貴州凱里環(huán)城高速新街隧道巖溶調查及應對措施

王 建 王麗君 馬建新 何 鑫

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072)

0 引言

巖溶，即喀斯特(Karst)，是水對可溶性巖石進行以化學溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質作用，以及由這些作用所產生的現象的總稱[1-2]。由巖溶作用所形成的地貌稱為巖溶地貌。我國巖溶地區(qū)分布廣泛，可溶巖層分布面積占國土總面積的1/3，其中以西南云、貴、桂、渝和中部鄂、湘等地區(qū)最為典型。隨著我國西部地區(qū)基礎設施建設的蓬勃開展，公路、鐵路等隧道工程不可避免要穿越巖溶地層，巖溶隧道突水已成為巖溶地區(qū)隧道建設的主要地質災害之一，嚴重影響工程建設活動的進度，危及工程建設安全和施工人員人身財產安全[3]。如已建成通車的宜萬鐵路全線在施工建設期共有巖溶隧道91座，其中重點巖溶隧道有五爪觀、野三關、大支坪、龍鱗宮、云霧山、馬鹿箐和齊岳山等[4]。其中，野三關隧道是宜萬鐵路的重要控制工程，也是宜萬鐵路全線最長的越嶺巖溶隧道，屬于宜萬線八座Ⅰ級風險隧道之一。該隧道在2007年8月5日發(fā)生大規(guī)模突水，峰值總突水量約15.1 ×104m3，突泥量石量約5.35×104m3，事故造成了重大的人員傷亡和財產損失[5-7]。馬鹿箐隧道也是宜萬鐵路8座Ⅰ級風險隧道之一，2006年1月21日在平導洞PDK255+978處揭穿大型溶洞導致突水突泥，水流通過橫通道由平導洞涌入正洞，導致正洞施工人員遇難，并沖出正洞淹沒洞外施工場地和設備物資，事后估算峰值涌水量達72×104m3/h，突水總量約18×104m3，造成了嚴重的人員傷亡和經濟損失[8-11]。齊岳山隧道[12-13]和云霧山隧道[14-16]在施工建設過程中也都揭露出大規(guī)模溶洞，出現過較嚴重的突水突泥事故，對工程建設進度造成嚴重影響。為了能夠在隧道施工過程中探明溶洞范圍，超前地質預報方法在巖溶隧道施工中得到了廣泛的應用，為提前預知溶洞位置及充填情況提供了第一手資料，同時為施工過程中制定合理的預防技術措施提供了依據[17-18]，為避免出現大規(guī)模突水事件提供了技術支撐。

綜上所述，突水事故是影響巖溶地區(qū)隧道建設施工安全的第一位因素，對隧道工程建設活動將產生重大影響。因此，在隧道建設前期勘察過程中應加強巖溶地質情況的調查，并在施工建設工程中采用多種方法對隧道掌子面前方和周邊的巖溶情況進行超前預報并提出相應的預警處治措施，以保證施工安全。

1 新街隧道工程概況

貴州省凱里環(huán)城高速公路北段公路工程新街隧道為分離式隧道，左幅起止樁號為ZK47+560—ZK50+940，長3380 m，進出口底板標高分別為946.95 m和872.21 m，最大埋深156.2 m；右幅起止樁號為YK47+570—YK50+970，長3400 m，進出口底板標高分別為947.17 m和871.32 m，最大埋深153.9 m。單洞建筑限界為11.0 m×5.0 m。

隧址區(qū)地處云貴高原向中部丘陵過渡地段的苗嶺山麓，總體地勢北西高，南東低。新街隧道平面如圖1所示。隧道進口位于興隆鄉(xiāng)興隆街村馬家院，有鄉(xiāng)村公路通至隧道進口處，交通條件較好；出口處位于鳳山鎮(zhèn)竹王城村沙子坪，有鄉(xiāng)村公路通至隧道出口0.5 km處，交通條件較差。場區(qū)地貌類型屬溶蝕—侵蝕型低中山地貌，地表受溶蝕、侵蝕作用強烈，地勢起伏較大。場區(qū)海拔742.0～1110.0 m，相對高差368.0 m；測設基線通過段地面高程在878.0～1097.9 m之間，相對高差219.9 m。隧道進口位于陡坡，坡度為30°；出口位于陡坡，坡度為29°。

圖1 新街隧道平面圖

1.1 場地工程地質條件

場區(qū)覆蓋層為殘坡積層(Qel+dl)黏土。下伏基巖為上寒武統(tǒng)爐山組(∈3l)白云巖，上二疊統(tǒng)吳家坪組(P2w)灰?guī)r、炭質泥巖夾粉砂巖、局部夾煤，上二疊統(tǒng)長興組(P2c)灰?guī)r、局部夾泥巖，上二疊統(tǒng)大隆組(P2d)泥巖，下三疊統(tǒng)大冶組(T1d)灰?guī)r，中三疊統(tǒng)青巖組(T2q)灰?guī)r、泥巖。

據《貴州省區(qū)域地質志》，項目區(qū)位于揚子準地臺黔北臺隆遵義斷拱之貴陽復雜構造變形區(qū)。

根據地質調繪，場區(qū)隧道附近發(fā)育有斷層F1和F2，均位于隧道洞身之外。斷層F1于ZK48+520處與線路斜交，為一非活動性逆斷層，呈近南北走向，斷層面產狀86°∠42°，其上盤為上寒武統(tǒng)爐山組(∈3l)地層，地層產狀110°∠18°；下盤為上二疊統(tǒng)吳家坪組(P2w)、長興組(P2c)地層，吳家坪組(P2w)地層綜合產狀265°∠20°，長興組(P2c)地層產狀305°∠20°，斷層帶附近吳家坪組(P2w)地層受斷裂構造影響存在局部褶皺、巖體破碎，主要節(jié)理產狀為230°∠85°、0°∠81°兩組，多為張節(jié)理，節(jié)理密度200～300 mm。斷層F2于ZK51+290處與線路近正交，為一非活動性正斷層，呈近南北走向，斷層面產狀10°∠40°，下盤為上二疊統(tǒng)吳家坪組(P2w)、長興組(P2c)、大隆組(P2d)、下三疊統(tǒng)大冶組(T1d)地層，其上盤為中三疊統(tǒng)青巖組(T2q)地層。根據洞身段地表露頭節(jié)理統(tǒng)計，巖體體積節(jié)理數為Jv=12 條/m3。

1.2 場地水文地質條件

場區(qū)地表水較發(fā)育。隧道三棵樹端洞口東側約0.3 km發(fā)育季節(jié)性流水溪溝陰陽溝，與線位ZK47+305處相交，測時流量Q=6 m3/s。隧道馬場坪端西側1.8 km處發(fā)育常年流水羊老河，與線位K52+930處相交，測時流量Q=20 m3/s，水位高程742.58 m，據訪最高洪水位748.44 m，最大洪水流量100 m3/s。陰陽溝及羊老河的流向均為由南向北，最終排入清水江。隧道洞身附近未見常年性地表徑流。

根據場區(qū)地層巖性及其組合特征、地下水賦存條件、水理性質和水力特征，將區(qū)內地下水類型分為碳酸巖類巖溶水、碎屑巖類基巖裂隙水以及第四系松散巖類裂隙水三大類，其中巖溶水分布較廣，富水性強，基巖裂隙水分布比較局限，富水性弱—中等。

區(qū)內大氣降水是地下水的主要補給源，補給方式為降水形成的片流、地表徑流通過裂隙、溶隙、溶槽、落水洞下滲補給。區(qū)內地下水徑流形式受地貌、巖溶、地質構造、水網展布控制，地段性差異較大?？扇軒r地區(qū)洼地、落水洞、巖溶管道、巖溶裂隙發(fā)育，徑流類型以巖溶管道流為主，常伴有裂隙流、脈流；非可溶巖地區(qū)，徑流形式通常受地形斜坡作用控制，主要以層面流、裂隙流為主。

2 新街隧道巖溶地質調查

根據工程勘察資料，新街隧道場地不良地質主要以巖溶為主，巖溶發(fā)育形態(tài)有巖溶洼地、落水洞、溶洞三類。下面將分別介紹地質調查結果。

2.1 巖溶洼地

場區(qū)發(fā)育巖溶洼地共11個，巖溶洼地W1—W6位于隧道附近，W7—W11距離隧道較遠。巖溶洼地W1—W6、W8和W9位于上二疊統(tǒng)長興組(P2c)灰?guī)r地層；W7位于上二疊統(tǒng)吳家坪組(P2w)灰?guī)r地層；W10—W11位于下三疊統(tǒng)大冶組(T1d)灰?guī)r地層，巖溶洼地主要分布于隧道附近的長興組(P2c)灰?guī)r地層。其中，巖溶洼地W1與隧道洞身段ZK49+044—ZK49+079處斜交，大部位于隧道右側，呈不規(guī)則形狀，最寬處270 m，最長460 m,如圖2(a)所示，洼地北部發(fā)育溶洞(棺材洞)，降雨后地表匯水通過棺材洞灌入地下巖溶通道，且前期勘察通過鉆孔揭露溶洞，洞高22.1 m，推測洼地下部有大型巖溶發(fā)育。巖溶洼地W2、W3和W4位于隧道洞身段ZK49+200—ZK49+500左10～330 m處，W2呈長條形，長約280 m，寬20～70 m，洼地內北側發(fā)育落水洞L1；W3、W4呈近圓形，如圖2(b)所示，直徑約50 m，規(guī)模較小，兩洼地之間西側約40 m發(fā)育落水洞L2，推測該地段下部巖溶發(fā)育。

圖2 場地典型巖溶洼地

2.2 落水洞

場區(qū)發(fā)育落水洞18個，除L7位于吳家坪組(P2w)灰?guī)r地層外，其余均位于長興組(P2c)灰?guī)r地層，落水洞無降雨時均未見地表水灌入地下。落水洞L3—L5位于隧道線位ZK50+050—ZK50+140(YK50+060—YK50+150)附近(見圖3)巖溶洼地W5內，呈圓形；L3和L4位于巖溶洼地W5地勢最低處，降雨后地表匯水灌入地下巖溶通道；L5地勢相對較高，地表匯水量較少，落水作用小，推測落水洞下部發(fā)育隱伏巖溶管道，管道向下可能延伸至隧道洞身或附近影響范圍，施工過程中可能形成突泥、涌水事故。其余落水洞距離隧道洞身較遠，可不予考慮。

圖3 新街隧道場地典型落水洞

2.3 溶洞

場區(qū)線位附近地表發(fā)育溶洞共2個。溶洞R1位于ZK48+000左103 m處吳家坪組(P2w)灰?guī)r地層，寬5 m、高1 m，可見深度3 m，如圖4(a)所示，順層溶蝕，規(guī)模較小，對隧道建設無影響。溶洞R2洞口位于YK49+045右390 m處長興組(P2c)灰?guī)r地層，當地居民稱棺材洞，如圖4(b)所示，對其進行實測,該溶洞走向先向北約270 m，后向西約310 m，洞寬2～30 m，洞高2～20 m，溶洞規(guī)模沿走向變化較大；洞內潮濕，局部位置存在點滴狀和淋雨狀出水；進洞后約170 m溶洞底部有水流，順溶洞延伸方向流量逐漸變大。由于該溶洞走向遠離新街隧道，對隧道建設無影響。

圖4 新街隧道場區(qū)地表溶洞

同時通過勘察鉆孔發(fā)現CZK2、CZK3、CZK4、CZK5和ZK1五個鉆孔均見有溶洞，鉆孔揭露溶洞情況匯總如表1所示。其中，CZK2揭露在29.4～31.9 m處溶洞位于右幅隧道洞身處，如圖5(a)所示；鉆孔CZK3揭露在78.6～100.7 m處溶洞位于右幅隧道洞身右側，水平間距約為66 m，如圖5(b)所示；鉆孔CZK5揭露在33.4～40.2 m處溶洞位于右幅隧道洞身底板以下處，如圖5(c)所示。

表1 鉆孔揭露溶洞統(tǒng)計表

綜上所述，隧道洞身段均為可溶灰?guī)r，隧址區(qū)附近地表分布8個巖溶洼地、18個落水洞、2個溶洞，由此確定場地巖溶極其發(fā)育。場地溶洞及管道相互貫通，相互連結，形成了發(fā)達的地下溶洞及管道網絡。隧道施工全段揭露隱伏巖溶及巖溶暗河管道的可能性極大，突泥涌水風險極高。在雨季強降雨作用下，地表水向地下水轉換迅速，以巖溶管道流為主，若隧道揭露巖溶管道，突泥涌水風險將更高。因此，在隧道施工建設階段應加強掌子面前方的溶洞探測，利用超前地質預報結果指導隧道掘進施工，以避免發(fā)生巖溶突水突泥事故。

3 應對措施分析

通過前期地質勘查發(fā)現新街隧道場區(qū)巖溶極其發(fā)育，局部存在較大的溶洞，對隧道施工建設產生較大風險。為此，采用地質雷達超前地質預報方法，對新街隧道進出口施工掌子面進行超前地質預報工作。

超前地質預報采用美國GSSI地質雷達，主機為SIR-30E型，配100 MHz屏蔽低頻天線，探測時在隧道掌子面布置測線，以探測掌子面前方30 m范圍內圍巖變化情況。下面將列舉典型探測結果進行分析。

3.1 新街隧道進口ZK48+710掌子面探測

2019年7月21日采用地質雷達對新街隧道進口左幅進行了掌子面前方超前地質預報，預報起點里程為ZK48+710，預報長度為30 m，預報前方終點里程為ZK48+740。掌子面處測線布置和現場探測操作如圖6所示。通過掌子面現場觀察發(fā)現：掌子面揭露圍巖為灰色、灰黑色中等風化灰?guī)r，巖層產狀272°∠20°，巖質較堅硬，節(jié)理裂隙較發(fā)育，腰部發(fā)育一條緩傾向右側夾泥裂隙，巖體較破碎，巖體整體呈裂隙塊狀結構，圍巖自穩(wěn)能力較差，掌子面整體濕潤(見圖7)。

圖6 地質雷達超前地質預報

圖7 隧道進口ZK48+710掌子面圍巖現場情況

現場采集數據后通過地質雷達配套分析軟件RADAN7進行圖像處理和解析，得到如圖8所示掌子面前方30 m范圍內的地質雷達圖像。經過對地質雷達圖像進行分析和判釋，結合現場地質觀察，得出如下結論：進口左幅ZK48+710—ZK48+740預報區(qū)段圍巖為中等風化灰?guī)r，巖質較堅硬，雷達波形較紊亂，波形一致性差，由此可推測預報區(qū)段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，預報區(qū)段前方10～20 m范圍內可能發(fā)育溶洞，圍巖自穩(wěn)能力較差，地下水稍發(fā)育。

在后續(xù)掌子面開挖過程中，當隧道進口左幅開挖到里程ZK48+727時，在掌子面右側五分之二處揭露溶蝕裂隙發(fā)育，發(fā)育有溶腔，延伸至拱頂，腔內黃色黏土充填，如圖9所示。

圖9 掌子面揭露的充填溶洞

3.2 新街隧道出口YK50+919掌子面探測

2018年7月10日對新街隧道出口右幅進行了掌子面前方超前地質預報，預報起點里程為YK50+919，預報長度為30 m，預報前方終點里程為YK50+889。掌子面處測線布置同圖6(a)，現場測試操作如圖10所示。通過掌子面現場觀察發(fā)現，新街隧道出口右幅YK50+919掌子面揭露圍巖為強風化—中等風化灰?guī)r、泥灰?guī)r夾黃色黏土，巖質較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，結構面充填黃色黏土，巖體整體呈鑲嵌碎裂狀結構，圍巖自穩(wěn)能力差。

圖10 地質雷達超前地質預報現場測試

現場采集數據后通過地質雷達配套分析軟件RADAN7進行圖像處理和解析，得到如圖11所示掌子面前方30 m范圍內的地質雷達圖像。經過對地質雷達圖像進行分析和判釋，再結合現場地質觀察，得出如下結論：隧道出口右幅YK50+919—YK50+889預報區(qū)段圍巖為強風化—中等風化灰?guī)r、泥灰?guī)r夾黃色黏土，巖質較軟，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，預報區(qū)段前方1～3 m和18～30 m范圍內溶蝕裂隙發(fā)育，18～22 m范圍內可能發(fā)育溶洞，圍巖自穩(wěn)能力下降，但在3～18 m范圍內巖體均勻性較好。

在后續(xù)掌子面開挖過程中，當隧道出口右幅開挖到里程YK50+913—YK50+898時，掌子面揭露圍巖均為灰色、褐灰色強風化巖夾黃色黏土，巖體均勻性較好，但巖質較軟，如圖12(a)所示，掌子面整體濕潤，地下水發(fā)育，如圖12(b)所示。

圖11 隧道出口YK50+919—YK50+889地質雷達圖像

圖12 掌子面揭露圍巖情況

通過上述兩例地質雷達超前地質預報典型案例可知：采用地質雷達超前地質預報方法對巖溶隧道進行圍巖地質情況超前探測，可以提前獲知掌子面前方的圍巖和溶洞情況，為隧道掘進施工提供安全保障，可以有效避免巖溶突水突泥事故的發(fā)生，并能為隧道襯砌結構設計提供依據，因而超前地質預報方法是巖溶隧道開挖施工過程中可以采用的一種有效技術措施。

4 結論

(1)通過對新街隧道場地進行地質調查，查明新街隧道場地巖溶極其發(fā)育，主要巖溶發(fā)育形態(tài)包括巖溶洼地、落水洞和溶洞三大類，并分析了巖溶洼地、落水洞和溶洞對擬建新街隧道的影響，其中地表落水洞和地下大型溶洞對新街隧道施工建設存在較大影響，具有一定的風險性，需要在隧道掘進施工過程中充分掌握開挖面附近圍巖的地質情況，以免發(fā)生巖溶突水突泥事故；

(2)采用地質雷達超前地質預報方法對新街隧道進出口掌子面圍巖情況進行地質超前探測，以新街隧道進口左幅ZK48+710和出口右幅YK50+919為例，結合地質雷達圖像解析結果和掌子面前方預報區(qū)開挖揭露圍巖情況，驗證了地質雷達超前地質預報方法在巖溶隧道圍巖地質情況探測中的適用性。