綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法在巖溶隧道的應(yīng)用

張博宇

(廣西河百高速公路有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

超前地質(zhì)鉆孔能夠?qū)κ┕た辈炫c物探成果進(jìn)行確認(rèn)，并能夠直接探明隧道掌子面前方巖溶不良地質(zhì)規(guī)模與充填情況，同時(shí)可以作為跨孔電阻率CT探測的作業(yè)空間。因此超前地質(zhì)鉆孔貫穿整個(gè)隧道施工過程，鉆孔的位置、孔深、數(shù)量、取芯等可根據(jù)勘察資料與物探成果綜合分析確定。超前地質(zhì)鉆孔采用意大利卡薩格蘭地公司生產(chǎn)的C6多功能鉆機(jī)，該設(shè)備鉆孔深度達(dá)100 m，配備LUTZ鉆進(jìn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)及分析系統(tǒng)，同時(shí)具有可以通過鋼絲繩取芯、巖土層連續(xù)取樣鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)一步探明巖溶區(qū)隧道掌子面更大范圍的不良地質(zhì)情況。本文為風(fēng)險(xiǎn)地層的防護(hù)及處理方案提供依據(jù)與參考，可以有效規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。

1 工程概況

河池至百色高速公路位于廣西西北部，地處云貴高原臺地東部邊緣。地勢西北高、東南低，路線大致呈北東～南西走向。主要地貌類型有剝蝕低山丘陵地貌、巖溶峰叢洼地地貌兩種，部分地段為河流峽谷及河流階地堆積地貌。

依托工程河百高速平坎隧道總長3 267.5 m，由平坎隧道前段、平坎隧道后段組成。平坎隧道前段左洞起訖樁號Z4K31+050～Z4K31+905，長855 m；右洞起訖樁號K31+015～K31+870，長855 m。平坎隧道后段左洞起訖樁號Z4K32+035～Z4K34+320，長2 285 m；右洞起訖樁號K31+985～K34+280，長2 295 m。

該段主要地貌類型為巖溶峰叢洼地，山峰林立，其間發(fā)育溶蝕洼地，山峰與洼地相對高差大，地勢較高、地形起伏大，自然坡度35°～70°，部分近直立。山峰多基巖裸露或少量植被覆蓋。

2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法流程

巖溶預(yù)報(bào)以地質(zhì)調(diào)查為基礎(chǔ)，以超前鉆探為主，結(jié)合多種物探手段進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)(見圖1)。宏觀指導(dǎo)微觀，長距離指導(dǎo)短距離，見圖2。

圖1 綜合巖判流程圖

圖2 探測距離對比圖

TSP：通過接收地震波遇波阻抗差異界面(斷層，巖性變化)反射信號(100～150 m)。

地質(zhì)鉆探：作業(yè)深度一般取50～100 m，根據(jù)鉆機(jī)成孔采集數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地反映前方待開挖面的地層狀況，為風(fēng)險(xiǎn)地層處理方案提供依據(jù)與參考，有效規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)。主要數(shù)據(jù)采集：鉆孔深度、速度；鉆孔回水、渣樣；鉆桿轉(zhuǎn)速、扭矩；旋轉(zhuǎn)壓力、推進(jìn)力。見圖3。

圖3 EXEPF數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)示例圖

地質(zhì)雷達(dá)：時(shí)間域脈沖雷達(dá)，電磁波雙程走時(shí)(27 m)。

超前炮孔：鉆孔深度取6 m，外飄角取30°，對即將開挖圍巖精準(zhǔn)探測，并確保下循環(huán)持力層厚度。

地質(zhì)素描：內(nèi)容包括掌子面圍巖風(fēng)化程度、巖質(zhì)堅(jiān)硬程度、巖體結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)構(gòu)造面發(fā)育情況、節(jié)理和巖層產(chǎn)狀、裂隙充填物及裂隙水，對掌子面圍巖進(jìn)行精準(zhǔn)分級。

2.1 工程實(shí)例ZK32+989溶腔探測

平坎隧道后段左洞出口端(百色端)開挖至Z4K32+989時(shí)，距貫通(進(jìn)口端突泥樁Z4K32+793)還剩196 m。隧道未開挖段最大埋深240 m。綜合掌子面圍巖情況、TSP、超前地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)及超前地質(zhì)鉆孔情況，推測Z4K32+989掌子面前方大概9～30 m范圍(Z4K32+980～Z4K32+960段)極有可能發(fā)育一個(gè)大型富水軟塑性泥質(zhì)物充填型溶洞。具體探測情況如下：

(1)TSP探測結(jié)果ZK33+000～Z4K32+876，探測124 m，顯示Z4K32+989～Z4K32+976節(jié)理裂隙，溶蝕裂隙較發(fā)育，局部寬張裂隙發(fā)育；Z4K32+976～Z4K32+948節(jié)理裂隙，溶蝕裂隙發(fā)育，有泥質(zhì)夾層，其中Z4K32+952～Z4K32+948溶蝕腔體發(fā)育，腔內(nèi)軟塑狀泥質(zhì)物、裂隙水充填；Z4K32+948～Z4K32+935節(jié)理裂隙，溶蝕裂隙較發(fā)育，局部寬張裂隙發(fā)育。

(2)地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果Z4K32+989～Z4K32+962，探測27 m。節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙、構(gòu)造面發(fā)育，有泥質(zhì)夾層；Z4K32+978～Z4K32+972溶蝕腔體發(fā)育，腔體內(nèi)由可塑～硬塑狀黃泥充填，圍巖大體較破碎；Z4K32+972～Z4K32+961節(jié)理及溶蝕裂隙發(fā)育，局部寬張裂隙發(fā)育。

(3)超前C6地質(zhì)鉆機(jī)地質(zhì)探測，鉆孔布置圖及鉆探結(jié)果見圖4。

圖4 Z4K32+989掌子面超前鉆孔布置圖

1號孔(仰角15°，偏角0°)鉆孔深22 m，鉆至9～22 m段為黃泥充填型溶洞，并存在孤石，由于孤石較多，無法繼續(xù)鉆進(jìn)。

2號孔(仰角13°，左偏15°)鉆孔深50 m，鉆至13～21 m段黃泥夾層及充填型溶洞發(fā)育，21～50 m段為灰色硬巖。

3號孔(仰角15°，左偏角15°)鉆孔深40 m，8～26 m斷續(xù)黃泥夾層發(fā)育，鉆至28 m時(shí)，有大量黃泥水噴出，水流量約6 m3/h，總出水量約100 m3，由開始的黃泥水變化為清水；水量明顯減小后，再對其加深鉆探，28～50 m段為灰色硬巖，另對其長期觀察顯示，3號孔出水量根據(jù)降雨變化。

4號孔(仰角15°，右偏角15°)鉆孔深40 m，13～17 m段軟塑性泥質(zhì)物充填，并夾雜塊石發(fā)育；18～32 m段，塑性黃泥全充填；32～40 m段為硬巖。

5號孔(仰角0°，右偏角15°)鉆孔深46 m，15～26 m段，斷續(xù)黃泥夾層；26～33 m段軟塑狀泥質(zhì)物充填溶洞；33～46 m段為灰色硬巖。

6號孔(仰角0°，偏角0°)鉆孔深26 m，11～23 m段為斷續(xù)黃泥夾層，其余為灰色硬巖。

7號孔(仰角0°，偏角0°)鉆孔深40 m，15～23.3 m段，黃泥充填溶洞；25～40 m，灰色硬巖。

8號孔(仰角-15°，右偏角15°)鉆孔深40 m，基本為灰色硬巖。

9號孔(仰角10°，右偏角15°)鉆孔深20 m，10.5～16 m為空腔；16～20 m為黃泥充填溶洞，并可能夾孤石，易卡鉆，無法繼續(xù)鉆進(jìn)。

操作過程要注意以下三點(diǎn)：

①鉆探布孔：常規(guī)布孔6個(gè)，根據(jù)TSP、地質(zhì)雷達(dá)以及掌子面圍巖情況增減。

②鉆探搭接：地質(zhì)鉆探外飄角度為15°，實(shí)際施工中約于10 m處進(jìn)入隧道輪廓線外，為拱頂持力層探測盲區(qū)，故設(shè)定10～15 m為搭接長度。

③超前炮眼的必要性：超前地質(zhì)鉆探為中長距離宏觀控制，有不可控因素，超前炮孔加強(qiáng)探測，確保探測準(zhǔn)確性。

(4)地質(zhì)素描方面，掌子面揭露圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r，中厚層構(gòu)造為主，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙微張。主要發(fā)育三組裂隙，裂隙內(nèi)由少量泥質(zhì)物充填，裂隙面光滑，呈鐵銹色；同時(shí)發(fā)育多組褐色巖脈，主要一組脈寬20 cm，產(chǎn)狀195°∠50°，鐵礦物質(zhì)及泥漿浸染；掌子面圍巖局部較破碎，含弱裂隙水，自穩(wěn)能力一般，易掉塊。見圖5。

圖5 掌子面地質(zhì)素描示意圖

(5)綜合判斷結(jié)果

綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果見圖6～8。

圖6 鉆探結(jié)果縱剖面圖

圖7 鉆探結(jié)果平面投影圖

圖8 Z4K32+989巖溶段三維模型示意圖

3 結(jié)語

隧道深埋地下，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜、多變。在勘測設(shè)計(jì)階段要完全查明隧道工程的巖體構(gòu)造、狀態(tài)、特性，特別是不良地質(zhì)體的確切位置、規(guī)模等存在較大困難。本文通過在工程施工中綜合各類探測(尤其是C6XP多功能鉆機(jī))情況以及地表地質(zhì)調(diào)查、圖紙資料核查，對平坎隧道的巖溶發(fā)育情況有了比較清晰的判斷。根據(jù)此判斷最終采用超前大管棚+襯砌加強(qiáng)支護(hù)的方案，順利通過了巖溶發(fā)育區(qū)，確保了安全。此綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)法可為巖溶隧道施工提供借鑒及參考。

[1]河百路兩階段施工圖設(shè)計(jì)及工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].2015.

[2]張 梅.宜萬鐵路巖溶斷層隧道修建技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[3]肖廣智.鐵路隧道施工新技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2016.

[4]吳繼敏.工程地質(zhì)學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[5]JTG F60-2009，公路隧道施工技術(shù)規(guī)范[S].

[6]JTG C20-2011，公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].