waterconservancyetc. Inpresent,themulti-purposesofsub-surfacedevelopmentsarerelatedtowaterconservancyandhydropower,railway,expressway,storingmaterials,recreationareas,etc UrbangroundExpresswaynetworkinthesuburbandexurbSurfaceorundergroundParkingintheexurbExplorationofundergroundspacetransportationnetworkJoinedbysurfaceandundergroundTransportationUndergroundSubwayconstructionnetworkUndergroundbusinessdistrictrecreationareasUndergroundgreenspaceHumanundergroundlivingspaceThesketchshowsthepurposesstructureofsub-surfacedevelopment 连远郊及邻区高速公路网络地表或地下的郊区汽车停车场地下空间开拓地下铁道建设城市地面交通网地表与交地通下网相络地下商业区地下娱乐区地下绿地人类地下生存的地下空间中国城市地下空间开拓的功能示意图 Inlonganddeeptunnels,themostimportantproblemsarerelatedtogeo-environmentandgeohazards 二、主要几种地质环境对隧道工程的影响SEVERALMAINGEO-ENVIRONMENTSTOINFLUENCETUNNELS 在长、大、深埋的隧道（隧洞）建设中，遇到的地质环境问题是多方面的既影响到工程造价、工期，也危及隧道的施工与运行期间的安全 1．SANDANDGRAVELFORMATION 1．砂卵石层地基 砂性基岩的稳定问题STABILITYOFSANDFOUNDATION 砂卵石层为渗流的动水压力冲刷管涌的分析LIQUEFACTIONANDPIPINGHAZARDOFSANDFOUNDATIONINSUBWAYCONSTRUCTION Itisneededtopointoutthatthefeaturesofthreephrases’flow. 三相流THREEPHRASESFLOW φ0Forthecompressedgasmass:dρdt＝∂ρ∂t+∂ρV∂xx+∂ρ∂yVy+∂ρ∂z+Vz所以divV=-1dρρdtWhenthestartvelocityV0>0,thenthecompressedgasmasshasaspeedtrend. Fortheun-compressedwaterandrockmasses:∂Vz+∂z∂Vx∂x+∂Vy∂y＝0ρ(density)=dρdt＝0divV＝0 ρoCompressedgasmasspressurePa：Pa＝ρa∫∫APo·f(Ra,θa)dA(8.34a)，f(Ra,θa)dA－气团体积变化函数；Po－原始压强；ρo－原始密度；Pa－高压气团压强；ρa－高压气团的密度。 ＝＝式中，GE－上面覆盖的可能破坏的岩土体重力；GR－库水作用下可增加荷载重力。所以：−σRρaρo∫∫A(GE+GR)·f(Ra,θa)dA(8.36) 产生气爆地震类型时，需要使产生的气爆剪切破坏力τa为：-τa＝μ(σa)+Fa·CR(8.36)式中，Fa－产生诱发地震破裂岩体的断面面积；CR－破坏岩体的凝聚力。 j=1Bymulti-factorstoevaluatetheearthquaketobecausedbythereservoirCe＝(n∑RIii=1m·PIi/n+∑RDj·PDj/m)/2(8.37)Es=Ew·Ce·Kc式中Ce－对比评判系数；RIi－间接因素i项的比值；PIi－间接因素i项的权重；RDJ－直接因素j项的比值；PDJ－间接因素j项的权重；Kc－岩溶发育中差异系数；Ew－地震条件方面差异系数；Es－预测地震震级。 地下水等水位线图成都市第四系潜水 砂卵石层对隧道工程的危害主要有：（1）隧道施工排水引起周边沙层的机械管涌与塌陷；（2）沙层的溃入诱发大量地下水－邻近河水的溃入；（3）不同结构的沙层地质，诱发不均匀沉陷，影响隧道安全；（4）沙层中夹有大块卵石对盾构施工产生影响，甚至卡住刀片 Thehydrodynamicconditionsofpercolatingflowinsandandgravelformationareeasilycausedtheliquefactionandpiping,whenthetunnelstobediggingtothroughthem. Forthehigherdynamicconditionandtheliquefactionfeatureofsanddepositinlargerriver,thereforeitisnotsuitabletoconstructthetunnelbyimmersedtubemethod. 湍急河道下砂卵石层对隧道安全分析图长江中，水流湍急。在砂卵石层中开挖槽，建沉管法隧道砂卵石层不易保持边坡稳定河流中，砂卵石层易于蠕动使上覆卵石层厚度发生变化沉管底砂卵石层，易受流速快的砂卵石层中水流的绕流，而发生潜蚀，使沉管产生不均匀的压应力而破坏 对厚的砂层进行隧道明挖时，需要考虑三个问题：（1）抽水初始水位下降诱发潜蚀、冲刷和地面沉降；（2）大量抽水后，水位下降缓慢，形成压力水头∆H，这时易于诱发下部的大量砂层溃入；（3）下部有相对隔水层时，由于上部隧道抽水降低水压，下部高压水汇合；透水层隆起，产生向上大量越流补给，危及隧道的运行 Forthesandformationtobedigging,theharmfulphenomenawillappearinthreeways:1.Thegroundwatertablemaydecreasebypumpingtoappearthepiping; 2.Thegroundwatertablewillcontainthewaterheadforthemuchwaterflowtobepumpingintunnelorfoundationpit;3.Bypumpingforlongtime,thelowerconfined,sandandgravelaquifermayhappentheleakageflowtothebottomofuppertunneltocausemorehazard. 砂层对隧道（深基坑）产生灾变危害分析图 Analysisofthesandformationtoharmthefoundationpit(deepfoundation) A-collapsezoneoftunnelroofB-pipingzoneintunnelbothsidesC-strongwater-sandinvasionzoneD-emergingleakagewater-sandzoneintunnelbottom 2．软土地基2．SOFTCLAYFORMATION Forthehigherwateryfeatureofsoftclay,themostimportantproblemistheliquefactionandcreepdeformationtoinfluencethefoundationstability. Atunnelunderthelakeinsoftclayformation,owingtothestonesabout20cmtoinfluencetheshieldtocutthesoftclay,thenthecollapsewashappened,andthelakewaterwasinvadedintothetunnel. ShieldtunnelingAnalysisofthewaterinvadeinducedbythecreepdeformationresultedfromtunneldrivinginsoftclayformation 软土基础的稳定性问题Stabilityofsoftsoilfoundationofatunnel Thelargerstoneinsoftsoiltoinfluencetheshieldinnormal 在滨海相、湖相古地质环境中：沉积的软土多处于相对运动缓慢或相对停滞的水环境中颗粒细，孔隙度大，土质软弱，含水量大易于产生蠕变，凝聚力很小，基本上可不计 在这种土层中修建隧道，需要考虑的工程地质问题有：（1）土性软弱，经受隧道的荷载易于产生沉陷，由于厚度变化，产生的不均匀沉陷对隧道内衬砌等结构造成形变；（2）由于软土的蠕变也会对隧道的结构产生影响，及时衬砌和支护都是非常重要的；（3）软土经常处在地下的还原环境下，微生物作用等易于产生甲烷气体，这些气体聚集于软土层空隙中，隧道掘进时易发生有害气体的溃入，甚至遇到火种后引起爆炸 上海地区软土层中存在甲烷气的地质剖面图（叶为民等，2001） 对于软土，当隧道长度不长时，利用盾构易于穿越若隧道穿越软土的长度较长时，由于软土的蠕变特性，会产生超量切削，于是在隧道盾构掘进的前方会产生蠕变凹槽若软土层厚度不太大时，易于诱发上部海水活河水大量溃入隧道。盾构穿越软土层，风险是必须要考虑的 Forthefeatureofsoftclayformation,todigthelongtunnelbyshieldmethod,thedangeroustrendistoformthedepressioninthesoftclayandtoleadtheseawaterorlakewatertoharmthetunnel. 软土层掘进隧道产生蠕变凹槽诱发溃水灾害分析图 Otherways,thetunnelinsoftclaybed,theunevenlandsubsidenceinaveryimportantproblems,whichmaycausetheharmtothetunnels. 软土基础的不均匀沉降（陈基炜和詹龙喜，2000） Unevenlandsubsidenceinsoftclayformation（ChenJiwei,ZhanLongxi,2000） Forthelongtunnelsundertheseawater,theactivityoffault,earthquake,arealsoneededtostudy. 海底盾构诱发海水入侵机理分析 Forthelongtunnelsundertheseawater,theactivityoffault,earthquake,arealsoneededtostudy. 3．碳酸盐岩地层3．KARSTIFIEDCARBONATEROCKFORMATIONS Resultedbythefivepairsofspecialfeacturesrelatedtokarstwater:五个对立统一特征 1.Theisolatedandsemi-isolatedwaterflowandtheunifiedwatertable．IthasbeenshowninplentyofinformationinChinathatkarstwaterflowsinnotafewareasnotonlystandinisolatedandsemi-isolatedsituationsbutalsohavethesameunifiedgroundwatertable.BothexistinunificationunderspecifiedconditionswhentheEarth’scrustisstable;otherwise,theywillconverttoeachother. Karstwaterflowunderaunifiedgroundwatertableoftenconverterintoseparatewaterflowsduetotheupliftingoftheearthcrustandtheundercuttingoftherivervalley.Onthecontrary,isolatedandsemi-isolatedwaterflowsmayalsobeconvertedintowaterflowwithunifiedgroundwatertableduetothesubsidenceoftheearthcrust. 2.Theaquiferousandnon-aquiferousrockbodiesOwingtothevariedtectonicdisturbance,inthesolublerockbodyexistbothaquiferousandnon-aquiferousbodieswhichinterconverttoeachotherduringthekarstprocess.Thechemicaldepositionanddetritalmaterialfillingduringthekarstprocessmaycausetheaquiferousbodytotransformintonon-aquiferousbody. Thusoccurthefollowingconditions;1)non-aquiferousbodywithnocavedevelopment;2)non-aquiferousbodywitheavesbeingfilledorconfined(somewithdeadclosedwaterlocally);3)fissure-aquiferousbodywithnohugecavedevelopment; 3.TheconfinedandunconfinedwaterflowsInthesameaquiferousbody,becauseofthedifferenceinkarstdevelopment,somewaterflowsareunconfinedandothersconfined,bothofwhichcanbeconvertedintoeachotherduringthekarstprocess.Theintensesolutionmaycausetheconfinedwatertoconvertintotheunconfinedwaterflow, whereasthefillingofthechemicalandelasticdepositionmaycausetheunconfinedwatertoconvertintoconfinedwaterflow.Hence,itseemslikelyunadvisabletoconsidertheuppergroundwaterassimplyunconfined. 4.ThelaminarflowandturbulentflowinthesamebodyInthesameaquiferousbody,themovementofwaterflowbelongseithertolaminarortoturbulent.Buttheaquiferousbodyasawholegenerallybelongstolaminarflow Theaveragecoefficientofpermeabilityofthekarstaquiferousbodyinlargedimensionsiscommonlylessthan1m/daywhichbelongstolaminarflow.Insomesectionswhere>5m/day,themovementofwaterflowbelongstoturbulent.Thecharactersofwaterflowmovementinsomeareasareincludedintable1. 5.Thehomogeneousaquiferousbodyandconcentratedinfluentpassage-wayItisnotinfrequentthatinahomogeneousaquiferousbodywithaunifiedgroundwatertable,thereexistssomeconcentratedinfluentpassage-waythattendstochangethelocalmovingdirectionofthegroundwaterleadingtotheappearanceoftroughontheplanandprofileofwaterlever(Fig.1). ABCDE128394105116127 在可溶的碳酸盐岩地层分布地区，有不同程度的喀斯特化作用：地表有奇特山峰发育了许多地下洞穴与通道这些活跃在洞穴通道中的喀斯特水，有裂隙水和孔隙水，具有不同的特性。 喀斯特水的五个对立统一的特性是：（1）孤立、半孤立的管道水流与具统一水力联系的地下水力面和扩散流共存；（2）含水岩体与不含水岩体共存；（3）承压水流与非承压水流相互转化；（4）紊流运动与层流运动共存；（5）均质含水性与非均质含水性复杂变化 ADBEC128394105116127喀斯特含水岩体中五个对立统一特性分析图（卢耀如，199 Themostimportantproblemofthetunneltobeconstructioninkarstifiedcarbonaterocksisthewater-soil-sandinvasion. 1.2.3.4.5.TheConditionsareusuallyhappened:Theclosedwaterwithhigherpressuretoharmthetunnels;Thelargerkarstflowtoharmthetunnels;Theupperkarstgroundwaterrivertoharmthetunnels;ThesmallkarstpassagewayswatertoharmthetunnelsThelargerfaultwatertoharmthetunnels. 在喀斯特化地层上，还存在着更明显的三相流，即固体、液体和气体三相物质混合而成的三相流三相流的一个重要特性是，固体流（泥、沙）和液体（水）是不可压缩的，而气体是可压缩的，就产生速度势，受压气体也是不断变化的 Thehydrodynamicfeaturesofsolidfkloq ①固体流运动力学基本特性通常洞穴通道形态是不规则的，水流的动力状态也是多变的。洞穴水流遇到早期沉积的颗粒时，就会产生绕流现象当流速达到摩擦门限值时的水动力Pw，就能克服摩擦阻力Fm，对颗粒产生推动力，从而产生起始滑动，而后上举力PE使颗粒悬移运动。水流起动临底流速与断面上平均流速有一定关系。整个过水断面上起动流速与水密度、颗粒大小、水头等有关 Pw=f(υm)Pw−Fm=PxPx=f(ωx,υd,ρs,C1)PE=C2Pxυ0=f(d,h,KC1)（1）（2）（3）（4）（5）υ0=f(g,ρ,ρs,d,KC2)（6） ∂Hi∂Siiα②洞穴通道三相流的水力特性Thehydraulicfeaturesofthreephrasesflowinkarstpassages如果洞穴通道中水流可分n段，每段(i)都有原始流速和末端实际流速，则水流速度变化为：υ=υ0iexp(ki•) 对n段来讲，有：υn=υ01eak1I1eaK2I2⋅⋅⋅eak(n−1)In−1eaknIn即nυn=υ01∏ei=1akiIi 由于洞穴通道断面与坡度大小的不断变化，加上固体颗粒运移时的能量消耗，因此流速是不断变化的。例如：跌水处产生重力加速度g，而获得流速：υi=υ0(i−1)+2gH01 在洞穴通道中，地下瀑布、跌水冲击洞底，加上回流、涡旋和水滚等现象，又可降低水流速度所以，随着洞穴中水流速度的变化，不断由三相流中产生固体颗粒所构成固体流的运移、沉积、再运移、再沉积的不断变化。 ∂υυx∂υz∂y③气相流的力学特性Themechanicalfeaturesofgaseousmass三相流中固体流是不断变化的，而气相流的变化更迅速。因为对液相流和固相流而言，可看作不可压缩的，应用连续性方程表示，则：++∂x∂y∂z=0 dρ∂ρ∂ρ∂ρ∂ρ∂t∂x∂y∂z密度为常数时，有：dρ=0dt或divυ=0对可压缩的气相流(气团)而言，则为：=+υx+υy+υzdtdivυ=1dρρdt ∂2ϕ∂2ϕ∂2ϕ∂x∂y∂z在三相流中，被压缩产生体积变化的气体(泡或团)的起动速度可以0计，起始压缩时存在速度势ϕ，则：Δϕ=2+2+2=divυ 由受压气团密度变化，产生速度势P而得到了弹性波速：向上运移时：υac=∂ϕ∂sυac=∂ϕ∂z pu2三相流中浮移的气团，遭受浮力PB为：PB=ρgVa在大洞穴中，由于水位、水动能的增加，可使原先处于敞开的气体转变为处在半密闭空间的压缩气团，而相混运移，或在一定环境中，被封存成高压气团，所需压缩动能水头为：Hpa=+γ2g≥10m 2•=2•三相流中气泡(团)压缩改变体积时，除了气泡自身势能以外，可引起水流流向气泡中心，作径向运动，这就改变一些水流的方向，其速度势为：ϕω=RdRrdt液体向气泡中心运移的径向速度为：υL=∂ϕR2dR∂rrdt 洞穴三相流中，由于可压缩气相流的生成、弹性变形、浮移、混合与压缩等现象的发生，在总的动力条件下，不断产生局部流态的变化，也影响到化学沉积、固体径流的运移与沉积。因此，在喀斯特化地层中掘进隧道，就很容易产生向隧道突水、突泥，甚至产生大块暗河中石头的崩入，造成重大灾害 天然岩溶塌陷Naturalkarstcollapses1.碳酸盐岩自身重力塌陷(1)梁状洞顶塌陷(2)穹状洞顶塌陷(3)多层洞顶塌陷 在不同的地质条件中，河流、平原、盆地、滨海地带，都有不同成因的砂卵石层沉积受沉积时古地理地质环境影响，各地砂卵石层的结构也不尽相同砂卵石层的颗粒级配、沉积韵律与沉积时的水动力条件密切相关 abcde喀斯特化地层向隧道突水、突泥的几种情况（a）封存喀斯特水-泥土溃入隧道；（b）富水喀斯特通道突水入隧道；（c）上部暗河突水、泥-石块入隧道；（d）喀斯特水管道水多处突入隧道（e）断层带突水入隧道1.喀斯特通道；2.封闭喀斯特水—泥的溶腔；3.喀斯特泉水；4.喀斯特暗河出口5.隧道；6.河水位；7.突水突泥方向 KARSTCOLLAPSESINTHEDEPRESSIONCAUSEDBYDRAININGKARSTWATERFROMTHEDAYAOSHANRAILWAYTUNNEL KARSTCOLAPSEFORMEDINTHEQUATERNARYBEDATTHEDEPRESSIONABOVETHEDAYAOSHANTUNNEL650M THEDAYAOSHANDOUBLETRACKTUNNELBEENCOVERDBYSAND,WHICHWASEMERGINGTOHETHERWITHTHEKARSTWATERFROMHIGHKARSTPASSAGES SKETCHOFEMERINGKARSTWATERANDCLAY-SANDINTODAYAOSHANRAILWAYTUNNEL600MEmergingkarstwaterandand-clayintotnnelArtificialshaftKarstdepressionandkarwstcollapses C11W46槽谷及其编号洼地及其编号S+DP22+T1P1P21车心洞小函隧道W45W44W46C13飞水涯C12C11毛家院子W38W37W39W51C10W47W43W35W36W34W33C9W40W41W42W30W29C8W24W25W26W32W31W49W22C7W21茨竹坝W23W27W28C6W19W20W18C5C14毛坝C4W17W16苍薄堂W14W15C3W13W48C2W11W12W50C1黄家槽W10W7W9W8W6W2W3W4W5 衬砌台车被推移了200米 4#溶洞4#溶洞是由多个小岩溶溶隙组成的溶隙群段，该溶洞开挖施工后，受降雨影响，多次发生大规模涌水涌泥。5#溶洞2001年7月14日，隧道突发大规模涌水突泥，最大涌水量2万m3/h。涌水涌泥持续28分钟后渐小，涌泥量1.5万m3。随后进行超前探孔时，由探孔中再次发生突水喷泥，喷射距离达40m。 装载机被推移了500米后，倾覆。 突出的巨石块达到了1立方以上 渗水流量为1立方米/秒 大瑶山突水——灰岩段涌水 正洞溶洞涌泥 平导岩溶涌水 野三关隧道—突水突泥灾害情况照片 出口水流 事故发生后48小时候隧道出口流水情况 隧道出口 突泥突水的过水线 突水、突泥伴有大量泥砂块石涌出 正洞出口涌水情况 衬砌台车被推移了200米 突出的巨石块达到了1立方以上 渗水流量为1立方米/秒 三、隧道建设中几个重要的问题SOMEIMPORTMENTPROBLEMSINTUNNELCONSTRUCTIONS 1.地质环境对地下空间（隧道）开拓的影响DEVELOPMENTSOFSUB-SPACESTOBEINFLUENCEDBYGEO-ENVIRONMENTS 1.地质环境对地下空间（隧道）开拓的影响地下水侵蚀性及对水泥的侵蚀性；地下有害气体对地下空间的侵害；地震对地下空间的影响；地热场对地下空间开拓的影响；构造活动性对地应力的影响；地下岩体的放射性。 2.隧道等地下空间的开拓应当注意的方面IMPORTMENTWAYSFORTUNNELCONSTRUCTIONSMUSTBEPAYUINGMOREATTENTIIONS 2.隧道等地下空间的开拓应当注意的方面城市安全。地下空间开拓应以考虑大都市的安全与可持续发展为重要原则；科学研究。地下空间开拓中应加强科学程序的协作；防治事宜。地下空间开拓中要注意诱发灾害，防微杜渐；风险机制。地下空间开拓中进行风险评价和风险管理。 建议隧道和其他地下空间的开拓，都应当要以地质环境作为规划、设计与施工的重要基础应当依据地质环境的特性及可能诱发的有关问题进行科学地规划与设计工程的处理措施也要考虑地质环境特征，许多实例说明，不认真研究地质－生态环境，所建设的隧道等地下工程必定会带来不良的地质环境效应，反而引起环境的破坏。 SUGGESTIONS 《地下空间开拓（地铁建设类）要重视地质—生态环境效应》的一个建议 开拓决策一、大都市空间开拓是发展形势所趋，但不可草率从事、急功近利。规划基础二、地质—生态环境应是规划地下空间开拓的重要基础 地质条件三、地下空间开拓应是认真进行地质环境与地质灾害的评估综合效应四、地下空间开拓应综合研究大都市建设的综合地质环境效应 城市安全五、地下空间开拓应以考虑大都市的安全与可持续发展为重要原则科学研究六、地下空间开拓中应加强科学程序与协作 防治时宜七、地下空间开拓中要注意诱发灾害的防微杜渐风险机制八、地下空间开拓中进行风险评价和风险管理 Themechanicstabilityofcaverelatedtothetunnelisneededtotaketheprotection. Forthetunnels,itisneededtoconsider:1.Developmentpolicy;2.Planningbases;3.Geologicalcondition;4.Comprehensiveimpacts; 5.City(andengineering)safety;6.Scientificresearch;7.Hazardsprevention;8.Riskevaluationandriskmanagement.