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基於統計分析理論下西南岩溶隧洞涌水量測量探析

2023年10月16日

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第 1 章 前言
1.1 選題依據與研究意義
科技進步和社會的發展,在進入進入 21 世紀後,各項基礎設施建設的投入也不斷加大,地下空間的開發利用已經開始扮演日益明顯重要角色。在許多方面隧道設施都有著顯著優勢,特別是在我國西南山區,隧道工程的建設為本來就不暢的交通帶來了便捷化。西南地區的許多重大項目正在或即將啟動,眾所周知西南地區複雜的地形條件下,隧道成為了工程應用中重要組成部件,然而西南地區地形地貌複雜,岩溶廣泛發育複雜的地質環境為發生地質災害提供了條件,在眾多災害之中岩溶地區隧道涌突水是最危險的災害之一。我國西南岩溶地區以雲桂為主體,包括四川、湖北、湖南的岩溶的形成和發育都比較完整。這些地區區域地質構造如斷層和褶皺較發育,結構複雜,特殊的地理位置造成了新構造運動的活躍,常年溫濕性氣候和其他因素的影響,導致在西南地區發育有較其他區域特有強烈的地表和地下岩溶。因此,西南地區複雜的環境地質,岩溶水文地質條件對隧道工程的建設和運營有很大的影響和控制作用。在完成在西南岩溶地區的主要軌道交通線路開工建設,長隧道在中國西南地區交通建設其長度迅速增加,同時增加的深度成正比。根據中科院地質研究所岩溶研究組 1979 年的研究資料,我國是世界上岩溶發育較多的國家,總面積達到 3.44×106km2,其中出露面積為 9.07×105km2。我國岩溶分布主要以西南為主,雲、貴、桂為主體,貴州省面積的 80%以上系可溶岩地區,川、鄂、湘部分地區的岩溶高原占 5.0×105km2,北方山西高原及鄰近省區占 4.07×105km2(袁道先等,1994)。活躍的新構造運動,常年溫濕性氣候和其他因素與一個強有力的地表和地下岩溶發育有著密不可分的關係。
然而複雜環境地質條件和廣泛的岩溶分布是的隧道施工遇到的岩溶涌突水災害,其涌突水和沉陷以及水枯竭災害長期不規則的存在,已經引起了人們的關注,據統計,鐵路隧道涌突水災害在我國屢見不鮮,近1/3的隧道發生過涌突水災害。如成昆線上 415 座隧道中,93.5%的隧道在施工期間發生不同程度的涌突水災害,有 8 條涌水量超過 10000m3/d,而嚴重涌水量 13 座(劉高,2002)。據中國鐵路工程總公司西南科學研究院統計,廣渝高速公路華鎣山隧道發生涌水,涌水量高達 686880m3/d;京廣鐵路南嶺隧道也發生過涌水,涌水量高達81000m3/d,隧道涌突水造成的災害主要主要表現在填塞坑道、淹埋設備,給隧道的施工和災後清理工作帶來了不便,甚至對人民的生命財產造成不可估計的災難。在涌突水常發地段隧道的正常運營也受其不同程度的影響,經濟損失也是不可避免的(王建秀,2004)。
20 世紀 70 年代前建成的眾多鐵路隧道,包括成昆線、川黔線、貴昆線、盤西線等,已經近幾十年年建成的南昆線、渝懷線、宜萬線、黔渝線、黔桂線等鐵路上的數座岩溶隧道施工過程中都發生過嚴重的岩溶涌水突泥災害。特別著名的有宜萬鐵路隧道路線,由於地質構造複雜,施工過程中岩溶突水曾多次對工程造成嚴重影響,馬鹿箐隧道內某暗河突水造成 11 人當場死亡。52 人被淹,10人失蹤使野三關隧道岩溶突水事故震驚國內。廣安~重慶高速公路華鎣山隧道施工時發生過 7.95m3/s 最大涌突水現象。大瑤山隧道涌突水突泥災害使得 30 余間房屋遭到不同程度破壞,致使地面發生岩溶塌陷 300餘處,800餘農民的生活受到影響。京廣鐵路複線中。包括南嶺隧道發生涌水時高達達 2.2×104m3/d,造成京廣鐵路下沉,地面塌陷 65 處,斷道 6 小時,中線附近農田、井、泉疏干,整治工期達 3 年之久,損失補償耗資巨大。由此可見岩溶隧道涌水災害成為目前亟待解決的一大重要課題。半個世紀來,在隧道涌突水預測方面研究工程有一定的開展,但岩溶隧道涌水災害預測和評估,主要是根據經驗來判斷和超前地質預報結果來推測分析。涌水災害預測研究近半個世紀的歷史,尤其是最近三十年來間,在研究的方法上有了一定的深入。並且擴展各種地質預報方法,如聲波探測、介面位置結合地質分析法、紅外探測儀探水法、地質雷達探水法、岩體溫度監測法和鑽孔探水法(何發亮等,2007)等,在隧道施工中均有使用非確定性的統計模型,確定性的數學模型,隨機數學模型和非線性模型預測隧道涌突水,但由於西南地區深埋(特)長隧道,高複雜性,不確定性以及有限的條件和期限,缺乏深水勘探數據。掌子面地質環境複雜,地下水的運移條件以及水壓力預測的準確性面前,仍然是隧道施工中難以實現的技術難題。我國部分鐵路隧道預測涌水量與實際涌水量的統計的相關資料顯示,預測值和實測值的關係一直沒有得到較好擬合,預測值與實測值的誤差出現在在 20%範圍內,僅占統計樣本總數的15%,誤差超過 50%則占到統計樣本的 75%以上,部分隧道的預測誤差竟高達數十倍(徐則民,2000;王建秀,2002;李蒼松,2006)。研究的整體水平不符合安全隧道工程建設的需要,導致災害頻繁發生。關注地質預報和預測調查越來越引起重視。近半個世紀以來,特別是在最近的幾十年,無論是在研究的深度和廣度上都有了很大的擴展,但也有許多缺點和不足。隧道涌水量預測結合傳統的專業理論公式,根據項目的具體情況,許多專家和學者,傳統融合或引進一些新的理論方法來預測水隧道,並已取得了一定的成功(張雷,2007 年)。岩溶隧道涌水預測的困難在於在岩溶隧道涌突水有關的災害發生岩溶介質特性和地下水流通遷移條件,由多種影響因素控制。由於影響因素的選擇,如果你不認為這是控制因素,這些因素都是次要的,一方面,引起過多的評價指標,實際工作中不具備可操作性,另一方面忽視的因素指數的災難的可能性有多大的貢獻,所造成的因素的重要性和測定重量混亂或危害的大小,不與實際情況相匹配。
第 2 章 西南地區岩溶特徵概述
中國西南岩溶地區,岩溶地貌連續分布馮瑞面積最大和發育類型最為齊全.以貴州高原為中心,包括貴州、雲南、湖南、湖北、廣西、廣東、四川、重慶八個省(區、市),面積若按可溶岩鹽出露面積計算為 114.2 萬 km2,按含可溶岩底層出露面積計算為 78.3 萬 km2,其中可溶岩裸露面積為 46.9 萬 km2。西南岩溶區面積分布廣布,但是不同地區岩溶地貌的特徵和程度又各不相同,如貴州高原以裸露型岩溶為主,四川盆地則以埋藏型岩溶為主,湖南盆地主要包括的埋藏型和覆蓋型岩溶均有,區域岩溶環境下的不同的岩溶形態及岩溶單元,差異產生主要由於各地區岩溶發育條件的不同。所以概況影響岩溶地貌發育程度和特徵的因素包括:構造、氣候、土壤、岩性等,以及這些影響因素而產生的直接作用方式和綜合起來考慮產生的影響。本文從這一觀點出發。初步討論地區岩溶發育條件和特徵,而這種岩溶發育環境的特徵差異性的為我們後面討論岩溶隧道涌突水的影響因素提供參考。
2.1 西南地區的地質特徵
西南地區基本位於塔里木-華北地台、太平洋洋盆和印度地台等三大地塊之間揚子區穩定地台內,三大地塊對揚子地台在不同時間產生不斷碰撞擠壓,同一時間的聯合擠壓,在揚子地台外圍與三大地塊之間分別形成了各種地槽褶皺系,依次對應為:中國西南褶皺系、秦嶺褶皺系、華南褶皺系。江南區作為揚子地台內次級構造單元,其構造活動性較傳統意義上的穩定地台區明顯強烈。區內構造線展布為“山”字型構造,湖南、廣西東北部、湖北、貴州遵義-貴陽以東部地區主要為 NE-NEE 向構造;中部北段主要為近 SN 向(NNE~NNW向)構造,而中部南段則為近 E-W 向構造;西部川滇青藏地區自晉寧運動以來,具有長期間隙性活動性質,由華南板塊西緣和岡瓦納古陸北側印度板塊北緣的幾個活動帶、陸塊等以及它們之間的結合帶組成,總體上具有揚子古陸邊緣活動帶性質,主要區域構造線以 NNW向為主,其間夾有 NE 向構造線,現代很多地震活動與 NNW 構造應力場有關(圖 2-1)。較早地史時期形成、現今繼續活動的構造體系主要有滇南山字型構造系、川滇經向構造體系和青、藏、滇—緬、印尼歹字型構造系。此外,北部的湖北、重慶和四川的北部地區由於受到塔里木-華北地台的向南擠壓,局部為近 EW 向構造。龍門山和紅河斷裂以東的揚子陸塊長期較為穩定。
第 3 章 岩溶隧道涌突水控制因素......21
3.1 岩溶隧道涌突水災害影響因素分析 .......21
3.1.1 岩溶發育條件 .....21
3.1.2 隧道工程與地下水的關係 ....23
3.2 指標的量化分析 ........24
3.2.1 定量指標的取值 .......24
3.2.2 定性指標的量化 .......27
第 4 章 可利用隧道信息統計.........28
4.1 整條隧道資料統計 ....31
4.2 隧道分段信息資料統計.........33
4.3 整條隧道指標數字化 ......34
4.4 分段隧道指標數字化 ......36
第 5 章 結合岩溶隧道應用實例數據分析 .......40
5.1 岩溶隧道涌突水量影響因素分析方法....40
5.2 基於整條隧道統計資料的算法分析 .......42
5.2.1 結合岩溶隧道實例的數據分析 ........42
5.2.2 岩溶隧道涌突水影響因素分析結果解釋 .....42
5.2.3 擬合結果驗證 .....47
5.3 基於隧道分段統計資料的算法分析 .......48
結論
通過本文的研究討論認識到,對於西南地區岩溶隧道的涌突水量的預測研究離不開傳統和新計算方法的結合,因為對於水文地質條件準確的認識是之後的預測方法和公式探討的基礎。本文主要基於了解西南地區岩溶背景的基礎上,結合收集西南地區已有隧道施工實況,分析涌突水災害基本特徵和影響因素。作為影響因子討論影響岩溶隧道涌突水災害因素,定量和定性因子分別用適當的方法規範數字化,為後面的相關性分析做準備。因此本文通過前期的接觸的勘察項目,結合已收集的西南地區已建、在建岩溶隧道近六十多條,進行了岩溶隧道涌突水災害因素的探討和總結,對貴昆鐵路、雲桂線、長昆線、玉蒙線、渝懷線、遂渝線上的多條重點岩溶隧道涌突水災害進行整合分析。研究選擇信息相對周全工況較清晰的隧道資料進行統計分析,匯總資料後再進行回歸分析,數字規範化過程是在前期 THK 評價系統基礎上進行指標數字化。再在結果通過採取隸屬函數的隸屬度原則一樣,對隧道實際的工況指標進行評價,或是在整條隧道指標處理時採用極值差法,標準化法對定量指標進行處理為後面的數據分析做準備,本文這裡主要通過回歸分析,曲線估計,偏最小二次法,神經網絡分析數據,以此得到有代表意義的回歸模型和預測模擬,為岩溶隧道涌突水量方法進行補充。一方面通過宏觀即整條隧道的整理統計資料,進行宏觀分析通過分析的一整條隧道與影響因素的關係,另方面甄選涌水監測資料相對完整的隧道進行數據挖掘等相關性探討,嘗試用多種非線性數學方法進行分析,得到相對適宜的預測公式,最後解釋結果說明問題。並為岩溶隧道施工涌突水防治做出建議,確保隧道施工安全。
參考文獻
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