貴廣高鐵油竹山隧道施工風險地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用研究

錢薔薇

貴廣高鐵油竹山隧道施工風險地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用研究

錢薔薇

（中國中鐵城市投資集團有限公司，四川 成都 610000）

介紹了貴廣高鐵油竹山隧道安全穿越復雜高風險巖溶地區(qū)的成功經(jīng)驗。從超前地質(zhì)預(yù)報方法選用、結(jié)果分析和預(yù)報效果等方面，對高風險巖溶隧道的地質(zhì)風險預(yù)報進行了較為全面的分析和總結(jié)，為巖溶地區(qū)隧道地質(zhì)風險的預(yù)報提供了借鑒經(jīng)驗。

高速鐵路；巖溶隧道；高風險施工；地質(zhì)預(yù)報

1 前言

隨著中國鐵路網(wǎng)的快速成型，鐵路隧道施工地質(zhì)條件千變?nèi)f化，遇到的風險種類也越來越多。貴廣高鐵油竹山隧道處于較典型的巖溶發(fā)育地區(qū)，其可能引起暗河水涌入、突水突泥等事故，對隧道施工威脅巨大。高速鐵路隧道如何對地質(zhì)風險進行可靠預(yù)報，是隧道安全、快速施工的前提和保障，具有很大的研究和實用價值。以貴廣高鐵油竹山隧道成功通過高風險巖溶強烈發(fā)育區(qū)的案例，對高速鐵路隧道通過大型溶洞、大段溶蝕破碎帶、大型儲水溶巖管道等強烈發(fā)育區(qū)的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)進行了較為全面的分析和總結(jié)，為巖溶地區(qū)隧道工程提供借鑒。

2 工程概況

貴廣鐵路油竹山隧道全長9 896 m，始于貴州省貴定縣昌明鎮(zhèn)，終于貴州省都勻市甘塘鎮(zhèn)。線路左側(cè)設(shè)有平行導洞，進口導洞長度2 717 m，出口長度2 371 m。

隧道最大埋深約720 m，隧址區(qū)地質(zhì)條件復雜，隧道穿越巖溶、巖爆、順層、暗河、斷層破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶等多種不良地質(zhì)，隧道平常涌水量為54 200 m3/d，雨季涌水量為136 000 m3/d，存在突水突泥高風險，為Ⅰ級高風險巖溶隧道。

3 地質(zhì)風險預(yù)報方法

目前在隧道施工中較常使用的地質(zhì)風險超前預(yù)報技術(shù)有直接法和間接法，直接法主要采用鉆探和導坑，間接法有TSP、地質(zhì)雷達等。每種探測方法均有優(yōu)缺點和適用范圍，單一使用不能全面預(yù)報前方地質(zhì)風險，存在一定的安全隱患，鑒于油竹山隧道的高風險性，施工中創(chuàng)新采用了多源信息綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)和巖溶發(fā)育地質(zhì)模型，前者可以利用各種探測技術(shù)的優(yōu)點更確切地預(yù)報前方地質(zhì)風險情況，后者更加系統(tǒng)地總結(jié)巖溶病害的發(fā)育特征，提高預(yù)報準確度。

3.1 TSP探測技術(shù)

TSP探測作為一種中長期的預(yù)報方法，其預(yù)報范圍一般界定為100～150 m，監(jiān)測系統(tǒng)通過對人工地震波振幅和反射系數(shù)等數(shù)據(jù)的分析，從而可清楚判斷前方地質(zhì)體的變化，為施工單位制定相對長期的施工計劃提供科學依據(jù)。

3.2 地質(zhì)雷達探測

地質(zhì)雷達預(yù)報距離一般在20～30 m，是綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)體系的關(guān)鍵技術(shù)。地質(zhì)雷達超前預(yù)報主要用于進一步查明表面雷達發(fā)現(xiàn)的掌子面前方富水構(gòu)造、不連續(xù)體及破碎帶，判斷地下水賦存情況，有助于減少超前鉆孔的數(shù)量，彌補超前鉆孔在復雜地質(zhì)條件下難以預(yù)測小斷層、貫穿性大節(jié)理及與隧道軸線平行結(jié)構(gòu)面的缺陷，對確保超前地質(zhì)預(yù)報的準確率具有決定性的作用。

3.3 巖體溫度場探水技術(shù)

巖溶隧道水的賦存狀態(tài)直接影響施工安全，對水的探測是必要的，主要采用紅外線探水技術(shù)。水的存在會引起圍巖紅外場的明顯變化，因而可以探測前方是否存在水體。其探測、分析速度較快，不易引起窩工，適合與中、短期物探手段互相補充使用。

3.4 超前鉆孔法

超前鉆探主要適用于前方30 m圍巖級別，富水帶、斷層、巖溶、高地應(yīng)力、有害氣體等的預(yù)報，建立在物探預(yù)報基礎(chǔ)之上。超前水平鉆可直接探測前方巖體的地層巖性、含水性、完整性，對其結(jié)果的分析可以較為準確推測構(gòu)造巖溶洞穴的位置與其規(guī)模；更能直觀準確反映巖體概況和預(yù)報地質(zhì)風險結(jié)果，但工期長，工程投資大。

3.5 高精度孔內(nèi)成像技術(shù)

孔內(nèi)成像對孔內(nèi)壁四周及下部進行全方位彩色攝像，并實時傳回全景圖像到地面系統(tǒng)控制器，通過電視屏幕直觀顯示圍巖破碎程度及裂隙產(chǎn)狀等?？變?nèi)成像可以直接觀測到鉆孔中地質(zhì)體的各種特征及細微構(gòu)造，適用于鉆孔取芯難度大、無法取芯的情況，在巖溶地區(qū)較為適用。

360°全景鏡頭成像如圖1所示。

圖1 360°全景鏡頭成像

綜上所述，油竹山隧道施工中建立的多源信息綜合風險地質(zhì)預(yù)報體系，物探方面采用TSP與地質(zhì)雷達長短結(jié)合，輔以巖體溫度場探水技術(shù)；鉆探方面利用超前水平鉆孔和高精度孔內(nèi)成像技術(shù)，不僅能直觀探測前方風險地質(zhì)情況，還能對更深層次的巖體巖性和構(gòu)造進行預(yù)測。其運行的有效性證明了體系在巖溶地區(qū)高風險長大隧道的適用性。

4 巖溶發(fā)育地質(zhì)模型

通過對廣西、貴州巖溶地區(qū)隧道工程典型案例的分析總結(jié)，系統(tǒng)研究了在不同構(gòu)造條件下，巖溶病害的發(fā)育特征，闡述了巖溶在不同構(gòu)造地質(zhì)條件下的發(fā)育規(guī)律，形成多個巖溶地質(zhì)發(fā)育模型，其中油竹山隧道傾斜巖層節(jié)理較發(fā)育、上下部有隔水層巖溶發(fā)育模型為巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報和巖溶不良地質(zhì)處理提供了理論指導，填補了巖溶地質(zhì)預(yù)報理論體系的空白。傾斜巖層節(jié)理較發(fā)育、上下部有隔水層巖溶發(fā)育模型與現(xiàn)場對比如圖2所示。

圖2 傾斜巖層節(jié)理較發(fā)育、上下部有隔水層巖溶發(fā)育模型與現(xiàn)場對比圖

通過建立上述地質(zhì)模型，豐富了巖溶工程地質(zhì)的基本理論體系，在技術(shù)上確立了涉及巖溶工程地質(zhì)問題的基本依據(jù)，為貴廣鐵路巖溶發(fā)育隧道超前地質(zhì)預(yù)報提供了技術(shù)保障，提高了預(yù)報的可靠度。

5 超前地質(zhì)風險預(yù)報體系

首先確定預(yù)報區(qū)域所對應(yīng)的地質(zhì)模型類型，然后利用TSP203配合巖體溫度場探水對前方巖體結(jié)構(gòu)完整性、巖溶和地下水發(fā)育的情況進行長距離預(yù)報。在開挖前利用地質(zhì)雷達對掌子面30 m范圍內(nèi)進行短距離預(yù)報。對疑似存在富水帶、斷層、巖溶、高地應(yīng)力、有害氣體等不良地質(zhì)風險的情況進行水平鉆孔，必要時可采孔內(nèi)雷達及孔內(nèi)成像驗證。在巖溶發(fā)育地質(zhì)模型理論的指導下進行超前地質(zhì)預(yù)報工作，從宏觀上了解巖溶地質(zhì)情況。

在實踐操作中，超前地質(zhì)預(yù)報根據(jù)設(shè)計圖紙上明確的地質(zhì)風險等級和探測方法，分別采用地質(zhì)調(diào)查、TSP、表面雷達、紅外探測等物探方法，結(jié)合超前鉆孔（水平地質(zhì)鉆探、加深炮孔探測）、地質(zhì)編錄等手段，對隧道掘進施工進行超前地質(zhì)綜合預(yù)報，大力推廣孔內(nèi)雷達、鉆孔攝像、孔內(nèi)成像等新技術(shù)手段應(yīng)用，對復雜地質(zhì)情況進行輔助探測，各手段的使用應(yīng)根據(jù)圖紙和現(xiàn)場地質(zhì)靈活掌握，并采用TSP輔以表面雷達、紅外探測進行綜合分析，如有疑問則應(yīng)采用地質(zhì)鉆探法進行核查。

各種超前地質(zhì)預(yù)報手段使用流程如圖3所示。

圖3 各種超前地質(zhì)預(yù)報手段使用流程圖

6 預(yù)報成果

6.1 TSP預(yù)報

油竹山隧道進口平導TSP結(jié)果顯示：P1K82+906—P1K83+006圍巖溶蝕裂隙較發(fā)育，存在巖溶富水區(qū)，突水地質(zhì)風險較大。

6.2 地質(zhì)雷達

為進一步明確TSP探測結(jié)果，施工過程中進行了多次地質(zhì)雷達探測。經(jīng)多次探測數(shù)據(jù)對比分析，可以推測出平導P1K82+906—P1K82+936段巖體破碎，溶蝕作用強烈發(fā)育，涌水量預(yù)測在10～12 m3/h之間。巖溶發(fā)育危及施工安全，建議立即停止掌子面施工，對掌子面進行鉆孔探測后再行施工。地質(zhì)雷達探測成果如圖4所示。

6.3 紅外探水

紅外探測后，結(jié)合已開挖揭示的圍巖情況，分析判定出P1K82+906—P1K82+936段可能存在大規(guī)模含水體，地下水發(fā)育，施工中發(fā)生突涌水的可能性大。

圖4 地質(zhì)雷達探測成果圖

6.4 超前鉆孔驗證情況

為探明平導P1K82+906前方地質(zhì)風險情況，采用30 m×3超前水平鉆孔進行探測驗證：P1K82+906—P1K82+936巖性為白云巖，巖溶作用發(fā)育，地下水發(fā)育，開挖該范圍易出現(xiàn)突水涌砂，地質(zhì)風險較大。結(jié)合模型可以對前方巖溶發(fā)育情況進行推測，通過多源信息綜合風險地質(zhì)預(yù)報體系對預(yù)測進行驗證，并根據(jù)超前地質(zhì)風險預(yù)報體系大數(shù)據(jù)分析，指定相應(yīng)的技術(shù)措施和管理措施，以及完善的處置體系，確保油竹山隧道通過巖溶、斷層、富水帶、高地應(yīng)力等強烈發(fā)育區(qū)施工生產(chǎn)安全。

7 結(jié)語

貴廣鐵路油竹山高風險巖溶隧道建立巖溶地區(qū)長大隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)體系，通過恰當選擇預(yù)報技方法及各種預(yù)報方法的相互驗證，基本確定不良地質(zhì)的性質(zhì)、規(guī)模。多源信息綜合預(yù)報技術(shù)和巖溶隧道地質(zhì)預(yù)報體系的應(yīng)用極大地提高了地質(zhì)風險預(yù)報的準確率。以上多種超前地質(zhì)風險預(yù)報技術(shù)的綜合應(yīng)用為油竹山高風險巖溶隧道規(guī)避地質(zhì)風險，安全快速完成建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，對其地質(zhì)風險預(yù)報經(jīng)驗的分析和總結(jié)為此類工程提供了重要參考。建設(shè)過程中以油竹山隧道為依托展開了高速鐵路隧道施工機械化配套設(shè)備開發(fā)及應(yīng)用研究、巖溶地區(qū)高風險隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報新技術(shù)應(yīng)用研究、巖溶隧道爆破控制技術(shù)研究等七項探索型課題，科研工作碩果累累，工程榮獲2016年度中國建設(shè)工程魯班獎。

［1］王良奎.多種超前地質(zhì)預(yù)報方法在隧道施工中的應(yīng)用［J］.金屬礦山，2001（11）：45-47.

［2］何振起，李海，梁彥忠.利用地震反射法進行隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報［J］.鐵道工程學報，2000（4）：81-85.

［3］曾憲強，沙椿.工程物探論文集［M］.昆明：云南科技出版社，2006.

U455.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.069

2095－6835（2020）08－0154－03

錢薔薇，畢業(yè)于西南交通大學土木工程專業(yè)。

〔編輯：嚴麗琴〕