綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在鴨咀巖2號(hào)隧道中的應(yīng)用

智 剛 劉得璽

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

鴨咀巖2號(hào)隧道在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估中屬于一般風(fēng)險(xiǎn)隧道，隧道施工很多依靠前期設(shè)計(jì)勘查資料和施工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷分析，在地質(zhì)情況稍復(fù)雜情況下，施工技術(shù)人員很難準(zhǔn)確判斷隧道掌子面前方的地質(zhì)情況，致使在施工過程中可能出現(xiàn)坍塌和突水等現(xiàn)象，給隧道安全施工帶來困擾。由于當(dāng)前勘察技術(shù)手段和方法技巧的限制，加上地質(zhì)體的復(fù)雜多變，期望在勘察階段完全查明隧道巖體的特性，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)隧道施工中可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的位置、性質(zhì)和發(fā)育規(guī)模十分困難。鴨咀巖2號(hào)隧道進(jìn)口段白云質(zhì)灰?guī)r溶蝕、溶洞中等～極發(fā)育，安全開挖進(jìn)口巖溶發(fā)育段是重中之重(見圖1)。本文以鴨咀巖2號(hào)隧道進(jìn)口巖溶段為例，講述隧道開挖所采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段在巖溶探測(cè)中的應(yīng)用及如何根據(jù)各種預(yù)報(bào)手段的預(yù)報(bào)結(jié)果，結(jié)合補(bǔ)充勘察和開挖揭示地層信息進(jìn)行綜合分析，得出綜合成果報(bào)告，從而準(zhǔn)確的指導(dǎo)隧道安全施工。

1 工程概況

鴨咀巖2號(hào)隧道全長(zhǎng)3 150 m，起止里程為DK342+340～DK345+490，隧道進(jìn)口段隧址區(qū)位于灰?guī)r巖溶發(fā)育區(qū)，溶蝕、溶洞中等～強(qiáng)烈發(fā)育，突泥、涌水的風(fēng)險(xiǎn)性較大［1］。

1.1 水文條件

根據(jù)隧道通過區(qū)出露的地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造特征，結(jié)合含水介質(zhì)的不同，此處地下水類型主要分為松散堆積層孔隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水、基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水。隧道洞身地表處有若干條沖溝，沖溝內(nèi)為季節(jié)性流水，補(bǔ)給條件較好，地下水發(fā)育。設(shè)計(jì)最大單位涌水量 q0=100 m3/(d·m)［1］。

圖1 鴨咀巖2號(hào)隧道進(jìn)口

1.2 地層及構(gòu)造地質(zhì)

1.2.1 地層巖性

鴨咀巖2號(hào)隧道DK342+340～DK342+290段洞身穿過石炭系中上統(tǒng)(C2+3)弱風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀35°∠31°，受構(gòu)造影響嚴(yán)重，圍巖呈塊碎狀壓碎結(jié)構(gòu)，溶蝕裂隙及溶洞極發(fā)育，存在涌泥、涌水可能;DK343+290～DK345+490段洞身穿過白堊系上統(tǒng)(K2)弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖，巖層產(chǎn)狀345°∠49°。

1.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

鴨咀巖2號(hào)隧道共有F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3三條斷層穿過隧道洞身，本段處于F1斷層的斷層破碎影響帶，受構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖體破碎。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)用手段

鴨咀巖2號(hào)隧道采用的主要預(yù)報(bào)方法可分為設(shè)計(jì)階段勘測(cè)資料結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的地表調(diào)查、TSP地震波預(yù)報(bào)法、掌子面超前鉆探取芯預(yù)報(bào)、紅外探測(cè)及掌子面地質(zhì)編錄預(yù)測(cè)等。

2.1 地質(zhì)素描

素描的主要內(nèi)容包括地層巖性、構(gòu)造發(fā)育情況、地下水狀態(tài)、圍巖穩(wěn)定性及初期支護(hù)方法等。地質(zhì)素描法預(yù)報(bào)不占用施工時(shí)間，設(shè)備簡(jiǎn)單，不干擾施工，出結(jié)果快，預(yù)報(bào)的效果好，而且為整個(gè)隧道提供了完整的地質(zhì)資料［3］。圖2，圖3是鴨咀巖2號(hào)進(jìn)口端開挖的兩張掌子面地質(zhì)素描圖，從地質(zhì)素描圖可以分析出從DK343+090.8～DK343+110段，掌子面圍巖由強(qiáng)風(fēng)化的灰?guī)r逐漸過渡到強(qiáng)～全風(fēng)化灰?guī)r為主，巖體破碎。

圖2 DK343+090.8掌子面照片和素描圖

圖3 DK343+110掌子面照片和素描圖

2.2 TSP地震波探測(cè)法

鴨咀巖2號(hào)隧道進(jìn)口TSP炮孔成率高，炮孔距上臺(tái)階面20 cm，角度下傾10°左右?，F(xiàn)場(chǎng)沒有噪聲、振動(dòng)等干擾現(xiàn)象，為分析報(bào)告準(zhǔn)確性提供了保障?，F(xiàn)場(chǎng)TSP接收器位置在DK343+002，掌子面位置為DK343+051.6，實(shí)際激發(fā)23炮，現(xiàn)場(chǎng)接收數(shù)據(jù)較為理想，可用于數(shù)據(jù)處理和解釋，探測(cè)范圍為DK343+051.6～DK343+200。根據(jù)TSP的探測(cè)結(jié)果、圖4所示的2D巖土參數(shù)曲線圖和圖5所示的2D成果顯示圖推測(cè)出的分析結(jié)果見表1［4］。

圖4 巖土參數(shù)變化圖

圖5 2D成果顯示圖

2.3 超前鉆孔

為進(jìn)一步探明鴨咀巖2號(hào)隧道進(jìn)口DK343+119掌子面前方的地質(zhì)情況，采用超前水平鉆孔，鉆機(jī)類型為RPD-180型鉆機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)鉆孔照片和取芯照片見圖6，圖7，鉆孔總延米64.0 m，鉆孔位置及參數(shù)如表2，圖8所示。

表1 初步探測(cè)結(jié)果

圖6 現(xiàn)場(chǎng)鉆孔圖

圖7 現(xiàn)場(chǎng)取芯圖

圖8 鉆孔布置圖

表2 鉆孔參數(shù)表

通過本次超前鉆孔探測(cè)，判斷前方25 m地質(zhì)情況如下:

DK343+119～DK343+138.5段圍巖為石炭系中上統(tǒng)(C2+3)白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶發(fā)育，溶洞、溶腔、風(fēng)化裂隙發(fā)育，充填少量黃泥夾碎石;DK343+138.5～DK343+144段圍巖為白云質(zhì)灰?guī)r，灰白，弱風(fēng)化，屬硬巖，局部強(qiáng)風(fēng)化，屬較軟巖;無水。此段巖溶溶洞呈串聯(lián)狀發(fā)育。具有代表性的3號(hào)鉆孔的柱狀圖如圖9所示。

3 綜合結(jié)論及實(shí)際開挖揭示情況

3.1 綜合結(jié)論

綜合各種預(yù)報(bào)方法的結(jié)論分析，推測(cè)DK343+090.8～DK343+200段，巖體逐漸由弱～強(qiáng)風(fēng)化轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)風(fēng)化～全風(fēng)化，硬巖轉(zhuǎn)變?yōu)檩^軟巖、軟巖;從素描分析出方解石開始逐漸增多，表明此段的圍巖在歷史時(shí)期受到構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和溶蝕作用的影響，巖體破碎，巖體裂隙發(fā)育;其中DK343+119～DK343+138.5段巖溶呈串聯(lián)狀發(fā)育，溶洞、溶腔、風(fēng)化裂隙發(fā)育，溶蝕風(fēng)化嚴(yán)重;整段地下水不發(fā)育，其中在DK343+197處有出水可能。其中 DK343+119～DK343+138.5段巖溶發(fā)育情況如圖10所示。

建議:DK342+090.8～DK343+200段巖溶發(fā)育，巖體破碎，巖質(zhì)軟。在施工過程中應(yīng)采取短進(jìn)尺、弱爆破、加強(qiáng)超前支護(hù)措施，防止巖體的坍塌，確保隧道施工安全。為進(jìn)一步探明溶洞的范圍，建議嚴(yán)格施工，做加長(zhǎng)炮孔探測(cè)，以確保施工安全。

圖9 DK343+119掌子面ZK-03號(hào)鉆孔柱狀圖

圖10 DK343+119～DK343+138.5段巖溶發(fā)育示意圖

3.2 實(shí)際開挖揭示情況

DK343+119～DK343+135段隧道已開挖段揭示地層巖性為白云質(zhì)灰?guī)r，軟硬互層，呈黃褐色夾灰白色，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎;地下水不發(fā)育;巖溶發(fā)育，掌子面拱頂、左側(cè)、右側(cè)發(fā)育溶洞、溶腔，拱頂溶洞自DK343+119段延伸至DK343+135段，向上高于開挖輪廓線2.5 m，向左橫向延伸約23.0 m，向右橫向延伸約19.0 m，溶洞內(nèi)無充填物，無水，發(fā)育多條溶腔。圖11為現(xiàn)場(chǎng)開挖圖。DK343+158～DK343+198隧道已開挖段揭示地層巖性為灰?guī)r，呈黃褐色夾灰白色，強(qiáng)風(fēng)化，軟硬互層，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎;地下水不發(fā)育;巖溶發(fā)育，掌子面拱頂左側(cè)溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，發(fā)育溶洞、溶腔，溶洞體積高約4.5 m，寬約4 m，沿隧道走向發(fā)育，拱頂左側(cè)溶洞自DK343+177延伸至DK343+198，溶洞內(nèi)充填少量粘土，無水，向上發(fā)育溶腔。

圖11 左側(cè)拱腰處溶洞

4 結(jié)語

在隧道施工過程中，運(yùn)用各種超前預(yù)報(bào)方法來指導(dǎo)施工是重要且必要的，它使施工消除盲目性，并按科學(xué)規(guī)律指導(dǎo)施工，這已為有識(shí)之士所共識(shí)。有目的的綜合運(yùn)用各種預(yù)報(bào)方法，通過信息的反饋不斷改進(jìn)和選擇預(yù)報(bào)方法，使預(yù)報(bào)方法優(yōu)化組合，可得到最佳的預(yù)報(bào)效果和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，由于巖溶發(fā)育的千變?nèi)f化，沒有規(guī)律性，所以針對(duì)巖溶的預(yù)報(bào)，是一個(gè)重點(diǎn)，更是一個(gè)難點(diǎn)。對(duì)技術(shù)人員的要求將越來越高，他們不僅要有大量的地質(zhì)知識(shí)，還要掌握豐富的物探和鉆探經(jīng)驗(yàn)，把這些技能結(jié)合成知識(shí)體系，這才能真正做到對(duì)巖溶的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)［5，6］。

TSP探測(cè)法在隧道的預(yù)報(bào)中有相當(dāng)重要的作用，可以大體上確定巖溶和斷層的位置，為施工提供可靠的建議，再結(jié)合鉆孔和紅外探測(cè)結(jié)果，更能做到有的放矢。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益毋庸置疑，但超前鉆孔的連續(xù)施作，占用了較長(zhǎng)的施工時(shí)間。通過隧道開挖過程中加深炮孔(5 m)的施作，既省時(shí)，又能大致查明隧道掌子面前方5 m的地質(zhì)情況。加深炮孔和超前鉆孔的有機(jī)結(jié)合，更能利于隧道的安全快速施工。

［1］ 鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.鴨咀巖2號(hào)隧道勘察報(bào)告［R］.2010.

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