超前水平鉆探在巖溶隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究

韋建昌，邵羽*，梁銘，翟少磊，藍(lán)日彥，黃彬華

(1.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530011；2.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司)

巖溶地區(qū)的山區(qū)隧道建設(shè)因不良地質(zhì)嚴(yán)重制約著施工工期、影響施工質(zhì)量，使施工造價(jià)大幅度攀升，并對人員財(cái)產(chǎn)構(gòu)成重大威脅。巖溶地區(qū)隧道施工事故屢見不鮮。王夢恕曾指出 “在巖溶地區(qū)探明巖溶情況直接關(guān)系到人身安全，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)該也必須作為工序列入工程成本”。巖溶發(fā)育復(fù)雜多變、形態(tài)各異，雖然宏觀上可以預(yù)見和推定，但由于巖溶地質(zhì)的隨機(jī)性和不可預(yù)見性以及隧道環(huán)境的復(fù)雜性，導(dǎo)致預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率難以滿足安全施工要求，使得巖溶區(qū)隧道事故頻發(fā)。

多功能水平鉆探超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是目前工程中常被應(yīng)用的準(zhǔn)確率較高的預(yù)報(bào)方法，通過采集鉆進(jìn)過程中的推進(jìn)速度、推進(jìn)力、扭矩、旋轉(zhuǎn)速度來確定掌子面前方地層的展布、地層巖石的軟硬程度、巖體的完整性及可能存在的斷層、孔洞的分布位置。其具有鉆進(jìn)速度快、施工質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在進(jìn)行高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工過程中，可有效保證施工的安全性，且具有良好的環(huán)保性。

多功能水平鉆探超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)流程、預(yù)報(bào)原理、數(shù)據(jù)解譯標(biāo)準(zhǔn)等問題也一直是學(xué)者和工程師們關(guān)注的焦點(diǎn)。李哲等基于能量守恒原理提出了可用于耦合4種鉆探參數(shù)的鉆進(jìn)功速比的概念，并對圍巖巖性與鉆進(jìn)功速比的關(guān)聯(lián)性開展相關(guān)研究；岳中琦通過對現(xiàn)場鉆探過程中的監(jiān)測，提出一種能夠優(yōu)化現(xiàn)有工程巖體質(zhì)量評定體系的新方法；田昊以圍巖的可鉆性指標(biāo)、鉆機(jī)能量和參數(shù)為基礎(chǔ)，對各參數(shù)指標(biāo)與地層界面特性、不良地質(zhì)體的識(shí)別和圍巖等級的相關(guān)性開展了系統(tǒng)研究；趙鵬宇將由4種鉆探參數(shù)推斷的圍巖分布情況與實(shí)際施工揭露后掌子面的圍巖分布情況進(jìn)行對比，指出推進(jìn)速度是判斷巖層軟硬、節(jié)理裂縫發(fā)育程度的主要依據(jù)；譚卓英等通過對鉆進(jìn)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對風(fēng)化花崗巖地層界面進(jìn)行識(shí)別，較好地揭示了地層變化；周輪等、祁偉、舒森等、徐豹之采用多功能超前水平鉆超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段對實(shí)際隧道工程掌子面前方圍巖地質(zhì)展布情況進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，取得了較好的效果。目前已有研究較少采用多功能水平鉆超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對巖溶區(qū)公路隧道突水突泥事故原因開展預(yù)報(bào)分析，并根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果提出有針對性的處治措施。該文以廣西都(安)巴(馬)高速公路設(shè)吉隧道突泥涌泥事故為工程依托，采用C6-XP多功能鉆機(jī)對事故掌子面前方圍巖分布情況開展水平鉆探超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，通過對預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行分析，提出處治方案，并對方案的可行性進(jìn)行討論。

1 工程概況及事故發(fā)展歷程

該隧道為分離式越嶺特長隧道。隧道右線長2 967 m，最大埋深357 m；左線長2 933 m，最大埋深359 m。隧道區(qū)屬丘陵及低山地貌，山體連綿起伏，地形起伏較大，地形地貌主要受地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造控制，山脈走向多呈南東-北西向，與隧道走向基本一致。2019年10月24日隧道左線掘進(jìn)至ZK451+819時(shí)，掌子面左側(cè)遇到溶洞[圖1(a)]，經(jīng)參建各方現(xiàn)場勘查后，將該段支護(hù)類型由S4-B(Ⅵ級圍巖B類支護(hù)等級)變更為S5-A(Ⅴ級圍巖A類支護(hù)等級)。10月30日開挖至ZK451+824處時(shí)，掌子面左側(cè)近邊墻部位揭露半填充性溶槽，沿隧道縱向延伸2 m，寬約3.5 m，左側(cè)邊墻涌水[圖1(b)]。11月4日開挖至ZK451+831處，出渣過程中掌子面頂部有泥漿和石塊掉落，致使一榀拱架、鋼筋網(wǎng)片、連接筋等壓壞，從掌子面往外數(shù)第2榀拱架也出現(xiàn)變形[圖1(c)、(d)]。11月5日掌子面繼續(xù)往外涌泥，ZK451+825～ZK451+831范圍內(nèi)拱架發(fā)生嚴(yán)重的變形和垮塌[圖1(e)、(f)]。11月10日再次發(fā)生塌方、突泥事故，塌方體繼續(xù)往外涌至ZK451+780樁號(hào)處[圖1(g)]。11月19日施工單位組織實(shí)施回填反壓[圖1(h)]，第三方檢測單位于現(xiàn)場采用C6-XP型鉆機(jī)對掌子面前方溶洞分布情況開展了超前水平鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

圖1 突砂突泥現(xiàn)場情況及多功能鉆機(jī)現(xiàn)場作業(yè)圖(2019年)

2 超前水平鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)現(xiàn)場工作

2.1 已揭露圍巖情況

此次探測工作區(qū)為：ZK541+810 ～ ZK541+873。據(jù)勘察報(bào)告知，該段圍巖為中風(fēng)化輝綠巖，裂隙發(fā)育，巖體破碎，物探結(jié)果顯示為電阻率低阻異常區(qū)。洞壁涌水方式以雨淋狀為主，易出現(xiàn)坍塌。該次作業(yè)前，現(xiàn)場已發(fā)生突泥災(zāi)害，并已采用堆土反壓進(jìn)行控制，堆土相對較高，呈濕潤狀。

2.2 超前水平鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)的目的

為減少占用掌子面作業(yè)時(shí)間并保證預(yù)報(bào)的效率及準(zhǔn)確率，該項(xiàng)目擬采用不取芯水平?jīng)_擊鉆進(jìn)行超前預(yù)報(bào)作業(yè)，鉆探所用鉆桿直徑54 mm，鉆頭直徑65 mm。鉆進(jìn)過程中主要根據(jù)施工用水顏色、返水量、排屑顆粒、鉆速變化、扭矩變化及卡鉆、突進(jìn)、塌孔等現(xiàn)象判斷地層巖性、巖石強(qiáng)度、巖層完整性以及地下水發(fā)育情況等。

2.3 鉆孔布置

鉆孔的目的是探明隧道周邊溶洞范圍。由于事故掌子面ZK451+831樁號(hào)前方反壓土層較高且堆填范圍較大，難以于掌子面附近清理出合適的鉆機(jī)工作平臺(tái)?，F(xiàn)場實(shí)際鉆探預(yù)報(bào)是除1#孔外，其余各孔折衷以ZK541+810作為工作基準(zhǔn)掌子面，一定角度斜向隧道周邊進(jìn)行探測。最終鉆孔布置如表1及圖2所示。

圖2 鉆孔布置圖(單位：m)

表1 超前水平鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)鉆孔位置

3 探測數(shù)據(jù)及結(jié)果對比分析

多功能超前水平鉆傳感器的測量值及相應(yīng)的預(yù)報(bào)結(jié)果均是以鉆進(jìn)時(shí)掌子面的圍巖情況作為基準(zhǔn)參考面。鉆進(jìn)里程前0～2 m范圍內(nèi)通常為開孔作業(yè)，多夾雜手動(dòng)操作，因此以掌子面向內(nèi)鉆進(jìn)0～2 m后的位置作為之后鉆探范圍內(nèi)圍巖的參考基準(zhǔn)。盡管各鉆孔帶一定角度偏斜，但考慮到各鉆孔在隧道開挖方向上的投影差距較小，且鉆桿懸空過長、在鉆進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生一定不可預(yù)測的偏轉(zhuǎn)，為表述方便，仍以縱向里程號(hào)表述各鉆孔在各自鉆孔軌跡線上的點(diǎn)。由于篇幅限制，這里僅給出6#鉆孔0～19 m的傳感器數(shù)據(jù)，如圖3所示。從圖3可以看出:4個(gè)參數(shù)隨著探測深度的不同變化幅度劇烈，此為鉆孔存在溶洞的典型變化趨勢。同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場鉆探過程中鉆桿的返水情況(圖4)，現(xiàn)場鉆探過程中的記錄，綜合分析后給出探測數(shù)據(jù)分析及相關(guān)結(jié)論(表2)。圖5為超前水平鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)所得各鉆孔范圍內(nèi)圍巖分布情況，由圖5可知：巖溶區(qū)主要位于掌子面左側(cè)，右側(cè)巖溶分布范圍較小。

圖5 超前水平鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)所得各鉆孔范圍內(nèi)圍巖分布情況

表2 6#探孔地質(zhì)超前預(yù)報(bào)現(xiàn)場記錄表及預(yù)報(bào)結(jié)果

圖3 6#鉆孔傳感器采集數(shù)據(jù)

圖4 6#鉆孔圍巖返水及圍巖分布情況

綜合以上結(jié)果分析，可知各孔預(yù)測圍巖變化趨勢大體一致，但仍有所不同。預(yù)報(bào)段基本工程地質(zhì)分布情況如表3所示。

表3 預(yù)報(bào)段圍巖分布情況

在實(shí)際施工過程中對預(yù)報(bào)段的開挖揭露情況進(jìn)行了跟蹤。如圖6所示，為6#探孔所探測的掌子面左上方的實(shí)際揭露情況，所揭露的溶洞分布里程范圍為ZK541+829 ～ ZK541+835，溶洞沿隧道軸線方向長約6 m，高約6.5 m，沿隧道徑向往外厚度約1.5 m。實(shí)際揭露的溶洞位置、規(guī)模與預(yù)測結(jié)果基本吻合。

圖6 預(yù)報(bào)段實(shí)際施工溶洞揭露情況

4 處治方案

通過對前期事故發(fā)展歷程的調(diào)研并結(jié)合超前水平鉆探預(yù)報(bào)結(jié)果，經(jīng)多方論證后提出兩種處治方案。

4.1 處治方案1

針對預(yù)報(bào)結(jié)果顯示隱伏型巖溶多分布于掌子面左側(cè)的特點(diǎn)，方案1的主要處治方案如下：如圖7所示，對掌子面進(jìn)行封閉，同時(shí)對回填反壓區(qū)外露部分采用小導(dǎo)管注漿法進(jìn)行徑向補(bǔ)強(qiáng)注漿，并采用4臺(tái)階側(cè)導(dǎo)洞開挖法對反壓區(qū)及超前鉆探預(yù)報(bào)的隱伏溶洞分布段進(jìn)行開挖施工，施工過程中加強(qiáng)臨時(shí)護(hù)拱及隧道輪廓線外徑向補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)對掌子面進(jìn)行全范圍超前注漿直至超前隱伏溶洞分布段不小于10 m，各開挖段支護(hù)形式如圖8所示。

圖7 掌子面前方封口注漿

圖8 各開挖段支護(hù)形式示意圖

4.2 處治方案2

針對前期超前水平鉆預(yù)報(bào)結(jié)果，并結(jié)合C6-XP多功能水平鉆機(jī)在超前大管棚施工方面的優(yōu)勢，方案2擬定以下處治方案：與方案1相同，對掌子面處進(jìn)行注漿封閉，采用超長探洞大管棚+補(bǔ)強(qiáng)小導(dǎo)管的方法對隧道輪廓線以外圍巖進(jìn)行加固支護(hù)，同時(shí)采用4臺(tái)階側(cè)導(dǎo)洞開挖法對反壓區(qū)及隱伏溶洞分布段進(jìn)行施工。其中，超長探洞大管棚需保證進(jìn)入安全巖盤至少10 m,如圖9所示。

圖9 各開挖段支護(hù)形式示意圖

經(jīng)各方研究討論后最終采用方案1的處理措施，其主要原因如下：① 超前大管棚的長度超過80 m，施工難度過大，且對于超前大管棚而言，其自重過大難以保證施工精度；② 難以保障超前大管棚端頭進(jìn)入巖質(zhì)情況較好的巖盤，且之后也較難采取有效措施摸清溶洞情況以保證超前大管棚的施工質(zhì)量。

針對方案1的處治要求，現(xiàn)場施工單位進(jìn)行了精細(xì)組織和管理，雖然在超前探洞初期開挖階段發(fā)生了小規(guī)模的突泥事故，但經(jīng)對反壓段土體及超前探洞輪廓外一定范圍內(nèi)的圍巖進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)注漿加固，并加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)措施后，未有突泥事故發(fā)生。同時(shí)，當(dāng)某一區(qū)段內(nèi)掌子面前方全斷面注漿施工及隧道輪廓線外圍巖補(bǔ)強(qiáng)注漿施工完成后，現(xiàn)場繼續(xù)采用了超前水平鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)手段對注漿效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，預(yù)報(bào)結(jié)果顯示注漿效果較好，開挖后的洞渣顯示漿液分布較均勻，實(shí)際施工中也未發(fā)生突水突泥事故。

5 結(jié)論

以巖溶區(qū)實(shí)際隧道突泥事故為依托工程，采用超前水平鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對事故掌子面后方的圍巖分布情況進(jìn)行鉆探，并提出了相應(yīng)的處治措施，得到以下結(jié)論：

(1)在采用超前水平鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)開展隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)工作時(shí)，應(yīng)注意加強(qiáng)鉆探過程中的排屑情況、鉆桿返水情況、圍巖變化情況的觀察和記錄，同時(shí)后期應(yīng)根據(jù)觀察和記錄情況，結(jié)合鉆進(jìn)過程中所采集的推進(jìn)速度、推進(jìn)力、扭矩、旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)對掌子面前方圍巖分布情況進(jìn)行綜合分析。

(2)超前水平鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)可較好地應(yīng)用于巖溶區(qū)隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，預(yù)測結(jié)論可靠，且可有效指導(dǎo)巖溶區(qū)突水突泥事故后期處治工作。

(3)超前水平鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果可作為巖溶區(qū)隧道突泥事故處治方案合理提出的重要參考依據(jù)，且在實(shí)際處治施工過程中也應(yīng)采用超前水平鉆探地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對掌子面前方圍巖分布情況進(jìn)行鉆探預(yù)報(bào)，以便適時(shí)調(diào)整處治方案。

(4)對于巖溶地區(qū)隧道突水突泥事故處治方案的制定，應(yīng)在采用較為可靠的預(yù)報(bào)手段摸清掌子面前方及隧道輪廓線外一定范圍巖溶分布情況的基礎(chǔ)上，采取有針對性的處治措施，且在實(shí)際處治施工中應(yīng)保證臨時(shí)支護(hù)系統(tǒng)的施工質(zhì)量，以免處治過程中再次發(fā)生事故。