岩溶隧道递进式综合地质预报技术

2010-05-17金强国刘成禹

铁道勘察 2010年3期

金强国刘成禹

(1.中铁隧道集团公司, 河南洛阳 471000； 2.福州大学, 福建福州 350108)

隧道与其他工程相比,其隐蔽性、施工复杂性、地质条件和周围环境的不确定性更加突出,大大增加了隧道建设的难度和施工风险[1-3]。随着国民经济的飞速发展,在岩溶地区修建的隧道及地下工程越来越多。由于岩溶发育地区往往是断层、节理、裂隙发育、岩层破碎的地段,兼具富水、高水压、不同规模岩溶(溶洞、暗河、溶隙、溶槽等)发育，地下水流通条件好、围岩破碎等诸多施工不利因素,施工中稍有不慎,常常发生突水、突泥、坍方、地表塌陷等突发事件,严重威胁着隧道施工安全。

对岩溶的发育情况进行准确及时地预报,是岩溶发育地区保证隧道施工安全,减轻突水、突泥等灾害损失的有效措施,也是当前岩溶地区隧道设计与施工中亟待研究与解决的关键问题。然而,由于岩溶的形成、发展及空间分布受诸多因素的影响和控制,所以,岩溶的发育虽然在宏观上具有一定的规律性,但在细观上又具有明显的差异性,这大大增加了岩溶超前预报的难度。

关于岩溶的超前预报技术,前人已进行过诸多研究与实践,并取得了一些对岩溶预报非常有指导性的成果[4-10],但这些研究与实践主要聚焦于如何采用单一或综合的方法对岩溶进行超前探测，如何提高超前探测成果解释准确性等方面；采用的预报手段主要是地质分析、TSP、地质雷达探测和超前水平钻；超前探测的实施主要集中在岩溶段未开挖前。由于上述单一或组合方法均有其局限性,加之岩溶的复杂性,预报精度只能满足制定大的施工方案的要求(如是否需要进行超前帷幕注浆等),无法满足制定开挖、支护方案的要求。

在龙厦铁路象山特长隧道岩溶段施工中,结合隧道施工特点,在不同施工阶段分别采用了工程地质分析、TSP、地质雷达、超前长炮钎探测、注浆孔、检查孔、注浆过程综合分析等方法,将超前地质预报贯穿主要施工阶段,逐步提高预报精度,以满足不同施工阶段的要求,取得了很好的实施效果。本文结合工程实例,对这一方法进行系统阐述。

1 预报方案

象山特长隧道岩溶段不同施工阶段采用的地质预报方案及预报成果运用见表1。

上述预报方案的具体做法如下：

(1)可溶岩发育地区,在距岩溶可能发育段50～100 m时，采用TSP超前探测并辅以工程地质、水文地质分析方法对岩溶的发育情况进行分析,为制定应急预案和短距离重点预报区段提供依据。

表1 象山特长隧道岩溶段地质预报方案及成果运用

(2)在上述长距离预报的基础上,在距岩溶可能发育段10～30 m时，采用地质雷达、超前水平钻孔探测并辅以岩溶工程地质前兆特征识别，对岩溶的发育情况进行综合分析,为制定注浆方案提供依据。

(3)注浆钻孔钻进及注浆过程中,对注浆钻孔钻进情况、各孔的注浆情况进行记录和分析,结合注浆质量检查孔取芯情况,对岩溶的发育情况进行更加深入、准确地分析,为制定岩溶段隧道开挖、支护方案提供依据。

(4)隧道开挖过程中，采用5 m长炮钎对超前探测盲区及岩溶发育的重点区域进行探测和验证,规避盲区,提高地质预报准确性和施工安全性。

(5)二衬、仰拱施做前，采用地质雷达对隧道周边岩溶进行探测,确保隧道运营安全。

这样一种物探探测与工程地质分析结合，长距离宏观预报与短距离精确预报相结合的岩溶预报方法，充分发挥了注浆孔、注浆质量检查孔的作用,在不增加其他探测资源的情况下，大大提高了岩溶探测精度；此外,这种预报方法,前阶段的预报成果为后阶段的预报提供指导,后阶段的预报成果验证和弥补前一阶段,层层推进,逐步提高预报精度,有效规避了施工过程中冒然揭示岩溶、发生突水、涌泥等地质灾害的风险性，是超前帷幕注浆条件下,复杂岩溶段较好的超前地质预报方法。

2 长距离预报

长距离宏观预报采用工程地质分析与TSP探测相结合的方法。

2.1 工程地质分析

岩溶在宏观上具有一定的规律性,这主要表现在下列方面。

(1)一般情况下褶曲轴部、断层破碎带、地层不整合接触带、可溶岩与非可溶岩接触面、由弱可溶岩进入强可溶岩的边界等部位岩溶较发育。

(2)从竖向看,侵蚀基准面附近岩溶一般较发育。

(3)从地形上看,沟谷附近岩溶一般较发育。

(4)深大断裂对岩溶的发育起控制作用,大型充水溶洞的总体发育方向与断裂走向大致相同。

2.2 TSP探测

岩溶在TSP探测成果上有下列主要表现特征：

(1)2D成果图中横波速度下降,纵波速度略微上升或者下降；深度偏移图有较强的负反射,强反射面后一段距离内反射面较少[5]。

(2)VP/VS增加,泊松比突然增大,密度、动态杨氏模量减小。

(3)溶蚀裂隙发育区域一般呈现如下特征：围岩纵横波速时高时低,反射面密集,局部地段围岩泊松比突然升高；富水围岩地段,横波反射较弱；溶洞处,岩体密度明显偏低。

3 短距离预报

3.1 前兆特征分析

大型溶洞或暗河的前兆特征如下[6]：

(1)裂隙、溶隙间出现较多的铁锈或黏土。

(2)岩层明显湿化、软化或淋水现象。

(3)小溶洞出现频率增加且多有水流、河沙或水流痕迹。

(4)钻孔涌水量剧增,返水夹泥沙或小砾石；钻孔中有凉风冒出。

(5)有哗哗的流水声。

3.2 地质雷达探测

岩溶在地质雷达波形图上有下列表现特征：

(1)完整围岩均一性好,雷达波反射很弱,为低幅高频细密波；岩层破碎或出现岩溶时,岩石均一性变差,出现强反射波组。

(2)富水或充填型岩溶在雷达波形上表现为：出现较强反射波组,岩溶部分雷达波频率明显比周边低,充水溶洞雷达波常出现强烈的振荡信号。

(3)空溶洞与围岩界面会出现强反射带,但溶洞内部反射不明显。

图1为岩溶发育区地质雷达波形。测线10 m以前,雷达波反射很弱,频率较高,该区域围岩较完整；测线10～18 m,3 m以后，雷达波出现强度的反射,局部区域出现明显的振荡信号(图1之A区域)或频率明显低于周边的区域(图1之B区域),说明测线10～18 m、3 m以后，区域围岩破碎,岩溶较发育,其中A区域可能为充水溶洞,B区域可能为被泥或软弱介质充填的溶洞。上述探测结果与开挖揭示情况基本一致。

图1 岩溶地区雷达波形

4 精确预报

岩溶的精确探测主要通过注浆钻孔、检查孔、注浆过程的综合分析以及长炮钎超前探测进行。

4.1 注浆孔和检查孔探测

在很多情况下，隧道通过岩溶地段都采用超前帷幕注浆方案[6]。注浆钻孔的钻进情况、各孔的注浆情况以及注浆质量检查孔的取芯情况都能从不同角度反映前方岩溶的发育情况。超前帷幕注浆钻孔的数量比超前水平钻多得多,加之各孔均以一定外插角钻进,每一循环的注浆长度多为30 m左右,这为利用注浆钻孔、检查孔对前方岩溶的发育情况进行精确探测提供了条件。

为了更好地利用注浆钻孔、检查孔及注浆资料对岩溶进行综合分析,钻进及注浆过程中应按下述实施要点进行。

(1)实施要点

注浆钻孔钻进过程中应对各钻孔的下列主要内容进行认真记录：

①钻感、钻速。钻速聚增、跳钻、卡钻的位置应重点记录。

②回水量,回水颜色。回水量聚增的部位,回水中夹泥、砂或碎(卵)石的部位应重点记录。若回水夹碎(卵)石,尚需对碎(卵)石的最大粒径、磨圆情况进行认真观察和记录。

注浆过程中应对各注浆孔的下列主要内容进行认真记录：

①各孔注浆量、注浆压力上升情况。

②注浆孔塌孔的情况,重点是塌孔部位。

③注浆过程中各孔的出水量。

(2)资料分析与处理

在注浆孔、检查孔上述记录的基础上进行单孔分析,在单孔分析的基础上进行综合分析。

①单孔分析

通过对注浆孔、注浆过程记录资料及检查孔取芯情况的分析，可得出各孔不同深度处围岩的完整性及岩溶的发育情况。单孔分析按下列基本方法进行。

通过卡钻、跳钻、钻速骤增等情况来判断裂隙的发育情况。卡钻部位一般围岩较破碎、溶隙较发育；跳钻或钻速骤增部位一般溶槽、溶腔或溶洞较发育；溶蚀宽度主要由跳钻或钻速骤增的长度决定。

通过返水量、返水夹杂物分析溶蚀的发育及充填情况。返水量骤增的部位,返水夹大量泥砂、黄泥、卵(碎石)的部位一般溶蚀较发育；返水量或夹杂物含量越多,岩溶越发育。在分析岩溶位置时应注意：由于返水沿孔壁流出有一定的滞后时间,岩溶发育的实际位置会比出现上述现象(返水量或其中夹杂物含量剧增)时钻孔的实际深度小一些。当孔深小于30 m时,滞后距离一般为0～1.0 m。

通过返水夹杂物的粒径及磨圆情况分析溶蚀宽度、延伸情况及岩溶水的补给情况。溶隙、溶槽的最小宽度大于返水夹杂物的最大粒径；返水夹杂物中大粒径成分磨圆度越高岩溶延伸越远。

通过注浆量、注浆压力上升情况分析岩溶的发育情况。注浆量大、注浆压力长期上不去的部位岩溶一般较发育且延伸较远。

通过注浆质量检查孔的取芯情况分析岩溶的发育位置、大小。岩溶发育的部位岩芯完整性相对较差，岩芯采取率相对较低或岩芯中夹泥砂、卵(碎)石等碎屑物质,严重时甚至发生坍孔。

②综合分析

岩溶纵向分布：

在单孔不同深度围岩完整性、返水量及返水夹杂物分析的基础上,对不同深度的相对完整围岩孔、破碎孔、含泥砂孔及返水量进行统计、分析。象山隧道YDK24+114～YDK24+144段注浆钻孔、检查孔的统计情况见表2。

表2 注浆孔和注浆质量检查孔揭示的围岩情况

根据统计结果可作出相对完整围岩孔、破碎围岩孔、含泥砂孔占总孔数的百分比及各孔累计出水量沿深度的分布,如图1～图4所示。

图1 围岩相对完整孔沿深度的分布

图2 各孔累计出水量沿深度的分布

图3 破碎围岩孔沿深度的分布

图4 含大量泥砂孔沿深度的分布

由图1、图2可看出：

15 m(YDK24+129)以前,围岩相对完整孔所占比例很高,各孔累计出水量很小,说明岩体较完整；15～26 m(YDK24+129～YDK24+140)围岩相对完整孔所占比例急剧下降,各孔累计出水量急剧上升,说明围岩完整性急剧恶化,岩溶发育程度明显上升；26 m(YDK24+140)以后,完整围岩孔很少,各孔累计出水量很大,说明围岩完整性很差,岩溶很发育。

围岩的完整性及岩溶的发育程度随隧道纵向深度变化很大,主要受纵向深度控制。

由图2、图3、图4可看出：

在18～25 m(YDK24+132～YDK24+139)范围内围岩破碎孔所占比例较高,但该范围内含大量泥砂孔所占比例及各孔累计出水量均未出现剧增,分析该深度范围内岩溶主要以溶隙、溶槽为主。

25～28 m(YDK24+139～YDK24+142)范围内围岩破碎孔所占百分比逐渐下降,但含大量泥砂孔所占比例逐渐上升且各孔累计出水量骤增,结合钻孔返水夹杂物的最大粒径分析,该深度范围内岩溶主要以溶隙、溶槽和小的溶腔为主。

28 m(YDK24+142)以后,含大量泥砂孔所占比例出现明显上升且各孔累计出水量剧增,分析28 m(YDK24+142)以后溶腔和溶洞明显增大或增多。

岩溶横向分布：

根据各注浆孔、检查孔的孔位及其钻进情况记录，可作出不同深度处破碎围岩孔、含大量泥砂(碎石)孔、大量出水孔在隧道横断面上的分布图。以此为基础可对不同深度处岩溶在隧道横向的分布情况进行分析。

图5为根据象山隧道YDK24+114～YDK24+144段注浆孔和检查孔钻进记录作出的距止浆墙不同深度(16 m、18 m、24 m、26 m、30 m)破碎围岩孔、含大量泥砂(碎石)孔、大量出水孔的分布。

图5 不同深度处含大量泥砂孔、破碎围岩孔及大量出水孔的分布

由图5可看出：

16～22 m(YDK24+130～YDK24+136),随着深度增加,破碎围岩孔、含大量泥砂孔的数量逐渐增多,说明在该区段内围岩完整性逐渐变差,溶蚀逐渐加剧；但该区段内含大量泥砂孔和大量出水孔很少,说明该区段围岩的溶蚀主要表现为溶隙。

16 m断面(YDK24+130)左边墙、隧底及右拱脚(图中A1、B1区域),18 m断面(YDK24+132)左边墙、右拱腰及隧底(图中A2、B2、C1区域)溶隙较发育；22 m(YDK24+136)整个断面围岩均较破碎,溶隙很发育且拱顶至左拱腰，隧道中部右侧钻孔为含大量泥砂孔,分析上述区域溶槽发育。

22～26 m(YDK24+136～YDK24+140)含大量泥砂孔，出水孔数量急剧上升,说明这一区段地下水通道明显变宽,溶槽越来越发育；26 m(YDK24+140)断面左边墙、右拱腰及隧底(图中A3、B3、C2区域)各孔均含大量泥砂孔或大量出水孔,分析上述区域为溶腔或溶洞。

26～30 m(YDK24+140～YDK24+144)隧道开挖轮廓线以内及周边区域含大量泥砂孔、大量出水孔，分析随着深度增加,隧道逐渐进入充填型溶洞。30 m(YDK24+144)后隧道开挖轮廓线内基本都是溶洞充填物；此外,隧道左边墙、右拱腰开挖轮廓线外侧也是溶洞充填物。

岩溶总体发育特点：

在岩溶纵、横向发育特点分析的基础上，可对岩溶的总体发育特点进行分析。由YDK24+114～YDK24+144段岩溶发育特点的前述分析可得：岩溶发育程度主要受纵向控制(随深度增加溶蚀逐渐加剧),说明该区段及其前方岩溶的总体发育方向与线路走向接近垂直或呈大角度相交。

此外,由图5可看出：从16 m(YDK24+130)以后,隧道左边墙、右拱腰、隧底的岩溶均比同一断面其他部位的发育,说明上述部位还存在发育方向与隧道走向基本平行的岩溶相对发育区。