西南山区岩溶隧道涌突水灾害危险性评价系统研究
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摘要
基于岩溶隧道涌突水灾害控制与安全施工的迫切需求，作者在隧道岩溶施工涌突水超前预报和灾害预警机制领域做了大量的工程实践工作和系统的理论研究。论文以西南山区岩溶隧道工程涌突水灾害实例调查分析为基础，以岩溶水系统调查和水文地质条件分析为手段，以已发岩溶涌突水灾害形成的基本地质条件和致灾因素为主要研究对象，建立了立足于西南山区特殊地质环境和复杂岩溶水文地质条件下，长大深埋岩溶隧道施工中的涌突水灾害危险性评价系统。研究在隧道岩溶施工涌突水灾害预警方法和理论方面具有一定的创新，主要成果如下：
（1）以查明西南地区特殊构造和岩溶沉积环境条件下的岩溶发育规律和地下水赋存与运移特征为目的，系统分析和总结了研究区特殊构造控制条件下的地下水循环模式和岩溶蓄水构造类型，建立了较精细的地下水循环空间地质模型；
（2）在对西南地区18条既成岩溶隧道已发145个涌突水灾害点资料系统收集（不完全）的基础上，探讨了灾害发生的模式、几率和涌突水量大小等特征与岩溶水系统的关系，结合隧道涌突水灾害的形成条件分析，查明了岩溶隧道涌突水灾害的主要致灾因素和影响因素，评价了岩溶水环境与隧道工程之间的相互作用关系；
（3）引入一般地质灾害危险性评价的理论与方法，深入研究了岩溶涌突水灾害危险性评价系统建立的过程、方法、风险可接受水平等基本理论，采用影响因素综合评判法构建了岩溶隧道涌突水灾害危险性评价模型，提出了岩溶涌突水灾害的危险级别及相应危险度的评价标准；
（4）在查明岩溶隧道涌突水灾害的主要致灾因素和影响因素基础上，综合考虑岩溶发育强度的影响因素与地下水循环运移条件、隧道工程的埋深等对灾害发生的影响程度，选取岩石的可溶性、地质构造条件、岩溶地表汇水条件、岩溶水循环运移特征及隧道相对于地下水位的埋深5个评价指标，建立了评价指标体系，并遵循定性与定量相结合的原则，对各评价指标的量化取值方法进行了深入探讨；
（5）利用宏观数理统计分析方法，结合地质分析方法，量化分析了各评价指标与灾害发生几率和危害程度之间的相关性，建立了两者之间的普遍方程，并利用专家经验法、层次分析法及多元线性回归数学模型，评价了各指标之间的相互作用关系，确定了评价指标权重；
（6）建立了岩溶隧道涌突水灾害危险性评价系统，并结合典型已建的圆梁山隧道、家竹箐隧道、中梁山隧道、新大巴山公路隧道和在建的玉蒙线通海隧道，对评价系统进行了完善和提高，形成了修正的评价系统，确保了评价系统的可靠性、适用性；
（7）结合隧道施工中源头控制—过程控制—终端控制的灾害控制全过程管理思想，从优化施工支护设计和环境保护与发展出发，提出了相应危险级别的岩溶涌突水防治对策。
（8）利用修正的评价系统对乌蒙山1#号隧道进行了岩溶涌突水灾害危险性评价研究，为确保该隧道的安全施工和岩溶涌突水灾害防治提供了重要依据。
Taken urgent need of water bursting disaster controlling and safety inconstruction of karst tunnels into consideration, large quantity of engineering practiceand theoretical research has been carried out in the disaster forecast and early-warningmechanism domain during the course of karst tunnel construction. With caseinvestigation of water bursting disaster happened in the karst tunnels in the Southwestof China, basic geological factors and conditions affecting and acting on karst waterhazard formation course are analyzed, and risk assessment system is studied andestablished under the condition of special geological environment and complicatedkarst water hydrogeology. The research findings have made some progresses in thetheory and methods of karst water bursting disaster early-warning and forecast, whichare described as follows:
（1）For the purpose of finding out the karst development law, groundwaterdistribution and migration characteristics, the modes of karst water migration andreservoir structure are analyzed and summarized under the control of geologicalstructure conditions, and refined geological model of groundwater distribution andmigration is built up.
（2）Based on systematic（but not complete） geological data acquisition of145karst water bursting disasters from tunnels built in the study area, styles, probability,water inflow and feature of diachronic distribution of the disaster are discussed, andwith the disaster forming conditions analysis, the controlling and affecting factors arepointed out, and the interaction between the tunnel engineering and karst waterenvironment is researched.
（3）Drawing the theory and method of geological hazard risk assessment intostudy, the basic theories of water bursting disaster modeling method and acceptablelevel of risk are deeply studied, and multi-factor comprehensive evaluation method isused to establish the karst water bursting disaster risk assessment system, and grading evaluation criteria is proposed.
（4）In view of relationship between the upper-under ground hydrodynamicdevelopment and the tunnel,5evaluating indicator are provide to establish the riskassessment index system, which are solubility of lime rock, geological structureconditions, the water catchment capability of ground surface, karst water circulationrate under the ground, and depth of tunnel relative to the water level. The paper has anin-depth exploration in the methods of index taking-value based on combinationbetween qualitative analysis and quantitative evaluation.
（5）Using statistical and geological analysis method, the correlativity ofassessment index and probability and hazard rating of water bursting disaster arequantitatively analyzed, and the weight of all index is determined by way of experts'experience, analytic hierarchy process（AHP）and multivariate linear regression.
（6）On the basis of analysis and research above, water bursting disaster riskassessment system in the karst tunnel is established, and the reliability of it is testifiedat the same time, which guarantee reliability and applicability to the systemutilization.
（7）Combined with overall process disaster control management which is origincontrol, process control and terminal control, and taking the safety of construction,optimization of support design and environmental protection as premises, the waterbursting disaster countermeasures are put forward corresponding with the riskassessment grade.
（8）With the help of assessment system, risk of water bursting disaster in theWumengshan rail tunnel is evaluated, and the evaluation can provide the tunnelconstruction and disaster prevention and control with significant evidence.
（1）以查明西南地区特殊构造和岩溶沉积环境条件下的岩溶发育规律和地下水赋存与运移特征为目的，系统分析和总结了研究区特殊构造控制条件下的地下水循环模式和岩溶蓄水构造类型，建立了较精细的地下水循环空间地质模型；
（2）在对西南地区18条既成岩溶隧道已发145个涌突水灾害点资料系统收集（不完全）的基础上，探讨了灾害发生的模式、几率和涌突水量大小等特征与岩溶水系统的关系，结合隧道涌突水灾害的形成条件分析，查明了岩溶隧道涌突水灾害的主要致灾因素和影响因素，评价了岩溶水环境与隧道工程之间的相互作用关系；
（3）引入一般地质灾害危险性评价的理论与方法，深入研究了岩溶涌突水灾害危险性评价系统建立的过程、方法、风险可接受水平等基本理论，采用影响因素综合评判法构建了岩溶隧道涌突水灾害危险性评价模型，提出了岩溶涌突水灾害的危险级别及相应危险度的评价标准；
（4）在查明岩溶隧道涌突水灾害的主要致灾因素和影响因素基础上，综合考虑岩溶发育强度的影响因素与地下水循环运移条件、隧道工程的埋深等对灾害发生的影响程度，选取岩石的可溶性、地质构造条件、岩溶地表汇水条件、岩溶水循环运移特征及隧道相对于地下水位的埋深5个评价指标，建立了评价指标体系，并遵循定性与定量相结合的原则，对各评价指标的量化取值方法进行了深入探讨；
（5）利用宏观数理统计分析方法，结合地质分析方法，量化分析了各评价指标与灾害发生几率和危害程度之间的相关性，建立了两者之间的普遍方程，并利用专家经验法、层次分析法及多元线性回归数学模型，评价了各指标之间的相互作用关系，确定了评价指标权重；
（6）建立了岩溶隧道涌突水灾害危险性评价系统，并结合典型已建的圆梁山隧道、家竹箐隧道、中梁山隧道、新大巴山公路隧道和在建的玉蒙线通海隧道，对评价系统进行了完善和提高，形成了修正的评价系统，确保了评价系统的可靠性、适用性；
（7）结合隧道施工中源头控制—过程控制—终端控制的灾害控制全过程管理思想，从优化施工支护设计和环境保护与发展出发，提出了相应危险级别的岩溶涌突水防治对策。
（8）利用修正的评价系统对乌蒙山1#号隧道进行了岩溶涌突水灾害危险性评价研究，为确保该隧道的安全施工和岩溶涌突水灾害防治提供了重要依据。
Taken urgent need of water bursting disaster controlling and safety inconstruction of karst tunnels into consideration, large quantity of engineering practiceand theoretical research has been carried out in the disaster forecast and early-warningmechanism domain during the course of karst tunnel construction. With caseinvestigation of water bursting disaster happened in the karst tunnels in the Southwestof China, basic geological factors and conditions affecting and acting on karst waterhazard formation course are analyzed, and risk assessment system is studied andestablished under the condition of special geological environment and complicatedkarst water hydrogeology. The research findings have made some progresses in thetheory and methods of karst water bursting disaster early-warning and forecast, whichare described as follows:
（1）For the purpose of finding out the karst development law, groundwaterdistribution and migration characteristics, the modes of karst water migration andreservoir structure are analyzed and summarized under the control of geologicalstructure conditions, and refined geological model of groundwater distribution andmigration is built up.
（2）Based on systematic（but not complete） geological data acquisition of145karst water bursting disasters from tunnels built in the study area, styles, probability,water inflow and feature of diachronic distribution of the disaster are discussed, andwith the disaster forming conditions analysis, the controlling and affecting factors arepointed out, and the interaction between the tunnel engineering and karst waterenvironment is researched.
（3）Drawing the theory and method of geological hazard risk assessment intostudy, the basic theories of water bursting disaster modeling method and acceptablelevel of risk are deeply studied, and multi-factor comprehensive evaluation method isused to establish the karst water bursting disaster risk assessment system, and grading evaluation criteria is proposed.
（4）In view of relationship between the upper-under ground hydrodynamicdevelopment and the tunnel,5evaluating indicator are provide to establish the riskassessment index system, which are solubility of lime rock, geological structureconditions, the water catchment capability of ground surface, karst water circulationrate under the ground, and depth of tunnel relative to the water level. The paper has anin-depth exploration in the methods of index taking-value based on combinationbetween qualitative analysis and quantitative evaluation.
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（8）With the help of assessment system, risk of water bursting disaster in theWumengshan rail tunnel is evaluated, and the evaluation can provide the tunnelconstruction and disaster prevention and control with significant evidence.
引文
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