公路隧道通過巖溶發(fā)育區(qū)的綜合地質(zhì)超前預報體系探討

鐘鳴

摘 要：目前，國內(nèi)越來越多的隧道會穿過灰?guī)r溶蝕區(qū)，這些區(qū)域會對隧道的安全掘進造成一定的影響。對此類隧道施工常用的物探手段進行了探討，對一些工程實例進行了深入分析，總結了隧道通過灰?guī)r溶蝕區(qū)有效的地質(zhì)預報手段，并對各預報手段形成的隧道地質(zhì)預報綜合體系進行了初步探討。

關鍵詞：隧道；溶蝕區(qū)；采空區(qū)；地質(zhì)超前預報

中圖分類號：U452.1+1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.07.004

我國是世界上碳酸鹽出露面積最大的國家，可達9.1×105～1.3×106 km2，而碳酸鹽區(qū)是形成巖溶發(fā)育的主要巖性區(qū)，尤其以廣西、貴州、云南、四川和青海東部所占的面積最大，西藏和北方一些地區(qū)也有分布。在此區(qū)域施工的隧道需要穿越巖溶發(fā)育區(qū)域，隧道通過巖溶發(fā)育區(qū)時存在的安全風險很大，一般巖溶發(fā)育時伴有涌水、突泥和溶蝕區(qū)圍巖變形等較嚴重的不良地質(zhì)災害。因此，本文針對這一現(xiàn)象進行了調(diào)查、研究，并通過具體的工程實例分析，為隧道地質(zhì)超前預報通過巖溶區(qū)的有效預報體系提供參考。

1 巖溶發(fā)育的形成機制

地下巖溶的發(fā)育主要受巖性、地質(zhì)構造、地下水動力條件和氣候等因素控制，本文主要探討前3個因素，它們是巖溶發(fā)育的3個必要條件。

1.1 巖性

可溶性巖是巖溶發(fā)育的前提條件，碳酸鹽巖是工程中最常見的可溶性巖類，其他可溶性巖包括硫酸鹽巖（石膏、硬石膏等）、鹵化物鹽巖（巖鹽）等，按巖石具有的可溶解性排列依次為：鹵化物鹽巖>硫酸鹽巖>碳酸鹽巖。

碳酸鹽巖中按巖溶的發(fā)育程度排列依次為：巖質(zhì)較純的厚層石灰?guī)r>白云質(zhì)灰?guī)r和白云巖>大理巖>泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥質(zhì)白云質(zhì)角礫巖>蝕變灰?guī)r和矽卡巖。值得注意的是，在碳酸鹽巖中，不溶于酸的物質(zhì)（黏土、二氧化硅等）含量越多，巖石的可溶性則越低，巖溶也越不易發(fā)育。

1.2 地質(zhì)構造

地質(zhì)構造對巖溶發(fā)育的影響主要通過巖體破裂的結構面表現(xiàn)，構造裂隙的延伸方向常會控制地下巖溶的發(fā)展方向?？扇苄詭r石中的構造裂隙為地下水的運動提供了空間，它們是流動水下滲的主要渠道。巖石的裂隙越大，透水性越強，巖溶作用越明顯。

地質(zhì)構造對巖溶發(fā)育的影響主要表現(xiàn)在以下3個方面：①巖溶沿斷層破碎帶、裂隙發(fā)育。斷層和裂隙對巖溶發(fā)育起著控制作用，特別是可溶巖區(qū)的張性斷層破碎帶有利于地下水的運移，地下巖溶特別發(fā)育，常發(fā)育有地下暗河、大型溶洞和地下湖泊等。②巖溶沿褶皺軸部發(fā)育。在褶皺構造軸部縱張裂隙較多，地下水易沿張裂隙溶蝕擴展，形成溶蝕裂隙或溶洞。③巖溶沿層面構造裂隙發(fā)育。在構造作用下巖層發(fā)生層間錯動或滑動時，層間可產(chǎn)生層間裂隙，從而為地下水活動提供通道，易發(fā)育順層巖溶。

1.3 地下水的動力條件

水的溶蝕能力來源于二氧化碳與水結合形成的碳酸，二氧化碳是喀斯特地貌形成的主要原因。水中的二氧化碳主要來自于大氣流動、有機物在水中的腐蝕和礦物風化。這些反應在大自然中是十分復雜的過程，會受到溫度、氣壓、生物活動、土壤等自然條件制約，且這些反應均可逆。水中的二氧化碳增多，反應向右進行，有利于碳酸的分解，巖溶的作用比較容易發(fā)揮；反之，則不利于巖溶作用。

流動的水溶蝕性更加強烈，這是因為補充了水中的二氧化

碳后，水的溶蝕作用才能順利進行，水的溶蝕能力才能加強。同時，流動的水帶動河底砂礫對巖石進行機械侵蝕，這樣有利于巖溶作用的發(fā)揮。

2 巖溶發(fā)育區(qū)的隧道開挖風險

根據(jù)上述分析可知，隧道穿越巖溶發(fā)育區(qū)時，常見的工程風險包括以下3種：①巖溶填充物圍巖變形。巖溶地區(qū)隧道圍巖變形主要發(fā)生在填充黏土、黏土夾塊石巖溶地段，易造成初期支護的變形破壞。②巖溶涌水。巖溶涌水主要是由隧道揭穿充水巖溶、巖溶突破隧道洞壁和充水巖溶壁間隔水巖層而導致的。③巖溶涌泥。巖溶涌泥是指在巖溶填充物飽水液化后，巖溶壁擊穿呈流體狀涌出。

3 工程實例

3.1 工程概況

廣樂高速公路的主線為雙向六車道高速公路，設計車速為100 km/h和120 km/h，全線隧道共28座，總長約36 km，隧道圍巖巖性主要為灰?guī)r、板巖、頁巖、砂巖和花崗巖等。隧道洞口段普遍具有埋深較淺、地質(zhì)條件較差的特點，洞身段地質(zhì)條件復雜，存在溶洞、斷層破碎帶、高地應力、涌水和煤層采空區(qū)等不良地質(zhì)現(xiàn)象，且不良地質(zhì)段分布廣、數(shù)量多，施工安全風險大。下面以廣樂高速梅花2號隧道通過巖溶區(qū)預報實例進行系統(tǒng)分析。通過隧區(qū)地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示。

3.2 預報過程

3.2.1 地質(zhì)背景分析

由圖1中的縱斷面可知，在前期初勘發(fā)現(xiàn)該隧道+260～+300段為WF3斷層破碎帶，圍巖為中層狀灰?guī)r，地表鉆孔資料顯示發(fā)育豎向的溶蝕裂隙，有黏土狀填充物，無巖溶水。

3.2.2 預報實施計劃

根據(jù)初勘地質(zhì)資料分析，在斷層前50 m位置布置了長距離預報，采用TGP206（地震波反射法）預報，以初步了解異常樁號和大致展布情況。

在長距離預報結果的基礎上，采用短距離地質(zhì)雷達法進行細致的勘探，進一步了解目標體的展布和產(chǎn)狀。

綜合以上物探資料后，如果有必要，則需在距離目標體5 m左右的范圍內(nèi)布置超前地質(zhì)鉆孔，結合掌子面地質(zhì)編錄，明確和驗證物探預報結果，從而為隧道掘進提供可指導開挖方式和支護形式的地質(zhì)資料。

3.2.3 工程具體預報實施

3.2.3.1 長距離TGP預報

在梅花2號隧道+240附近實施了TGP探測，此樁號掌子面為中、厚層狀灰?guī)r，圍巖完整，節(jié)理裂隙均不發(fā)育，掌子面右側(cè)有1條小溶縫。此圍巖條件有利于突出后方的異常信號，能獲得較好的預報效果。TGP預報結果如圖2所示。由圖2可見，+258～+320為長距離預報異常段落。

3.2.3.2 地質(zhì)雷達預報結果

在掌子面樁號+256處進行了地質(zhì)雷達預報，預報明確探測出前方30 m范圍內(nèi)溶蝕異常，在測線位置繪制了異常橫斷面圖，具體如圖3所示。

3.2.3.3 掌子面超前鉆孔預報

根據(jù)地質(zhì)雷達的預報結果，有針對性地布置了超前鉆探，如圖4所示。超前鉆孔直觀、明了，有效補充了以往物探手段中的不足。通過多種手段預報、分析，得到了梅花2號隧道掌子面+250前方的溶蝕構造的展布、產(chǎn)狀和填充物情況，為進一步掘進提供了堅實的地質(zhì)資料基礎，保證了人員和設備的安全，避免了較大安全事故的發(fā)生。

4 結束語

本文通過分析巖溶發(fā)育產(chǎn)生機制，提出了隧道在巖溶發(fā)育區(qū)掘進時應采取的預報手段，并結合工程實例進行了對比分析，總結了巖溶發(fā)育區(qū)地質(zhì)超前預報綜合體系的工作要點：①巖溶發(fā)育區(qū)應在初勘地質(zhì)資料基礎上，分析預報目標地質(zhì)背景和預報靶區(qū)；②根據(jù)分析結果制訂可行的預報計劃，并遵循“長短預報結合，物探多手段結合”的原則；③基于綜合地質(zhì)編錄和超前鉆探驗證、物探預報結果，對地質(zhì)情況進行分析，并指導施工。

參考文獻

[1]王振東.淺層地震勘探應用技術[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[2]何發(fā)亮，李蒼松，陳成宗.隧道地質(zhì)超前預報[M].成都：西南交通大學出版社，2006.

〔編輯：張思楠〕

Abstract： At present， more and more domestic tunnel passes through the limestone dissolution area， these areas may affect the safety of tunnel excavation. To this kind of tunnel construction geophysical methods commonly used are discussed， some engineering examples are analyzed deeply， summed up the tunnel geological prediction by means of limestone dissolution zone effective， comprehensive tunnel geological forecast system and the formation of the prediction methods were discussed.

Key words： tunnel； karst area； goaf； geological prediction