基于统计分析理论下西南岩溶隧洞涌水量测量探析

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论文字数:34570 论文编号:sb201311271958379232 日期:2013-11-28 来源:硕博论文网

第 1 章 前言


1.1 选题依据与研究意义
科技进步和社会的发展,在进入进入 21 世纪后,各项基础设施建设的投入也不断加大,地下空间的开发利用已经开始扮演日益明显重要角色。在许多方面隧道设施都有着显著优势,特别是在我国西南山区,隧道工程的建设为本来就不畅的交通带来了便捷化。西南地区的许多重大项目正在或即将启动,众所周知西南地区复杂的地形条件下,隧道成为了工程应用中重要组成部件,然而西南地区地形地貌复杂,岩溶广泛发育复杂的地质环境为发生地质灾害提供了条件,在众多灾害之中岩溶地区隧道涌突水是最危险的灾害之一。我国西南岩溶地区以云桂为主体,包括四川、湖北、湖南的岩溶的形成和发育都比较完整。这些地区区域地质构造如断层和褶皱较发育,结构复杂,特殊的地理位置造成了新构造运动的活跃,常年温湿性气候和其他因素的影响,导致在西南地区发育有较其他区域特有强烈的地表和地下岩溶。因此,西南地区复杂的环境地质,岩溶水文地质条件对隧道工程的建设和运营有很大的影响和控制作用。在完成在西南岩溶地区的主要轨道交通线路开工建设,长隧道在中国西南地区交通建设其长度迅速增加,同时增加的深度成正比。根据中科院地质研究所岩溶研究组 1979 年的研究资料,我国是世界上岩溶发育较多的国家,总面积达到 3.44×106km2,其中出露面积为 9.07×105km2。我国岩溶分布主要以西南为主,云、贵、桂为主体,贵州省面积的 80%以上系可溶岩地区,川、鄂、湘部分地区的岩溶高原占 5.0×105km2,北方山西高原及邻近省区占 4.07×105km2(袁道先等,1994)。活跃的新构造运动,常年温湿性气候和其他因素与一个强有力的地表和地下岩溶发育有着密不可分的关系。
然而复杂环境地质条件和广泛的岩溶分布是的隧道施工遇到的岩溶涌突水灾害,其涌突水和沉陷以及水枯竭灾害长期不规则的存在,已经引起了人们的关注,据统计,铁路隧道涌突水灾害在我国屡见不鲜,近1/3的隧道发生过涌突水灾害。如成昆线上 415 座隧道中,93.5%的隧道在施工期间发生不同程度的涌突水灾害,有 8 条涌水量超过 10000m3/d,而严重涌水量 13 座(刘高,2002)。据中国铁路工程总公司西南科学研究院统计,广渝高速公路华蓥山隧道发生涌水,涌水量高达 686880m3/d;京广铁路南岭隧道也发生过涌水,涌水量高达81000m3/d,隧道涌突水造成的灾害主要主要表现在填塞坑道、淹埋设备,给隧道的施工和灾后清理工作带来了不便,甚至对人民的生命财产造成不可估计的灾难。在涌突水常发地段隧道的正常运营也受其不同程度的影响,经济损失也是不可避免的(王建秀,2004)。
20 世纪 70 年代前建成的众多铁路隧道,包括成昆线、川黔线、贵昆线、盘西线等,已经近几十年年建成的南昆线、渝怀线、宜万线、黔渝线、黔桂线等铁路上的数座岩溶隧道施工过程中都发生过严重的岩溶涌水突泥灾害。特别著名的有宜万铁路隧道路线,由于地质构造复杂,施工过程中岩溶突水曾多次对工程造成严重影响,马鹿箐隧道内某暗河突水造成 11 人当场死亡。52 人被淹,10人失踪使野三关隧道岩溶突水事故震惊国内。广安~重庆高速公路华蓥山隧道施工时发生过 7.95m3/s 最大涌突水现象。大瑶山隧道涌突水突泥灾害使得 30 余间房屋遭到不同程度破坏,致使地面发生岩溶塌陷 300余处,800余农民的生活受到影响。京广铁路复线中。包括南岭隧道发生涌水时高达达 2.2×104m3/d,造成京广铁路下沉,地面塌陷 65 处,断道 6 小时,中线附近农田、井、泉疏干,整治工期达 3 年之久,损失补偿耗资巨大。由此可见岩溶隧道涌水灾害成为目前亟待解决的一大重要课题。半个世纪来,在隧道涌突水预测方面研究工程有一定的开展,但岩溶隧道涌水灾害预测和评估,主要是根据经验来判断和超前地质预报结果来推测分析。涌水灾害预测研究近半个世纪的历史,尤其是最近三十年来间,在研究的方法上有了一定的深入。并且扩展各种地质预报方法,如声波探测、界面位置结合地质分析法、红外探测仪探水法、地质雷达探水法、岩体温度监测法和钻孔探水法(何发亮等,2007)等,在隧道施工中均有使用非确定性的统计模型,确定性的数学模型,随机数学模型和非线性模型预测隧道涌突水,但由于西南地区深埋(特)长隧道,高复杂性,不确定性以及有限的条件和期限,缺乏深水勘探数据。掌子面地质环境复杂,地下水的运移条件以及水压力预测的准确性面前,仍然是隧道施工中难以实现的技术难题。我国部分铁路隧道预测涌水量与实际涌水量的统计的相关资料显示,预测值和实测值的关系一直没有得到较好拟合,预测值与实测值的误差出现在在 20%范围内,仅占统计样本总数的15%,误差超过 50%则占到统计样本的 75%以上,部分隧道的预测误差竟高达数十倍(徐则民,2000;王建秀,2002;李苍松,2006)。研究的整体水平不符合安全隧道工程建设的需要,导致灾害频繁发生。关注地质预报和预测调查越来越引起重视。近半个世纪以来,特别是在最近的几十年,无论是在研究的深度和广度上都有了很大的扩展,但也有许多缺点和不足。隧道涌水量预测结合传统的专业理论公式,根据项目的具体情况,许多专家和学者,传统融合或引进一些新的理论方法来预测水隧道,并已取得了一定的成功(张雷,2007 年)。岩溶隧道涌水预测的困难在于在岩溶隧道涌突水有关的灾害发生岩溶介质特性和地下水流通迁移条件,由多种影响因素控制。由于影响因素的选择,如果你不认为这是控制因素,这些因素都是次要的,一方面,引起过多的评价指标,实际工作中不具备可操作性,另一方面忽视的因素指数的灾难的可能性有多大的贡献,所造成的因素的重要性和测定重量混乱或危害的大小,不与实际情况相匹配。


第 2 章 西南地区岩溶特征概述


中国西南岩溶地区,岩溶地貌连续分布冯瑞面积最大和发育类型最为齐全.以贵州高原为中心,包括贵州、云南、湖南、湖北、广西、广东、四川、重庆八个省(区、市),面积若按可溶岩盐出露面积计算为 114.2 万 km2,按含可溶岩底层出露面积计算为 78.3 万 km2,其中可溶岩裸露面积为 46.9 万 km2。西南岩溶区面积分布广布,但是不同地区岩溶地貌的特征和程度又各不相同,如贵州高原以裸露型岩溶为主,四川盆地则以埋藏型岩溶为主,湖南盆地主要包括的埋藏型和覆盖型岩溶均有,区域岩溶环境下的不同的岩溶形态及岩溶单元,差异产生主要由于各地区岩溶发育条件的不同。所以概况影响岩溶地貌发育程度和特征的因素包括:构造、气候、土壤、岩性等,以及这些影响因素而产生的直接作用方式和综合起来考虑产生的影响。本文从这一观点出发。初步讨论地区岩溶发育条件和特征,而这种岩溶发育环境的特征差异性的为我们后面讨论岩溶隧道涌突水的影响因素提供参考。


2.1 西南地区的地质特征
西南地区基本位于塔里木-华北地台、太平洋洋盆和印度地台等三大地块之间扬子区稳定地台内,三大地块对扬子地台在不同时间产生不断碰撞挤压,同一时间的联合挤压,在扬子地台外围与三大地块之间分别形成了各种地槽褶皱系,依次对应为:中国西南褶皱系、秦岭褶皱系、华南褶皱系。江南区作为扬子地台内次级构造单元,其构造活动性较传统意义上的稳定地台区明显强烈。区内构造线展布为“山”字型构造,湖南、广西东北部、湖北、贵州遵义-贵阳以东部地区主要为 NE-NEE 向构造;中部北段主要为近 SN 向(NNE~NNW向)构造,而中部南段则为近 E-W 向构造;西部川滇青藏地区自晋宁运动以来,具有长期间隙性活动性质,由华南板块西缘和冈瓦纳古陆北侧印度板块北缘的几个活动带、陆块等以及它们之间的结合带组成,总体上具有扬子古陆边缘活动带性质,主要区域构造线以 NNW向为主,其间夹有 NE 向构造线,现代很多地震活动与 NNW 构造应力场有关(图 2-1)。较早地史时期形成、现今继续活动的构造体系主要有滇南山字型构造系、川滇经向构造体系和青、藏、滇—缅、印尼歹字型构造系。此外,北部的湖北、重庆和四川的北部地区由于受到塔里木-华北地台的向南挤压,局部为近 EW 向构造。龙门山和红河断裂以东的扬子陆块长期较为稳定。


第 3 章 岩溶隧道涌突水控制因素......21
3.1 岩溶隧道涌突水灾害影响因素分析 .......21
3.1.1 岩溶发育条件 .....21
3.1.2 隧道工程与地下水的关系 ....23
3.2 指标的量化分析 ........24
3.2.1 定量指标的取值 .......24
3.2.2 定性指标的量化 .......27
第 4 章 可利用隧道信息统计.........28
4.1 整条隧道资料统计 ....31
4.2 隧道分段信息资料统计.........33
4.3 整条隧道指标数字化 ......34
4.4 分段隧道指标数字化 ......36
第 5 章 结合岩溶隧道应用实例数据分析 .......40
5.1 岩溶隧道涌突水量影响因素分析方法....40
5.2 基于整条隧道统计资料的算法分析 .......42
5.2.1 结合岩溶隧道实例的数据分析 ........42
5.2.2 岩溶隧道涌突水影响因素分析结果解释 .....42
5.2.3 拟合结果验证 .....47
5.3 基于隧道分段统计资料的算法分析 .......48


结论


通过本文的研究讨论认识到,对于西南地区岩溶隧道的涌突水量的预测研究离不开传统和新计算方法的结合,因为对于水文地质条件准确的认识是之后的预测方法和公式探讨的基础。本文主要基于了解西南地区岩溶背景的基础上,结合收集西南地区已有隧道施工实况,分析涌突水灾害基本特征和影响因素。作为影响因子讨论影响岩溶隧道涌突水灾害因素,定量和定性因子分别用适当的方法规范数字化,为后面的相关性分析做准备。因此本文通过前期的接触的勘察项目,结合已收集的西南地区已建、在建岩溶隧道近六十多条,进行了岩溶隧道涌突水灾害因素的探讨和总结,对贵昆铁路、云桂线、长昆线、玉蒙线、渝怀线、遂渝线上的多条重点岩溶隧道涌突水灾害进行整合分析。研究选择信息相对周全工况较清晰的隧道资料进行统计分析,汇总资料后再进行回归分析,数字规范化过程是在前期 THK 评价系统基础上进行指标数字化。再在结果通过采取隶属函数的隶属度原则一样,对隧道实际的工况指标进行评价,或是在整条隧道指标处理时采用极值差法,标准化法对定量指标进行处理为后面的数据分析做准备,本文这里主要通过回归分析,曲线估计,偏最小二次法,神经网络分析数据,以此得到有代表意义的回归模型和预测模拟,为岩溶隧道涌突水量方法进行补充。一方面通过宏观即整条隧道的整理统计资料,进行宏观分析通过分析的一整条隧道与影响因素的关系,另方面甄选涌水监测资料相对完整的隧道进行数据挖掘等相关性探讨,尝试用多种非线性数学方法进行分析,得到相对适宜的预测公式,最后解释结果说明问题。并为岩溶隧道施工涌突水防治做出建议,确保隧道施工安全。


参考文献
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