富水公路隧道地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)反演與防治研究

鐘明文，喻自祥，汪紅武，宗 杰，袁從華

(1.云南交投集團(tuán)投資有限公司， 云南 昆明 650228；2.中國(guó)科學(xué)院 武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室， 湖北 武漢 430071)

伴隨著我國(guó)交通建設(shè)的不斷進(jìn)步，越來越多的隧道工程不斷的浮現(xiàn)，伴隨著地質(zhì)災(zāi)害問題也層出不窮，其中巖溶問題尤為突出，給隧道施工造成嚴(yán)重的損失，也給施工帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)，并伴隨著財(cái)產(chǎn)和人身安全的威脅。針對(duì)隧道巖溶預(yù)防以及治理問題，大量的學(xué)者展開了對(duì)于巖溶隧道突水突泥的預(yù)防治理問題的研究，并提出了大量對(duì)于巖溶隧道災(zāi)害防治治理的有效措施。

20世紀(jì)80年代國(guó)外Kuznetsov等[1]在隧道施工中，考慮了巖石壓力的增大情況下，地層水在不同方向裂縫間重新分布引起的局部圍巖體破壞，推導(dǎo)巖溶隧道圍巖破壞準(zhǔn)則以及裂紋擴(kuò)展的特征。國(guó)內(nèi)也有大量的研究，如李術(shù)才等[2]運(yùn)用CT機(jī)裝置對(duì)含水與不含水的試件進(jìn)行裂紋觀測(cè)研究，表明不同地下水對(duì)于圍巖結(jié)構(gòu)的影響差異，研究了巖石破壞機(jī)理。王樹仁等[3]通過對(duì)園梁山隧道突水災(zāi)變機(jī)理的研究，闡述了影響巖溶隧道突水的相關(guān)因素，并針對(duì)性制定臨界距離、關(guān)鍵部位、上下交叉等防治施工原則。孫謀等[4]結(jié)合隧道掌子面突水的特性，采用數(shù)值模擬計(jì)算研究施工因素與突水現(xiàn)象的關(guān)系，并結(jié)合系統(tǒng)勢(shì)能理論分析，提出了注漿加固、確定排水路線、分區(qū)確定爆破深度的針對(duì)性防治措施。劉超群等[5]、龔斌等[6]、徐浩[7]和周曉靖等[8]結(jié)合有限元軟件對(duì)隧道設(shè)計(jì)、變形、注漿、監(jiān)測(cè)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，從而有效的將理論驗(yàn)算與實(shí)際工程相結(jié)合，確保安全施工。李浪等[9]通過相似模型實(shí)驗(yàn)，三維系統(tǒng)模擬龍門山隧道，針對(duì)圍巖現(xiàn)狀確定突水時(shí)圍巖最小的隔水圍巖厚度。李術(shù)才等[10]借用多種超前物探方法，研究巖溶裂隙水超前預(yù)報(bào)方法，總結(jié)各種方法實(shí)施的特點(diǎn)與難點(diǎn)，并在齊岳山、云臺(tái)山等隧道中實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最終對(duì)探測(cè)儀器對(duì)水靈敏度進(jìn)行改進(jìn)。王群[11]針對(duì)隧道巖溶富水區(qū)，實(shí)施邊鉆邊探的帷幕注漿方法進(jìn)行施工設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)調(diào)整，使得探測(cè)與施工緊密結(jié)合，提高施工效率與安全。楊平[12]結(jié)合工程闡述巖溶隧道水溫特性，并針對(duì)性的提出相對(duì)應(yīng)的防排水措施，從而確保隧道的施工。管澤英等[13]結(jié)合高水壓巖溶隧道，分析超前加固措施的優(yōu)弊，并提出精細(xì)化超前注漿技術(shù)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。張廣澤等[14]結(jié)合高鐵隧道，通過預(yù)報(bào)、防治、綜合防治、溶洞跨越四個(gè)方面總結(jié)巖溶隧道致災(zāi)機(jī)理和防治技術(shù)，并驗(yàn)證其真實(shí)可靠。何振寧[15]以三十座隧道為例，分析對(duì)應(yīng)的富水隧道的地質(zhì)問題，針對(duì)其分類、突水、涌沙等14類問題提出6條納入規(guī)范的建議，為施工提供規(guī)范參考。

本文利用地震波CT成像系統(tǒng)在測(cè)試兩孔平面間高準(zhǔn)確性的工作原理，針對(duì)性的在九頂山隧道進(jìn)口左幅突水段ZK281+940地表開展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，準(zhǔn)確的探測(cè)出突水段一定深度內(nèi)的巖溶分布和地質(zhì)構(gòu)造，為分析隧道突水機(jī)理提供支撐，并制定具有針對(duì)性突水、突泥防治措施，確保施工安全。

1 九頂山隧道區(qū)域地質(zhì)概況

1.1 工程背景

九頂山隧道為楚大高速改(擴(kuò)建)工程的控制性節(jié)點(diǎn)工程，九頂山特長(zhǎng)隧道左、右幅分別長(zhǎng)7 597 m、7 560 m，最大開挖寬度為17.34 m，隧道最大埋深處為730 m，為長(zhǎng)、大、深埋隧道，隧道施做范圍內(nèi)無(wú)暗河，含水主要以巖溶水和節(jié)理裂隙水為主，水源主要為地表水，隧道圍巖以泥盆系、奧陶系沉積的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和砂頁(yè)巖為主，經(jīng)燕山期花崗斑巖和華力西期輝綠、輝長(zhǎng)巖侵入，加之侵入巖與原巖的蝕變帶、風(fēng)化帶的變化，使隧道巖性變化復(fù)雜。侵入巖蝕變帶內(nèi)巖體膨脹性、流變和軟化特征顯著，巖性復(fù)雜、蝕變不利作用及其水理水力特征對(duì)隧道施工安全不利。

1.2 危害概況

隧道穿越兩條斷裂帶，并通過灰?guī)r和花崗斑巖兩類巖石的巖性接觸帶，以致該段隧道圍巖穩(wěn)定性差。區(qū)段內(nèi)的白云質(zhì)灰?guī)r及白云巖，使隧道圍巖含水豐富，巖溶發(fā)育。于2017年7月27日，九頂山隧道進(jìn)口左洞ZK281+940—ZK281+947段拱頂發(fā)生大變形，繼而形成塌方，塌方腔體沿環(huán)向長(zhǎng)度約6 m，隨后發(fā)生突水、突泥；截至2017年8月10號(hào)相繼發(fā)生8次突水、突泥，每次間隔約12 h，每次突水時(shí)間約10 min，估計(jì)水量約34 000 m3，突泥量約8 000 m3。突水后隧道k281+895 、k281+893兩處情形如圖1，并在隧道施工過程中伴隨土體的坍塌、涌水、突泥等災(zāi)害的發(fā)生，危及施工人員安全，給施工帶來極大的干擾，因此在結(jié)合地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用地震波CT進(jìn)行專項(xiàng)探測(cè)，以避免隧道施工安全事故的發(fā)生，確保工程順利進(jìn)行。

2 隧道左洞突水段探測(cè)分析

2.1 CT探測(cè)原理

現(xiàn)場(chǎng)擬采用地震波探測(cè)系統(tǒng)含硬件與軟件兩部分。系統(tǒng)硬件包括ZDF-3型電火花震源、集成高靈敏度檢波器、24位機(jī)及8個(gè)獨(dú)立通道便攜計(jì)算機(jī)等。軟件包括CT層析成像和地質(zhì)專家兩部分。地震波CT通過地震波數(shù)據(jù)反演物質(zhì)，并分層分析以繪制地層地質(zhì)分布圖像，從而確定探測(cè)平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。首先通過 HSP探測(cè)獲取地震波在測(cè)孔之間地質(zhì)體中的傳播時(shí)間文件，讀取地震波初至走時(shí)數(shù)據(jù)ti，然后求解矩陣方程從而形成地震波在兩孔之間地質(zhì)體中的波速分布圖像，根據(jù)圖像可清晰的觀測(cè)到在測(cè)孔間的波速分布情形。

圖1 突水后隧道內(nèi)部情形

在兩測(cè)孔間共發(fā)射n條測(cè)試線，根據(jù)探測(cè)要求把平面分為m個(gè)小的單元體，結(jié)合射線理論求解如下波速矩陣方程：

(1)

lij為第i條測(cè)線分布在第j個(gè)單元格內(nèi)的長(zhǎng)度，m；sj=1/Vj為第j個(gè)單元的慢度，s/m；ti為第i條射線的初至走時(shí)，s。

式(1)中l(wèi)ij、ti為已知，需求解sj，進(jìn)而求得Vj，即波速分布。平面內(nèi)每個(gè)單元視為均質(zhì)體，進(jìn)行首波走時(shí)的等量分配。

2.2 CT探測(cè)結(jié)果分析

在左洞地表垂直鉆孔內(nèi)(樁號(hào)ZK281+940)采用跨孔地震CT，鉆孔布置見圖2，探查左洞突水、涌泥地段上方不良地質(zhì)體(空腔、軟弱帶)和含水體分布情況?？缈證T置于兩個(gè)測(cè)孔中。一個(gè)孔內(nèi)放置高頻聲源(電火花震源)。另一個(gè)孔內(nèi)固定住一串檢波器(水聽器)。震源從井底向上移動(dòng)并固定間隔深度位置釋放地震波。地震波通過另一側(cè)孔中水聽器鏈記錄下來，且波的旅行時(shí)被確定。基于所有旅行時(shí)，一幅高分辨率的聲速圖被計(jì)算出來。測(cè)線圖見圖3，水平坐標(biāo)為兩測(cè)孔間距，縱坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)距離孔口的深度，測(cè)試范圍為梯形區(qū)域，左側(cè)埋深15 m，右側(cè)埋深39 m，測(cè)孔間距寬20 m。

圖2 CT鉆孔布置圖

圖3 垂直面CT單元及測(cè)線圖

由圖4可知，地震波速等值線大致呈水平向條帶分布，在高程2 307 m～2 320 m區(qū)段內(nèi)存在低速分布區(qū)，該區(qū)范圍向左側(cè)延伸至約13 m處，推測(cè)為左洞突水突泥后隧洞上方形成的充水腔體；在高程2 320 m～2 331 m區(qū)段內(nèi)地震波速中等，并延伸至左側(cè)高程2 324 m～2 339 m范圍內(nèi)，巖體軟弱，結(jié)合前期地質(zhì)勘察報(bào)告，推測(cè)該區(qū)域?yàn)橹酗L(fēng)化混合巖；圖中上方波速高值區(qū)域推測(cè)為灰?guī)r；在腔體以下，高程2 299 m～2 307 m區(qū)域?yàn)槿珡?qiáng)風(fēng)化花崗巖，可能夾雜有上方跨落下來的中風(fēng)化混合巖塊，推斷為目前隧洞潰口段的直接頂板。

圖4 地震波速分布云圖

2.3 隧道左洞災(zāi)害機(jī)理分析

根據(jù)鉆孔內(nèi)的跨孔CT資料，孔內(nèi)上方空腔左孔中心約為10 m，向左側(cè)延伸約13 m，被水完全充填。根據(jù)庫(kù)岸再造等相關(guān)資料類比分析，砂土在水下的穩(wěn)定坡角大部分在28°～32°間，跨孔 CT判斷的空間形態(tài)基本符合砂土加塊石的水下穩(wěn)定坡角。

根據(jù)探測(cè)數(shù)據(jù)，推測(cè)本次突水、涌泥形成過程為：隧洞開挖，上方全風(fēng)化花崗巖受開挖擾動(dòng)，松動(dòng)破裂，與上方灰?guī)r裂隙水連通，在水的軟化作用下，巖體崩解破壞，造成初期支護(hù)受力過大失效，隧道塌方，隨后灰?guī)r裂隙水補(bǔ)給，塌方體周圍巖體在水的浸泡下繼續(xù)軟化崩解，塌方范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，當(dāng)塌方范圍發(fā)展到上方混合巖層時(shí)，由于混合巖層較為完整堅(jiān)硬，不再繼續(xù)發(fā)展，同時(shí)下方潰口被塌方體堵塞，使得隧道突水、涌泥被阻止。其形成機(jī)理如圖5所示。圍巖主要為全強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖，含全風(fēng)化輝綠巖夾層，巖體極破碎，成孔質(zhì)量很差，遇水則崩解、泥化，強(qiáng)度極低。所以風(fēng)險(xiǎn)性較高，應(yīng)及時(shí)采取處理措施進(jìn)行災(zāi)害防治。

3 防治措施

3.1 防治思路與原則

巖溶硐室可分別采用封堵和減排等方式，九頂山隧道泄水降壓，監(jiān)測(cè)控制，確保施工過程中出現(xiàn)突水事件。總的原則是：綜合采用“探、截、泄、帷”的措施，即按照綜合探測(cè)現(xiàn)行，截?cái)嗍侄胃S，泄水措施輔助，最終形成截水帷幕的總體處理原則。

圖5 左洞突水突泥機(jī)理圖

3.2 施工方案

結(jié)合地質(zhì)以及探測(cè)手段的綜合資料，設(shè)計(jì)相應(yīng)施工方案：右幅泄水與左幅加固相結(jié)合。

(1) “探”—通過跨孔CT結(jié)合地質(zhì)勘察資料，有效的分析結(jié)構(gòu)巖溶形成機(jī)理，結(jié)合分析結(jié)果針對(duì)性的提出防治措施。

(2) “截”—對(duì)洞頂?shù)乇淼南菅?、深坑加以回填，?duì)裂縫進(jìn)行堵塞,截?cái)嗟乇硭a(bǔ)給，避免巖溶水的進(jìn)一步加大。

(3) 右幅泄水孔布置在K281+929—K281+935段。使用PRD-180CBR型多功能鉆機(jī)，在右幅K281+940右側(cè)拱腰位置，按向上傾角35°，鉆入深度為45 m，管徑108 mm的泄水管伸入到左幅拱部的溶腔里，通過排水使水位控制在2 310 m標(biāo)高。溶腔水位監(jiān)測(cè)采用BXS孔內(nèi)水位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。BXS孔內(nèi)水位計(jì)主要有報(bào)警水位計(jì)、200 m標(biāo)尺測(cè)線、電阻探頭三部分組成。當(dāng)探頭碰到水時(shí)，水位計(jì)警報(bào)響起，記錄好測(cè)線上的初始刻度，當(dāng)測(cè)線放到孔底記錄好最終刻度，從而可以得到孔內(nèi)的水位高度及水位標(biāo)高。當(dāng)右幅泄水管開始泄水時(shí)，按每天24 h對(duì)孔內(nèi)的水位、泉眼、左幅洞內(nèi)流水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析孔內(nèi)的補(bǔ)給規(guī)律。

(4) K281+922—K282+002段使用管棚進(jìn)行超前支護(hù)、并對(duì)已開挖段及時(shí)進(jìn)行支護(hù)處理，K281+929—K281+935段預(yù)留3個(gè)打通左幅拱頂溶腔的泄水孔，控制水位的標(biāo)高，從而減小溶腔內(nèi)水壓力，降低左幅處治的風(fēng)險(xiǎn)，K281+930—K281+940段使用多功能鉆機(jī)對(duì)右幅K281+930—K281+940段進(jìn)行全斷面帷幕注漿，加強(qiáng)圍巖的抗水能力和圍巖的自穩(wěn)能力。加密初期支護(hù)周邊位移收斂及拱頂沉降的監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，如出現(xiàn)異常應(yīng)立即采?。孩?暫停掌子面的開挖并用鋼筋網(wǎng)噴射混凝土進(jìn)行封閉，并對(duì)變形裂縫進(jìn)行處理；② 調(diào)整縱坡消化拱頂沉降；③ 增加鎖腳注漿錨管等措施進(jìn)行處理，規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 處理結(jié)果驗(yàn)證

通過相應(yīng)措施處理，一年后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)(見圖6)，通過拱頂襯砌檢測(cè)以及瞬變電磁儀對(duì)隧道拱頂進(jìn)行探測(cè)，獲得隧道突水段拱頂?shù)貙酉鄬?duì)電阻率圖像(見圖7)，由圖7可以看出，地層中的電阻相對(duì)低值區(qū)比較集中，區(qū)域不大，即表明隧道拱頂突水段溶洞體積相對(duì)穩(wěn)定且未進(jìn)一步對(duì)周圍的土體進(jìn)一步的侵?jǐn)_，且隧道拱頂襯砌無(wú)開裂滲水的現(xiàn)象，即表明巖溶區(qū)域在通過治理后，處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，即表明處理措施有效。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)示意圖

圖7 突水段拱頂相對(duì)電阻率圖

4 結(jié) 論

(1) 由于地下構(gòu)造的不確定性和復(fù)雜性，所以在巖溶隧道的實(shí)際施工過程前，很難在設(shè)計(jì)這一階段充分考慮，且?guī)r溶隧道事故發(fā)生存在突發(fā)性，所以在施工過程中應(yīng)不斷總結(jié)建立以地質(zhì)調(diào)查前提，以跨孔CT等精確物探手段為主，并周期性復(fù)測(cè)相結(jié)合的防治機(jī)制，從而確保以充分結(jié)合施工過程中物探手段十分重要。

(2) 通過對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地震波跨孔層析，通過最小二乘法進(jìn)行反演，在計(jì)算中可做顯示表示，即能用公式表示出來，但最小二乘法在計(jì)算開始前就默認(rèn)數(shù)據(jù)線性關(guān)系，在進(jìn)一步研究中不斷完善。

(3) 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果，判斷隧道與巖溶的空間位置關(guān)系，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料對(duì)巖溶隧道突水、突泥機(jī)理進(jìn)行分析，總結(jié)九頂山隧道巖溶填充特征，并對(duì)填充富水型巖溶填充物的危險(xiǎn)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

(4) 結(jié)合施工過程中揭示的巖溶情況及涌水情況，制定“探、截、泄、帷”的防治對(duì)策。在排水的基礎(chǔ)上，提出一體化注漿工藝—前進(jìn)、后退式分段注漿，從而有效的避免注漿工程中漿液難以到達(dá)鉆孔孔底以及鉆進(jìn)時(shí)孔內(nèi)注漿存在掃孔的這兩大弊端。