壁板坡特長(zhǎng)隧道巖溶發(fā)育特征與超前探測(cè)

鐘勇奇，王　薇，肖粵秀，楊新安

(1.中鐵五局集團(tuán)第四工程有限公司，廣東韶關(guān)　512031;2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上?！?01804)

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壁板坡特長(zhǎng)隧道巖溶發(fā)育特征與超前探測(cè)

鐘勇奇1，王薇2，肖粵秀2，楊新安2

(1.中鐵五局集團(tuán)第四工程有限公司，廣東韶關(guān)512031;2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804)

摘要：巖溶是壁板坡隧道的主要不良地質(zhì)類型，研究如何進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)及分析巖溶發(fā)育特征，對(duì)隧道施工安全具有重要意義。根據(jù)實(shí)際揭露的巖溶，從縱向和橫向兩個(gè)方面，全面分析壁板坡隧道巖溶的發(fā)育特征，根據(jù)形狀將巖溶分為長(zhǎng)條型、半球型和點(diǎn)孔型。介紹壁板坡隧道TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水及超前水平鉆探相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)方法，以左線某處溶洞為例，論證該綜合預(yù)報(bào)方法的準(zhǔn)確性，證明是適用于特長(zhǎng)隧道巖溶地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的可行方案。

關(guān)鍵詞：壁板坡隧道；巖溶；施工地質(zhì)；地質(zhì)預(yù)報(bào)；超前探測(cè)

1工程概況

壁板坡隧道是滬昆鐵路最長(zhǎng)的鐵路隧道，是全線控制性工程之一。隧道全長(zhǎng)14.756 km，最大埋深735 m，進(jìn)口位于貴州盤縣紅果鎮(zhèn)上紙廠村，出口位于云南省富源縣后所鎮(zhèn)三丘田村。隧址區(qū)位于云貴高原云南與貴州接壤部位，西部地形較平緩，高原面貌保存完好，東部地形切割較強(qiáng)，形成山巒起伏的中山地貌。

隧道洞身穿過地層為石炭系下統(tǒng)大塘組(C1d)～三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn1)，巖性以灰?guī)r、白云巖、玄武巖和泥質(zhì)白云巖為主，其中灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)白云巖屬于碳酸鹽類巖石，是西南地區(qū)發(fā)育巖溶的主要巖石類別。隧道沿線穿越多條斷層和節(jié)理，巖石破碎，裂隙發(fā)育，且該地區(qū)降雨充沛，地下水活躍，為隧址區(qū)巖溶發(fā)育提供了良好的條件[1]。

巖溶發(fā)育會(huì)削弱巖體的力學(xué)性質(zhì)，破壞巖體的完整性，降低圍巖分級(jí)[2]。隧道穿越飽氣帶時(shí)，巖溶水會(huì)影響隧道頂、底板圍巖的穩(wěn)定性，穿越飽水帶時(shí)，會(huì)發(fā)生涌水、突水等地質(zhì)災(zāi)害，腐蝕工程結(jié)構(gòu)，影響施工安全等[3]。因此，采用綜合的地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，快速準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)隧道掘進(jìn)前方的巖溶發(fā)育情況，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

2壁板坡隧道巖溶地質(zhì)勘探與分析

在勘探階段，對(duì)隧址區(qū)的地表巖溶發(fā)育情況進(jìn)行踏勘，分析鉆孔勘探結(jié)果和隧址區(qū)巖溶發(fā)育的水文地質(zhì)條件，為判斷地下巖溶的發(fā)育程度及影響范圍提供依據(jù)。

2.1地表巖溶發(fā)育特征

隧址一帶主要為碳酸鹽巖地層，局部夷平面內(nèi)發(fā)育大量巖溶洼地、巖溶漏斗、落水洞(圖1)。根據(jù)調(diào)查，洞內(nèi)充填大量黏土及塊石，可見深度2～8 m，洞口植被發(fā)育較好，該區(qū)內(nèi)古巖溶較發(fā)育，可能存在古巖溶管道，因此對(duì)鐵路工程選線、施工運(yùn)營(yíng)安全有重要影響。

圖1　隧址區(qū)地表巖溶洼地

2.2鉆探分析

壁板坡隧道除進(jìn)出口淺孔外，洞身共布置11個(gè)深孔，其中DZ-BBPSD-06號(hào)孔揭示DK985+266處巖性為玄武巖夾凝灰?guī)r，是玄武巖與灰?guī)r的接觸帶段，巖體完整性差，力學(xué)強(qiáng)度低，且在雨季時(shí)，地下水位穩(wěn)定在高程2 281 m，高出隧道高程307.6 m，DZ-BBPSD-3-07號(hào)孔揭示DK982+330處灰?guī)r相對(duì)較完整，但節(jié)理非常發(fā)育，DZ-BBPSD-04號(hào)孔揭示DK983+415處水量較大，水能從孔口往外涌，具有承壓性。

根據(jù)鉆孔勘探，壁板坡隧道約有3.7 km范圍穿越峨眉山組地層及其與灰?guī)r接觸帶，巖體物理力學(xué)性質(zhì)差，穩(wěn)定性較差，地下水受地表水影響較大，地下水位起伏較大，為巖溶發(fā)育提供較好的條件。

2.3巖溶地質(zhì)分析

壁板坡隧道處于南盤江和北盤江的分水嶺地帶，地表分水嶺里程約為DK983+850，地下分水嶺與地表分水嶺基本一致，分水嶺南西(隧道出口段)地下水從北向南徑流，而北東(隧道進(jìn)口段)則從南向北徑流。

分水嶺北東側(cè)為大面積厚層灰?guī)r分布區(qū)，地勢(shì)相對(duì)較高，屬地下水的補(bǔ)給—徑流區(qū)。地下水由南向北徑流，地下水水力坡度大，徑流通暢，水循環(huán)交替迅速，以發(fā)育非均勻垂直巖溶為主，均勻性差，巖溶形態(tài)表現(xiàn)為數(shù)量較多的垂直巖溶個(gè)體形態(tài)，如巖溶洼地、落水洞。大氣降水通過地表巖溶迅速滲入地下，補(bǔ)給地下水。區(qū)內(nèi)的巖溶洼地和落水洞多集中在區(qū)內(nèi)的一級(jí)夷平面上的山間槽谷內(nèi)，發(fā)育高程2 150～2 500 m，東西兩側(cè)均受隔水巖層限制，故地下水沿構(gòu)造線方向總體由南向北運(yùn)移，流出測(cè)區(qū)外。

3壁板坡隧道巖溶發(fā)育特征

壁板坡隧道巖溶發(fā)育的類型主要為溶洞，從縱向及橫向兩個(gè)方面進(jìn)行分析，總結(jié)壁板坡隧道巖溶的發(fā)育特征。

3.1巖溶發(fā)育類型

地表巖溶形態(tài)一般分為溶溝(槽)、石芽、漏斗、溶蝕洼地、坡立谷、溶蝕平原等，地下巖溶形態(tài)一般分為落水洞(井)、溶洞、暗河、天生橋等[4-5]。這里主要討論壁板坡隧道的地下巖溶發(fā)育特征。

壁板坡隧道地下巖溶發(fā)育的主要類型為溶洞，溶洞開口近似圓形或長(zhǎng)方形，直徑或?qū)挾纫话銥?～5 m，深度為1～4 m，隨深度增加，寬度變窄，部分溶洞深度較深，無法測(cè)量。

3.2巖溶發(fā)育特征

3.2.1沿隧道縱向

根據(jù)實(shí)際揭露，左線遇到8處巖溶，各溶洞的位置見圖2，集中分布在進(jìn)口段DK978+000～DK981+000的4 km范圍內(nèi)，其中DK978+000～DK979+000內(nèi)有7處溶洞。該段巖性主要為中厚層狀灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部圍巖含水或滲水，具備巖溶發(fā)育的條件。

圖2　左線巖溶沿縱向分布

3.2.2隧道揭示巖溶

溶洞的形狀主要有3種：一是長(zhǎng)條型，開口形狀近似圓形或矩形，寬度隨深度增加而減??；二是半球型，溶洞形狀類似碗狀，開口一般呈圓形，深度較長(zhǎng)條型??；三是點(diǎn)孔型，溶孔一般有涌砂或涌水，水流具有一定的壓力，在雨季，出水量有較大幅度的增長(zhǎng)。

壁板坡隧道典型溶洞的特征[6-7]、照片及相對(duì)于洞身的位置示意見表1。

表1　左線揭示1～6號(hào)巖溶特征

4巖溶超前探測(cè)與預(yù)報(bào)

在施工階段，巖溶引發(fā)的涌砂、涌水等災(zāi)害對(duì)隧道施工安全威脅大，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變性及各種探測(cè)方法的局限性，采用單一探測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖溶的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，為此，需根據(jù)各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的特點(diǎn)，采用綜合的預(yù)報(bào)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)較精準(zhǔn)預(yù)報(bào)，保障隧道施工安全。

4.1預(yù)報(bào)方法及其組合

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)主要分為兩大類：鉆孔探測(cè)(直接法)和地球物理探測(cè)法(間接法)[8]。鉆孔探測(cè)主要是超前水平鉆探法和工作面淺孔鉆探，地球物理探測(cè)法包括TSP預(yù)報(bào)法、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水等。對(duì)壁板坡隧道超前預(yù)報(bào)中采用的幾種探測(cè)方法說明如下。

(1)TSP

TSP預(yù)報(bào)法屬于多波多分量高分辨率地震反射法[9]。地震波在設(shè)計(jì)的震源點(diǎn)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化等)時(shí)，一部分地震信號(hào)反射回來，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號(hào)將被高靈敏度的地震檢波器接收。數(shù)據(jù)通過TSP win軟件處理，便可探測(cè)出隧道工作面前方不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置及規(guī)模。

(2)地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)是利用發(fā)射天線發(fā)射高頻電磁波，經(jīng)目標(biāo)體反射后被接收天線接受，形成雷達(dá)圖像。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性參數(shù)及幾何形態(tài)而變化。根據(jù)接收波的旅行時(shí)間、幅度與波形資料，可推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征[10]。

(3)紅外探水

紅外探水通過測(cè)量一定范圍內(nèi)地質(zhì)體輻射的紅外場(chǎng)強(qiáng)度，根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)的變化規(guī)律預(yù)報(bào)前方可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)體的性質(zhì)，尤其是含水體[11]。

(4)超前水平鉆探

超前水平鉆探是在工作面布設(shè)探孔，采用鉆機(jī)進(jìn)行超前鉆探，根據(jù)鉆機(jī)在鉆孔過程中的推力、扭矩、鉆速、成孔難易及鉆孔出水情況確定前方的地層和特性[12]。

以上幾種探測(cè)方法的預(yù)報(bào)距離及優(yōu)缺點(diǎn)見表2。

表2　探測(cè)方法對(duì)比

壁板坡隧道首先采用TSP進(jìn)行長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)，其次對(duì)破碎帶、含水體采取地質(zhì)雷達(dá)和紅外探水進(jìn)行輔助探測(cè)，最后對(duì)影響較大的不良地質(zhì)段進(jìn)行超前水平鉆探，以此達(dá)到較精確定位、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的目的。

4.2應(yīng)用及效果評(píng)價(jià)

以DK978+317處溶洞為例，采用TSP、紅外探水和超前水平鉆探進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，各探測(cè)方法的預(yù)報(bào)結(jié)果如下。

(1)采用TSP對(duì)DK978+237～DK978+347段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，其預(yù)報(bào)成果見圖3。根據(jù)圖譯，DK978+237～D1K978+300段圍巖較破碎，巖溶弱～中等發(fā)育，局部含水；DK978+300～DK978+347段圍巖較破碎～破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶弱發(fā)育，弱富水，其中DK978+312～DK978+323段存在軟弱帶、溶蝕裂隙或溶洞。

圖3　DK978+237～DK978+347段TSP預(yù)報(bào)成果

(2)采用紅外探水對(duì)DK978+277～DK978+332段進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，紅外場(chǎng)強(qiáng)的變化值見圖4，曲線沿隧道開挖方向有上升趨勢(shì)，判定巖體含水。

圖4　紅外場(chǎng)強(qiáng)曲線

(3)采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)DK978+292～DK978+322段進(jìn)行預(yù)報(bào)，探測(cè)剖面見圖5，雷達(dá)電磁波無明顯強(qiáng)反射界面，局部振幅較強(qiáng)，頻率中等，推測(cè)該段圍巖較完整～較破碎，巖溶弱發(fā)育。

圖5　地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面

(4)采用超前水平鉆探對(duì)DK978+285～DK978+319段進(jìn)行預(yù)報(bào)，鉆孔速度及推進(jìn)力隨深度變化曲線見圖6，鉆進(jìn)特征為鉆孔速度慢、平穩(wěn)、無跳動(dòng)現(xiàn)象，偶爾出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，巖層為灰?guī)r，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙中充填少量黏土，巖質(zhì)較破碎，終孔時(shí)有少量清水流出，水量為3 L/h。

綜上，判斷DK978+317處圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶弱發(fā)育，弱富水，與實(shí)際揭露情況基本一致。TSP屬長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)方法，能進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)；紅外探水能較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)巖體含水情況，地質(zhì)雷達(dá)能夠探測(cè)巖溶的形狀特征，但其探測(cè)距離有限。與物探方法相比，超前水平鉆探占用工作面，對(duì)施工影響較大，但對(duì)地層巖性、裂隙度、充填物及含水量的預(yù)測(cè)有較高的精確度。由此可見，綜合預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)巖溶的位置、形狀及富水程度顯得非常必要。

圖6　鉆孔速度及推進(jìn)力隨深度變化曲線

5結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)地表勘探、鉆孔探測(cè)及水文地質(zhì)分析，巖溶是壁板坡隧道主要不良地質(zhì)類型，對(duì)隧道選線設(shè)計(jì)、施工乃至運(yùn)營(yíng)安全有重要影響。

(2)壁板坡隧道巖溶集中在進(jìn)口段DK978+000～ DK981+000內(nèi)，巖溶類型主要是溶洞，其形狀主要有3種，一是長(zhǎng)條型，開口形狀近似圓形或矩形，寬度隨深度增加而減??；二是半球型，溶洞形狀類似碗狀，開口一般呈圓形，深度較長(zhǎng)條形??；三是點(diǎn)孔型，溶孔一般有涌砂或涌水，水流具有一定的壓力，在雨季，出水量有較大幅度的增長(zhǎng)。

(3)壁板坡隧道采用TSP、紅外探水、地質(zhì)雷達(dá)和超前水平鉆探相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)方法，具有較高的準(zhǔn)確性，證明是適用于特長(zhǎng)隧道巖溶地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的可行方案。

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Karst Features and Advanced Detection of Extra-long Bibanpo Tunnel

ZHONG Yong-qi1， WANG Wei2， XIAO Yue-xiu2， YANG Xin-an2

(1.The Fourth Engineering Corporation of China Railway No.5 Engineering Group， Shaoguan 512031; 2.The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering， Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 201804， China)

Abstract：Karst is one of the main unfavorable geology in the Bibanpo tunnel. It’s important to find out the way to forecast accurately karst development and analyze its features to ensure normal tunneling. Karst features are analyzed from vertical and horizontal aspects based on revealed caves. Those caves are classified by shape into three categories: strip， hemisphere and dot-hole. A comprehensive forecast method employing TSP， geological radar， infrared detection and advanced horizontal core drill is introduced. With reference to a cave in left line， the comprehensive forecast method is proved accurate and feasible to predict the geological conditions in extra-long tunnel．

Key words：Bibanpo tunnel; Karst; Construction geology; Geological forecast; Advanced detection

文章編號(hào)：1004-2954(2016)05-0098-05

收稿日期：2015-07-28

基金項(xiàng)目：中鐵五局集團(tuán)科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2012005)

作者簡(jiǎn)介：鐘勇奇(1975—)，男，高級(jí)工程師，1997年畢業(yè)于上海鐵道

中圖分類號(hào)：U452.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.021

大學(xué)鐵道工程專業(yè)。