烏池壩隧道巖溶地質超前預報綜合技術

王登科

1 工程背景

烏池壩隧道是滬蓉西高速公路通道的一座重點隧道,其位于湖北省恩施市白果鄉烏池壩村,左右幅分離;左洞起訖樁號為ZK253+182～ZK256+645,長 3 463 m;右洞起訖樁號為 YK253+162～YK256+600,長3 438 m。兩隧中心間距為35 m,隧道最大埋深約為 480 m。隧道穿越地層有巖溶、巖溶涌(突)水、突泥、斷層破碎帶等不良地質,而且工期緊迫,技術標準高。本文就超前預報在烏池壩隧道的綜合應用技術進行詳細闡述,以期為今后類似工程的施工提供一定的參考。

2 工程地質與水文地質條件

2.1 工程地質條件

烏池壩隧道處于鄂西南褶皺山區,白果背斜的北西翼、金子山復向斜南東翼,呈現單斜構造特征,依次出露志留系至三疊系地層。隧道區一般為第四系覆蓋層或基巖裸露,隧道依次穿越志留系、泥盆系、石炭系、二疊系及三疊系地層。

隧道不良地質現象主要是巖溶和斷層破碎帶。隧道洞身YK255+330～YK255+990段表現為巖溶漏斗、落水洞、溶溝等地表巖溶地貌發育,以溶隙—巖溶管道為主。推測在K255+600～K255+700附近存在嚴重的巖溶突水和突泥不良地質災害;斷層破碎帶主要表現在K255+350～K255+450段,該段為溝坡過渡段,表現為坡腳、坡面上有大量的灰巖崩塌巖塊,零星出露P1q灰巖,巖層產狀零亂,巖體較破碎。

2.2 水文地質條件

1)地表水。隧道之上的地表水不發育,地表一般無徑流,但溶溝、漏斗及串珠狀落水洞等巖溶現象發育,地表匯水沿垂直巖溶管道灌入地下,轉化為地下徑流。2)地下水。地下水主要有孔隙水、基巖裂隙水和巖溶水三類。孔隙水主要分布于第四系覆蓋層中,水量貧乏;基巖裂隙水主要分布于進口段碎屑巖層及斷裂破碎帶中,水量貧乏;巖溶水分弱承壓水及潛水兩類,弱承壓水在暴雨期間會集中涌水管道造成短時突水的可能性,潛水形成局部巖溶和巖溶突水危害,是該隧道施工的主要工程地質問題。

3 超前地質預報施工流程

超前地質預報施工流程如圖1所示。

4 超前地質預報技術

4.1 有針對性的補充地質調查

補充地質調查的主要內容包括不同巖性、地層在隧道地表的出露及接觸關系,巖層產狀及其變化;構造在隧道地表的出露、分布、性質、規模及其產狀變化;地表巖溶發育、規模及分布規律。

4.2 地質素描

地質素描的方法及預報成果如表1所示。

表1 地質素描的方法及成果預報

4.3 巖溶地質預報

4.3.1 巖溶地質學方法對隧道溶洞進行定性預測

對巖溶發育區域的地貌、地質調查分析,進行定性預測。地質學預測的方法及預報成果如表2所示。

表2 地質分析法及成果預報

4.3.2 TSP203超前地質預報系統

TSP203超前地質預報系統適用于極軟巖～極硬巖的任何地質情況,可方便快捷的預報掌子面前方100 m～200 m范圍內的溶洞、斷層破碎帶、軟弱地層等不良地質情況。

工作方法:TSP203超前地質預報系統測線布設在掌子面附近的邊墻上,它由兩個接收器孔和24個炮孔組成,兩個接收器孔對稱分布在兩邊墻,24個炮孔等間距布置在一側邊墻。

根據圍巖軟硬和破碎程度以及距接收器位置的遠近,每個炮孔裝藥20 g～50 g,炸藥為高爆速炸藥,雷管采用零延時電雷管。

在預報過程中,數據解釋除充分利用TSP203系統提供的信息、成果外,還需通過其他的預報手段進行綜合判斷。TSP203地震反射波法進行中長距離(100 m)較大的巖性結構變化情況的預報,采用探地雷達進行短距離(10 m～40 m以內)的精細巖性結構變化情況的預報。

4.3.3 超前地質鉆孔

超前地質鉆孔主要用于巖溶及地下水發育地段,超前鉆孔可最直接的揭示掌子面前方的地層、巖性、節理裂隙等地質特征,是對其他探測手段成果的最后確認和補充。超前地質探孔布置如圖2,圖3所示。

4.3.4 巖溶水預報

為了搞好超前防水預測預報和快速查找隧道外圍威脅隧道安全的隱蔽水體,采用物探和鉆探相結合的方法;可采用紅外探水法、電法、鉆探以及水溫監測等方法準確判定出巖溶水的類型,出水量大小等。

4.4 水文地質預測預報

其主要內容有地表井、泉的量測,洞內水文地質預報等。

1)專人負責地表溶槽及谷底漏斗、落水洞、溶溝的泉水、井水水量及地表鉆孔水位變化長期量測,分析研究量測結果,及時提出處理措施。2)采用容量法、三角堰法、梯形堰法、規則斷面流速法、水泵抽水量法等獲取掌子面附近涌水量的實際數據,長期觀測記錄,綜合分析,對未開挖段開展水文地質預報工作。

5 結語

文章介紹了補充地質調查、地質素描、TSP203超前地質預報以及超前地質鉆孔等超前地質預報技術,并以TSP203超前地質預報為主要手段,對烏池壩隧道進行巖溶地質超前預報,實踐證明是基本成功的,該方法的應用取得了寶貴的巖溶地質超前預報經驗。但需指出,巖溶地質超前預報是非常復雜的,預報難度也相當大,預報的精確性問題更難。建議在同類巖溶隧道地質預報中,進一步總結經驗、開發技術,把巖溶預報的準確性和預報精度提高到一個新水平。

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