武陵山二號隧道巖溶超前地質(zhì)預(yù)報淺析

閻　淵

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西西安　710043)

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武陵山二號隧道巖溶超前地質(zhì)預(yù)報淺析

閻淵

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西西安710043)

隧道超前地質(zhì)預(yù)報是一門集眾多學(xué)科類別于一體的綜合預(yù)報技術(shù)。而巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報不僅僅涉及眾多學(xué)科類別，同時與施工過程中參建各方配合方式有很大的關(guān)系。武陵山二號隧道位于鄂西北巖溶發(fā)育地區(qū)，基底隱伏巖溶極為發(fā)育。從綜合超前地質(zhì)預(yù)報手段出發(fā)，首先采用地質(zhì)調(diào)查法進(jìn)行洞內(nèi)外地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合既有勘察成果資料，采用地質(zhì)雷達(dá)法判識，然后有針對性地采用超前水平鉆探法進(jìn)行鉆探，有效查明了基底隱伏巖溶的分布規(guī)律。

超前地質(zhì)預(yù)報巖溶超前水平鉆探粉質(zhì)黏土地質(zhì)雷達(dá)

黔張常鐵路位于渝長廈快速鐵路的西端，是連接湘西北、鄂西南和渝東南交界地區(qū)的運(yùn)輸通道。黔張常鐵路起于重慶市黔江區(qū)黔江站，途經(jīng)湖北省咸豐縣、來鳳縣，湖南省龍山縣、永順縣、桑植縣、張家界市、慈利縣、桃源縣，止于常德市武陵區(qū)常德站。鐵路規(guī)劃線路總長340km，工程估算金額384.4億元，線路設(shè)計時速200km，為客貨共線的國鐵Ⅰ級雙線電氣化快速鐵路[1]。黔張常鐵路絕大部分地段處于可溶巖地區(qū)，巖溶極為發(fā)育。

1　隧道區(qū)域地質(zhì)背景

武陵山隧道位于黔張常鐵路東端，該隧道從區(qū)域上屬于沅古坪向斜北西翼，區(qū)域上位于新華夏系第三隆起帶的南西段，武陵山隆起帶向東部沅麻盆地沉降帶的過渡帶西北部(見圖1)，北東東向構(gòu)造極為發(fā)育，處于北東東向復(fù)式背斜東南翼[2]。隧道洞身為巖溶裂隙水平徑流帶，地表溶洞發(fā)育。

圖1　武陵山二號隧道區(qū)域地質(zhì)

2　物探超前地質(zhì)預(yù)報測試

該隧道出口在施工過程中即發(fā)現(xiàn)工作面存在填充型巖溶，巖溶主要位于基底，工作面可見粉質(zhì)黏土充填于其中，巖溶形態(tài)變化較快。根據(jù)規(guī)范，巖溶地質(zhì)預(yù)報應(yīng)以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，結(jié)合多種物探手段進(jìn)行[3]。對該洞口進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查后，決定采用地質(zhì)雷達(dá)法對工作面及基底進(jìn)行探測，同時根據(jù)基底探測結(jié)果采用超前水平鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1地質(zhì)雷達(dá)成果分析

作為一種短距離超前地質(zhì)預(yù)報手段，地質(zhì)雷達(dá)占用施工時間及需要施工單位配合的工作量較少[4]，一般用于探測溶洞的發(fā)育部位、規(guī)模大小、走向等，其原理與地震反射波相似[5]。巖溶洞穴在地質(zhì)雷達(dá)圖樣上會因?yàn)樘畛湮镔|(zhì)的不同，形成中間和周圍基巖不同反射程度的強(qiáng)烈差別。在實(shí)際分析過程中，首先要明確巖溶存在的可能性，然后再對地質(zhì)雷達(dá)土樣進(jìn)行地質(zhì)解析，才能有效提高判斷的準(zhǔn)確率。

為了準(zhǔn)確查明巖溶的分部形態(tài)，在進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)掃描時，采用五縱五橫交叉剖面進(jìn)行探測，縱剖面沿隧道洞軸線方向布置，測線間距為2～2.5m，橫向布置測線間距為2.5m一條(如圖2)。

圖2　探測巖溶分部范圍

圖3　4號橫測線雷達(dá)影像

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)成果資料分析，發(fā)現(xiàn)基底存在物探異常，在DK248+495～DK248+491之間，深度為5～12m區(qū)域內(nèi)1～3號測線、5號測線、4號橫測線、5號橫測線均存在較強(qiáng)界面反射波，反射波同相軸連續(xù)性較差，推斷該區(qū)域內(nèi)巖溶裂隙、溶洞發(fā)育，泥質(zhì)充填(如圖3、圖4)。

圖4　5號橫測線雷達(dá)影像

根據(jù)洞口地質(zhì)雷達(dá)成果資料，繼續(xù)對DK248+485～DK248+480段進(jìn)行探測，根據(jù)6、7、8、9、10號測線結(jié)果反應(yīng)，在DK248+480～DK248+485之間，深度為6～8m區(qū)域內(nèi)測線均存在較強(qiáng)界面反射波，反射波同相軸連續(xù)性較差，推斷該區(qū)域內(nèi)巖溶裂隙、溶洞發(fā)育，泥質(zhì)充填。

2.2超前水平鉆探成果資料綜合分析

采用超前水平鉆孔進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報是隧道施工中最直接的方法[6]。由于巖溶隧道施工的不確定性，作為巖溶隧道施工來說，配備一臺滿足足夠鉆進(jìn)速度和鉆進(jìn)能力的超前水平鉆探設(shè)備是很有必要的。超前水平鉆探在具體探測過程中具備許多其他探測手段所不具備的優(yōu)點(diǎn)(如表1)[7]，首先是對工作面前方巖溶空洞揭示準(zhǔn)確、直觀，必要時候可取芯進(jìn)行判定，可適時堵水，測量水量、水壓，對高壓富水巖溶段隧道施工具有一定的安全保障措施。其缺點(diǎn)是往往難以準(zhǔn)確查明其分部范圍，若要準(zhǔn)確查明其巖溶分部范圍，需要布置大量鉆孔進(jìn)行探測，占用施工時間長、投入費(fèi)較大[8]。

本隧道在施工過程中配備了一臺RPD150C型多功能鉆機(jī)，該鉆機(jī)最大鉆進(jìn)深度為150m，每小時最大鉆進(jìn)速度可達(dá)15m[9]。通過地質(zhì)雷達(dá)成果資料分析，發(fā)現(xiàn)基底以下存在巖溶。為了進(jìn)一步查明巖溶的分布范圍，采用豎向鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)既有鉆探成果資料布置為井字形或梅花形，鉆探深度設(shè)計為30m，在鉆探過程中根據(jù)鉆進(jìn)揭示地質(zhì)條件進(jìn)行適時調(diào)整，確保準(zhǔn)確查明其巖溶分部范圍、物質(zhì)組成等。

表1　各種超前預(yù)報方法優(yōu)缺點(diǎn)比較

通過超前水平鉆探驗(yàn)證，該隧道出口端存在一填充型巖溶，巖溶范圍主要位于DK248+477～DK248+495段基底以下，巖溶最大寬度約約9m，長度約13m，位于目前基底以下3～17m不等，巖溶形態(tài)在豎向方向呈長條狀，填充物為黃褐色粉質(zhì)黏土，中上部粉質(zhì)黏土呈硬塑狀，下部粉質(zhì)黏土呈軟塑狀(如圖5)。

圖5　4號橫剖面揭示巖溶發(fā)育形態(tài)

3　巖溶處理

溶洞主要發(fā)育在DK248+480～DK248+495段基底，沿線路方向長約15m，橫向?qū)捈s2～8m，埋深位于中臺階開挖面以下3～17m，洞內(nèi)為黏土夾碎石全充填，黏土以軟塑為主。局部地段位于仰拱位置，基底處理較困難。主要采用如下方式進(jìn)行處理：

(1)DK248+480～+484段隧底巖溶發(fā)育深度小于3m，采用C20混凝土換填。

(2)DK248+484～+490段仰拱以下巖盤厚度小或無巖盤，巖溶發(fā)育深度3～15m，全填充，承載力小于80kPa，采用φ194鋼管樁注水泥漿加固方案，加固范圍為隧底溶洞范圍；鋼管樁間距0.6m×0.6m，梅花形布置；注漿完成后鋼管內(nèi)采用M10水泥砂漿灌滿；樁深入基巖不小于1m；施做仰拱前，樁頂設(shè)不小于50cm厚C20混凝土墊層，內(nèi)設(shè)鋼筋網(wǎng)片[10](如圖6)。

4　結(jié)論

目前，國內(nèi)對于巖溶隧道的工程地質(zhì)勘察主要采用地質(zhì)素描、TSP及地質(zhì)雷達(dá)法并結(jié)合超前水平鉆探進(jìn)行綜合勘察。而隨著國內(nèi)巖溶地區(qū)隧道的增多，許多時候在查明其分布規(guī)律的同時，更重要的是給隧道施工提供提前預(yù)警功能，尤其是在遇到高壓、富水隧道時，提前預(yù)測、判斷工作面前方及洞身一定范圍內(nèi)巖溶分布規(guī)律，對保障施工安全具有重要意義。因此，超前地質(zhì)預(yù)報不僅僅是施工中地質(zhì)勘察手段的延伸，更應(yīng)當(dāng)成為施工工序的一個重要環(huán)節(jié)。對于超前地質(zhì)預(yù)報來說，僅僅具有好的預(yù)報方案是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，如何將施工預(yù)警機(jī)制與高效的施工組織設(shè)計方案與施工團(tuán)隊(duì)有機(jī)結(jié)合，運(yùn)用準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果來指導(dǎo)施工，對于保障施工安全，提高工作效率具有積極意義。

圖6　巖溶處理方案

[1]中鐵一院.黔張常鐵路可行性研究報告[R].西安：中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2014

[2]湖南省地礦局.區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)報告(大庸幅)[R].長沙：湖南省地礦局，1969

[3]中國鐵路總公司.鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)指南[R].北京：中國鐵路總公司，2015

[4]葉英.地下工程施工超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)研究[J].工程地球物理學(xué)報，2009，6(1)

[5]劉士奇.物探技術(shù)在高風(fēng)險隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用研究[J].鐵道勘察，2015(4)

[6]何發(fā)亮，李蒼松，陳成宗.隧道地質(zhì)超前預(yù)報[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2006

[7]李術(shù)才，等.高風(fēng)險巖溶地區(qū)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害綜合預(yù)報預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27(7)

[8]王夢恕.對巖溶地區(qū)隧道施工水文地質(zhì)超前預(yù)報的意見[J].鐵道勘察，2004(1)

[9]李俊杰.RPD150C多功能鉆機(jī)在高風(fēng)險隧道施工中的應(yīng)用[J].山西水利，2013(11)

[10]李治國.隧道巖溶處理技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2003(S1)

[11]沈偉升.京滬高速鐵路徐州地區(qū)巖溶勘察分析[J].鐵道勘察，2011(3)

[12]李蒼松.武隆隧道巖溶地質(zhì)超前預(yù)報綜合技術(shù)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2005(2)

Analysis on Advanced Geological Forecast for Karst of Wuling Mountain No.2 Tunnel

YAN Yuan

2016-03-18

閻淵(1982—)，男，2001年畢業(yè)于西南交通大學(xué)工程地質(zhì)專業(yè)，工程師。

1672-7479(2016)04-0049-03

U452.1+1

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