周柏林

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北武汉 430063)

隧道洞身岩溶的复杂性和隧道地质勘察工作的艰巨性,决定了地面勘察难以准确查明隧道洞身形态各异、分布不均的具体岩溶地质情况,存在隧道工程施工发生涌水突泥灾害风险。随着隧道工程施工安全和使用安全要求的提高,有必要重新审视隧道地质超前探测的理念,如:岩溶隧道地质超前探测除包括工作面前方外还应该包括工作面周边的超前探测,特别是工作面前方和工作面周边安全岩盘厚度范围内的超前探测,直接关系到隧道的施工安全。如前方存在大型高压富水溶腔时,应根据溶腔发育特征以及隧道的工程地质条件,确定隧道工作面与富水溶腔间的安全距离即安全岩盘厚度,在大于安全岩盘厚度的安全距离采取合理的工程措施对富水溶腔进行处理,使隧道施工安全顺利进行。下面结合被称为岩溶发育、地下水丰富、暗河系统发育、突水突泥的风险程度和工程处理难度为国内外罕见的宜万铁路复杂岩溶隧道工程超前探测中超长炮孔法应用实例,对超长炮孔法在岩溶隧道地质综合超前探测中的应用进行探讨。

1 超长炮孔法在岩溶隧道综合超前探测中的应用

1.1 超长炮孔法简介

在复杂岩溶隧道开挖施工中,必须保证施工工作面与前方不良地质体(溶腔、管道、暗河、断层等)有一定厚度的安全岩盘。根据安全岩盘厚度剪切强度计算、安全岩盘厚度数值模拟预测分析得知,当Ⅱ、Ⅲ级围岩水压小于2 MPa或Ⅳ级围岩水压小于1.0 MPa时,安全岩盘厚度应采用3 m值。而控制施工工作面前方及洞身周围留有3 m的安全岩盘,在隧道施工中的狭窄场地条件下最好的探测方法就是超长炮孔法。

超长炮孔法是采用风枪对工作面前方及周边进行地质超前探测的一种方法,是对超前钻探的一种补充,主要应用于隧道的地质复杂程度地段,其探测长度一般为5 m。

1.2 超长炮孔探测方案确定原则

超长炮孔探测方案确定原则:超长炮孔的孔数、间距、偏角等要素的选择和布置,取决于开挖断面尺寸、安全岩盘厚度和工作面前方及周边地质复杂程度。

1.3 地质复杂地段超前炮孔探测方案

地质复杂地段超长炮孔探测指洞身在地下水位以下且岩溶、暗河、断层发育或地面物探重大异常的地段(详细探测),洞身在地下水位以上且岩溶、断层发育或地面物探有较大异常的地段(重点探测)进行超长炮孔探测。

详细探测超长炮孔方案:

假定隧道开挖断面尺寸(探测面积)即开挖断面外安全岩盘厚度尺寸面积为A(m2)、安全岩盘厚度为H(m),为使超长炮孔间距不大于安全岩盘厚度,超长炮孔孔数n的确定方法如下。

当超长炮孔采用等边三角形排列时

当超长炮孔采用正方形排列时

将式(1)、式(2)合并得

(1)正洞超长炮孔孔数确定

假定安全岩盘厚度为3 m,正洞开挖断面高9.5 m,宽6.8 m,开挖断面探测面积(图1中外虚线)135.9 m2,采用式(3)确定超长炮孔的孔数为17孔。

图1 探测范围示意(单位:m)

(2)正洞超长炮孔的布置

为使超长炮孔探测隧道工作面前方和工作面周边安全岩盘厚度范围的地质情况,超长炮孔除部分探测前方的不良地质外,在工作面周边采用了向外以20°～40°的角度外插。

为提高超长炮孔探测隧道工作面前方和工作面周边安全岩盘厚度范围不良地质体的有效性,超长炮孔采用两循环交错向前布置,第一循环超前长炮孔17孔,中间5孔为水平孔,其余各孔以20°、40°角度外插(如图2中黑实心);第二循环超前长炮孔17孔,中间6孔为水平孔,其余各孔以20°、40°角度外插(见图2)。布孔要素见表1。

(3)平导超前炮孔孔数确定

假定安全岩盘厚度为3 m,平导开挖断面高4.5 m,宽4.0 m,开挖断面探测面积94.3 m2,采用式(3)确定超长炮孔的孔数为12孔。

图2 超长炮孔布置示意(单位:m)

表1 正洞全断面开挖超长炮孔要素一览

从图2和表1可看出,超长炮孔探测工作面前方3.8～5.0 m,探测工作面前周边3.2 m,使施工中工作面前方及周边有安全距离(取3 m)的保护,这是地下水位以下岩溶隧道施工又一安全保证。

(4)平导超前炮孔的布置

平导超前炮孔的布置见图3。

图3 平导超长炮孔探测布置示意(单位:m)

1.4 重点探测地段超前炮孔探测方案

由于重点探测地段的施工风险程度没有详细探测地段施工风险程度大,主要存在塌方等施工风险,其超前炮孔探测方案只需在详细探测基础上进行修改。正洞采用12 孔方案 ,如图2中的 1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、10、12 、13(黑实心)。

2 云雾山隧道DK244+558裂隙出水探测实例

云雾山隧道全长6 623 m,为单面上坡,隧道最大埋深800 m,是宜万铁路的一级风险隧道。隧道穿过白果坝背斜和白果坝断裂,为寒武系下统天河板组灰岩、白云岩、溶崩角砾岩。区内发育白果坝暗河,大鱼泉、小鱼泉、恶水溪和洞湾管道流系统,预测最大涌水量8.9万m3/d。

云雾山隧道DK244+470～DK244+570段,为详细探测地段,在DK244+474工作面进行了超前TSP探测,探测结论:DK244+505～DK244+533破碎含水可能涌水,DK244+533～DK244+578较破碎含水,建议异常段沿起拱线以上布置5～6个超前长炮孔(半断面)。该段采用的一孔超前水平钻未发现岩溶异常。

按要求(如图2)进行超前炮孔探测,DK244+498开始有少量裂隙水,DK244+556时图中6号超前炮孔出水量很大,后在其工作面进行了8孔超前钻探,确定了DK244+560～DK244+562含水裂隙管道(如图4)。

图4 DK244+560裂隙管道纵断面

超前钻孔孔内水压监测显示:旱季时水压0.05 MPa、降雨(50 mm)12 h后水压最大达到0.5 MPa,所有出水孔放水时最大水量9700 m3/d。

3 结束语

(1)超长炮孔法是短距离超前探测隧道前方及周边岩溶管道、岩溶裂隙、岩溶洞穴及富水情况探测的主要手段,是复杂岩溶隧道特别是地下水位以下的隧道超前探测中必不可少的手段。

(2)超长炮孔法是对超前钻探的一种补充,是岩溶隧道复杂地段施工的一种有效的防护装甲,应每施工循环探测一次。

(3)超长炮孔具有设备轻便,探测时间短且具有直观性,易于多孔同时进行探测的优点,与中、长距离超前钻探结合使用,效果更好。

(4)超长炮孔其探测长度一般为5 m,其孔数和布置等要素应根据开挖断面尺寸、安全岩盘厚度、地质复杂程度综合分析确定。

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