巖溶隧道遞進式綜合地質預報技術

金強國 劉成禹

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

隧道與其他工程相比,其隱蔽性、施工復雜性、地質條件和周圍環境的不確定性更加突出,大大增加了隧道建設的難度和施工風險[1-3]。隨著國民經濟的飛速發展,在巖溶地區修建的隧道及地下工程越來越多。由于巖溶發育地區往往是斷層、節理、裂隙發育、巖層破碎的地段,兼具富水、高水壓、不同規模巖溶(溶洞、暗河、溶隙、溶槽等)發育，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,常常發生突水、突泥、坍方、地表塌陷等突發事件,嚴重威脅著隧道施工安全。

對巖溶的發育情況進行準確及時地預報,是巖溶發育地區保證隧道施工安全,減輕突水、突泥等災害損失的有效措施,也是當前巖溶地區隧道設計與施工中亟待研究與解決的關鍵問題。然而,由于巖溶的形成、發展及空間分布受諸多因素的影響和控制,所以,巖溶的發育雖然在宏觀上具有一定的規律性,但在細觀上又具有明顯的差異性,這大大增加了巖溶超前預報的難度。

關于巖溶的超前預報技術,前人已進行過諸多研究與實踐,并取得了一些對巖溶預報非常有指導性的成果[4-10],但這些研究與實踐主要聚焦于如何采用單一或綜合的方法對巖溶進行超前探測，如何提高超前探測成果解釋準確性等方面；采用的預報手段主要是地質分析、TSP、地質雷達探測和超前水平鉆；超前探測的實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,加之巖溶的復雜性,預報精度只能滿足制定大的施工方案的要求(如是否需要進行超前帷幕注漿等),無法滿足制定開挖、支護方案的要求。

在龍廈鐵路象山特長隧道巖溶段施工中,結合隧道施工特點,在不同施工階段分別采用了工程地質分析、TSP、地質雷達、超前長炮釬探測、注漿孔、檢查孔、注漿過程綜合分析等方法,將超前地質預報貫穿主要施工階段,逐步提高預報精度,以滿足不同施工階段的要求,取得了很好的實施效果。本文結合工程實例,對這一方法進行系統闡述。

1 預報方案

象山特長隧道巖溶段不同施工階段采用的地質預報方案及預報成果運用見表1。

上述預報方案的具體做法如下：

(1)可溶巖發育地區,在距巖溶可能發育段50～100 m時，采用TSP超前探測并輔以工程地質、水文地質分析方法對巖溶的發育情況進行分析,為制定應急預案和短距離重點預報區段提供依據。

表1 象山特長隧道巖溶段地質預報方案及成果運用

(2)在上述長距離預報的基礎上,在距巖溶可能發育段10～30 m時，采用地質雷達、超前水平鉆孔探測并輔以巖溶工程地質前兆特征識別，對巖溶的發育情況進行綜合分析,為制定注漿方案提供依據。

(3)注漿鉆孔鉆進及注漿過程中,對注漿鉆孔鉆進情況、各孔的注漿情況進行記錄和分析,結合注漿質量檢查孔取芯情況,對巖溶的發育情況進行更加深入、準確地分析,為制定巖溶段隧道開挖、支護方案提供依據。

(4)隧道開挖過程中，采用5 m長炮釬對超前探測盲區及巖溶發育的重點區域進行探測和驗證,規避盲區,提高地質預報準確性和施工安全性。

(5)二襯、仰拱施做前，采用地質雷達對隧道周邊巖溶進行探測,確保隧道運營安全。

這樣一種物探探測與工程地質分析結合，長距離宏觀預報與短距離精確預報相結合的巖溶預報方法，充分發揮了注漿孔、注漿質量檢查孔的作用,在不增加其他探測資源的情況下，大大提高了巖溶探測精度；此外,這種預報方法,前階段的預報成果為后階段的預報提供指導,后階段的預報成果驗證和彌補前一階段,層層推進,逐步提高預報精度,有效規避了施工過程中冒然揭示巖溶、發生突水、涌泥等地質災害的風險性，是超前帷幕注漿條件下,復雜巖溶段較好的超前地質預報方法。

2 長距離預報

長距離宏觀預報采用工程地質分析與TSP探測相結合的方法。

2.1 工程地質分析

巖溶在宏觀上具有一定的規律性,這主要表現在下列方面。

(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、由弱可溶巖進入強可溶巖的邊界等部位巖溶較發育。

(2)從豎向看,侵蝕基準面附近巖溶一般較發育。

(3)從地形上看,溝谷附近巖溶一般較發育。

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

2.2 TSP探測

巖溶在TSP探測成果上有下列主要表現特征：

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

(2)VP/VS增加,泊松比突然增大,密度、動態楊氏模量減小。

(3)溶蝕裂隙發育區域一般呈現如下特征：圍巖縱橫波速時高時低,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 短距離預報

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、溶隙間出現較多的鐵銹或黏土。

(2)巖層明顯濕化、軟化或淋水現象。

(3)小溶洞出現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；鉆孔中有涼風冒出。

(5)有嘩嘩的流水聲。

3.2 地質雷達探測

巖溶在地質雷達波形圖上有下列表現特征：

(1)完整圍巖均一性好,雷達波反射很弱,為低幅高頻細密波；巖層破碎或出現巖溶時,巖石均一性變差,出現強反射波組。

(2)富水或充填型巖溶在雷達波形上表現為：出現較強反射波組,巖溶部分雷達波頻率明顯比周邊低,充水溶洞雷達波常出現強烈的振蕩信號。

(3)空溶洞與圍巖界面會出現強反射帶,但溶洞內部反射不明顯。

圖1為巖溶發育區地質雷達波形。測線10 m以前,雷達波反射很弱,頻率較高,該區域圍巖較完整；測線10～18 m,3 m以后，雷達波出現強度的反射,局部區域出現明顯的振蕩信號(圖1之A區域)或頻率明顯低于周邊的區域(圖1之B區域),說明測線10～18 m、3 m以后，區域圍巖破碎,巖溶較發育,其中A區域可能為充水溶洞,B區域可能為被泥或軟弱介質充填的溶洞。上述探測結果與開挖揭示情況基本一致。

圖1 巖溶地區雷達波形

4 精確預報

巖溶的精確探測主要通過注漿鉆孔、檢查孔、注漿過程的綜合分析以及長炮釬超前探測進行。

4.1 注漿孔和檢查孔探測

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]。注漿鉆孔的鉆進情況、各孔的注漿情況以及注漿質量檢查孔的取芯情況都能從不同角度反映前方巖溶的發育情況。超前帷幕注漿鉆孔的數量比超前水平鉆多得多,加之各孔均以一定外插角鉆進,每一循環的注漿長度多為30 m左右,這為利用注漿鉆孔、檢查孔對前方巖溶的發育情況進行精確探測提供了條件。

為了更好地利用注漿鉆孔、檢查孔及注漿資料對巖溶進行綜合分析,鉆進及注漿過程中應按下述實施要點進行。

(1)實施要點

注漿鉆孔鉆進過程中應對各鉆孔的下列主要內容進行認真記錄：

①鉆感、鉆速。鉆速聚增、跳鉆、卡鉆的位置應重點記錄。

②回水量,回水顏色。回水量聚增的部位,回水中夾泥、砂或碎(卵)石的部位應重點記錄。若回水夾碎(卵)石,尚需對碎(卵)石的最大粒徑、磨圓情況進行認真觀察和記錄。

注漿過程中應對各注漿孔的下列主要內容進行認真記錄：

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上進行單孔分析,在單孔分析的基礎上進行綜合分析。

①單孔分析

通過對注漿孔、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育情況。單孔分析按下列基本方法進行。

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

通過返水量、返水夾雜物分析溶蝕的發育及充填情況。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育；返水量或夾雜物含量越多,巖溶越發育。在分析巖溶位置時應注意：由于返水沿孔壁流出有一定的滯后時間,巖溶發育的實際位置會比出現上述現象(返水量或其中夾雜物含量劇增)時鉆孔的實際深度小一些。當孔深小于30 m時,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。

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

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

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上,對不同深度的相對完整圍巖孔、破碎孔、含泥砂孔及返水量進行統計、分析。象山隧道YDK24+114～YDK24+144段注漿鉆孔、檢查孔的統計情況見表2。

表2 注漿孔和注漿質量檢查孔揭示的圍巖情況

根據統計結果可作出相對完整圍巖孔、破碎圍巖孔、含泥砂孔占總孔數的百分比及各孔累計出水量沿深度的分布,如圖1～圖4所示。

圖1 圍巖相對完整孔沿深度的分布

圖2 各孔累計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,圍巖相對完整孔所占比例很高,各孔累計出水量很小,說明巖體較完整；15～26 m(YDK24+129～YDK24+140)圍巖相對完整孔所占比例急劇下降,各孔累計出水量急劇上升,說明圍巖完整性急劇惡化,巖溶發育程度明顯上升；26 m(YDK24+140)以后,完整圍巖孔很少,各孔累計出水量很大,說明圍巖完整性很差,巖溶很發育。

圍巖的完整性及巖溶的發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)范圍內圍巖破碎孔所占比例較高,但該范圍內含大量泥砂孔所占比例及各孔累計出水量均未出現劇增,分析該深度范圍內巖溶主要以溶隙、溶槽為主。

25～28 m(YDK24+139～YDK24+142)范圍內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出水量驟增,結合鉆孔返水夾雜物的最大粒徑分析,該深度范圍內巖溶主要以溶隙、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明顯上升且各孔累計出水量劇增,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：

根據各注漿孔、檢查孔的孔位及其鉆進情況記錄，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。以此為基礎可對不同深度處巖溶在隧道橫向的分布情況進行分析。

圖5為根據象山隧道YDK24+114～YDK24+144段注漿孔和檢查孔鉆進記錄作出的距止漿墻不同深度(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、含大量泥砂孔的數量逐漸增多,說明在該區段內圍巖完整性逐漸變差,溶蝕逐漸加劇；但該區段內含大量泥砂孔和大量出水孔很少,說明該區段圍巖的溶蝕主要表現為溶隙。

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

22～26 m(YDK24+136～YDK24+140)含大量泥砂孔，出水孔數量急劇上升,說明這一區段地下水通道明顯變寬,溶槽越來越發育；26 m(YDK24+140)斷面左邊墻、右拱腰及隧底(圖中A3、B3、C2區域)各孔均含大量泥砂孔或大量出水孔,分析上述區域為溶腔或溶洞。

26～30 m(YDK24+140～YDK24+144)隧道開挖輪廓線以內及周邊區域含大量泥砂孔、大量出水孔，分析隨著深度增加,隧道逐漸進入充填型溶洞。30 m(YDK24+144)后隧道開挖輪廓線內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也是溶洞充填物。

巖溶總體發育特點：

在巖溶縱、橫向發育特點分析的基礎上，可對巖溶的總體發育特點進行分析。由YDK24+114～YDK24+144段巖溶發育特點的前述分析可得：巖溶發育程度主要受縱向控制(隨深度增加溶蝕逐漸加劇),說明該區段及其前方巖溶的總體發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育,說明上述部位還存在發育方向與隧道走向基本平行的巖溶相對發育區。

4.2 長炮釬探測

隧道掘進過程中,在注漿孔、檢查孔探測盲區及對前期探測成果存在疑問的區域鉆3～5個5 m深超前長炮孔,進行補充探測和檢驗。超前長炮孔費用低，基本不影響施工,可有效規避探測盲區,提高溶隙、溶槽探測精度,確保施工安全。

5 實施效果

龍廈鐵路象山特長隧道巖溶段施工過程中,嚴格按本文第1部分所述的超前地質預報方案進行長距離、短距離及精確預報。預報精度滿足了不同施工階段的要求,精確預報成果與開挖揭示結果基本一致。實踐證明,本文所述超前地質預報方法及探測資料的分析、處理方法是超前帷幕注漿條件下,復雜巖溶段地質預報的較好方法。

6 結 論

采用工程地質分析、TSP探測進行宏觀預報,注漿前采用工程地質前兆分析、地質雷達探測進行短距離預報,注漿過程中通過注漿孔、檢查孔綜合分析進行精確預報的方法,可大大提高巖溶預報精度,滿足不同施工階段對預報成果的要求,實踐證明是超前帷幕注漿條件下,復雜巖溶段地質預報的較好方法。

[1] 葉 樵.長大復雜地質隧道大涌水地質災害分析[J].鐵道工程學報,2008(7)：65-68

[2] 黃宏偉.隧道及地下工程建設中的風險管理研究進展[J].地下空間與工程學報,2006,2(1)：13-20

[3] 毛儒.隧道工程風險評估[J].隧道建設,2003,23(2)：1-3

[4] 劉汝臣.宜萬鐵路巖溶隧道超前地質預報技術[J].隧道建設,2007,27(2)：1-3

[5] 孫克國,李術才,張慶松,等.TSP在巖溶區山嶺隧道預報中的應用研究[J].山東大學學報(工學版),2008,38(1)：74-76

[6] 劉志剛. 概論巖溶或地質復雜隧道隧洞地質災害超前預報技術[J].鐵道建筑技術,2003(2)：1-4

[7] 席繼紅,閆小兵,周永勝.快速鉆探技術在巖溶隧道超前預報中的應用[J].工程地球物理學報,2008,5(1)：89-94

[8] 李蒼松,何發亮,丁建芳.武隆隧道巖溶地質超前預報綜合技術[J].水文地質工程地質,2005(2)：96-100

[9] 劉立春.巖溶隧道地質雷達超前預測預報技術[J].水利與建筑工程學報,2008,6(2)：91-96

[10] 李術才,李樹忱,張慶松,等.巖溶裂隙水與不良地質情況超前預報研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26(2):217-225

[11] 羅 瓊.巖溶隧道施工技術[J].鐵道工程學報，2005(3)：65-71