宜萬鐵路巖溶隧道地質綜合超前預報技術

薛 斌,韓小敏

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司,武漢 430063;2.鐵道部宜萬鐵路建設指揮部,湖北恩施 445000)

1 工程概況

宜萬鐵路東起宜昌東站,西至萬州站,全長約 377 km,是滬漢蓉快速通道的重要組成部分,是連接中國東中部地區的重要交通紐帶(圖1)。

宜萬鐵路是中國目前在建的地質條件最為復雜的工程,巖溶隧道分布主要集中在土城、長陽至齊岳山,該段由于碳酸鹽巖廣泛分布,巖溶地貌發育。全線共設計隧道 159座,總長約 338 km,巖溶隧道(隧道洞身穿越可溶巖地段)有 91座,占全線 159座隧道比例為57%,總長度 239.349 km,占全線隧道總長度的 69%,其中隧道洞身位于可溶巖地層長度 195.741 km,占全線隧道總長度的 58%。長度 3 km以上的巖溶隧道27座[1]。

圖1 宜萬鐵路線路平面

宜萬鐵路隧道工程巖溶強烈發育,巖溶及巖溶水極其復雜,是制約工程建設的突出問題。宜萬線淺埋隧道一般都位于巖溶的垂直發育帶中,深埋隧道基本位于巖溶季節變動帶和水平循環帶的交界部位。受巖溶及巖溶水影響,地表巖溶類型齊全,形態各異,地下巖溶洞穴隨處可見,暗河密布,規模宏大,無論是淺埋還是深埋巖溶隧道,開挖過程中都可能存在遇溶腔、巖溶管道、突泥、突水或出現高壓導水斷層時產生大型突水(泥)地質災害問題,施工風險極大。在現有技術條件下,不可能在設計勘探階段查明所有的巖溶地質問題。因此,針對隧道施工過程中可能遇到的不良地質,必須進行及時準確的地質超前預測預報,預防各類突發性地質災害,規避工程建設風險,實現鐵路工程質量、安全、工期、環境和投資控制目標。

2 巖溶隧道綜合超前預報主要內容及預報方法

2.1 主要內容

施工地質是工程勘察階段工程地質勘探在施工階段的延續,用以在施工過程中解決勘察階段所沒有解決或不能解決的工程地質問題。巖溶隧道綜合超前預報的主要內容如下。

(1)巖性、構造的變化

非可溶巖與可溶巖采用不同的超前預報體系,通過對地層巖性、巖層產狀的預報,在即將進入可溶巖地段時嚴格按巖溶隧道預報體系實施,規避施工風險;通過對構造的預報,宏觀判釋構造對巖溶發育的影響。

(2)巖溶、巖溶水預報

對溶腔發育位置、發育方向、規模大小及與隧道空間關系進行預報;對溶腔水量、水壓力、溶腔儲水量、動態補給量進行預報;對工程地質災害規模、危害程度進行預報。

2.2 預報原則和預報方法

由于巖溶具有形態的不規則性和發育的隨機性,對巖溶進行準確的探測難度很大。采用地質分析法、物探法和水平鉆孔法中的任何單一方法預報巖溶都會收到一定的效果,但又都會有一定的局限性。目前,國內外已形成的超前預測預報方法很多,歸納起來分類如圖2所示。

圖2 施工地質超前預測預報方法分類

2003年 9月,宜萬鐵路建設單位邀請國內外專家在成都召開“隧道地質超前預報技術交流研討會”,確定宜萬鐵路巖溶隧道采用“地質-物探-鉆探”的綜合預報原則,選定地質素描、地震波法、地質雷達、紅外探水、深孔水平鉆探、加深炮孔共 6種方法為宜萬鐵路巖溶隧道地質超前預報試驗研究項目。

3 巖溶隧道綜合超前預報技術

3.1 施工地質分級

施工地質超前預報,特別是復雜隧道的施工地質超前預報,需要較長時間占用掌子面,勢必影響施工進度,為了在規避施工風險和保證施工進度兩個方面取得協同,保持雙贏,有必要針對宜萬鐵路復雜隧道的工程地質特點對隧道的復雜程度和復雜地段進行分級。

(1)風險隧道等級劃分

宜萬鐵路共有巖溶隧道 91座,通過對地表巖溶發育形態、地表與地下的徑流特點、暗河發育情況、斷層的切割和連通等、線路位于巖溶發育帶的位置等,確定了八字嶺、野三關、大支坪、云霧山、馬鹿箐、金字山、齊岳山、別巖槽 8座隧道為Ⅰ級風險隧道,白云山、魯竹壩、龍鱗宮等 26座隧道為Ⅱ級風險隧道,其余隧道為一般風險隧道。

Ⅰ級風險隧道最主要的地質特征是:隧道位于巖溶的水平發育帶中或地下水的水平循環帶中,只要一經揭露斷層、構造或溶腔,就會發生大規模的突水突泥,形成毀滅性的地質災害。宜萬鐵路的 8座Ⅰ級風險隧道全部都具有上述特征,是宜萬鐵路能否成功修建的關鍵工程,也是宜萬鐵路超前預報的重點隧道。

(2)地質等級劃分及預報項目

為了使超前預報工作更具有針對性,以最合理的預報手段、最短的預報時間取得期望的預報效果,達到規避風險、保證工程進度的目的。對Ⅰ、Ⅱ級風險隧道根據不同地段的復雜程度進行了地質等級劃分。復雜隧道地質等級共分為 4級,如表1所示。

3.2 超前地質預報模式

根據風險隧道等級劃分和地質等級劃分,確定巖溶隧道不同地質環境條件下預報模式(表2)。

3.3 超前地質預報管理

巖溶隧道超前地質預報的核心是風險預報,規避施工風險。宜萬鐵路通過制定相關實施細則,將超前地質預報納入工序管理,明確建設、設計、監理、施工各方的職責、分工。針對Ⅰ級風險隧道,為規避施工過程中出現突水突泥高風險,實施標準化管理。

(1)職責分工(表3)

(2)工作流程(圖3)

(3)決策程序

超前地質預報納入工序管理,使施工地質超前預報成為施工工序流程的一個重要環節,在巖溶隧道施工中,真正做到“有疑必探、不探不挖”的科學化施工原則。在施工過程中,對超前地質預報分析的準確性,決定了能否有效規避施工風險;對超前地質預報分析的時效性,決定了超前地質預報對工程進度的影響程度。

表1 宜萬鐵路施工地質分級和對應的預測預報項目

表2 宜萬鐵路巖溶隧道超前預報模式

表3 宜萬鐵路超前地質預報職責分工

圖3 宜萬鐵路超前地質預報工作流程

①針對Ⅱ級風險和一般風險隧道,在超前地質預報無異常的情況下,經施工單位現場總工程師確認后,進行開挖掘進,資料報設計單位核備;有異常時,將基礎資料提交設計單位,設計單位在 12 h內確定補充探測方案。

②針對Ⅰ級風險隧道,設計單位根據隧道所揭示的地質情況于 12 h內提交《超前地質預測預報設計通知單》,施工單位按要求組織實施超前地質預測預報工作,并在探測完成后 12 h內將探測結果提交設計單位,設計單位原則上應在 8 h內回復。如遇到可能發生突水突泥的巖溶發育區段,應在 48 h內提交《超前地質預測預報補充設計通知單》。

③施工單位在超前探查或掘進過程中發現異常地質現象或揭示地質情況與原設計地質情況有差別且對施工安全構成潛在威脅時,應停止掘進,并及時上報。

4 超前預報方法研究

宜萬鐵路開工后,選定地質素描、地震波法、地質雷達、紅外探水、深孔水平鉆探、加深炮孔共 6種方法為宜萬鐵路巖溶隧道地質超前預報試驗研究項目。2003年至 2004年,在野三關、大支坪、馬鹿箐、齊岳山等復雜巖溶隧道中進行試驗,地震波法每 100～150 m 1次、地質雷達每 15～20 m 1次、深孔水平鉆探 1孔至多孔貫穿、地質素描 1～2個開挖循環 1次、紅外探水每 15～20 m施作 1次、加深炮孔按專項設計施作,通過多個試驗樣本與開挖進行驗證對比、以及后期的深入研究,得到如下試驗結論。

4.1 地震波法預報技術

2003年 12月宜萬鐵路開工,到 2004年 11月共10座隧道進行了 40次地震波法預報。地震波法對巖溶及斷層準確預報 14次,準確預報率僅為 35%。為提高預報效果,邀請 Amberg公司技術總監現場進行技術交流探討。研究了影響地震波法預報效果的因素:橫向預報差異性、選擇參數影響、小異常的遺漏、接受器套管與孔壁的耦合、炮孔的傾斜和堵孔、環境干擾、單一接收器影響資料對比分析、數據處理參數選擇。通過研究,在現場加強技術管理,在隨后的地震波法預測預報中得到如下研究結論:

(1)地震波法對巖溶預報有效率為 50%～60%;

(2)地震波法分辨巖溶要求巖溶在掌子面縱向規模應不小于 3m,且大部分或全部應在掌子面范圍;

(3)地震波法縱向預報長度只能達到 100 m,100 m后受回振干擾較大,數據不宜采用;

(4)地震波法采用反演得到的直達速度不代表巖體的真實速度,難以對巖溶及斷層區圍巖級別作出真實判釋。

4.2 地質雷達超前預報技術

地質雷達對不良地質有較好的反映,如龍麟宮隧道地質雷達預報結果與實際開挖就有很好的對應關系。但地質雷達有效預報距離只有 15 m,且每 2個循環需要重疊 5 m,預報距離短,因此,與加深炮孔相比較,優勢不明顯。同時,地質雷達預報精度受掌子面平整度耦合問題、支護鋼架與作業臺架的干擾問題影響較大。

4.3 紅外探水預報技術

紅外探水是利用溫度場進行預報,宜萬鐵路全線使用后,難以達到預報效果。分析原因主要是巖溶水是循環水,難以達到精確分辨的目的。同時,掌子面的噴射混凝土水泥水化熱效應持續時間很長,它對紅外場分辨影響很大。研究表明,紅外探水難以達到對巖溶水的預報目的[1]。

4.4 超前深孔鉆探及加深炮孔技術

超前深孔鉆探雖然是“一孔之見”,但其“可靠性大、準確性高”的特點,是其他預報方法不可替代的。超前深孔鉆探和加深炮孔能直觀地反映巖溶、巖溶水地質問題,只要是規模較大的巖溶,都是可以鉆探到,并進行水量、水壓力的測試。通過對溶腔規模、水量、水壓的判釋,有效規避施工風險,同時為方案決策提供準確的依據。因此,超前深孔鉆探成為宜萬鐵路巖溶高風險隧道超前地質預報的首要方法。

(1)鉆機設備選型及鉆進速度

宜萬鐵路超前深孔鉆探使用過的國內外鉆機有HGY-300D、MKD-5S、RPD-150C、C6等 10余 種。影響超前深孔鉆探的 2個重要指標,一是鉆機的鉆進能力,二是鉆機的移動能力,其中鉆機的鉆進能力最為重要。

通過宜萬鐵路深孔鉆探超前預測預報,鉆機的選型對深孔鉆探影響很大。由現場實際鉆孔能力來看,在不取芯條件下,HGY-300D、JD-30、LF-100、MGY-60B、MK-3、MK-5、XY-2、XY-150、XY-2P、XY-2PC、YQ-100、ZD-60共 12種鉆機鉆進能力為 1～3 m/h,稱之為慢速鉆機;MKD-5S(煤科院西安分院產)、ZYG-150B(煤科院重慶分院產)鉆機鉆探能力為 5～7 m/h,稱之為中速鉆機;RPD-75SL-H2、RDP-150C、卡薩 C6鉆機鉆探能力為 10～15 m/h,稱之為快速鉆機。按平導月平均進度 180～240 m/月,鉆機進、出場及施工準備時間按 2h,一次鉆孔深度按30m,開挖25m,預留 5m巖盤,每次掌子面鉆設計 1個超前探孔等綜合指標考慮,慢、中、快 3類鉆機對施工的影響分別為 16.6%、7.6%、4.9%。綜合以上分析,針對不同巖溶隧道的情況(長度、地質條件),根據不同鉆機的鉆進能力,對超前鉆探鉆機選型配套建議如下:①對長度小于 1km的巖溶隧道,可配備中速鉆機;②對長度大于 1 km、小于5km的一般巖溶隧道,可配備中速鉆機,對較復雜的巖溶隧道應配備快速鉆機;③針對長度大于 5 km的隧道,必須購置快速鉆機,以滿足施工進度和溶腔探測的需要。

(2)超前鉆探循環長度及布孔設計

超前鉆探主要目的是探查隧道周邊一定范圍內是否存在大型巖溶腔體、探明巖溶腔體在隧道周邊一定范圍內的發育規模及充填物性質、裂隙發育情況,進行水壓力與涌水量觀測,并對物探異常進行驗證。宜萬鐵路巖溶隧道在進行超前深孔鉆探方案設計時,探索了 20～100 m多種長度的鉆孔長度和布孔方式,經過總結,超前鉆探長度以 30 m距離探測為宜,搭接長度5m;重點地段采用 1～2孔超長距離(60 m及以上)超前鉆探了解掌子面前方宏觀地質情況。

(3)加深炮孔技術

加深炮孔(5m)是短距離探查隧道前方及周邊地質情況的主要手段,是防范掌子面突水突泥風險的最后一關。宜萬鐵路巖溶隧道(正洞)加深炮孔分 2循環交錯向前布置:第 1循環超長炮孔 17孔,中間 5孔為水平孔,其余各孔以 20°、40°角度外插;第 2循環超長炮孔 17孔,中間 6孔為水平孔,其余各孔以 20°、40°角度外插。在加深炮孔出現異常時,應停止掘進,確定排除風險后方可繼續掘進。

5 工程案例

大支坪隧道“990溶腔”包括為大型富水充填溶洞,因該溶腔第一次探遇是在平導 PDK132+990位置,合并簡稱“990溶腔”。

5.1 超前地質預報工作與判析

在平導探遇溶腔后,在線路設置迂回導坑繞過“990溶腔”,進行前方施工,經正反向逼近溶腔進行探測。各掌子面完成主要探測工作量如表4所示。

通過超前預測預報方案的實施,基本確定了“990溶腔”及影響范圍、充填物類型及性質(砂卵石及黏土),并通過對水量、水壓、地表降雨的觀測和分析,初步掌握了“990溶腔”工程地質、水文地質特征,為處理方案的選擇和實施奠定了基礎。大支坪隧道“990溶腔”超前探測形態平面見圖4。

表4 大支坪隧道“990溶腔”超前探測實施情況

圖4 “990溶腔”超前探測溶腔形態平面

5.2 開挖揭示溶腔后反分析

“990”溶腔前期采用超前注漿加固后,采用釋能降壓法處理通過。通過對開挖揭示溶腔形態與超前地質探測資料分析時判釋的溶腔形態比較,得出以下結論。

(1)物探手段在施工階段只是一種輔助手段,地震波法、地質雷達對“990”溶腔均有異常反應,但對異常的分析不能定量查明溶腔范圍、充填物介質地質特征、水量、水壓等具體參數;物探異常對進一步地質加深探測工作的布孔具有一定的指導意義。

(2)通過超前探孔(非取芯鉆探或取芯鉆探),能夠較為準確地鎖定靠鉆機側的溶腔邊界,靠鉆機側的溶腔邊界為 Ⅰ線 DK132+947、DK133+027、Ⅱ線ⅡDK132+913、ⅡDK132+997,超前探孔鎖定的溶腔邊界與開挖揭示的溶腔邊界一致。

(3)通過超前探孔(非取芯鉆探或取芯鉆探),對大型含水充填溶腔(溶腔縱向發育長度大于 10 m)對面邊界的鎖定存在誤差。“990溶腔”Ⅰ線在通過超前探孔鎖定對面邊界時,存在較大偏差,主要原因為:①非取芯鉆探通過人工記錄鉆進速率、鉆進平穩度(是否卡鉆)、返水顏色、水量大小、充填物涌出等指標判斷前方地質情況。在靠近鉆機側,由完整或較完整基巖進入充填溶腔時,有一個明顯的突變過程,所以能準確鎖定靠鉆機側的溶腔邊界;對大型含水充填溶腔,在進入對面基巖前,由于長距離在充填溶腔中鉆探,鉆機鉆進效率降低,并且在進入對面基巖后,鉆進速率、返水顏色、水量大小、充填物涌出等指標沒有明顯突變過程,在鉆探時,是否進入對面基巖的判斷要求鉆機操作人員有豐富的經驗。通過現場實踐,一般的鉆探人員或技術人員不具備這方面的判斷能力,即使是經驗豐富的鉆機操作人員,也會因巖溶的復雜性而存在判斷偏差。②取芯鉆探通過取芯芯樣、水量大小判斷前方地質情況,在巖溶地區,由于目前取芯工藝由于坍孔、機械破碎等原因,取出芯樣與實際地質情況存在偏差,對判斷溶腔對面邊界依然存在不確定性。③巖溶的不規則性和復雜性:超前鉆探(一孔或多孔)均是以鉆孔確定的點,按推測最不利情況連成溶腔可能發育范圍的包絡線,由于巖溶發育的不規則性和復雜性,通過超前探測,很難鎖定溶腔的準確范圍。

(4)對于巖溶裂隙(或縱向長度在 5 m以下的溶腔),通過超前鉆探能較為準確地鎖定裂隙(或溶腔)范圍及與隧道的空間關系,如Ⅰ線 DK132+995、Ⅱ線ⅡDK132+940、ⅡDK133+010巖溶裂隙。

(5)超前地質預報對溶腔形態的描繪是一種通過物探、鉆孔的一些具體參數進行分析后的預報,不可能與實際的溶腔形態完全一致,在開挖掘進中,必須施作加深炮孔,通過加深炮孔短距離進一步探測溶腔,評估風險。

6 結論

(1)宜萬鐵路在國內鐵路建設首次系統構建了一套基于巖溶隧道風險分級和施工地質分級基礎上的巖溶隧道地質超前預報模式,并把地質超前預報首次納入工序管理,對宜萬鐵路巖溶風險隧道的順利建成起到了關鍵性的作用,對中國西南地區巖溶隧道修建具有借鑒意義。

(2)宜萬鐵路巖溶隧道采用“地質—物探—鉆探”的綜合預報原則,通過試驗研究選定地質素描、地震波法、地質雷達、深孔水平鉆探、加深炮孔 5種方法為宜萬鐵路巖溶隧道地質超前預報項目是合理的。

(3)巖溶隧道超前地質預報的核心是風險預報,規避施工風險。高風險巖溶隧道通過建立地表(降雨量)-洞內(水量、水壓力)水文觀測體系,采用“地質素描、地震波法、多孔水平超前鉆探、地質雷達、加深炮孔”預報模式,能有效探遇前方溶腔風險源,查明溶腔規模、地質特征,為溶腔處理方案的選擇和實施奠定了基礎。其中物探等方法只能是施工階段的輔助手段;科學的布孔、一定數量的超前探孔、地質取芯是定量查明溶腔的必要手段;加深炮孔是防范掌子面突水突泥風險的最后一關,是不可替代、必須實施的探測手段[2～3]。

(4)復雜巖溶地區的地質超前探測,專業化發展是方向[4～7]。物探方法(地震波法、地質雷達)的關鍵是減少干擾因素,提高判釋水平;超前鉆探技術的關鍵是鉆機選型和鉆探資料判釋。由于施工單位普遍缺乏施工地質超前預報方面的專業機械與人才,多數施工單位采取的是外委方式,這其實上是一個專項轉包,為使超前預報工作開展的更好,發展的更快,應引入市場機制,實行專業化承包,讓真正有實力、有能力的隊伍來完成該項工作。

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