高速公路巖溶隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)研究

吳存興

(三明市高速公路有限公司， 福建 三明 365000)

高速公路隧道施工中，經(jīng)常會(huì)遭遇溶洞、破碎帶、含水帶等不良地質(zhì)體，由于其具有復(fù)雜性、多變性、隱蔽性等特點(diǎn)，給隧道安全施工帶來(lái)了巨大風(fēng)險(xiǎn)。為了提高隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的可控性，在施工過(guò)程中運(yùn)用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，及時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)掌子面前方及周邊區(qū)域的不良地質(zhì)體及其工程性質(zhì)，為正確選擇開(kāi)挖斷面、支護(hù)參數(shù)及施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧道涌水、突泥等可能出現(xiàn)的災(zāi)害事故及時(shí)提供信息，從而有效避免或減少隧道災(zāi)害造成的工程損失和人員傷亡[1～8]。

在巖溶地區(qū)隧道施工中80%遇到水害，因水文、地質(zhì)問(wèn)題引起的施工地質(zhì)災(zāi)害造成停工的時(shí)間，約占施工總工期的30%。隧道突水、突泥已成為施工過(guò)程中最常遇到并具極大危害性的地質(zhì)災(zāi)害，泉三高速公路的三陽(yáng)隧道，曾發(fā)生11.8×104m3/h的涌水，造成停工數(shù)月。據(jù)鐵路隧道統(tǒng)計(jì)，京廣線大瑤山隧道穿過(guò)9#斷層時(shí)，突水量達(dá) 3×104m3/d；成昆線沙木拉達(dá)隧道最大總涌水量達(dá)195504 m3/d，最大突水量達(dá)36.11 m3/min，曾造成停工達(dá)32 d 之久；京廣線南嶺隧道曾發(fā)生3次較大突泥共11738 m3、最大突水量達(dá) 11143 m3/d，總涌水量達(dá) 16885 m3/d；大秦線軍都山隧道曾發(fā)生 12 次突水突泥，其中最大2次共2100 m3的泥屑流災(zāi)害等；渝懷線圓梁山隧道施工中涌砂、涌水達(dá)數(shù)十次之多，造成重大傷亡，損失慘重[9～10]；宜萬(wàn)鐵路某隧道由于大規(guī)模突水也造成了多名施工人員失蹤的災(zāi)難性事故。可以說(shuō)，突水突泥給巖溶地區(qū)隧道施工安全帶來(lái)了重大災(zāi)難和無(wú)法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為了保證高風(fēng)險(xiǎn)巖溶地區(qū)隧道施工安全，減輕突水突泥等災(zāi)害損失，對(duì)巖溶地區(qū)隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警工作進(jìn)行深入的研究，具有重要的理論意義和重大的工程實(shí)用價(jià)值。

鑒于目前在巖溶隧道施工中經(jīng)常遭遇的富水或含泥溶洞、暗河、涌水和突泥等災(zāi)害，給隧道安全施工帶來(lái)了巨大風(fēng)險(xiǎn)，本文結(jié)合福建省永寧高速公路石林隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。介紹巖溶隧道的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，其預(yù)報(bào)方法和原則可對(duì)今后類似工程提供參考和借鑒。

1 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用現(xiàn)狀

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，正處于一個(gè)快速發(fā)展階段，是國(guó)內(nèi)外工程地質(zhì)和隧道工程界十分關(guān)注而又沒(méi)有得到很好解決的難題[11]。從 20 世紀(jì) 50 年代開(kāi)始，先后采用地質(zhì)調(diào)查法、超前地質(zhì)導(dǎo)坑、水平超前鉆探等方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。地質(zhì)調(diào)查法是根據(jù)隧道已有勘探資料、地表補(bǔ)充地質(zhì)調(diào)查資料，通過(guò)地層層序?qū)Ρ?、地層分界線及構(gòu)造線地下和地表相關(guān)性分析、斷層要素與隧道幾何參數(shù)的相關(guān)性分析、臨近隧道內(nèi)不良地質(zhì)體的前兆分析等，利用常規(guī)地質(zhì)理論、地質(zhì)作圖和趨勢(shì)分析等，推測(cè)開(kāi)挖工作面前方可能存在不良地質(zhì)體的一種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。地質(zhì)調(diào)查法的缺點(diǎn)是預(yù)報(bào)精度低，距離短，過(guò)于依賴地質(zhì)人員的經(jīng)驗(yàn)和推斷，在很多時(shí)候?qū)ν蛔冃圆涣嫉刭|(zhì)體(如溶洞、張性斷裂構(gòu)造)無(wú)法做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。超前地質(zhì)導(dǎo)坑法是在與隧道正洞軸線平行方向，在距正洞軸線一定距離或在正洞軸線上開(kāi)挖一斷面較小的超前硐室，用以探明隧道的地質(zhì)條件。開(kāi)挖超前導(dǎo)坑時(shí)，同樣存在地質(zhì)預(yù)報(bào)的問(wèn)題，而且由于該方法代價(jià)高，在實(shí)際工程中除非有其他用途如運(yùn)輸、通風(fēng)等，該方法在實(shí)際工作中很少采用。水平超前鉆探法在鉆深孔時(shí)，鉆孔無(wú)法保持水平，同時(shí)需要大量占用掌子面的工作時(shí)間，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。

由于上述方法預(yù)報(bào)距離近、對(duì)隧道掘進(jìn)施工干擾大，不能滿足隧道快速、科學(xué)施工的需要。因此，科研工作者開(kāi)始探索預(yù)報(bào)距離遠(yuǎn)、施工干擾小、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確的物探方法，如基于地震波理論的TSP、TGP，電磁波的地質(zhì)雷達(dá)(GPR)，紅外探水等。

TSP超前預(yù)報(bào)方法(tunnel seismic prediction)是由瑞士Amberg測(cè)量技術(shù)公司上世紀(jì)90年代初開(kāi)發(fā)的用于隧道超前預(yù)報(bào)的技術(shù)。中國(guó)先后引進(jìn)了該公司的 TSP202、TSP203、TSP200 超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)，特別是鐵路系統(tǒng)引進(jìn)數(shù)量較多，設(shè)備利用地震反射波原理，所以用來(lái)預(yù)報(bào)掌子面前方與隧道軸線大角度相交的平直不良地質(zhì)體(斷層、節(jié)理)效果較好，但數(shù)據(jù)處理參數(shù)選取無(wú)理論、試驗(yàn)依據(jù)，參數(shù)選取的隨機(jī)性較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理結(jié)果的離散型和不確定性較大。TGP由北京水電物探院研制，其基本原理與應(yīng)用情況同TSP相近。

地質(zhì)雷達(dá)是目前分辨率最高的工程地球物理方法，在工程質(zhì)量檢測(cè)、場(chǎng)地勘察中被采用，近年來(lái)也被廣泛應(yīng)用于隧道超前預(yù)報(bào)工作。地質(zhì)雷達(dá)是應(yīng)用電磁波的探測(cè)技術(shù)，它根據(jù)電磁波雙程走時(shí)的長(zhǎng)短差別，確定探測(cè)目標(biāo)的形態(tài)和屬性，結(jié)合理論分析達(dá)到對(duì)前方目標(biāo)的探測(cè)與判斷。地質(zhì)雷達(dá)主要用于對(duì)掌子面前方短距離(20～30 m)的特殊地質(zhì)問(wèn)題(如破碎帶、巖溶地區(qū)發(fā)育的溶洞、裂隙水等)進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)，缺點(diǎn)是預(yù)報(bào)距離短，抗金屬等物質(zhì)干擾能力差，并且數(shù)據(jù)處理和資料解釋難點(diǎn)較多，需要專家級(jí)的人員憑經(jīng)驗(yàn)作正確判斷，一般工作人員難以準(zhǔn)確掌握[12～13]。

紅外線技術(shù)是一種輔助探水方法，由于所有物體都發(fā)射出不可見(jiàn)的紅外線能量，這能量的大小與物體的發(fā)射率成正比。而發(fā)射率的大小取決于物體的物質(zhì)和它的表面狀況。當(dāng)隧道掌子面前方及周邊介質(zhì)單一時(shí)，所測(cè)得的紅外場(chǎng)為正常場(chǎng)，當(dāng)前面存在隱伏含水構(gòu)造或有水時(shí)，他們所產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)要疊加到正常場(chǎng)上，從而使正常場(chǎng)產(chǎn)生畸變。根據(jù)掌子面溫度受前方水體影響，其溫度變化來(lái)探查25 m以內(nèi)的水體。但由于該方法受施工環(huán)境等各種因素的影響，掌子面的溫度受到干擾很多，以至影響其探查效果。其判定標(biāo)準(zhǔn)為掌子面上9個(gè)數(shù)據(jù)的最大差值大于10 μW/cm2，就可以判定有水；紅外輻射曲線上升或下降均可以判定有水，其他情況判定無(wú)水。紅外探測(cè)的特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道全空間、全方位的探測(cè)，儀器操作簡(jiǎn)單，能預(yù)測(cè)到隧道外圍空間及掘進(jìn)前方30 m范圍內(nèi)是否存在隱伏水體或含水構(gòu)造，而且可利用施工間歇期測(cè)試，基本不占用施工時(shí)間。但這種方法只能確定有無(wú)水，至于水量大小、水體寬度、具體的位置沒(méi)有定量的解釋。

由于物探方法解譯的多解性，很多時(shí)候單一一種物探手段得到的結(jié)果隨機(jī)性、不確定性較大，可靠性較低，造成預(yù)報(bào)結(jié)果準(zhǔn)確率偏低，這種情況在復(fù)雜地質(zhì)情況下更為突出，如溶洞、地下水發(fā)育的巖溶地區(qū)。通過(guò)多年的工程實(shí)踐，眾多學(xué)者總結(jié)提出綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原則，即洞內(nèi)外相結(jié)合；長(zhǎng)短結(jié)合；地質(zhì)與物探結(jié)合；合理搭配、科學(xué)管理；貫穿全程、因地制宜。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

石林隧道為分離式隧道結(jié)構(gòu)，右洞長(zhǎng)2865 m，左洞長(zhǎng)2875 m，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度100 km/h。場(chǎng)址區(qū)屬構(gòu)造侵蝕中低山地貌，進(jìn)口段處緩坡地帶，洞口350 m范圍屬淺埋地段。洞口淺埋段屬坡積土結(jié)構(gòu)，隧道設(shè)計(jì)圍巖地層自上而下穿越：坡積粉質(zhì)粘土、坡積含碎石粉質(zhì)粘土、殘積含碎石粉質(zhì)粘土、殘積粘性土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化泥巖、 碎塊狀風(fēng)化泥巖、砂土狀強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖夾千枚狀粉砂巖、碎塊狀石英砂巖、弱風(fēng)化石英砂巖等，進(jìn)口段V級(jí)圍巖長(zhǎng)度達(dá)464 m。大部分段落溶洞發(fā)育，含水及填充物，易發(fā)生突水、突泥，地下水位較高，水量豐富。

2.2 施工概況

石林隧道縱坡采用+2.0%的單向坡，目前處于V級(jí)圍巖段，設(shè)計(jì)采用CD法開(kāi)挖，支護(hù)參數(shù)為Z5形式。支護(hù)參數(shù)為：永久支護(hù)采用錨噴支護(hù)形式，超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)。超前支護(hù)采用5米長(zhǎng)Φ50×5 mm超前小導(dǎo)管，環(huán)向間距50 cm，縱向排距3.5 m。I18鋼支撐設(shè)置間距70 cm，網(wǎng)格間距為20 cm×20 cm的Φ6鋼筋網(wǎng)拱墻單層滿鋪，系統(tǒng)錨桿采用Φ25中空注漿錨桿，長(zhǎng)350 cm，拱、墻部位按100 cm×100 cm梅花型布設(shè)，C25噴射混凝土厚度為24 cm，拱腳處設(shè)置鎖腳錨桿一對(duì)，采用3.5 m長(zhǎng)Φ22砂漿錨桿錨固。仰拱及二次襯砌采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚度為45 cm，主筋采用Φ16 mm螺紋鋼，縱向間距20 cm，縱向鋼筋采用Φ12 mm螺紋鋼，環(huán)向間距20 cm。

臨時(shí)支護(hù)采用I14鋼架支護(hù)，外側(cè)設(shè)置3.5 m長(zhǎng)Φ22超前砂漿錨桿，縱向間距2.1 m，掛網(wǎng)噴射C20混凝土，噴砼厚度20 cm。單側(cè)臺(tái)階間設(shè)置20 cm厚C20現(xiàn)澆砼臨時(shí)仰拱。

隧道進(jìn)口段進(jìn)洞175 m后圍巖主要為砂土狀強(qiáng)風(fēng)化泥巖、粉砂巖，個(gè)別段落中夾石灰?guī)r孤石。巖性不均勻，變化較大，完整性較差，緩斷層及破碎帶分界明顯。地下水發(fā)育，多成淋雨?duì)?，圍巖自穩(wěn)能力極差，拱部未支護(hù)時(shí)極易坍塌，側(cè)壁掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重。受隱存的斷層破碎帶影響，圍巖壓力大，初期支護(hù)變形嚴(yán)重，局部侵限，噴射砼表面開(kāi)裂，鋼支撐扭曲變形，該類圍巖段落兩洞合計(jì)長(zhǎng)度近700 m。

進(jìn)口段7次出現(xiàn)突泥涌水現(xiàn)象，流沙段長(zhǎng)度累計(jì)達(dá)275 m。突泥、涌水部位現(xiàn)明顯溶腔，石英砂巖顆粒隨泥漿涌出，地下水流量大，呈涌流狀(圖1)。其中YK14+175～YK14+210段出現(xiàn)塌方。

圖1 石林隧道地質(zhì)災(zāi)害圖

3 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及結(jié)果分析

鑒于石林隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，災(zāi)害頻發(fā)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作受到參建各方高度重視，并堅(jiān)持長(zhǎng)短結(jié)合；地質(zhì)與物探結(jié)合；合理搭配；貫穿全程；綜合分析的原則進(jìn)行?？紤]隧道處于緩坡地帶、埋深較淺、圍巖差、地下水發(fā)育等特點(diǎn)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)全程采用長(zhǎng)距離的TSP、短距離的GPR和紅外探水相結(jié)合的方式進(jìn)行，成功進(jìn)行巖溶預(yù)報(bào)的區(qū)段位于石林隧道出口左線里程ZK15+543處。

3.1 TSP探測(cè)成果

本次探測(cè)采用瑞士Amberg的TSP203系統(tǒng)進(jìn)行，探測(cè)時(shí)掌子面的里程樁號(hào)為 ZK15+641，在24個(gè)炮點(diǎn)中，距掌子面最近的10 m，檢波器距最近炮點(diǎn)15 m。本次預(yù)報(bào)里程為ZK15+641～ZK15+461，圖2～3為探測(cè)分析圖，據(jù)TSP探測(cè)成果圖分析，在區(qū)間ZK15+513～ZK15+475內(nèi)，縱、橫波波速顯著降低，縱波波速由4680 m/s降到4030 m/s，橫波波速由2510 m/s降到2060 m/s；泊松比由0.13增大到0.24，明顯增大；密度由2.75下降到2.55，顯著降低。因此，通過(guò)TSP結(jié)果推測(cè)區(qū)間ZK15+513～ZK15+475溶蝕裂隙發(fā)育，為溶蝕破碎帶，或發(fā)育溶腔、溶槽，夾軟土并充填大量水。

圖2 反射層提取圖

圖3 預(yù)報(bào)結(jié)果2D視圖

3.2 GPR探測(cè)成果

地質(zhì)雷達(dá)采用GSSI公司生產(chǎn)的SIR 20地質(zhì)雷達(dá)，配屬100 MHz的屏蔽天線，探測(cè)時(shí)掌子面的里程樁號(hào)為ZK15+522，掌子面上共布設(shè)4條測(cè)線，其中水平測(cè)線2條，分別為測(cè)線1、測(cè)線2；豎直測(cè)線2條，分別為測(cè)線3、測(cè)線4，具體測(cè)線布設(shè)和掌子面情況見(jiàn)圖4。

圖4 ZK15+522掌子面地質(zhì)圖及測(cè)線示意圖

本次預(yù)報(bào)里程為ZK15+522～ZK15+506，預(yù)報(bào)距離僅為16 m，圖5～6為探測(cè)分析圖，可見(jiàn)，掌子面前方6 m后(ZK15+516)反射波振幅明顯增加，同相軸間斷、分叉，考慮到TSP探測(cè)結(jié)果，此區(qū)間(ZK15+513～ZK15+475)溶蝕裂隙發(fā)育，為溶蝕破碎帶，或發(fā)育溶腔、溶槽，夾軟土并充填大量水，考慮到目前雷達(dá)探測(cè)揭示的不良地質(zhì)體前端(ZK15+516)與TSP探測(cè)結(jié)果(ZK15+513)基本吻合，并且雷達(dá)的探測(cè)掌子面距前方不良地質(zhì)體的距離不足6 m，然而如此短的距離上目前的掌子面上基本無(wú)長(zhǎng)度超過(guò)2 m的裂隙、掌子面上無(wú)水滲出，即無(wú)跡象表明掌子面前方的不良地質(zhì)體是由裂隙發(fā)育而導(dǎo)致的溶蝕破碎帶。因此，綜合判定ZK15+516～ZK15+506有溶腔、溶槽發(fā)育，并填充軟土和大量水。

圖5 ZK15+522掌子面水平向地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖

圖6 ZK15+522掌子面豎直向地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖

3.3 紅外探水探測(cè)成果

紅外探水預(yù)報(bào)采用 HY-304 型紅外探水儀進(jìn)行。本次探測(cè)的掌子面為ZK15+527，其上具體測(cè)線及測(cè)點(diǎn)如下所述，自上而下水平布置4行探點(diǎn)，每行 6 個(gè)探點(diǎn)，見(jiàn)圖 7。由掌子面位置，向其后方每隔 5 m 對(duì)4壁探測(cè)一次，共探測(cè) 12 個(gè)斷面，每次探測(cè)的順序依次為左邊墻腳、左邊墻、拱頂、右邊墻、右邊墻腳、底中，見(jiàn)圖7。這樣沿隧道掘進(jìn)方向形成 6 條探測(cè)線，分別為左邊墻腳探測(cè)線、左邊墻探測(cè)線、拱頂探測(cè)線、右邊墻探測(cè)線、右邊墻腳探測(cè)線、底板中線探測(cè)線。

圖7 紅外探水測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

連續(xù)3 d在無(wú)水、無(wú)人工熱源的隧道側(cè)壁監(jiān)測(cè)得到的多次紅外場(chǎng)強(qiáng)基準(zhǔn)值為337 mW/cm2。紅外探水預(yù)報(bào)距離為 25 m，故本次報(bào)告探測(cè)范圍為ZK15+527～ZK15+502段?，F(xiàn)場(chǎng)紅外探測(cè)數(shù)據(jù)記錄如表 1所示。

表1 掌子面紅外探水結(jié)果

注：每行數(shù)據(jù)都由掌子面由左向右測(cè)得，單位均為mW/cm2

由表1可見(jiàn)，掌子面上36個(gè)測(cè)點(diǎn)的縱向、橫向監(jiān)測(cè)最大差值均大于910 mW/cm2，可以判定掌子面前方有水。

圖8 沿隧道走向紅外探測(cè)數(shù)據(jù)記錄曲線

根據(jù)紅外線場(chǎng)強(qiáng)值與距掌子面距離關(guān)系曲線圖8分析，靠近掌子面附近，6條曲線均呈現(xiàn)較大幅度波動(dòng)，表明掌子面附近25 m范圍內(nèi)存在異常場(chǎng)，推測(cè)掌子面前方25 m范圍內(nèi)有水存在。

3.4 開(kāi)挖驗(yàn)證

當(dāng)隧道掌子面開(kāi)挖至ZK15+515時(shí)，在掌子面的右下方果然出現(xiàn)溶洞，掌子面上揭示的溶洞形態(tài)如圖9所示。后經(jīng)擴(kuò)大洞口勘探查明，該溶洞的走向與隧道軸向基本一致，溶洞底板低于隧道開(kāi)挖底板約2 m，溶洞最大高度約8 m，最大寬10 m，長(zhǎng)約32 m，溶洞整體呈底部寬上部尖的倒置漏斗形態(tài)，溶洞底部被約1.8 m厚度的淤泥和水充填。

在隧道施工過(guò)程中，采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法，預(yù)報(bào)中的溶洞同實(shí)際隧道開(kāi)挖揭示的位置、規(guī)模、形態(tài)和充填情況基本吻合。

圖9 溶洞形態(tài)

4 結(jié) 語(yǔ)

總結(jié)分析了各種常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法優(yōu)缺點(diǎn)，在巖溶隧道中繼承、發(fā)展前人超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的思想，提出針對(duì)不同隧道地質(zhì)條件，劃分不同等級(jí)地段，結(jié)合地質(zhì)情況合理采用不同的物探手段對(duì)掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行綜合地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)和方法適合復(fù)雜地質(zhì)條件下巖溶隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，在堅(jiān)持長(zhǎng)短結(jié)合、地質(zhì)與物探結(jié)合、合理搭配、貫穿全程的基本原則下能很好的預(yù)報(bào)掌子面前方巖溶的位置、規(guī)模、形態(tài)和填充情況。

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