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简单说科学：浅谈深部地下工程中的自然灾害 原创作者：王鲁瑀，谭旭燕 E-mail：sustwly@163.com 简介：地下工程中有着众多的自然灾害，这些灾害严重影响了人类对环境和资源的开发利用，我们如 何认识这种灾害？又如何预防？本文重点讲述了典型的地下工程的灾害，我们将避开繁琐的理论推导进行 讲述。文中介绍了地下工程灾害有哪些形式？有什么危害？如何预防？另外，失稳破坏作为地下工程灾害 中最根本的原因，其发生机制是什么？本文将以通俗的语言一一讲述这些问题。 本研究是以笔者曾参与过的科研项目为背景的，研究内容是国家自然科学基金项目(No. 51104093)的一 部分. 本文的部分成果，笔者曾以第一作者撰写的论文已在期刊发表(见文末的扩展阅读资料[1]~[3]) 本文大纲 1 主题介绍：什么是“深部地下工程”？ 2 主要有哪些深部地下工程灾害？有什么危害？ 3 导致深部地下工程灾害产生的原因是什么？ 4 如何预防深部地下工程灾害？ 附：扩展阅读资料 1 主题介绍：什么是“深部地下工程”？ 笔者曾依托国家自然科学基金项目，进行了地下工程围岩失稳的研究。本文讲述的是“深部地下工程 的灾害”，我们将避开繁琐的理论推导进行讲述。按照字面意思来看，它可以分为两部分来理解： “深部地 下工程的灾害”=“深部”+“地下工程”+“灾害”。下面我们分开来讲。 首先来讲讲什么是地下工程。较为学术化的定义为：“地下工程是修建在地面以下的岩层或者土层中 的空间工程，是地层中建筑物的总称。”这个定义太学术化，我们用通俗化的语言来讲，地下工程就是“在 地下建造的各种空间或者建筑”。 通常为我们所见的，例如：铁路隧道、公路隧道、矿山井巷、建筑基坑、国防工程、城市地铁、城市 地下空间开发等，都属于地下工程的范畴，它包括了地下建设的所有隧道、洞室。 下面的图 1、图 2(图片引自网络)，是一些典型地下工程的例子： 图1 隧道(左图)和矿山井巷(右图)：人们日常出行可以经常见到隧道，隧道是一种典型的地下工程，此外 矿山井巷也是一种典型的地下工程 图2 地下空间(左图)和矿地铁(右图)：现代化的都市里经常可以见到地下商场、地下停车场等，它们都是 典型的地下工程，此外地铁越来越成为人们出行的工具，它也是一种地下工程 从上文中了解什么是地下工程后，接下来我们该说说什么是“深部”了。 通常所说的地下工程是在地表浅部，大约不超过 100m 米的区域，浅部地下工程容易施工，并且灾害 相对深部较少，关于深部的概念可以见下图 3(图片引自陈颙等，2009)。 图3 地球从浅部到深部的结构：深部地下工程仅仅占了地壳厚度的 3% 地壳深度在 5~60km 的范围内，而通常所说的深部地下工程则是处于 500~2000m 的范围(超过 2000m 后的深度，由于地热极高等原因，人类罕有到达)。虽说这 500~2000m 相比地壳的总厚度 5~60km，量级如 此之小，但是仅仅这 500~2000m 厚度的地壳引起的地应力，就可达到 14~60MPa(注：如果想了解这个数据 如何计算的，读者可参考文献[6]自学岩石力学地应力的相关内容，读者便可自行算出)。 图4 深部地下工程位置示意图：越往地下深部，地应力越大，从而更易引发地下灾害 那么，14~60MPa 是什么概念？它相当于几万个大气压！一般的地下工程结构岂能受得了这种高压力！ 因此，就表现出来了一系列的问题，学名叫“深部灾害问题”。 于是，我们的主题“深部地下工程”就由此引出来了。那么，地下工程灾害有哪些？ 2 主要有哪些深部地下工程灾害？有什么危害？ 继续我们的主题，前面说过本文的主题是“深部地下工程的灾害”=“深部”+“地下工程”+“灾害”。 前面已经讲过了“深部”+“地下工程”，现在该讲述“灾害”了。我们以地下洞室一级地下巷道为例，下 面将介绍典型的深部地下工程灾害。 最为典型的是矿山井巷，通常在地下的 500m 以下，矿山井巷的主要动力灾害有：深部高地应力引发 的冲击地压； “三高一扰”；围岩失稳引起的片帮、冒顶、底鼓等，这些术语将在下文中以图片的形式详细 讲述。 所谓“深部高应力引起的冲击地压”，在隧道工程中也称为“岩爆” ，具体表现形式见下图 5(图片引自 网络)。 图5 巷道变形(左图)和液压支柱弯折(右图)：在强大的地应力作用下，巷道周围的岩石涌向巷道中间，并且通常的“千斤 顶”(术语称为液压支柱)也被折弯了，给设备和人员造成安全威胁 “三高一扰”这个术语是地下深部工程特有的术语，“三高”指的是：高地应力、高压地下水、高温 热害，“一扰”指的是地下工程对工程活动十分敏感。这些都是浅部地下工程所没有的现象，它们是地下 深部工程所特有的。“三高”中的高压地下水见下图 6(图片引自网络) 图 6 “三高一扰”中的高水压力：可以看出，在深部高地应力作用下，洞室底部出现深部裂缝，并且地下水将沿着深裂缝 流入巷道空间，给设备和人员造成威胁 如此严重的灾害，将会给人们的生命财产带来什么样的威胁和损失？请看下面介绍的近几年发生的两 个例子： 【案例 1】2016.4.3，新疆莎车县天利煤矿重大事故：由于围岩失稳产生的冒顶灾害，遇 难矿工 10 人。 【案例 2】2011.11.3，河南义马千秋煤矿煤矿重大事故，埋深 800m，属于深部地下工程， 遇难矿工 10 人，伤 64 人。 由此可见，地下工程灾害严重危害人类对环境和资源的开发利用，那么，是什么导致的这些灾害呢？ 3 导致深部地下工程灾害产生的原因是什么？ 笔者依托国家自然科学基金项目，进行了如下关于地下工程围岩失稳的研究。 事先要说说明的是，下面将要进行的的讲述，相比上面的讲述而言学术意味较浓厚，但是我们仍尽量 以通俗的方式讲述。关于灾害的发生机理众说纷纭(详细可参见文末资料[4~7])，没有一个统一的说法，但 是这些理论具有相似之处。 我们将避开繁琐的理论推导讲述灾害的发生机理。地下工程灾害中，动力灾害占了绝大多数，通俗地 讲，动力灾害就是指“由于物理力学等方面而产生的灾害”，通常表现为围岩的失稳破坏。 根据笔者的观点，围岩的失稳过程存在三个力学阶段，如图 7 所示(引自笔者发表的论文[1])，分别以 弹性临界值ωmax 和失稳临界值δmax 作为划分这三个阶段的指标。 图7 围岩失稳过程 正如笔者撰写的论文[1]~[2]所论述的，围岩失稳分为“三步走”的三个阶段，它们分别是： 阶段一：离层未达到弹性临界值ωmax 之前，岩梁处于弹性变形状态，此时顶板保持稳定、具有承载能力。 阶段二：超过ωmax 之后顶板进入向失稳状态转化的塑性状态，经历塑性变形和裂隙扩展的过程，岩梁经历塑性强化阶 段后承载能力逐渐下降，但仍具承载能力，这个过程随岩体内部裂隙扩展而逐渐变化。 阶段三：达到失稳临界值δmax 时，岩梁处于失稳的边缘状态，此时岩体内部裂隙损伤作用加剧、裂纹贯通，承载能力急 剧下降，一旦超过此临界值顶板将发生失稳冒落。 此外，笔者根据地下工程的“临界深度”的概念(文献[2])，也提出了一系列的机理分析：从巷道围岩 的结构、稳定性、位移和应力状态这四个角度探讨围岩失稳的机理，如下所述： 1) 从围岩结构变化的角度分析，巷道开挖位置超出临界深度时，围岩周围原本稳定的力学结构将由稳定向不稳定转变。 处于稳定结构时，围岩具有自承载能力，能够形成平衡结构；处于不稳定结构时，围岩丧失自承载能力，支护与围岩的相互 作用效果减弱，围岩的强度急剧下降，产生失稳破坏。 2) 从围岩稳定性变化过程的角度分析，围岩稳定性的变化导致开采中的动力异常问题，致使煤岩系统结构稳定性发生 变化。在失稳的发展过程中，岩体的动力响应由线性转为非线性，临界深度 H cr’作为标定巷道稳定性的指标：巷道开挖深度 大于 Hcr’时围岩发生失稳，小于 H cr’时围岩保持稳定。 3) 从围岩位移变化的角度分析， Hcr’将围岩的变形划分为弹性阶段和塑性阶段。围岩变形处于弹性阶段时保持稳定， 可通过合理的支护方式将变形控制在合理的范围内；围岩变形经历短暂的塑性强化阶段后，伴随岩石裂隙的急剧拓展，围岩 的强度急剧下降，进入破坏阶段。 4) 从围岩应力状态变化的角度分析，在每一个状态，巷道围岩的力学属性(位移、受力、变形等)都处于不同的情况， 围岩的应力分布规律也不同，因而围岩的失稳过程可认为是围岩应力状态“动态变化”的过程。 由此可见，围岩失稳的过程相当发杂，每一阶段尚且存在人们还不了解的机制。灾害预测也是地下工 程将要面临的难点和前沿性科学技术难题。 4 如何预防深部地下工程灾害？ 笔者曾对围岩失稳的预测问题进行了初步的研究，分别运用了力学模型和数学方法对围岩失稳进行预 判，详细可参看论文[1]~[2]。限于篇幅和学术专业性，本文不详细讲述灾害的预测预报方法。关于地下工 程灾害预测目前的发展趋势，可参考国内著名隧道灾害预测预报专家李术才教授团队的科研成果(文献[8])。 以下仅简要提及一些灾害预测预报方法： 钻爆法施工隧道超前地质预报技术，包括：超前钻探类，地震反射类，隧道反射成像，电磁类，直流 电法类，核磁共振法，红外线探测法，电阻率法等等。图 8 是两种典型的钻爆法施工隧道的超前地质预报 技术(引自李术才等[8])。 图8 单孔雷达探测(左图)和隧道聚焦电法(右图)示意图(文献[8]) TBM 施工超前地质预报技术(TBM 是 Tunnel Boring Machine 的缩写，译为全断面隧道掘进机施工，是 最为现代化的一种隧道掘进方式)，它与钻爆法施工隧道的超前地质预报技术不同，TBM 施工环境的特殊 性见下图 9(引自李术才等[8])。 图9 TBM 施工示意图(文献[8]) 图 10 是 TBM 施工的两种比较先进的预测方法(引自李术才等[8])。ISIS 探测(ISIS 是 integrated seismic imaging system 的缩写，译为地震成像系统)，它是德国 GFZ(GeoForschungs-Zentrum)研发的一种先进预测 技术。图 10 所示的这两种预测预报技术目前在国内都没有成熟的应用，处于待发展的阶段。 图 10 ISIS 探测示意图(左图)和隧道跨孔雷达探测(右图)示意图(文献[8]) 由此可见，关于地下工程的超前预报技术，不仅技术上有待发展，理论研究也应跟进步伐，还有很长 的路要走，但是目前已经取得了一些重要成果，并在工程中得以应用，例如，著名隧道灾害预报专家李术 才教授团队的超前地质预报技术，已经在青岛胶州湾、厦门翔安海底隧道等重大工程中发挥了作用。 本文的撰写工作，感谢恩师陈卫忠教授的关心与指导，特此致谢！ 附：扩展阅读资料 [1] 王鲁瑀，谭旭燕，臧传伟，徐飞. 巷道顶板离层力学模型与围岩失稳判断[J]. 煤炭工程, 2015, 47(6): 95-98. [2] 王鲁瑀，臧传伟，王哲勤，陈洁. 巷道临界深度的计算模型及失稳机理分析[J]. 煤矿安全, 2015, 46(5): 220-222+226. [3] 王鲁瑀，臧传伟，马永尚. 巷道顶板力学模型与围岩失稳机理分析[J]. 煤炭技术, 2014, 33(12): 47-49. [4] Goodman,R.E., Introductionto Rock Mechanics(2ndEdition), Canada:John Wiley&Sons, 1989. [5] 陈卫忠，伍国军，杨建平，等. 裂隙岩体地下工程稳定性分析理论与工程应用[M]. 北京：科学出版社， 2012. [6] 谢和平，陈忠辉，等. 岩石力学[M]. 北京：科学出版社，2004. [7] 陈颙，黄庭芳，刘恩儒，等. 岩石物理学[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2009. [8] 李术才，刘斌，孙怀凤，等. 隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J]. 岩石力学与工程学报, 2014, 33(6): 1090~1113.