宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道地質(zhì)綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)

薛 斌,韓小敏

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063;2.鐵道部宜萬(wàn)鐵路建設(shè)指揮部,湖北恩施 445000)

1 工程概況

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

宜萬(wàn)鐵路是中國(guó)目前在建的地質(zhì)條件最為復(fù)雜的工程,巖溶隧道分布主要集中在土城、長(zhǎng)陽(yáng)至齊岳山,該段由于碳酸鹽巖廣泛分布,巖溶地貌發(fā)育。全線共設(shè)計(jì)隧道 159座,總長(zhǎng)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(zhǎng)度 239.349 km,占全線隧道總長(zhǎng)度的 69%,其中隧道洞身位于可溶巖地層長(zhǎng)度 195.741 km,占全線隧道總長(zhǎng)度的 58%。長(zhǎng)度 3 km以上的巖溶隧道27座[1]。

圖1 宜萬(wàn)鐵路線路平面

宜萬(wàn)鐵路隧道工程巖溶強(qiáng)烈發(fā)育,巖溶及巖溶水極其復(fù)雜,是制約工程建設(shè)的突出問題。宜萬(wàn)線淺埋隧道一般都位于巖溶的垂直發(fā)育帶中,深埋隧道基本位于巖溶季節(jié)變動(dòng)帶和水平循環(huán)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(tài)各異,地下巖溶洞穴隨處可見,暗河密布,規(guī)模宏大,無(wú)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(xiàn)高壓導(dǎo)水?dāng)鄬訒r(shí)產(chǎn)生大型突水(泥)地質(zhì)災(zāi)害問題,施工風(fēng)險(xiǎn)極大。在現(xiàn)有技術(shù)條件下,不可能在設(shè)計(jì)勘探階段查明所有的巖溶地質(zhì)問題。因此,針對(duì)隧道施工過程中可能遇到的不良地質(zhì),必須進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),預(yù)防各類突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,規(guī)避工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn),實(shí)現(xiàn)鐵路工程質(zhì)量、安全、工期、環(huán)境和投資控制目標(biāo)。

2 巖溶隧道綜合超前預(yù)報(bào)主要內(nèi)容及預(yù)報(bào)方法

2.1 主要內(nèi)容

施工地質(zhì)是工程勘察階段工程地質(zhì)勘探在施工階段的延續(xù),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(zhì)問題。巖溶隧道綜合超前預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容如下。

(1)巖性、構(gòu)造的變化

非可溶巖與可溶巖采用不同的超前預(yù)報(bào)體系,通過對(duì)地層巖性、巖層產(chǎn)狀的預(yù)報(bào),在即將進(jìn)入可溶巖地段時(shí)嚴(yán)格按巖溶隧道預(yù)報(bào)體系實(shí)施,規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn);通過對(duì)構(gòu)造的預(yù)報(bào),宏觀判釋構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育的影響。

(2)巖溶、巖溶水預(yù)報(bào)

對(duì)溶腔發(fā)育位置、發(fā)育方向、規(guī)模大小及與隧道空間關(guān)系進(jìn)行預(yù)報(bào);對(duì)溶腔水量、水壓力、溶腔儲(chǔ)水量、動(dòng)態(tài)補(bǔ)給量進(jìn)行預(yù)報(bào);對(duì)工程地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模、危害程度進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2.2 預(yù)報(bào)原則和預(yù)報(bào)方法

由于巖溶具有形態(tài)的不規(guī)則性和發(fā)育的隨機(jī)性,對(duì)巖溶進(jìn)行準(zhǔn)確的探測(cè)難度很大。采用地質(zhì)分析法、物探法和水平鉆孔法中的任何單一方法預(yù)報(bào)巖溶都會(huì)收到一定的效果,但又都會(huì)有一定的局限性。目前,國(guó)內(nèi)外已形成的超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法很多,歸納起來(lái)分類如圖2所示。

圖2 施工地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法分類

2003年 9月,宜萬(wàn)鐵路建設(shè)單位邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)外專家在成都召開“隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)交流研討會(huì)”,確定宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道采用“地質(zhì)-物探-鉆探”的綜合預(yù)報(bào)原則,選定地質(zhì)素描、地震波法、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、深孔水平鉆探、加深炮孔共 6種方法為宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)試驗(yàn)研究項(xiàng)目。

3 巖溶隧道綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)

3.1 施工地質(zhì)分級(jí)

施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),特別是復(fù)雜隧道的施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),需要較長(zhǎng)時(shí)間占用掌子面,勢(shì)必影響施工進(jìn)度,為了在規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)和保證施工進(jìn)度兩個(gè)方面取得協(xié)同,保持雙贏,有必要針對(duì)宜萬(wàn)鐵路復(fù)雜隧道的工程地質(zhì)特點(diǎn)對(duì)隧道的復(fù)雜程度和復(fù)雜地段進(jìn)行分級(jí)。

(1)風(fēng)險(xiǎn)隧道等級(jí)劃分

宜萬(wàn)鐵路共有巖溶隧道 91座,通過對(duì)地表巖溶發(fā)育形態(tài)、地表與地下的徑流特點(diǎn)、暗河發(fā)育情況、斷層的切割和連通等、線路位于巖溶發(fā)育帶的位置等,確定了八字嶺、野三關(guān)、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(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道,白云山、魯竹壩、龍鱗宮等 26座隧道為Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道,其余隧道為一般風(fēng)險(xiǎn)隧道。

Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道最主要的地質(zhì)特征是:隧道位于巖溶的水平發(fā)育帶中或地下水的水平循環(huán)帶中,只要一經(jīng)揭露斷層、構(gòu)造或溶腔,就會(huì)發(fā)生大規(guī)模的突水突泥,形成毀滅性的地質(zhì)災(zāi)害。宜萬(wàn)鐵路的 8座Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道全部都具有上述特征,是宜萬(wàn)鐵路能否成功修建的關(guān)鍵工程,也是宜萬(wàn)鐵路超前預(yù)報(bào)的重點(diǎn)隧道。

(2)地質(zhì)等級(jí)劃分及預(yù)報(bào)項(xiàng)目

為了使超前預(yù)報(bào)工作更具有針對(duì)性,以最合理的預(yù)報(bào)手段、最短的預(yù)報(bào)時(shí)間取得期望的預(yù)報(bào)效果,達(dá)到規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、保證工程進(jìn)度的目的。對(duì)Ⅰ、Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道根據(jù)不同地段的復(fù)雜程度進(jìn)行了地質(zhì)等級(jí)劃分。復(fù)雜隧道地質(zhì)等級(jí)共分為 4級(jí),如表1所示。

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)模式

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)隧道等級(jí)劃分和地質(zhì)等級(jí)劃分,確定巖溶隧道不同地質(zhì)環(huán)境條件下預(yù)報(bào)模式(表2)。

3.3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理

巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的核心是風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào),規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)。宜萬(wàn)鐵路通過制定相關(guān)實(shí)施細(xì)則,將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入工序管理,明確建設(shè)、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工各方的職責(zé)、分工。針對(duì)Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道,為規(guī)避施工過程中出現(xiàn)突水突泥高風(fēng)險(xiǎn),實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化管理。

(1)職責(zé)分工(表3)

(2)工作流程(圖3)

(3)決策程序

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)納入工序管理,使施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)成為施工工序流程的一個(gè)重要環(huán)節(jié),在巖溶隧道施工中,真正做到“有疑必探、不探不挖”的科學(xué)化施工原則。在施工過程中,對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析的準(zhǔn)確性,決定了能否有效規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn);對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析的時(shí)效性,決定了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)工程進(jìn)度的影響程度。

表1 宜萬(wàn)鐵路施工地質(zhì)分級(jí)和對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)項(xiàng)目

表2 宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道超前預(yù)報(bào)模式

表3 宜萬(wàn)鐵路超前地質(zhì)預(yù)報(bào)職責(zé)分工

圖3 宜萬(wàn)鐵路超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作流程

①針對(duì)Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)和一般風(fēng)險(xiǎn)隧道,在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)無(wú)異常的情況下,經(jīng)施工單位現(xiàn)場(chǎng)總工程師確認(rèn)后,進(jìn)行開挖掘進(jìn),資料報(bào)設(shè)計(jì)單位核備;有異常時(shí),將基礎(chǔ)資料提交設(shè)計(jì)單位,設(shè)計(jì)單位在 12 h內(nèi)確定補(bǔ)充探測(cè)方案。

②針對(duì)Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道,設(shè)計(jì)單位根據(jù)隧道所揭示的地質(zhì)情況于 12 h內(nèi)提交《超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)通知單》,施工單位按要求組織實(shí)施超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作,并在探測(cè)完成后 12 h內(nèi)將探測(cè)結(jié)果提交設(shè)計(jì)單位,設(shè)計(jì)單位原則上應(yīng)在 8 h內(nèi)回復(fù)。如遇到可能發(fā)生突水突泥的巖溶發(fā)育區(qū)段,應(yīng)在 48 h內(nèi)提交《超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)補(bǔ)充設(shè)計(jì)通知單》。

③施工單位在超前探查或掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)異常地質(zhì)現(xiàn)象或揭示地質(zhì)情況與原設(shè)計(jì)地質(zhì)情況有差別且對(duì)施工安全構(gòu)成潛在威脅時(shí),應(yīng)停止掘進(jìn),并及時(shí)上報(bào)。

4 超前預(yù)報(bào)方法研究

宜萬(wàn)鐵路開工后,選定地質(zhì)素描、地震波法、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水、深孔水平鉆探、加深炮孔共 6種方法為宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)試驗(yàn)研究項(xiàng)目。2003年至 2004年,在野三關(guān)、大支坪、馬鹿箐、齊岳山等復(fù)雜巖溶隧道中進(jìn)行試驗(yàn),地震波法每 100～150 m 1次、地質(zhì)雷達(dá)每 15～20 m 1次、深孔水平鉆探 1孔至多孔貫穿、地質(zhì)素描 1～2個(gè)開挖循環(huán) 1次、紅外探水每 15～20 m施作 1次、加深炮孔按專項(xiàng)設(shè)計(jì)施作,通過多個(gè)試驗(yàn)樣本與開挖進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比、以及后期的深入研究,得到如下試驗(yàn)結(jié)論。

4.1 地震波法預(yù)報(bào)技術(shù)

2003年 12月宜萬(wàn)鐵路開工,到 2004年 11月共10座隧道進(jìn)行了 40次地震波法預(yù)報(bào)。地震波法對(duì)巖溶及斷層準(zhǔn)確預(yù)報(bào) 14次,準(zhǔn)確預(yù)報(bào)率僅為 35%。為提高預(yù)報(bào)效果,邀請(qǐng) Amberg公司技術(shù)總監(jiān)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)交流探討。研究了影響地震波法預(yù)報(bào)效果的因素:橫向預(yù)報(bào)差異性、選擇參數(shù)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(huán)境干擾、單一接收器影響資料對(duì)比分析、數(shù)據(jù)處理參數(shù)選擇。通過研究,在現(xiàn)場(chǎng)加強(qiáng)技術(shù)管理,在隨后的地震波法預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)中得到如下研究結(jié)論:

(1)地震波法對(duì)巖溶預(yù)報(bào)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(guī)模應(yīng)不小于 3m,且大部分或全部應(yīng)在掌子面范圍;

(3)地震波法縱向預(yù)報(bào)長(zhǎng)度只能達(dá)到 100 m,100 m后受回振干擾較大,數(shù)據(jù)不宜采用;

(4)地震波法采用反演得到的直達(dá)速度不代表巖體的真實(shí)速度,難以對(duì)巖溶及斷層區(qū)圍巖級(jí)別作出真實(shí)判釋。

4.2 地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)技術(shù)

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)不良地質(zhì)有較好的反映,如龍麟宮隧道地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際開挖就有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。但地質(zhì)雷達(dá)有效預(yù)報(bào)距離只有 15 m,且每 2個(gè)循環(huán)需要重疊 5 m,預(yù)報(bào)距離短,因此,與加深炮孔相比較,優(yōu)勢(shì)不明顯。同時(shí),地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)精度受掌子面平整度耦合問題、支護(hù)鋼架與作業(yè)臺(tái)架的干擾問題影響較大。

4.3 紅外探水預(yù)報(bào)技術(shù)

紅外探水是利用溫度場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào),宜萬(wàn)鐵路全線使用后,難以達(dá)到預(yù)報(bào)效果。分析原因主要是巖溶水是循環(huán)水,難以達(dá)到精確分辨的目的。同時(shí),掌子面的噴射混凝土水泥水化熱效應(yīng)持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng),它對(duì)紅外場(chǎng)分辨影響很大。研究表明,紅外探水難以達(dá)到對(duì)巖溶水的預(yù)報(bào)目的[1]。

4.4 超前深孔鉆探及加深炮孔技術(shù)

超前深孔鉆探雖然是“一孔之見”,但其“可靠性大、準(zhǔn)確性高”的特點(diǎn),是其他預(yù)報(bào)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(zhì)問題,只要是規(guī)模較大的巖溶,都是可以鉆探到,并進(jìn)行水量、水壓力的測(cè)試。通過對(duì)溶腔規(guī)模、水量、水壓的判釋,有效規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)為方案決策提供準(zhǔn)確的依據(jù)。因此,超前深孔鉆探成為宜萬(wàn)鐵路巖溶高風(fēng)險(xiǎn)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的首要方法。

(1)鉆機(jī)設(shè)備選型及鉆進(jìn)速度

宜萬(wàn)鐵路超前深孔鉆探使用過的國(guó)內(nèi)外鉆機(jī)有HGY-300D、MKD-5S、RPD-150C、C6等 10余 種。影響超前深孔鉆探的 2個(gè)重要指標(biāo),一是鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力,二是鉆機(jī)的移動(dòng)能力,其中鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力最為重要。

通過宜萬(wàn)鐵路深孔鉆探超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),鉆機(jī)的選型對(duì)深孔鉆探影響很大。由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際鉆孔能力來(lái)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(jī)鉆進(jìn)能力為 1～3 m/h,稱之為慢速鉆機(jī);MKD-5S(煤科院西安分院產(chǎn))、ZYG-150B(煤科院重慶分院產(chǎn))鉆機(jī)鉆探能力為 5～7 m/h,稱之為中速鉆機(jī);RPD-75SL-H2、RDP-150C、卡薩 C6鉆機(jī)鉆探能力為 10～15 m/h,稱之為快速鉆機(jī)。按平導(dǎo)月平均進(jìn)度 180～240 m/月,鉆機(jī)進(jìn)、出場(chǎng)及施工準(zhǔn)備時(shí)間按 2h,一次鉆孔深度按30m,開挖25m,預(yù)留 5m巖盤,每次掌子面鉆設(shè)計(jì) 1個(gè)超前探孔等綜合指標(biāo)考慮,慢、中、快 3類鉆機(jī)對(duì)施工的影響分別為 16.6%、7.6%、4.9%。綜合以上分析,針對(duì)不同巖溶隧道的情況(長(zhǎng)度、地質(zhì)條件),根據(jù)不同鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力,對(duì)超前鉆探鉆機(jī)選型配套建議如下:①對(duì)長(zhǎng)度小于 1km的巖溶隧道,可配備中速鉆機(jī);②對(duì)長(zhǎng)度大于 1 km、小于5km的一般巖溶隧道,可配備中速鉆機(jī),對(duì)較復(fù)雜的巖溶隧道應(yīng)配備快速鉆機(jī);③針對(duì)長(zhǎng)度大于 5 km的隧道,必須購(gòu)置快速鉆機(jī),以滿足施工進(jìn)度和溶腔探測(cè)的需要。

(2)超前鉆探循環(huán)長(zhǎng)度及布孔設(shè)計(jì)

超前鉆探主要目的是探查隧道周邊一定范圍內(nèi)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(nèi)的發(fā)育規(guī)模及充填物性質(zhì)、裂隙發(fā)育情況,進(jìn)行水壓力與涌水量觀測(cè),并對(duì)物探異常進(jìn)行驗(yàn)證。宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道在進(jìn)行超前深孔鉆探方案設(shè)計(jì)時(shí),探索了 20～100 m多種長(zhǎng)度的鉆孔長(zhǎng)度和布孔方式,經(jīng)過總結(jié),超前鉆探長(zhǎng)度以 30 m距離探測(cè)為宜,搭接長(zhǎng)度5m;重點(diǎn)地段采用 1～2孔超長(zhǎng)距離(60 m及以上)超前鉆探了解掌子面前方宏觀地質(zhì)情況。

(3)加深炮孔技術(shù)

加深炮孔(5m)是短距離探查隧道前方及周邊地質(zhì)情況的主要手段,是防范掌子面突水突泥風(fēng)險(xiǎn)的最后一關(guān)。宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道(正洞)加深炮孔分 2循環(huán)交錯(cuò)向前布置:第 1循環(huán)超長(zhǎng)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(huán)超長(zhǎng)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(xiàn)異常時(shí),應(yīng)停止掘進(jìn),確定排除風(fēng)險(xiǎn)后方可繼續(xù)掘進(jìn)。

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(dǎo) PDK132+990位置,合并簡(jiǎn)稱“990溶腔”。

5.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作與判析

在平導(dǎo)探遇溶腔后,在線路設(shè)置迂回導(dǎo)坑繞過“990溶腔”,進(jìn)行前方施工,經(jīng)正反向逼近溶腔進(jìn)行探測(cè)。各掌子面完成主要探測(cè)工作量如表4所示。

通過超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方案的實(shí)施,基本確定了“990溶腔”及影響范圍、充填物類型及性質(zhì)(砂卵石及黏土),并通過對(duì)水量、水壓、地表降雨的觀測(cè)和分析,初步掌握了“990溶腔”工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征,為處理方案的選擇和實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。大支坪隧道“990溶腔”超前探測(cè)形態(tài)平面見圖4。

表4 大支坪隧道“990溶腔”超前探測(cè)實(shí)施情況

圖4 “990溶腔”超前探測(cè)溶腔形態(tài)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(duì)開挖揭示溶腔形態(tài)與超前地質(zhì)探測(cè)資料分析時(shí)判釋的溶腔形態(tài)比較,得出以下結(jié)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(zhì)雷達(dá)對(duì)“990”溶腔均有異常反應(yīng),但對(duì)異常的分析不能定量查明溶腔范圍、充填物介質(zhì)地質(zhì)特征、水量、水壓等具體參數(shù);物探異常對(duì)進(jìn)一步地質(zhì)加深探測(cè)工作的布孔具有一定的指導(dǎo)意義。

(2)通過超前探孔(非取芯鉆探或取芯鉆探),能夠較為準(zhǔn)確地鎖定靠鉆機(jī)側(cè)的溶腔邊界,靠鉆機(jī)側(cè)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(duì)大型含水充填溶腔(溶腔縱向發(fā)育長(zhǎng)度大于 10 m)對(duì)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(duì)面邊界時(shí),存在較大偏差,主要原因?yàn)?①非取芯鉆探通過人工記錄鉆進(jìn)速率、鉆進(jìn)平穩(wěn)度(是否卡鉆)、返水顏色、水量大小、充填物涌出等指標(biāo)判斷前方地質(zhì)情況。在靠近鉆機(jī)側(cè),由完整或較完整基巖進(jìn)入充填溶腔時(shí),有一個(gè)明顯的突變過程,所以能準(zhǔn)確鎖定靠鉆機(jī)側(cè)的溶腔邊界;對(duì)大型含水充填溶腔,在進(jìn)入對(duì)面基巖前,由于長(zhǎng)距離在充填溶腔中鉆探,鉆機(jī)鉆進(jìn)效率降低,并且在進(jìn)入對(duì)面基巖后,鉆進(jìn)速率、返水顏色、水量大小、充填物涌出等指標(biāo)沒有明顯突變過程,在鉆探時(shí),是否進(jìn)入對(duì)面基巖的判斷要求鉆機(jī)操作人員有豐富的經(jīng)驗(yàn)。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,一般的鉆探人員或技術(shù)人員不具備這方面的判斷能力,即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的鉆機(jī)操作人員,也會(huì)因巖溶的復(fù)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(zhì)情況,在巖溶地區(qū),由于目前取芯工藝由于坍孔、機(jī)械破碎等原因,取出芯樣與實(shí)際地質(zhì)情況存在偏差,對(duì)判斷溶腔對(duì)面邊界依然存在不確定性。③巖溶的不規(guī)則性和復(fù)雜性:超前鉆探(一孔或多孔)均是以鉆孔確定的點(diǎn),按推測(cè)最不利情況連成溶腔可能發(fā)育范圍的包絡(luò)線,由于巖溶發(fā)育的不規(guī)則性和復(fù)雜性,通過超前探測(cè),很難鎖定溶腔的準(zhǔn)確范圍。

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

(5)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)溶腔形態(tài)的描繪是一種通過物探、鉆孔的一些具體參數(shù)進(jìn)行分析后的預(yù)報(bào),不可能與實(shí)際的溶腔形態(tài)完全一致,在開挖掘進(jìn)中,必須施作加深炮孔,通過加深炮孔短距離進(jìn)一步探測(cè)溶腔,評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。

6 結(jié)論

(1)宜萬(wàn)鐵路在國(guó)內(nèi)鐵路建設(shè)首次系統(tǒng)構(gòu)建了一套基于巖溶隧道風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)和施工地質(zhì)分級(jí)基礎(chǔ)上的巖溶隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)模式,并把地質(zhì)超前預(yù)報(bào)首次納入工序管理,對(duì)宜萬(wàn)鐵路巖溶風(fēng)險(xiǎn)隧道的順利建成起到了關(guān)鍵性的作用,對(duì)中國(guó)西南地區(qū)巖溶隧道修建具有借鑒意義。

(2)宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道采用“地質(zhì)—物探—鉆探”的綜合預(yù)報(bào)原則,通過試驗(yàn)研究選定地質(zhì)素描、地震波法、地質(zhì)雷達(dá)、深孔水平鉆探、加深炮孔 5種方法為宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)項(xiàng)目是合理的。

(3)巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的核心是風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào),規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)。高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道通過建立地表(降雨量)-洞內(nèi)(水量、水壓力)水文觀測(cè)體系,采用“地質(zhì)素描、地震波法、多孔水平超前鉆探、地質(zhì)雷達(dá)、加深炮孔”預(yù)報(bào)模式,能有效探遇前方溶腔風(fēng)險(xiǎn)源,查明溶腔規(guī)模、地質(zhì)特征,為溶腔處理方案的選擇和實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。其中物探等方法只能是施工階段的輔助手段;科學(xué)的布孔、一定數(shù)量的超前探孔、地質(zhì)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(fēng)險(xiǎn)的最后一關(guān),是不可替代、必須實(shí)施的探測(cè)手段[2～3]。

(4)復(fù)雜巖溶地區(qū)的地質(zhì)超前探測(cè),專業(yè)化發(fā)展是方向[4～7]。物探方法(地震波法、地質(zhì)雷達(dá))的關(guān)鍵是減少干擾因素,提高判釋水平;超前鉆探技術(shù)的關(guān)鍵是鉆機(jī)選型和鉆探資料判釋。由于施工單位普遍缺乏施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方面的專業(yè)機(jī)械與人才,多數(shù)施工單位采取的是外委方式,這其實(shí)上是一個(gè)專項(xiàng)轉(zhuǎn)包,為使超前預(yù)報(bào)工作開展的更好,發(fā)展的更快,應(yīng)引入市場(chǎng)機(jī)制,實(shí)行專業(yè)化承包,讓真正有實(shí)力、有能力的隊(duì)伍來(lái)完成該項(xiàng)工作。

[1] 申志軍.宜萬(wàn)鐵路巖溶隧道施工地質(zhì)技術(shù)[J].中國(guó)工程科學(xué),2009(11):47-52.

[2] 朱鵬飛.宜萬(wàn)鐵路隧道工程施工地質(zhì)超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)策劃與應(yīng)用效果評(píng)價(jià)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2005(5):52-59.

[3] 朱鵬飛.宜萬(wàn)鐵路別巖槽巖溶及巖溶水治理技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008(3):102-107.

[4] 龔彥峰.巖溶隧道災(zāi)害整治技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(5):81-84.

[5] 苗德海.宜萬(wàn)鐵路隧道災(zāi)害及防治對(duì)策[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(7):96-99.

[6] 殷懷連,苗德海.齊岳山隧道超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2007(S1):208-211.

[7] 呂小應(yīng),胡子平.宜萬(wàn)鐵路工程特點(diǎn)難點(diǎn)分析及對(duì)策措施[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2006(S1):70-72.