譚信榮，陳壽根，馬 輝

(西南交通大學(xué)，成都 610031)

1 工程概況

新建貴陽至廣州鐵路(簡稱“貴廣鐵路”)，自貴陽北站引出，至新廣州站，正線全長857 km，是一條以客運(yùn)為主、兼顧貨運(yùn)的區(qū)際快速鐵路干線，建成后將大大縮短西南地區(qū)到華南地區(qū)的距離。鐵路開通時(shí)運(yùn)營速度為300 km/h，按照預(yù)留350 km/h標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工。

貴廣鐵路GGTJ-1標(biāo)地處云貴高原剝蝕、溶蝕山區(qū)，巖溶地貌占據(jù)主導(dǎo)地位，是我國巖溶發(fā)育最典型地區(qū)之一。巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地表巖溶類型齊全，形態(tài)各異，地下巖溶洞穴隨處可見，復(fù)雜的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)和巖溶水文地質(zhì)條件，造成了該地區(qū)不良工程地質(zhì)類型多、分布廣、規(guī)模大等特點(diǎn)，沿線不良地質(zhì)以巖溶和巖溶水害最為突出。在施工中，無論是深埋隧道還是淺埋隧道，都遇到溶腔、巖溶管道、突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害問題，施工風(fēng)險(xiǎn)極大?？梢姡瑢?duì)溶洞準(zhǔn)確及時(shí)的預(yù)報(bào)是本工程隧道設(shè)計(jì)與施工中亟待研究與解決的關(guān)鍵問題。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要有地質(zhì)分析法和物探類方法。地質(zhì)分析法主要包括:地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆孔法等;物探法主要包括:TSP 法［1]、地質(zhì)雷達(dá)法［2-3]、紅外探水［4]、瞬變電磁法［1]等。

不同預(yù)報(bào)方法的適用范圍如下［5]:地質(zhì)調(diào)查法主要對(duì)隧道圍巖級(jí)別，富水帶，斷層，地溫，高地應(yīng)力，有害氣體等預(yù)報(bào);超前鉆探法主要對(duì)前方30 m圍巖級(jí)別，富水帶，斷層，巖溶，高地應(yīng)力，有害氣體等的預(yù)報(bào);TSP法適用于對(duì)前方150 m范圍內(nèi)圍巖級(jí)別、巖性變化，斷層，溶洞及富水帶位置的預(yù)報(bào);地質(zhì)雷達(dá)法適用于對(duì)前方10～25 m范圍內(nèi)斷層，溶洞和富水帶位置和規(guī)模預(yù)報(bào);紅外探水法適用于探測(cè)前方30 m范圍內(nèi)含水構(gòu)造;瞬變電磁法適用于探測(cè)前方的充水?dāng)鄬?，填充型溶洞，填充型破碎帶的位置和?guī)模。各種預(yù)報(bào)方法的特點(diǎn)［6]如下。

(1)地質(zhì)調(diào)查法 不影響施工，可推斷隧道工作面前方的工程、水文地質(zhì)情況。但結(jié)果較為粗略，需與物探方法相結(jié)合。

(2)地質(zhì)素描法 不占用施工時(shí)間，預(yù)報(bào)的效果好，能為整個(gè)隧道提供完整的地質(zhì)資料，但預(yù)報(bào)距離較短。

(3)超前鉆孔法 可反映巖體概況，結(jié)果直觀。但是在復(fù)雜地質(zhì)條件下預(yù)報(bào)效果較差，很難預(yù)測(cè)到掌子面前方的小斷層和貫穿性大節(jié)理，難以預(yù)報(bào)與隧道軸線平行的結(jié)構(gòu)面。

(4)TSP法 可定量反映巖體參數(shù)，對(duì)工作面前方遇到與隧道軸線近垂直的不連續(xù)體的界面，結(jié)果比較可靠，但預(yù)報(bào)精度較差。

(5)表面雷達(dá)法 對(duì)于斷裂帶特別是含水、破碎帶有較高的識(shí)別能力，但雷達(dá)易受干擾。

(6)孔內(nèi)雷達(dá)法 結(jié)合超前鉆孔法，可有效探測(cè)掌子面前方的富水構(gòu)造和不連續(xù)體，判斷含水、破碎帶情況，但占用施工時(shí)間較長。

單一的預(yù)報(bào)方法無法準(zhǔn)確完整的對(duì)溶洞進(jìn)行預(yù)報(bào)，必須采用地質(zhì)分析與多種物探相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法才能對(duì)地質(zhì)情況做出準(zhǔn)確的判斷。結(jié)合斗篷山D3K+765掌子面前方溶洞成功預(yù)報(bào)的實(shí)例，介紹巖溶地區(qū)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)。

3 隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

3.1 地質(zhì)概況

斗篷山隧道進(jìn)口D3K100+750～D3K100+950段為白云質(zhì)灰?guī)r，屬于可溶巖，受到硝洞1號(hào)正斷層及斷層影響。斷層上盤為砂頁巖地層，下盤為灰?guī)r地層，沿?cái)鄬泳€地表為一寬大深溝，雨季溝內(nèi)有山洪匯集排泄，沖洪積物較厚，隧道頂板距溝底45 m左右，斷層帶內(nèi)巖體破碎。

3.2 預(yù)報(bào)成果

(1)地表踏勘

地表巖溶不發(fā)育，局部見溶溝、溶槽、溶蝕寬縫和管道。在隧道軸線右側(cè)65 m附近有1.5 m×1.2 m溶洞口，1.5 m以下被黏土砂石填充，溶腔邊見少量次圓狀石塊膠結(jié)，表明溶腔內(nèi)曾有地表水往下排泄。隧道軸線左側(cè)20 m附近有1泉眼，為自流水，據(jù)前期監(jiān)測(cè)常流量為500～600 m3/d，屬斷層帶構(gòu)造裂隙水和巖溶水的排泄點(diǎn)。

(2)TSP

斗篷山隧道在D3K100+699掌子面進(jìn)行的TSP探測(cè)結(jié)果顯示:D3K100+744～D3K100+789段受硝洞1號(hào)正斷層及斷層影響帶，巖體較破碎，局部巖溶較發(fā)育，含巖溶裂隙水;D3K100+789～D3K100+819段為硝洞1號(hào)正斷層及斷層破碎帶，裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖溶發(fā)育，含巖溶水。為進(jìn)一步確認(rèn)硝洞1號(hào)正斷層的影響寬度及前方可能存在的巖溶地質(zhì)情況，在施工到掌子面D3K100+765時(shí)再次進(jìn)行了TSP預(yù)報(bào)，其二維平面結(jié)果見圖1。

圖1 TSP二維平面結(jié)果

結(jié)果表明:①D3K100+765～D3K100+834段為硝洞1號(hào)正斷層及斷層影響帶，巖溶發(fā)育、巖體溶蝕破碎，含水量豐富，其中D3K100+782～D3K100+801、D3K100+806～D3K100+810、D3K100+817～D3K100+819段發(fā)育溶洞的可能性很大;②D3K100+834～D3K100+885段巖體較破碎，但含水量降低，巖溶不發(fā)育。

(3)地質(zhì)雷達(dá)

為進(jìn)一步確定巖溶和破碎帶位置，采用SIR-2000地質(zhì)雷達(dá)對(duì)D3K100+765掌子面進(jìn)行了探測(cè)，共布置5條雷達(dá)測(cè)線(圖2)，測(cè)試結(jié)果見圖3。

(4)紅外線探測(cè)

圖2 雷達(dá)測(cè)線及超前鉆孔布置

為探明掌子面前方圍巖富水情況，對(duì)D3K100+7 65掌子面及掌子面附近已開挖段進(jìn)行了紅外線探測(cè)。在掌子面布置4條測(cè)線(圖4)，每條測(cè)線上均勻布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，從左至右、從上到下;在左邊墻腳、右邊墻腳、左邊墻、右邊墻和拱頂各布置1條測(cè)線，從掌子面開始每隔5 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)。探測(cè)結(jié)果表明:掌子面20個(gè)測(cè)點(diǎn)的紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值，最小為330 μW/cm2，最大為 345 μW/cm2，差值為 15 μW/cm2，大于允許的最小安全值10 μW/cm2;沿掌子面方向，場(chǎng)強(qiáng)值呈上升趨勢(shì)(圖5)，說明含水量逐漸增加。探測(cè)結(jié)果表明，D3K100+765～D3K100+789存在一定規(guī)模的含水體。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試結(jié)果

圖4 紅外線探測(cè)掌子面測(cè)線布置

圖5 掌子面附近場(chǎng)強(qiáng)隨里程變化

(5)超前鉆孔

為驗(yàn)證上述預(yù)報(bào)結(jié)論，詳細(xì)勘察巖溶破碎帶情況，在D3K100+765掌子面采用YGL-100A型鉆機(jī)進(jìn)行了超前地質(zhì)鉆探。根據(jù)表面地質(zhì)雷達(dá)的5條測(cè)線的結(jié)果，在探測(cè)的異常部位布置了5個(gè)鉆孔(圖2)。各超前鉆孔參數(shù)、水流量和壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1。鉆孔作業(yè)中，下部 ZK3、ZK4、ZK5 孔出水后，上部 ZK1、ZK2 孔很快斷流，表明掌子面前方富水體連通性很好。

(6)瞬變電磁法

斗篷山隧道在D3K100+657掌子面采用瞬變電磁儀進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，從瞬變電磁預(yù)報(bào)的結(jié)果看，D3K100+755～D3K100+807段有一低電阻異常體，該段為硝洞1號(hào)斷層及斷層影響帶，D3K100+757～D3K100+782段低阻異常明顯，該段存在涌水涌泥的可能性很大，預(yù)報(bào)結(jié)果如圖6所示。

表1 超前水平鉆孔參數(shù)及結(jié)果

圖6 瞬變電磁儀成果

3.3 綜合分析

通過地表調(diào)查、TSP、地質(zhì)雷達(dá)、紅外線探測(cè)、瞬變電磁及超前鉆孔6種超前預(yù)報(bào)方法的結(jié)果資料，綜合分析得出:D3K100+765前方巖性為灰黑色中至厚層白云質(zhì)灰?guī)r，巖性較單一，盡管處在硝洞1號(hào)斷層帶上，巖體較破碎，但溶蝕帶與地表水無直接聯(lián)系，主要為溶蝕裂隙和溶蝕管道。在D3K100+768～D3K100+795范圍局部發(fā)育管道型溶洞，以黏土充填為主，夾少量碎石，巖溶水較發(fā)育。沿隧道橫向巖溶管道(破碎帶)貫穿于整個(gè)隧道，縱向大于6 m。預(yù)報(bào)巖溶分布見圖7。

圖7 巖溶分布預(yù)測(cè)

4 開挖實(shí)際情況

通過打設(shè)大管棚、注漿處理后，開挖至預(yù)報(bào)的不良地質(zhì)段時(shí)，溶蝕裂隙已基本被注漿填實(shí)，從漿液填充的范圍看，實(shí)際溶蝕裂隙和溶蝕管道與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果較為符合。

5 巖溶地區(qū)綜合預(yù)報(bào)體系

巖溶地區(qū)隧道綜合超前預(yù)報(bào)主要由以下幾個(gè)階段構(gòu)成:

(1)宏觀預(yù)報(bào) 查閱已有的勘察資料，設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)工程區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行較全面的了解，通過對(duì)前期資料的分析，并結(jié)合已挖洞段的預(yù)報(bào)和開挖實(shí)際對(duì)比總結(jié)，總體上把握不同洞段可能存在的不良地質(zhì)缺陷;

(2)中長距離預(yù)報(bào) 主要采用TSP初步判斷掌子面前方100～150 m范圍內(nèi)可能存在的較大異常情況及巖體的完整狀況;

(3)短期預(yù)報(bào) 主要采用地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水，對(duì)掌子面前方0～25 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，在宏觀預(yù)報(bào)和中長距離預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，針對(duì)重點(diǎn)部位，加強(qiáng)預(yù)報(bào)頻度，若發(fā)現(xiàn)異常可運(yùn)用瞬變電磁法等方法進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證;

(4)特殊方法預(yù)報(bào) 當(dāng)發(fā)現(xiàn)較大含水層帶或溶洞時(shí)，通過超前鉆孔等進(jìn)一步確認(rèn)，如發(fā)現(xiàn)較大含水構(gòu)造，適當(dāng)增加鉆孔，以對(duì)目標(biāo)體進(jìn)行精確定位。

6 結(jié)論

(1)在巖溶地區(qū)地質(zhì)預(yù)報(bào)中，TSP、地質(zhì)雷達(dá)和超前鉆孔3種預(yù)報(bào)方法較為可靠且便于實(shí)施。首先利用TSP結(jié)合地質(zhì)調(diào)查與地質(zhì)素描，確定隧道可溶巖發(fā)育的大致里程，再通過地質(zhì)雷達(dá)對(duì)掌子面前方30 m范圍巖溶及地下水發(fā)育的位置、規(guī)模及性質(zhì)作較為詳細(xì)的預(yù)報(bào)，對(duì)可能有巖溶、突泥涌水的地段，特別是可溶巖與非可溶巖的接觸帶進(jìn)行水平鉆孔驗(yàn)證。

(2)在巖溶段隧道施工時(shí)，采用長短結(jié)合的超前鉆孔，可以更為直接可靠地了解掌子面前方巖溶發(fā)育情況。

(3)通過對(duì)斗篷山D3K100+765掌子面前方溶洞的成功預(yù)報(bào)，證明本文提出的巖溶地區(qū)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，采用各種預(yù)報(bào)方法相互補(bǔ)充、相互印證，能夠?qū)λ淼朗┕ぶ姓谱用媲胺降娜芏醋龀鰷?zhǔn)確預(yù)報(bào)。

(4)巖溶地區(qū)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，須遵循“洞內(nèi)外結(jié)合，以洞內(nèi)為主;長短結(jié)合，以短為主;地質(zhì)與物探結(jié)合”的原則。在實(shí)施過程中，先實(shí)施長期預(yù)報(bào)，發(fā)現(xiàn)有不良地質(zhì)體時(shí)，按既定預(yù)報(bào)方案，實(shí)施短期預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)不良地質(zhì)的位置、性質(zhì)和規(guī)模。

［1]楊果林，楊立偉.隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法與探測(cè)技術(shù)研究［J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2006(4).Yang Guolin，Yang Liwei.Detection Techniques and Methods of Geological Advanced Prediction in Tunnel Construction［J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2006(4).

［2]白 冰，周 健.探地雷達(dá)測(cè)試技術(shù)發(fā)展概況及其應(yīng)用現(xiàn)狀［J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001(4).Bai Bing，Zhou Jian.Advances and applications of ground penetrating radar measuring technology［J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001(4).

［3]吳 俊，毛海和，應(yīng) 松，等.地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道短期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J].巖土力學(xué)，2003(S1).Wu Jun，Mao Haihe，Ying Song，et al.Application of ground probing radar to short-term geological forecast for tunnel construction［J].Rock and Soil Mechanics，2003(S1).

［4]王夢(mèng)恕.對(duì)巖溶地區(qū)隧道施工水文地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的意見［J].鐵道勘察，2004(1).Wang Mengshu.Hydrologic and geological forecast of tunnel construction in the karst district［J].Railway Investigation and Surveying，2004(1).

［5]劉志剛.概論巖溶或地質(zhì)復(fù)雜隧道隧洞地質(zhì)災(zāi)害超前預(yù)報(bào)技術(shù)［J].鐵道建筑技術(shù)，2003(2).Liu Zhigang.On advance geological forecast of tunnels on karst or varied geological conditions［J].Railway Construction Technology，2003(2).

［6]葛顏慧，李術(shù)才，張慶松，等.基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的巖溶隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)研究［J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010(7).Ge Yanhui，Li Shucai，Zhang Qingsong，et al.Comprehensive geological prediction based on risk evaluation during tunneling in karst area［J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010(7).

［7]薛 斌，韓小敏.宜萬鐵路巖溶隧道地質(zhì)綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)［J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(8):72-77.Xue Bin，Han Xiaoming.Technology for geological comprehensive prediction for karst tunnel in advance on Yichang-Wanzhou railnay［J].Railway Standard Design，2010(8):72-77.