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        巖溶隧道施工中綜合超前地質(zhì)預(yù)報的應(yīng)用分析

        2018-06-19 08:45:24陽書燕
        中華建設(shè) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:溶洞巖溶鉆孔

        陽書燕

        目前,我國的巖溶隧道工程逐漸增多,巖溶隧道工程主要處于一些巖溶地區(qū),這些地區(qū)工程地質(zhì)條件主要為富水、巖溶或者斷層破碎的地帶,在施工過程中為了防止隧道出現(xiàn)塌方、突水突泥等一系列災(zāi)害,必須加強(qiáng)采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報的方法來進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查,只有合理應(yīng)用地質(zhì)預(yù)報的方法,準(zhǔn)確了解巖溶隧道的地質(zhì)情況,才能使巖溶隧道施工順利進(jìn)行。本文主要以向家包二號隧道工程為例,對巖溶隧道施工中綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法的應(yīng)用進(jìn)行了深入分析,以期能夠和設(shè)計資料進(jìn)行相互印證。

        近幾年以來,我國為了促進(jìn)各個地區(qū)密切展開貿(mào)易活動,正在投入大量的資金建設(shè)高速公路或高鐵項目,以期能夠構(gòu)建完整的交通運(yùn)營體系。在交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中,隧道施工作為至關(guān)重要的組成部分,許多山區(qū)的交通線路建設(shè)必須開鑿隧道,而隧道的長度以及跨度也在不斷增長,其逐漸面臨各種復(fù)雜、險峻的地質(zhì)條件,在隧道施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)一些巖溶地帶、破碎帶、暗河以及斷層,這也導(dǎo)致隧道施工中容易發(fā)生塌方、涌水突泥等安全事故。在巖溶隧道工程進(jìn)行設(shè)計時,需要對地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確、詳細(xì)勘察,只有做好巖溶隧道的綜合超前地質(zhì)預(yù)報勘查工作,才能為工程設(shè)計提供充足的參考依據(jù),使隧道設(shè)計、施工環(huán)節(jié)順利完成。筆者通過結(jié)合向家包二號隧道工程施工的實際經(jīng)驗,針對施工過程中的幾種常用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法進(jìn)行了全面分析,以期能夠起到參考作用。

        一、工程線路概況

        向家包二號隧道地址位于湖南省永順縣毛壩鄉(xiāng)龍家界北側(cè),穿越龍家界山崗。隧道工程區(qū)位于中低山地區(qū),高程460~870m,相對高差200~400m。而且隧道的洞身全部處于可溶巖巖體之中,這種地貌被稱作巖溶壟崗地貌,在隧道的兩側(cè)有溝谷坡地,中間則屬于壟崗地帶。整個隧道的起訖里程為DK136+997~DK138+871,隧道總長度為1874m,雙線隧道最大埋深355m。DK136+997~DK137+648.643位于直線段上,其它的均屬于R=6000的曲線上,而且洞身為-16‰的單面下坡。

        通過對隧道洞身的地質(zhì)條件進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),其主要處于巖溶水垂直徑流帶,在巖溶裂隙溶洞具有豐富的水量,所以導(dǎo)致巖溶發(fā)育比較強(qiáng)烈。而且在隧道所處的地貌上整體呈現(xiàn)籠崗狀、狹長狀NE方向進(jìn)行延伸,長度大約為10km,寬度大約為1km,高程為6500~879m,所以存在比較突出的地表溶蝕地貌,各種小型溶丘與巖溶洼地相間,大型溶洞,落水洞,巖溶漏斗星羅棋布。所以在進(jìn)行巖溶隧道施工時,將會受到巖溶管道和巖溶含水體的影響,從而出現(xiàn)突發(fā)性涌水、突泥問題,必須充分運(yùn)用超前地質(zhì)預(yù)報的方法,對巖溶段落巖溶的具體情況進(jìn)行超前探測,只有結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報資料,才能對巖溶情況有一個清晰的了解,從而制定科學(xué)、合理的施工方案。在這一標(biāo)段的超前地質(zhì)預(yù)報工作中,主要應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)、TSP、超前水平鉆孔以及超前探孔等幾種主要方法。

        二、綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法的應(yīng)用

        在本次巖溶隧道工程施工中,所采用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法,主要以地質(zhì)調(diào)查法作為主要基礎(chǔ),并且結(jié)合運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)、TSP、超前水平鉆孔以及超前探孔等多種方法,從而對地質(zhì)地貌有一個全面的了解。

        1.地質(zhì)調(diào)查法

        在巖溶隧道施工中應(yīng)用綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法,首先需要合理應(yīng)用地質(zhì)調(diào)查法,對巖溶隧道工程地帶的實際情況有一個基本的了解,才能合理選用其它的預(yù)報方法來進(jìn)行勘查。在工程地質(zhì)調(diào)查過程中,主要結(jié)合檔期已經(jīng)掌握的地質(zhì)資料、勘察資料以及已經(jīng)開挖出來的地段顯示的資料,然后運(yùn)用赤平極射投影法,并結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)理論來進(jìn)行推測分析,才能全面掌握巖溶隧道工程的地質(zhì)情況。

        2.地質(zhì)雷達(dá)法

        地質(zhì)雷達(dá)法作為綜合超前地質(zhì)預(yù)報工作中應(yīng)用比較普遍的方法,其也叫做地磁波法,其主要通過發(fā)射天線和天線接受組來組成探測系統(tǒng),運(yùn)用天線發(fā)射的廣譜電磁波來對地下介質(zhì)的基本情況進(jìn)行準(zhǔn)確探測。由于各種巖性地質(zhì)體具有不一樣的介電常數(shù),通過對介電常數(shù)進(jìn)行分析,能夠準(zhǔn)確了解巖性地質(zhì)體的地下水發(fā)育情況以及巖溶地貌,所以運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)來進(jìn)行探測,能夠把掌子面的電磁反射波普圖清晰地繪制出來,通過解譯之后,能夠準(zhǔn)確得出工程地質(zhì)的基本情況。

        由于向家包二號隧道工程存在比較突出的地表溶蝕地貌,各種小型溶丘與巖溶洼地相間,大型溶洞,落水洞,巖溶漏斗星羅棋布,所以利用探地雷達(dá)能夠準(zhǔn)確預(yù)報出巖溶隧道工程的溶蝕不良地質(zhì)情況。在本次預(yù)報探測過程中,主要采用美國SIR-20 雷達(dá)主機(jī),而且在探測系統(tǒng)中配備了100 MHz的屏蔽天線,這樣能夠進(jìn)行多次預(yù)報,然后和實際開挖情況進(jìn)行準(zhǔn)確對比,避免出現(xiàn)失誤,一般在溶蝕破碎帶、巖溶管道、溶洞以及暗河地區(qū)進(jìn)行探測,能夠獲得非常強(qiáng)烈的反射信號,對于巖溶隧道中的水分進(jìn)行準(zhǔn)確識別。但是在進(jìn)行預(yù)報時,只能對20m左右的巖溶隧道進(jìn)行預(yù)報,甚至在一些圍巖破碎的環(huán)境下,只能預(yù)報15m的情況。如圖1中隧道上方和下前方會形成地震波反射,是因為巖體中存在的巖性變化帶和構(gòu)造破碎帶,其介質(zhì)的密度和其傳播彈性波 的速度乘積,與正常巖體介質(zhì)的密度和傳播彈性波的速度乘積具有明顯的 差別,像玻璃的背后附有水銀會反光一樣。巖體介質(zhì)的密度和傳播彈性波 的速度乘積物理學(xué)中稱為“聲阻抗”,巖體中界面兩側(cè)介質(zhì)“聲阻抗”的 差異越大,其界面上反射地震波的能力越強(qiáng),反之亦反。界面與隧道軸線交角不同,數(shù)據(jù)處理中提取的的反射波同相軸形態(tài)會表現(xiàn)出不同。

        圖1 隧道地震預(yù)報原理圖

        3.TSP 地震波反射探測法

        當(dāng)前,在各種巖溶隧道施工過程中,TSP(tunnel seismic prediction) 地震波反射法也是比較常用的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法,其主要針對一些不均勻的地質(zhì)環(huán)境來進(jìn)行地震波反射探測。在具體的應(yīng)用過程中,首先通過人工的手段在隧道中開挖側(cè)壁,從而形成排列相對比較規(guī)則的一些微型震源,這樣才能使地震波充分激發(fā)出來,然后呈現(xiàn)球面擴(kuò)散的形式,使地震波能夠朝向巖溶隧道工程的圍巖周邊進(jìn)行擴(kuò)散傳播,并且運(yùn)用接收器終端對地震波進(jìn)行接受,時刻反饋不良地質(zhì)體的相關(guān)波形數(shù)據(jù)(筆者在圖2中進(jìn)行了展示)。通過對反饋的地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),能夠詳細(xì)地觀察地震波向周邊的傳播速度、強(qiáng)度、延遲時間、波形以及傳播路徑,這樣能夠?qū)r溶隧道工程的圍巖地質(zhì)體進(jìn)行全面了解(具體的地震波數(shù)據(jù)采集方式如圖3所示)。針對某些特定的巖溶地區(qū),如果在掌子面的前方中出現(xiàn)一些溶洞,這些溶洞呈現(xiàn)平面形狀,那么運(yùn)用TSP地震波反射探測的方法,就能夠探測出溶洞的詳細(xì)情況。但是在溶洞中出現(xiàn)許多不規(guī)則的形狀,也就是巖溶溶洞中的巖石具有各種不同的差異化特征,那么在運(yùn)用TSP地震波反射探測方法時,就會變得比較困難。所以,在不同巖溶性質(zhì)的隧道工程施工中,需要充分結(jié)合實際情況,合理選擇應(yīng)用綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法,發(fā)揮TSP方法的應(yīng)用優(yōu)勢,才能獲得準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報結(jié)果。

        圖2 TSP地震波反射探測法的應(yīng)用原理

        圖3 TSP地震波數(shù)據(jù)采集原理圖

        4.超前水平鉆孔法

        在綜合超前地質(zhì)預(yù)報工作中,通過運(yùn)用超前水平鉆孔法,也能夠準(zhǔn)確了解工程地質(zhì)情況,其主要通過鉆機(jī)在隧道的掌子面位置來進(jìn)行鉆探操作,并且結(jié)合相關(guān)的設(shè)計參數(shù)來執(zhí)行鉆探施工,筆者在圖4、5中把正道、輔助坑道超前水平鉆具體的布置方式進(jìn)行了展示,必須嚴(yán)格按照實際情況來采用科學(xué)、合理的設(shè)計方案,嚴(yán)格按照圖6中的實施流程來進(jìn)行超前水平鉆孔施工,才能能使超前水平鉆孔施工達(dá)到良好的檢測效果。通常在一些探測斷層、破碎帶、巖溶隧道、煤層瓦斯以及存在重大異常的位置應(yīng)用超前水平鉆探的方法,其中主要應(yīng)用取芯鉆或沖擊鉆等兩種不同的方式。在巖溶隧道施工中運(yùn)用超前水平鉆孔的方法,需要在掌子面的位置進(jìn)行均勻布孔,對于鉆孔的位置和角度進(jìn)行合理設(shè)計,這樣才能使探孔工作質(zhì)量有效提高。同時,作為施工技術(shù)人員,需要對鉆孔工作進(jìn)行全程跟進(jìn),及時進(jìn)行記錄,觀察鉆進(jìn)效率以及鉆孔的出水量,才能準(zhǔn)確地對工程地質(zhì)情況進(jìn)行判斷。通常應(yīng)用日本、意大利或北京地區(qū)生產(chǎn)的自行式履帶鉆機(jī)來進(jìn)行鉆孔探進(jìn),能夠加快鉆探操作速度,而且不會對施工現(xiàn)場造成較大的影響。

        圖4 正洞開挖超前水平鉆孔設(shè)計圖

        圖5 輔助坑道開挖超前水平鉆孔圖

        圖6 超前水平鉆實施流程圖

        三、結(jié)語

        綜上所述,在巖溶隧道工程施工中,地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)雷達(dá)法、TSP地震波反射探測法以及超前水平鉆孔法作為應(yīng)用比較普遍的幾種綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法,必須充分結(jié)合工程地質(zhì)的實際情況,合理選擇應(yīng)用鉆探方法,才能獲得更加準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報結(jié)果,促進(jìn)巖溶隧道施工順利開展。

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