巖溶隧道遞進(jìn)式綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

金強(qiáng)國(guó) 劉成禹

(1.中鐵隧道集團(tuán)公司, 河南洛陽(yáng) 471000； 2.福州大學(xué), 福建福州 350108)

隧道與其他工程相比,其隱蔽性、施工復(fù)雜性、地質(zhì)條件和周圍環(huán)境的不確定性更加突出,大大增加了隧道建設(shè)的難度和施工風(fēng)險(xiǎn)[1-3]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,在巖溶地區(qū)修建的隧道及地下工程越來越多。由于巖溶發(fā)育地區(qū)往往是斷層、節(jié)理、裂隙發(fā)育、巖層破碎的地段,兼具富水、高水壓、不同規(guī)模巖溶(溶洞、暗河、溶隙、溶槽等)發(fā)育，地下水流通條件好、圍巖破碎等諸多施工不利因素,施工中稍有不慎,常常發(fā)生突水、突泥、坍方、地表塌陷等突發(fā)事件,嚴(yán)重威脅著隧道施工安全。

對(duì)巖溶的發(fā)育情況進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)地預(yù)報(bào),是巖溶發(fā)育地區(qū)保證隧道施工安全,減輕突水、突泥等災(zāi)害損失的有效措施,也是當(dāng)前巖溶地區(qū)隧道設(shè)計(jì)與施工中亟待研究與解決的關(guān)鍵問題。然而,由于巖溶的形成、發(fā)展及空間分布受諸多因素的影響和控制,所以,巖溶的發(fā)育雖然在宏觀上具有一定的規(guī)律性,但在細(xì)觀上又具有明顯的差異性,這大大增加了巖溶超前預(yù)報(bào)的難度。

關(guān)于巖溶的超前預(yù)報(bào)技術(shù),前人已進(jìn)行過諸多研究與實(shí)踐,并取得了一些對(duì)巖溶預(yù)報(bào)非常有指導(dǎo)性的成果[4-10],但這些研究與實(shí)踐主要聚焦于如何采用單一或綜合的方法對(duì)巖溶進(jìn)行超前探測(cè)，如何提高超前探測(cè)成果解釋準(zhǔn)確性等方面；采用的預(yù)報(bào)手段主要是地質(zhì)分析、TSP、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)和超前水平鉆；超前探測(cè)的實(shí)施主要集中在巖溶段未開挖前。由于上述單一或組合方法均有其局限性,加之巖溶的復(fù)雜性,預(yù)報(bào)精度只能滿足制定大的施工方案的要求(如是否需要進(jìn)行超前帷幕注漿等),無法滿足制定開挖、支護(hù)方案的要求。

在龍廈鐵路象山特長(zhǎng)隧道巖溶段施工中,結(jié)合隧道施工特點(diǎn),在不同施工階段分別采用了工程地質(zhì)分析、TSP、地質(zhì)雷達(dá)、超前長(zhǎng)炮釬探測(cè)、注漿孔、檢查孔、注漿過程綜合分析等方法,將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)貫穿主要施工階段,逐步提高預(yù)報(bào)精度,以滿足不同施工階段的要求,取得了很好的實(shí)施效果。本文結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)這一方法進(jìn)行系統(tǒng)闡述。

1 預(yù)報(bào)方案

象山特長(zhǎng)隧道巖溶段不同施工階段采用的地質(zhì)預(yù)報(bào)方案及預(yù)報(bào)成果運(yùn)用見表1。

上述預(yù)報(bào)方案的具體做法如下：

(1)可溶巖發(fā)育地區(qū),在距巖溶可能發(fā)育段50～100 m時(shí)，采用TSP超前探測(cè)并輔以工程地質(zhì)、水文地質(zhì)分析方法對(duì)巖溶的發(fā)育情況進(jìn)行分析,為制定應(yīng)急預(yù)案和短距離重點(diǎn)預(yù)報(bào)區(qū)段提供依據(jù)。

表1 象山特長(zhǎng)隧道巖溶段地質(zhì)預(yù)報(bào)方案及成果運(yùn)用

(2)在上述長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上,在距巖溶可能發(fā)育段10～30 m時(shí)，采用地質(zhì)雷達(dá)、超前水平鉆孔探測(cè)并輔以巖溶工程地質(zhì)前兆特征識(shí)別，對(duì)巖溶的發(fā)育情況進(jìn)行綜合分析,為制定注漿方案提供依據(jù)。

(3)注漿鉆孔鉆進(jìn)及注漿過程中,對(duì)注漿鉆孔鉆進(jìn)情況、各孔的注漿情況進(jìn)行記錄和分析,結(jié)合注漿質(zhì)量檢查孔取芯情況,對(duì)巖溶的發(fā)育情況進(jìn)行更加深入、準(zhǔn)確地分析,為制定巖溶段隧道開挖、支護(hù)方案提供依據(jù)。

(4)隧道開挖過程中，采用5 m長(zhǎng)炮釬對(duì)超前探測(cè)盲區(qū)及巖溶發(fā)育的重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行探測(cè)和驗(yàn)證,規(guī)避盲區(qū),提高地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性和施工安全性。

(5)二襯、仰拱施做前，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道周邊巖溶進(jìn)行探測(cè),確保隧道運(yùn)營(yíng)安全。

這樣一種物探探測(cè)與工程地質(zhì)分析結(jié)合，長(zhǎng)距離宏觀預(yù)報(bào)與短距離精確預(yù)報(bào)相結(jié)合的巖溶預(yù)報(bào)方法，充分發(fā)揮了注漿孔、注漿質(zhì)量檢查孔的作用,在不增加其他探測(cè)資源的情況下，大大提高了巖溶探測(cè)精度；此外,這種預(yù)報(bào)方法,前階段的預(yù)報(bào)成果為后階段的預(yù)報(bào)提供指導(dǎo),后階段的預(yù)報(bào)成果驗(yàn)證和彌補(bǔ)前一階段,層層推進(jìn),逐步提高預(yù)報(bào)精度,有效規(guī)避了施工過程中冒然揭示巖溶、發(fā)生突水、涌泥等地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性，是超前帷幕注漿條件下,復(fù)雜巖溶段較好的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。

2 長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)

長(zhǎng)距離宏觀預(yù)報(bào)采用工程地質(zhì)分析與TSP探測(cè)相結(jié)合的方法。

2.1 工程地質(zhì)分析

巖溶在宏觀上具有一定的規(guī)律性,這主要表現(xiàn)在下列方面。

(1)一般情況下褶曲軸部、斷層破碎帶、地層不整合接觸帶、可溶巖與非可溶巖接觸面、由弱可溶巖進(jìn)入強(qiáng)可溶巖的邊界等部位巖溶較發(fā)育。

(2)從豎向看,侵蝕基準(zhǔn)面附近巖溶一般較發(fā)育。

(3)從地形上看,溝谷附近巖溶一般較發(fā)育。

(4)深大斷裂對(duì)巖溶的發(fā)育起控制作用,大型充水溶洞的總體發(fā)育方向與斷裂走向大致相同。

2.2 TSP探測(cè)

巖溶在TSP探測(cè)成果上有下列主要表現(xiàn)特征：

(1)2D成果圖中橫波速度下降,縱波速度略微上升或者下降；深度偏移圖有較強(qiáng)的負(fù)反射,強(qiáng)反射面后一段距離內(nèi)反射面較少[5]。

(2)VP/VS增加,泊松比突然增大,密度、動(dòng)態(tài)楊氏模量減小。

(3)溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)域一般呈現(xiàn)如下特征：圍巖縱橫波速時(shí)高時(shí)低,反射面密集,局部地段圍巖泊松比突然升高；富水圍巖地段,橫波反射較弱；溶洞處,巖體密度明顯偏低。

3 短距離預(yù)報(bào)

3.1 前兆特征分析

大型溶洞或暗河的前兆特征如下[6]：

(1)裂隙、溶隙間出現(xiàn)較多的鐵銹或黏土。

(2)巖層明顯濕化、軟化或淋水現(xiàn)象。

(3)小溶洞出現(xiàn)頻率增加且多有水流、河沙或水流痕跡。

(4)鉆孔涌水量劇增,返水夾泥沙或小礫石；鉆孔中有涼風(fēng)冒出。

(5)有嘩嘩的流水聲。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

巖溶在地質(zhì)雷達(dá)波形圖上有下列表現(xiàn)特征：

(1)完整圍巖均一性好,雷達(dá)波反射很弱,為低幅高頻細(xì)密波；巖層破碎或出現(xiàn)巖溶時(shí),巖石均一性變差,出現(xiàn)強(qiáng)反射波組。

(2)富水或充填型巖溶在雷達(dá)波形上表現(xiàn)為：出現(xiàn)較強(qiáng)反射波組,巖溶部分雷達(dá)波頻率明顯比周邊低,充水溶洞雷達(dá)波常出現(xiàn)強(qiáng)烈的振蕩信號(hào)。

(3)空溶洞與圍巖界面會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射帶,但溶洞內(nèi)部反射不明顯。

圖1為巖溶發(fā)育區(qū)地質(zhì)雷達(dá)波形。測(cè)線10 m以前,雷達(dá)波反射很弱,頻率較高,該區(qū)域圍巖較完整；測(cè)線10～18 m,3 m以后，雷達(dá)波出現(xiàn)強(qiáng)度的反射,局部區(qū)域出現(xiàn)明顯的振蕩信號(hào)(圖1之A區(qū)域)或頻率明顯低于周邊的區(qū)域(圖1之B區(qū)域),說明測(cè)線10～18 m、3 m以后，區(qū)域圍巖破碎,巖溶較發(fā)育,其中A區(qū)域可能為充水溶洞,B區(qū)域可能為被泥或軟弱介質(zhì)充填的溶洞。上述探測(cè)結(jié)果與開挖揭示情況基本一致。

圖1 巖溶地區(qū)雷達(dá)波形

4 精確預(yù)報(bào)

巖溶的精確探測(cè)主要通過注漿鉆孔、檢查孔、注漿過程的綜合分析以及長(zhǎng)炮釬超前探測(cè)進(jìn)行。

4.1 注漿孔和檢查孔探測(cè)

在很多情況下，隧道通過巖溶地段都采用超前帷幕注漿方案[6]。注漿鉆孔的鉆進(jìn)情況、各孔的注漿情況以及注漿質(zhì)量檢查孔的取芯情況都能從不同角度反映前方巖溶的發(fā)育情況。超前帷幕注漿鉆孔的數(shù)量比超前水平鉆多得多,加之各孔均以一定外插角鉆進(jìn),每一循環(huán)的注漿長(zhǎng)度多為30 m左右,這為利用注漿鉆孔、檢查孔對(duì)前方巖溶的發(fā)育情況進(jìn)行精確探測(cè)提供了條件。

為了更好地利用注漿鉆孔、檢查孔及注漿資料對(duì)巖溶進(jìn)行綜合分析,鉆進(jìn)及注漿過程中應(yīng)按下述實(shí)施要點(diǎn)進(jìn)行。

(1)實(shí)施要點(diǎn)

注漿鉆孔鉆進(jìn)過程中應(yīng)對(duì)各鉆孔的下列主要內(nèi)容進(jìn)行認(rèn)真記錄：

①鉆感、鉆速。鉆速聚增、跳鉆、卡鉆的位置應(yīng)重點(diǎn)記錄。

②回水量,回水顏色?；厮烤墼龅牟课?回水中夾泥、砂或碎(卵)石的部位應(yīng)重點(diǎn)記錄。若回水夾碎(卵)石,尚需對(duì)碎(卵)石的最大粒徑、磨圓情況進(jìn)行認(rèn)真觀察和記錄。

注漿過程中應(yīng)對(duì)各注漿孔的下列主要內(nèi)容進(jìn)行認(rèn)真記錄：

①各孔注漿量、注漿壓力上升情況。

②注漿孔塌孔的情況,重點(diǎn)是塌孔部位。

③注漿過程中各孔的出水量。

(2)資料分析與處理

在注漿孔、檢查孔上述記錄的基礎(chǔ)上進(jìn)行單孔分析,在單孔分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析。

①單孔分析

通過對(duì)注漿孔、注漿過程記錄資料及檢查孔取芯情況的分析，可得出各孔不同深度處圍巖的完整性及巖溶的發(fā)育情況。單孔分析按下列基本方法進(jìn)行。

通過卡鉆、跳鉆、鉆速驟增等情況來判斷裂隙的發(fā)育情況?？ㄣ@部位一般圍巖較破碎、溶隙較發(fā)育；跳鉆或鉆速驟增部位一般溶槽、溶腔或溶洞較發(fā)育；溶蝕寬度主要由跳鉆或鉆速驟增的長(zhǎng)度決定。

通過返水量、返水夾雜物分析溶蝕的發(fā)育及充填情況。返水量驟增的部位,返水夾大量泥砂、黃泥、卵(碎石)的部位一般溶蝕較發(fā)育；返水量或夾雜物含量越多,巖溶越發(fā)育。在分析巖溶位置時(shí)應(yīng)注意：由于返水沿孔壁流出有一定的滯后時(shí)間,巖溶發(fā)育的實(shí)際位置會(huì)比出現(xiàn)上述現(xiàn)象(返水量或其中夾雜物含量劇增)時(shí)鉆孔的實(shí)際深度小一些。當(dāng)孔深小于30 m時(shí),滯后距離一般為0～1.0 m。

通過返水夾雜物的粒徑及磨圓情況分析溶蝕寬度、延伸情況及巖溶水的補(bǔ)給情況。溶隙、溶槽的最小寬度大于返水夾雜物的最大粒徑；返水夾雜物中大粒徑成分磨圓度越高巖溶延伸越遠(yuǎn)。

通過注漿量、注漿壓力上升情況分析巖溶的發(fā)育情況。注漿量大、注漿壓力長(zhǎng)期上不去的部位巖溶一般較發(fā)育且延伸較遠(yuǎn)。

通過注漿質(zhì)量檢查孔的取芯情況分析巖溶的發(fā)育位置、大小。巖溶發(fā)育的部位巖芯完整性相對(duì)較差，巖芯采取率相對(duì)較低或巖芯中夾泥砂、卵(碎)石等碎屑物質(zhì),嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生坍孔。

②綜合分析

巖溶縱向分布：

在單孔不同深度圍巖完整性、返水量及返水夾雜物分析的基礎(chǔ)上,對(duì)不同深度的相對(duì)完整圍巖孔、破碎孔、含泥砂孔及返水量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。象山隧道YDK24+114～YDK24+144段注漿鉆孔、檢查孔的統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2 注漿孔和注漿質(zhì)量檢查孔揭示的圍巖情況

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可作出相對(duì)完整圍巖孔、破碎圍巖孔、含泥砂孔占總孔數(shù)的百分比及各孔累計(jì)出水量沿深度的分布,如圖1～圖4所示。

圖1 圍巖相對(duì)完整孔沿深度的分布

圖2 各孔累計(jì)出水量沿深度的分布

圖3 破碎圍巖孔沿深度的分布

圖4 含大量泥砂孔沿深度的分布

由圖1、圖2可看出：

15 m(YDK24+129)以前,圍巖相對(duì)完整孔所占比例很高,各孔累計(jì)出水量很小,說明巖體較完整；15～26 m(YDK24+129～YDK24+140)圍巖相對(duì)完整孔所占比例急劇下降,各孔累計(jì)出水量急劇上升,說明圍巖完整性急劇惡化,巖溶發(fā)育程度明顯上升；26 m(YDK24+140)以后,完整圍巖孔很少,各孔累計(jì)出水量很大,說明圍巖完整性很差,巖溶很發(fā)育。

圍巖的完整性及巖溶的發(fā)育程度隨隧道縱向深度變化很大,主要受縱向深度控制。

由圖2、圖3、圖4可看出：

在18～25 m(YDK24+132～YDK24+139)范圍內(nèi)圍巖破碎孔所占比例較高,但該范圍內(nèi)含大量泥砂孔所占比例及各孔累計(jì)出水量均未出現(xiàn)劇增,分析該深度范圍內(nèi)巖溶主要以溶隙、溶槽為主。

25～28 m(YDK24+139～YDK24+142)范圍內(nèi)圍巖破碎孔所占百分比逐漸下降,但含大量泥砂孔所占比例逐漸上升且各孔累計(jì)出水量驟增,結(jié)合鉆孔返水夾雜物的最大粒徑分析,該深度范圍內(nèi)巖溶主要以溶隙、溶槽和小的溶腔為主。

28 m(YDK24+142)以后,含大量泥砂孔所占比例出現(xiàn)明顯上升且各孔累計(jì)出水量劇增,分析28 m(YDK24+142)以后溶腔和溶洞明顯增大或增多。

巖溶橫向分布：

根據(jù)各注漿孔、檢查孔的孔位及其鉆進(jìn)情況記錄，可作出不同深度處破碎圍巖孔、含大量泥砂(碎石)孔、大量出水孔在隧道橫斷面上的分布圖。以此為基礎(chǔ)可對(duì)不同深度處巖溶在隧道橫向的分布情況進(jìn)行分析。

圖5為根據(jù)象山隧道YDK24+114～YDK24+144段注漿孔和檢查孔鉆進(jìn)記錄作出的距止?jié){墻不同深度(16 m、18 m、24 m、26 m、30 m)破碎圍巖孔、含大量泥砂(碎石)孔、大量出水孔的分布。

圖5 不同深度處含大量泥砂孔、破碎圍巖孔及大量出水孔的分布

由圖5可看出：

16～22 m(YDK24+130～YDK24+136),隨著深度增加,破碎圍巖孔、含大量泥砂孔的數(shù)量逐漸增多,說明在該區(qū)段內(nèi)圍巖完整性逐漸變差,溶蝕逐漸加??；但該區(qū)段內(nèi)含大量泥砂孔和大量出水孔很少,說明該區(qū)段圍巖的溶蝕主要表現(xiàn)為溶隙。

16 m斷面(YDK24+130)左邊墻、隧底及右拱腳(圖中A1、B1區(qū)域),18 m斷面(YDK24+132)左邊墻、右拱腰及隧底(圖中A2、B2、C1區(qū)域)溶隙較發(fā)育；22 m(YDK24+136)整個(gè)斷面圍巖均較破碎,溶隙很發(fā)育且拱頂至左拱腰，隧道中部右側(cè)鉆孔為含大量泥砂孔,分析上述區(qū)域溶槽發(fā)育。

22～26 m(YDK24+136～YDK24+140)含大量泥砂孔，出水孔數(shù)量急劇上升,說明這一區(qū)段地下水通道明顯變寬,溶槽越來越發(fā)育；26 m(YDK24+140)斷面左邊墻、右拱腰及隧底(圖中A3、B3、C2區(qū)域)各孔均含大量泥砂孔或大量出水孔,分析上述區(qū)域?yàn)槿芮换蛉芏础?/p>

26～30 m(YDK24+140～YDK24+144)隧道開挖輪廓線以內(nèi)及周邊區(qū)域含大量泥砂孔、大量出水孔，分析隨著深度增加,隧道逐漸進(jìn)入充填型溶洞。30 m(YDK24+144)后隧道開挖輪廓線內(nèi)基本都是溶洞充填物；此外,隧道左邊墻、右拱腰開挖輪廓線外側(cè)也是溶洞充填物。

巖溶總體發(fā)育特點(diǎn)：

在巖溶縱、橫向發(fā)育特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，可對(duì)巖溶的總體發(fā)育特點(diǎn)進(jìn)行分析。由YDK24+114～YDK24+144段巖溶發(fā)育特點(diǎn)的前述分析可得：巖溶發(fā)育程度主要受縱向控制(隨深度增加溶蝕逐漸加劇),說明該區(qū)段及其前方巖溶的總體發(fā)育方向與線路走向接近垂直或呈大角度相交。

此外,由圖5可看出：從16 m(YDK24+130)以后,隧道左邊墻、右拱腰、隧底的巖溶均比同一斷面其他部位的發(fā)育,說明上述部位還存在發(fā)育方向與隧道走向基本平行的巖溶相對(duì)發(fā)育區(qū)。

4.2 長(zhǎng)炮釬探測(cè)

隧道掘進(jìn)過程中,在注漿孔、檢查孔探測(cè)盲區(qū)及對(duì)前期探測(cè)成果存在疑問的區(qū)域鉆3～5個(gè)5 m深超前長(zhǎng)炮孔,進(jìn)行補(bǔ)充探測(cè)和檢驗(yàn)。超前長(zhǎng)炮孔費(fèi)用低，基本不影響施工,可有效規(guī)避探測(cè)盲區(qū),提高溶隙、溶槽探測(cè)精度,確保施工安全。

5 實(shí)施效果

龍廈鐵路象山特長(zhǎng)隧道巖溶段施工過程中,嚴(yán)格按本文第1部分所述的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案進(jìn)行長(zhǎng)距離、短距離及精確預(yù)報(bào)。預(yù)報(bào)精度滿足了不同施工階段的要求,精確預(yù)報(bào)成果與開挖揭示結(jié)果基本一致。實(shí)踐證明,本文所述超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法及探測(cè)資料的分析、處理方法是超前帷幕注漿條件下,復(fù)雜巖溶段地質(zhì)預(yù)報(bào)的較好方法。

6 結(jié) 論

采用工程地質(zhì)分析、TSP探測(cè)進(jìn)行宏觀預(yù)報(bào),注漿前采用工程地質(zhì)前兆分析、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)進(jìn)行短距離預(yù)報(bào),注漿過程中通過注漿孔、檢查孔綜合分析進(jìn)行精確預(yù)報(bào)的方法,可大大提高巖溶預(yù)報(bào)精度,滿足不同施工階段對(duì)預(yù)報(bào)成果的要求,實(shí)踐證明是超前帷幕注漿條件下,復(fù)雜巖溶段地質(zhì)預(yù)報(bào)的較好方法。

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