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紫枫2007

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深埋隧道工程的灾害地质问题论文

摘要 :在进行深埋隧道工程施工过程中,由于洞程较长,洞深埋设较大,地质条件较复杂,在施工时,如果处理措施不当会出现高地温、岩爆、高压涌水等问题。鉴于此,以实际工程为例,对深埋隧道工程主要存在的灾害地质问题进行了分析和探讨,保证了施工的顺利进行,以期为类似工程提供参考与借鉴。

关键词 :深埋隧道工程;灾害地质;高压涌水

1工程概况

太行山高速公路邯郸东坡隧道位于武安市岭底村南、七水岭村东、涉县东坡村东北处。隧道为分离式特长隧道,隧道工程总施工长度为3134m。左幅为ZK38+624~ZK41+740,长3116;右幅为K38+642~K41+776。最大埋深为176m。本文以此工程为例,对深埋隧道工程主要灾害地质问题进行分析和探讨。

2深埋隧道中的高地温难题

深埋地下隧道的工程中,地质问题是需要进行探索和研究的关键领域,最先要通过预测天然地温,一旦地温超过30℃一般将其称之为高地温。高地温不仅会恶化深埋隧道作业的环境,还会严重降低工人的劳动生产率,甚至会对现场施工人员的生命造成极大危害。此外,对深埋隧道施工材料选取的难度也相应增加[1]。然而,地温值是随着地下工程埋深在不断变化的,但地下工程的最大埋深和地温值的增加关系不是呈线性的,因为造成这种深埋隧道中的高地温问题的原因主要是地下水活动以及近期岩浆活动中放射性生热元素含量较高等。

3深埋隧道与岩爆的高地应力问题

在深埋地下隧道的工程中,其中一个突出的地质难题就是岩爆问题。地下隧道工程埋得越深,其地应力就会越高。深埋隧道工程和近地表工程的不同之处除了具有较高的水平构造应力外,最主要取决于围岩出现的高地应力。它不仅在硐侧壁引起高压应力,还导致硐顶部出现高拉应力,这样会导致硐室围岩不稳定,埋下隐患。由于高地应力的存在,一些黏性土含量较高,而硬岩含量较低的围岩就会产生被塑性挤出的可能。高地应力不断释放,地下隧洞就会发生变形,往往会出现隧洞短时间内突然变小的异常现象。就好比从掌子面距离正洞30m开始,洞身变形的长度有40m,起初的支架保护结构破坏就会非常严重,通过测量计算,隧洞拱顶的下沉在10~20cm之间,隧洞的拱脚和边墙也出现不同程度的挤压和移位,甚至还有混凝土开裂的情况[2]。这时就需设计一套科学有效、刚柔结合、综合治理的施工方案。为克制高地应力,考虑使用约1万根超长锚杆,要求总长超过11×104m,把地下隧洞中的断面改成环形成拱,做到先柔后刚、先放后抗的设计要求。岩爆受影响的原因有地震爆破,也有相邻岩爆或机械等外因动力的振动,但其中影响岩爆的最基本原因是岩石的结构特征。经过大量的数据分析发现,岩石颗粒排列呈定向排列还是随机排列,岩石是胶结连接还是结晶连接,是钙质胶结还是硅质胶结,这最终关系着岩爆烈度的强弱。例如:(1)随机排列的花岗岩、闪长岩等岩石的岩爆烈度,会比片麻岩、花岗片麻岩、糜棱岩等具有定向排列的围岩颗粒更强一些;(2)结晶连接的深层岩浆岩石中的岩爆烈度比胶结连接的沉积岩强;(3)具有硅质胶结岩石的天生桥二级水电站引水隧洞比关村坝的隧道中钙质胶结岩石的爆烈度强。

4深埋隧道中的高压涌水难题

深埋地下隧道的施工过程中,除了高地温以外,涌水问题也成为隧道运营中亟待解决的又一难题。由于地质条件复杂,隧道通过的地段会挖掘出很多水流量大的地质单元,一般就会出现涌水量大或水头压力高的情况。地下水水压在深部岩体中极高时,就会导致岩体水力劈裂。这就说明在高水头压力的作用下,在岩体的突水点附近,岩体断续裂隙、裂缝是朝着某个方向的,受网状交织的构造裂隙影响,经过融合后发生扩展的裂隙、空隙最终张裂开来。随着隧道深部岩体涌水量越来越大,地下水水压越来越高,会导致深埋隧道工程围岩水力劈裂。一旦出现水力劈裂的情况,就会迅速连通裂隙,空隙的张裂程度就会越来越大,涌水的渗透力会越来越强。再加上动水压力的影响,裂隙会再扩展,而使在裂隙面上的充填物发生剪切变形和位移。不论是在深埋隧道工程中还是在浅埋隧道中,容易发生的地质灾害主要表现为断层破碎带,岩体不整合接触面和结构不利组合段造成的塌方、地震,还有瓦斯爆炸、有害气体以及溶岩塌陷、泥屑流等[3]。其中,瓦斯爆炸主要指甲烷CH4在相对封闭的煤系构造地层中,由冲击波的产生、剧烈的氧化作用而导致的爆破,其灾害性极强。

5基岩裂隙水

基岩裂隙水的含义

只有储存在坚硬岩石裂隙中的非可溶性地下水,才被统一归纳在基岩裂隙水的`传统范畴中,根据含水介质的基础特征,可以将地下水分为空隙、裂隙、岩溶3种,但并非在地下水、岩石以及岩石中的空隙这3者之中产生对应关系。贮水空隙系统具有双重空隙介质,在地下水勘探中,关于贮水空隙类型还探索到了新的领域。基岩裂隙水主要存在于受符合地质构造条件的属坚硬或半坚硬的岩石所控制的以裂隙为主的贮水空间,是具有运动、富集规律的地下水。不管是溶蚀裂隙地下水在可溶性岩石中的部分,还是孔隙裂隙水中的半坚硬岩石,都属于基岩裂隙水,而它与其他类型地下水的基本区别,关键在于是不是受地质构造因素的严格控制。岩石含水的裂隙有成岩裂、构造裂和风化裂,主要是依照它的成因来划分的。如果非要与风化裂隙水和成岩裂隙水作比较,那么水源集中、水量较大的必定是构造裂隙。

基岩裂隙水的特点

由于主控因素作用,不同的蓄水构造中分布、富集基岩裂隙水的基本规律和决定主控的因素也基本相同,具有独特的分布和运动规律。我国基岩裂隙水富集的基本特色理论就是蓄水构造系统,其主要特点如下。(1)基岩裂隙水具有复杂多样的埋藏和分布形态。将储存、运移基岩裂隙水的空间和通道,叫做岩石裂隙。基岩裂隙的大小和基岩裂隙的形状,以及控制埋藏和分布裂隙发育带的产状,都是受地质构造、地层岩性、地貌条件等影响的。埋藏、分布不均匀的基岩裂隙水,大多具有不规则的含水层、多种多样形态、分布呈带状的特点[4]。比如用脆性和塑性这两种地层做比较,会产生较强的赋水性。若裂隙发育在褶皱构造中,像褶皱轴、转折、背斜倾伏等处,富水段的形成就会比较容易,而压性断裂破碎带中的赋水性是比较差的。(2)复杂的基岩裂隙水中,由于储存空间中不均匀的介质,埋深程度不同的同一含水层,其地下水的运动状态也各有不同。对于岩石中所要形成和分布的空隙,最基础的因素是地质构造,主要表现在:岩石裂隙的发育和裂隙水的储存都是受地质构造和地层岩性所影响,其中,基岩裂隙水的运动规律也被地质构造所牵制。由于地下水面的不同,即便是在基岩相同的裂缝水中,也是有时而出现无压水,时而出现承压水的情况[5]。层流、管道流、紊流、明渠流水是在岩石裂隙、溶洞的特殊形态作用下形成水运动的不同状态,因此,基岩裂隙水的不均一性以及强烈的方向感,是导致裂隙岩体的透水复杂多样、不具有规律性的根本原因。

6结论

在深埋地下隧道的工程中,比较突出的几大地质难题包括高地应力及岩爆问题、高压涌水突水问题、高地温问题等。此外,还有像地震震害、瓦斯有害气体爆炸以及涌水突泥、围岩塌方、岩溶塌陷、泥屑流等。于是,在这个复杂的、系统的深埋隧道工程中,关于灾害地质的研究,对隧道工程能否顺利开展是关键的一步,在隧道工程施工前应按照隧道工程的各方面具体情况,采取有效、有针对性的防御措施。

参考文献:

[1]重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范:JTGD70—2004[S].北京:人民交通出版社,2004.

[2]上海市隧道工程轨道交通设计研究院,清华大学.隧道工程防水技术规范:CECS370—2014[S].北京:中国计划出版社,2014

[3]孙赤.锦屏二级深埋隧道大理岩段突水破坏机理研究[D].成都:成都理工大学,2014.

[4]王洪新.土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究[J].土木工程学报,2010(3):88-92.

[5]武力,屈福政,孙伟,等.基于离散元的土压平衡盾构密封舱压力分析[J].岩土工程学报,2010,32(1):18-23.

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五堂宅修

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奔兔2008

城市道路交通管理规划与研究摘要:城市道路交通管理规划是城市可持续性发展的前提和基础,本文分析介绍了我国城市道路交通管理规划的现状,阐述了交通管理规划的目的、内容、层次及过程,论述了交通需求预测的分析方法及其相应交通需求模型在交通管理规划中的应用。关键词:城市道路交通 管理规划 交通需求1.道路交通管理规划现状西方国家城市交通系统发展经历了两个阶段,即建设阶段:二战后至二十世纪70年代;管理阶段:二十世纪80年代至现在。重点在公共交通系统、小汽车发展、单项交通、交通信号控制以及道路的有效利用等多方面进行交通管理规划。目前我国城市交通发展的历程相当于西方国家的60~70年代,与发达国家相比,城市机动车密度还比较低。尽管如此,由机动车引发的环境污染问题和城市交通堵塞问题也很严重。这充分说明了我国在道路交通管理方面还存在体制上、行政上和技术上的问题。随着全国城市道路交通畅通工程的深入开展,许多城市的交通状况得到了很大的改观,而且一系列先进的交通管理设备和先进的管理模式被采用,取得了很好的效果。如厦门、大连、南京、青岛、济南、杭州等城市的交通管理工作均很有成效,先后被评为畅通工程“优秀管理水平”。取得成绩的同时,我们还要清楚地认识到,目前我国城市交通管理总体水平与畅通工程要求还有一定差距。在2000年全国“畅通工程”工作组检查的138个城市中,42个城市的交通管理规划工作只达到畅通工程11项要求中的5项要求,20个城市仅满足4项要求。由此可见,我国在城市交通管理规划方面远远滞后于现代道路交通发展的要求。城市网络很复杂,交通的运行很复杂,产生交通问题的因素也很复杂,相应制定的城市交通管理方案往往由多个管理策略、管理措施组合而成,任何一个建设或管理措施的实施都会引起整个城市路网上交通运行情况的改变。如将一条路的某个路段改为单行道或单双号通行、将交叉口的类型改变(无控制改为信号控制)、将某路段改为公交专用道、打通某条路或拓宽某条路等,都会引起整个城市80%~90%以上的主要道路交通流量和车速的改变。因此,交通管理问题是一个系统工程,必须用科学的方法解决,常用的经验性的方法是不能完全解决的。因此交通管理需要做规划,实际上,目前一些城市所实施的有些管理措施,都是做过规划的,只是不太系统、全面而已。为了改变当前城市交通管理规划滞后的局面,哈尔滨工业大学、清华大学、同济大学和东南大学等高校以及公安部交通科学研究所、中国城市规划设计研究院等部门正致力于部分城市的道路交通规划编制工作,为提高我国道路交通管理水平作出应有的贡献。2.道路交通管理规划基本内容与方法 道路交通管理规划的目的道路交通管理规划的目的是解决要不要管、什么时间管、怎么管、管什么地方等问题。通过规划,人们能预先知道管理策略实施后的效果,避免由于盲目管理而带来政策上的失衡和经济上的巨大损失。 道路交通管理规划的基本内容道路交通管理规划的工作内容主要包括:(1)城市道路交通现状调查应调查、搜集的资料包括:交通小区划分及小区经济、土地利用资料、交通网络结构及道路几何要素资料、历史道路交通量及流向资料、居民出行特征资料、机动车出行特征资料、货物出行特征资料、现有交通管理设施及效果资料等。在这方面,由于交通调查面广,调查工作量大,资金投入多,因此,有的城市交通规划编制单位,甚至有关政府部门领导对基础数据调查工作不够重视,认为只要在原有交通规划资料搜集的基础上,作些补充调查即可,以致于规划方案与现实脱节,其针对性和可操作性差。这是一种极为错误和片面的观点,应引起有关部门的高度重视。(2)现状分析与问题的诊断从道路基础设施状况、土地利用与公共交通、交通管理设施及现代化程度、交通秩序、交通质量及交通安全以及交通管理体制、政策、规划及宣传教育等方面对城市道路交通及管理现状进行分析、诊断。(3)城市交通需求分析通过交通需求模型的建立和计算(具体模型及方法将在下一节讨论),获得交通管理规划方案实施(评价)年份的各车种(客车、摩托车、公交车、出租车、货车、自行车)的OD矩阵,为后期交通规划提供规划依据和参数。(4)城市交通管理方案的制定一个城市的交通管理方案,往往是由多种管理策略和数种管理措施组合而成的。一般包括交通需求管理策略,如优先发展策略、限制发展策略、禁止出行策略、经济杠杆策略;交通系统管理策略,如结点交通管理、干线交通管理、区域交通管理。(5)城市交通管理方案的评价通过方案评价,分析交通管理措施是如何影响交通流的,预测交通管理措施实施下的交通运行指标,分析是否达到了管理目标。交通管理方案的评价可按道路网络抽象化、交通管理方案抽象化、交通流重分布模拟以及管理效果分析四个步骤进行。3.交通需求模型的建立及发展预测交通需求预测是城市道路交通管理规划工作的基础,要做好一个城市的交通管理规划,首先要对出行进行定量预测,并对某一交通设施或系统进行分析、论证,各个路段、路口以及整个路网的通行能力都必须满足现状、近期或远期出行的交通需求,因此只有搞好流量预测才能了解该路网能否满足该城市的出行需求,并由此加以改善。 出行生成预测居民出行产生预测的目的是建立小区居民出行发生量和吸引量与小区土地利用、社会经济特征等变量之间的定量关系,推算规划年各交通小区的居民出行发生量、吸引量。出行产生包括出行发生与出行吸引。居民出行产生预测的方法很多,常用的方法有交叉分类法、回归分析法、生成率法、吸引率法及平均出行次数法等。居民出行分布预测是将预测的各分区出行发生量、吸引量转化为未来交通分区之间的出行交换量的过程。预测方法大体分为三类,即:增长率法、概率模型法和重力模型法。其中,双约束重力模型法在国内外交通规划中使用最为广泛。 交通分配预测在掌握各分区出行产生、出行吸引,以及出行分布情况后,即知道了各分区之间有多少出行交换量后,就可着手进行交通分配。交通分配就是把各分区之间的空间 O-D量分配到具体的交通网络上。通过交通分配所获得的路段、交叉口交通量资料是检验道路规划网络是否合理的主要依据之一。目前,道路交通管理规划中应用较广泛的交通分配是随机用户平衡模型(Stochastic User Equilibrium)。该模型建立了路段行驶时间与路段交通量之间的函数关系,并考虑了通行能力的限制,通过反复迭代计算,直至达到要求的精度为止,最后分配出各路段上的交通量。 停车需求预测世界上许多大城市均对停车需求预测进行过深入研究,由于各国国情不同、城市发展形态不同、经济增长不同,停车预测模式也不同,其计算方法差异较大。常用的预测模型有:停车生成率模型、用地与交通影响分析模型、相关分析模型、机动车OD预测模型、交通量-停车需求模型、静态交通发生率模型。下面对应用较为广泛的静态交通发生率模型和交通量-停车需求模型作一简要介绍。(1)静态交通发生率模型根据停车调查数据汇总可得到各交通小区的日停车数,再根据停放车辆车型比例换算为标准车,利用综合交通规划中社会经济与土地利用现状及发展预测所提供的现状和近、远期规划年的就业岗位数,抽取一定的样本,可建立静态交通发生率模型:Pij=∑aiLij (i=1,……,m j=1,……,n) (1)式中:Pij为预测年第j交通小区的基本日停车需求(标准车次/日);ai 为第i类用地的静态交通发生率(标准车次/100工作岗位·日);Lij为预测年第j交通小区第i类用地的就业岗位数(人);n为小区数;m为用地分类数。对模型的求解采用非线性优化的方法,即建立非线性优化模型:式中参数意义同前。(2)交通量-停车需求模型通过对几种停车需求预测方法的比较可知,该模型虽不能具体得到区域内每一土地使用的停车设施需求量,但由于它与动态交通的预测方法相结合,因此比较适用于对交通小区的宏观停车需求分析。因此该模型可用来检验静态交通发生率模型的计算结果。模型表达式为:logPi=Ao+A1·logVki+A2·logVhi (3)式中:Pi为预测年第i交通小区的日停车需求量(标准车次/日);Vki为预测年第i交通小区的客车日出行吸引量(标准车次/日);Vhi为预测年第i交通小区的货车日出行吸引量(标准车次/日);Ao、A1、A2为回归系数。参考文献: 1.庄严、罗辑.促进城市交通发展、走城市交通可持续发展之路. 交通工程通讯,2000(2) 2.盖春英、裴玉龙.基于公路网的路段交通量预测方法研究. 交通工程通讯,2001(2) 3.王炜、徐吉谦、杨涛、李旭宏.城市交通规划理论及其应用. 南京:东南大学出版社,1998. Transportation GIS Software (Travel Demand Modeling with TransCAD ),1999. D. Urban Transportation Planning. McGraw-Hill Book Company,1984.

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