宜萬鐵路巖溶隧道溶腔的組合超前地質(zhì)鉆探技術(shù)

陳愛云(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢　430063)

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宜萬鐵路巖溶隧道溶腔的組合超前地質(zhì)鉆探技術(shù)

陳愛云
(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢430063)

摘要:巖溶隧道突水突泥風(fēng)險極大，超前地質(zhì)鉆探是直接、有效的預(yù)報方法，而對于超前地質(zhì)鉆探方法參數(shù)的研究較少。本文通過總結(jié)宜昌至萬州鐵路施工過程中所遭遇的巖溶溶腔類型及超前鉆探經(jīng)驗，將巖溶溶腔劃分為干溶腔、季節(jié)性有水溶腔和富水溶腔三種類型，并提出了相應(yīng)的組合超前地質(zhì)鉆探方法。組合超前地質(zhì)鉆探方法主要是通過改變探孔A、探孔B和釬探孔的數(shù)量、布置方式等關(guān)鍵參數(shù)，對不同類型的溶腔形態(tài)進(jìn)行探測。同時，對安全巖盤的留設(shè)厚度進(jìn)行了數(shù)值分析，得出安全巖盤的留設(shè)厚度不應(yīng)小于3 m。工程實踐證明，組合超前地質(zhì)鉆探技術(shù)可顯著提高溶腔預(yù)測的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞:宜萬鐵路超前地質(zhì)鉆探巖溶溶腔安全巖盤

宜萬鐵路全長377.128 km，共有隧道159座，橋梁253座，橋隧總長占線路全長的74%［1］。鐵路沿線巖溶地區(qū)占線路長度的70%，地質(zhì)條件之復(fù)雜國內(nèi)外罕見，巖溶突水突泥問題尤其突出，安全風(fēng)險極大［2-5］。

隧道施工遭遇巖溶腔體時，存在大規(guī)模突水、突泥、變形塌方等風(fēng)險，對隧道內(nèi)各種巖溶腔體準(zhǔn)確超前探測是制約隧道工程建設(shè)成敗的關(guān)鍵因素。目前國內(nèi)超前地質(zhì)預(yù)報的主要手段有物探法、地質(zhì)分析法、超前鉆探法及三者結(jié)合使用的綜合地質(zhì)分析法［6-8］。超前地質(zhì)鉆探作為超前地質(zhì)預(yù)報手段中最直接、最直觀、最有效的預(yù)報方法，在長大隧道施工預(yù)報中越來越顯出其重要性［9］。本文分析不同類型巖溶溶腔超前鉆探技術(shù)，為規(guī)避突水、突泥、變形塌方等重大地質(zhì)風(fēng)險提供安全預(yù)警，為隧道襯砌斷面形式和支護(hù)參數(shù)的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

1　巖溶隧道類型劃分

進(jìn)行超前鉆探時，均需要先根據(jù)地質(zhì)勘測成果，綜合分析判斷隧道前方的巖溶發(fā)育情況及可能存在的地質(zhì)風(fēng)險，進(jìn)行施工地質(zhì)超前預(yù)報分級，并劃分溶腔類型。溶腔類型對超前鉆探方式具有決定性影響。

按隧道施工風(fēng)險程度可將溶腔分為干溶腔、季節(jié)性有水溶腔和富水溶腔。干溶腔是指無論旱季還是雨季，溶腔內(nèi)都沒有明顯的地下水流，其主要的風(fēng)險為溶腔充填物易垮塌及溶腔壁的失穩(wěn)，如宜萬鐵路魯竹壩2號隧道610溶腔、龍麟宮隧道794溶腔等。季節(jié)性有水溶腔是指旱季時溶腔內(nèi)基本無水，雨季或下雨后溶腔內(nèi)水量較大，其主要風(fēng)險是旱季時的溶腔充填物易垮塌及周邊失穩(wěn)引發(fā)塌方事故、雨季或下雨后溶腔突水、突泥。如宜萬鐵路紅瓦屋隧道370溶腔、高陽寨隧道585溶腔等。富水溶腔是指無論旱季還是雨季一直有水，只是雨季時水量更大，其主要風(fēng)險為突水、突泥、突塊石，如宜萬鐵路馬鹿箐隧道的978溶腔、云霧山隧道的617溶腔等。

2　干溶腔探測方法

2.1鉆探方法

干溶腔超前鉆探步驟:

①在掌子面朝擬開挖隧道方向鉆超前探孔A，在鉆孔過程中，當(dāng)鉆頭鉆穿溶腔后達(dá)完整基巖3～5 m時即停止鉆探，或者當(dāng)鉆頭鉆到底之后仍沒有鉆穿溶腔時停止鉆探。此處完整基巖是指結(jié)構(gòu)面發(fā)育1組時平均間距＞1 m、或結(jié)構(gòu)面發(fā)育2組時平均間距＞2 m的基巖，同時需結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度好、巖石呈整塊或巨厚層狀結(jié)構(gòu)。

②沿掌子面朝擬開挖隧道方向鉆釬探孔，然后在釬探孔安全巖盤的保護(hù)下向前挖掘隧道，釬探孔與挖掘隧道循環(huán)進(jìn)行，直至釬探孔靠近探測到的溶腔邊界時停止隧道掘進(jìn)，此時隧道掌子面與溶腔邊界之間的安全巖盤厚度為3～5 m。

③在預(yù)留的安全巖盤處掌子面朝擬開挖隧道方向鉆探孔B并鉆穿溶腔。

④在預(yù)留的安全巖盤掌子面處朝擬開挖隧道方向繼續(xù)鉆釬探孔，直至揭示溶腔。

⑤如果空溶腔過大，鉆探孔B無法鉆穿溶腔體，則鉆釬探孔，并在采取安全措施的前提下揭示溶腔。

⑥綜合分析后，形成超前地質(zhì)預(yù)報成果。

2.2技術(shù)參數(shù)

在干溶腔超前鉆探過程中，步驟①中探孔A只需1個即可，布置于掌子面中央(圖1(a))，鉆探最佳角度為0°～30°，最佳長度為30～100 m。探孔B有3個，其中1個位于掌子面的中軸線上，其它2個在掌子面中軸線兩側(cè)對稱布置(圖1(b))，最佳長度為15～30 m，鉆探角度為0°～35°。

上述步驟②、步驟⑤和步驟⑥中，釬探孔均為5個，其中1個釬探孔位于掌子面的中軸線頂端，其它釬探孔位于掌子面邊緣并沿中軸線對稱分布(圖1)，釬探孔最佳長度為4～7 m，鉆探角度為0°～45°。

圖1　干溶腔超前鉆孔布置(實心為鉆探孔，空心為釬探孔)

3　有水溶腔探測方法

3.1鉆探方法

有水溶腔超前鉆探施工步驟:

①有水溶腔的水壓難以預(yù)料，在鉆探前先做好鉆孔出水的相關(guān)準(zhǔn)備工作，防止鉆孔水淹隧道，安裝好孔口管;②在掌子面朝擬開挖隧道方向鉆超前探孔A，鉆至溶腔出水時即停止鉆探;③對探孔A安裝高壓止水閥和壓力表，監(jiān)測鉆孔內(nèi)的水壓變化情況后進(jìn)行封孔處理;④沿掌子面朝擬開挖隧道方向鉆釬探孔，然后在釬探孔安全巖盤的保護(hù)下向前挖掘隧道，釬探孔與挖掘隧道循環(huán)進(jìn)行，直至釬探孔靠近探測到的溶腔邊界時停止隧道掘進(jìn)，此時隧道掌子面與溶腔邊界之間的安全巖盤厚度為3～5 m;⑤安裝孔口管，在預(yù)留的安全巖盤掌子面處朝擬開挖隧道方向鉆探孔B，在鉆探過程中當(dāng)鉆頭鉆穿溶腔后達(dá)完整基巖3～5 m時即停止鉆探;⑥對探孔B安裝高壓止水閥和壓力表，監(jiān)測鉆孔內(nèi)的水壓變化情況;⑦在預(yù)留的安全巖盤掌子面處朝擬開挖隧道方向繼續(xù)鉆釬探孔，直至鉆穿溶腔，及時進(jìn)行封孔處理;⑧對探孔B進(jìn)行放水試驗，綜合分析確定巖溶水的靜儲量及動態(tài)補給量;⑨綜合分析后，形成超前地質(zhì)預(yù)報成果。

3.2技術(shù)參數(shù)

大量實踐證明，在季節(jié)性有水溶腔地段，探孔A的孔數(shù)取3個即可滿足要求;在富水溶腔地段，探孔A最佳個數(shù)為5個。其中1個探孔位于掌子面的中軸線上，其它探孔沿中軸線兩側(cè)對稱分布(圖2(a)、圖3(a))。探孔A的最佳長度為30～100 m，最佳鉆探角度為0°～30°。

圖2　季節(jié)性有水溶腔超前鉆孔布置(實心為鉆探孔，空心為釬探孔)

圖3　富水溶腔超前鉆孔布置(實心為鉆探孔，空心為釬探孔)

上述步驟⑤中，季節(jié)性有水溶腔布置6個探孔B;富水溶腔布置9個探孔B。探孔B的長度為15～30 m，鉆探角度為0°～35°，具體位置見圖2(b)和圖3(b)。

上述步驟④和步驟⑦中，季節(jié)性有水溶腔釬探孔11個;富水溶腔釬探孔17個。釬探孔的長度4～7 m，在整個掌子面均勻分布，釬探孔的角度為0°～45°。

4　討論

4.1組合超前地質(zhì)鉆探孔數(shù)

所謂組合超前地質(zhì)鉆探，是指探孔A、探孔B以及釬探孔組合控制的超前鉆探。通過3種探孔共同探測大小不同、形狀各異的巖溶溶腔。隨著地質(zhì)條件復(fù)雜程度增大，探孔A、探孔B以及釬探孔的數(shù)量按線性增加規(guī)律布置(表1)。鉆孔位置在掌子面上遵循均勻布置的理念，孔與孔之間、孔與巖壁之間的距離盡可能相等，使鉆孔利用率最大化。這種布置方式可以使超前鉆探發(fā)現(xiàn)溶腔的概率增大，相應(yīng)降低突水涌泥的風(fēng)險。

表1　不同類型溶腔超前鉆孔數(shù)量

4.2安全巖盤留設(shè)厚度

一般而言，無水溶腔的安全威脅相對較小，而有水溶腔安全威脅較大，如宜萬鐵路馬鹿箐隧道的978溶腔，水壓高達(dá)1.2 MPa，這就要求鉆探時掌子面前方始終預(yù)留安全巖盤，保證水流不會沖破掌子面。安全巖盤的厚度可根據(jù)基于有限差分原理的數(shù)值仿真計算結(jié)果確定。

將隧道簡化成直徑10 m的圓柱形，根據(jù)對稱性采用1/4模型。施以1.2 MPa的水壓力，安全巖盤厚度分別設(shè)為2.0，3.0及4.0 m?；?guī)r計算采用摩爾—庫倫本構(gòu)方程，力學(xué)參數(shù)則根據(jù)文獻(xiàn)［10］提供的數(shù)據(jù)(表2)確定。

表2　灰?guī)r力學(xué)參數(shù)

計算得到的安全巖盤塑性區(qū)分布見圖4。由圖可見，隨著安全巖盤厚度的增加，塑性區(qū)逐漸變小。當(dāng)安全巖盤厚度為2 m時，塑性區(qū)貫通安全巖盤，表明水壓會沖破安全巖盤;厚度為3 m時，塑性區(qū)并不能貫通安全巖盤，表明此時水壓不會壓壞安全巖盤;厚度為4 m時，安全巖盤未發(fā)生塑性變形，安全性更佳。因此，安全巖盤的厚度不應(yīng)小于3 m?？紤]到經(jīng)濟性，安全巖盤厚度取3～5 m較為合適。

圖4　安全巖盤塑性區(qū)分布(白色網(wǎng)格區(qū)表示正常，其余網(wǎng)格區(qū)表示塑性破壞)

5　工程應(yīng)用

宜萬鐵路的云霧山隧道全長6 640 m，最大埋深800 m。隧道穿越白果壩背斜，為寒武系下統(tǒng)天河板組灰?guī)r、白云巖、溶崩角礫巖。在白果壩背斜核部發(fā)育白果壩斷層，大地電磁EH-4地表物探顯示白果壩背斜核部發(fā)育大型物探異常區(qū)。結(jié)合TSP加深炮孔成果，DK245 + 617附近巖體含裂隙水或裂隙滲水，推測可能有較大富水溶洞，建議水平鉆探驗證。

隧道掘進(jìn)至DK245 + 645，開始采用富水溶腔探孔A，布置方式參見圖3(a)，參數(shù)見表3，探孔11和13分別鉆到溶腔，測得最大水壓0.8 MPa，并采取泄水泄泥措施(圖5)。掘進(jìn)至DK245 + 634采用探孔B來控制溶腔形態(tài)，預(yù)留安全巖盤厚度3 m，鉆探布置形式參見圖3(b)，探孔間距設(shè)置為2 m，參數(shù)見表3。通過組合超前地質(zhì)鉆探的引導(dǎo)，最后順利通過該大型富水溶腔。

圖5　云霧山隧道超前地質(zhì)鉆探泄水泄沙照片

表3　云霧山隧道DK245 +617溶腔超前地質(zhì)鉆探參數(shù)

續(xù)表3　

6　結(jié)語

本文根據(jù)宜萬鐵路工程隧道建設(shè)經(jīng)驗，將巖溶地區(qū)溶腔類型劃分為干溶腔、季節(jié)性有水溶腔和富水溶腔三種類型。針對不同類型溶腔，提出了相應(yīng)的組合超前鉆探方法。隨著溶腔富水性的增強，通過增加探孔A、探孔B及釬探孔數(shù)量和改變布置方式來探測溶腔形態(tài)，可提高溶腔預(yù)測成功概率。另外，工程應(yīng)用及數(shù)值分析結(jié)果顯示，安全巖盤的厚度不應(yīng)小于3 m。

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(責(zé)任審編葛全紅)

Combination of Advanced Geological Drilling Technologies for Detecting Karst Cavities in Tunnel of Yichang－Wanzhou Railway

CHEN Aiyun

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China)

Abstract:W ater or mud bursts happen frequently in karst tunnels，where the advanced geological drilling is a direct and effective prediction method.However，there are little related research on the methods and parameters for advanced geological drilling.Based on the karst cavity types and advanced drilling experience in Yichang－W anzhou railway construction，karst cavities in tunnel should be classified into dry cavities，seasonal water cavities and waterrich cavities and the corresponding advanced combination geological drilling methods were proposed，which could detect different type of cavity shapes by adjusting key parameters including the number and arrangement of probe holes A，probe holes B and pin holes.T he numerical analysis was made for thickness of safety rock plates and the conclusion indicated that the thickness should not be less than 3 m.Engineering practice proved that advanced combination geological drilling technology can significantly improve cavity prediction accuracy.

Key words:Yichang－W anzhou railway;Advanced geological drilling;Karst;Cavities;Safety rock plate

作者簡介:陳愛云(1976—)，男，高級工程師，碩士。

收稿日期:2015-12-06;修回日期:2016-01-16

文章編號:1003-1995(2016)03-0066-04

中圖分類號:U452.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.16