王 建 王麗君 馬建新 何 鑫
(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川成都 610072)
巖溶,即喀斯特(Karst),是水對可溶性巖石進(jìn)行以化學(xué)溶蝕作用為主,流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機(jī)械作用為輔的地質(zhì)作用,以及由這些作用所產(chǎn)生的現(xiàn)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(shè)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一,嚴(yán)重影響工程建設(shè)活動的進(jìn)度,危及工程建設(shè)安全和施工人員人身財產(chǎn)安全[3]。如已建成通車的宜萬鐵路全線在施工建設(shè)期共有巖溶隧道91座,其中重點巖溶隧道有五爪觀、野三關(guān)、大支坪、龍鱗宮、云霧山、馬鹿箐和齊岳山等[4]。其中,野三關(guān)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(fēng)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(chǎn)損失[5-7]。馬鹿箐隧道也是宜萬鐵路8座Ⅰ級風(fēng)險隧道之一,2006年1月21日在平導(dǎo)洞PDK255+978處揭穿大型溶洞導(dǎo)致突水突泥,水流通過橫通道由平導(dǎo)洞涌入正洞,導(dǎo)致正洞施工人員遇難,并沖出正洞淹沒洞外施工場地和設(shè)備物資,事后估算峰值涌水量達(dá)72×104m3/h,突水總量約18×104m3,造成了嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[8-11]。齊岳山隧道[12-13]和云霧山隧道[14-16]在施工建設(shè)過程中也都揭露出大規(guī)模溶洞,出現(xiàn)過較嚴(yán)重的突水突泥事故,對工程建設(shè)進(jìn)度造成嚴(yán)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(zhì)預(yù)報方法在巖溶隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用,為提前預(yù)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(yù)防技術(shù)措施提供了依據(jù)[17-18],為避免出現(xiàn)大規(guī)模突水事件提供了技術(shù)支撐。
綜上所述,突水事故是影響巖溶地區(qū)隧道建設(shè)施工安全的第一位因素,對隧道工程建設(shè)活動將產(chǎn)生重大影響。因此,在隧道建設(shè)前期勘察過程中應(yīng)加強(qiáng)巖溶地質(zhì)情況的調(diào)查,并在施工建設(shè)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(jìn)行超前預(yù)報并提出相應(yīng)的預(yù)警處治措施,以保證施工安全。
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(jìn)出口底板標(biāo)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(jìn)出口底板標(biāo)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(shè)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(jìn)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
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(zhì)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(jù)《貴州省區(qū)域地質(zhì)志》,項目區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺黔北臺隆遵義斷拱之貴陽復(fù)雜構(gòu)造變形區(qū)。
根據(jù)地質(zhì)調(diào)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(chǎn)狀86°∠42°,其上盤為上寒武統(tǒng)爐山組(∈3l)地層,地層產(chǎn)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(chǎn)狀265°∠20°,長興組(P2c)地層產(chǎn)狀305°∠20°,斷層帶附近吳家坪組(P2w)地層受斷裂構(gòu)造影響存在局部褶皺、巖體破碎,主要節(jié)理產(chǎn)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(chǎn)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(jù)洞身段地表露頭節(jié)理統(tǒng)計,巖體體積節(jié)理數(shù)為Jv=12 條/m3。
場區(qū)地表水較發(fā)育。隧道三棵樹端洞口東側(cè)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(cè)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(jù)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(jù)場區(qū)地層巖性及其組合特征、地下水賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征,將區(qū)內(nèi)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(qiáng),基巖裂隙水分布比較局限,富水性弱—中等。
區(qū)內(nèi)大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給源,補(bǔ)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(bǔ)給。區(qū)內(nèi)地下水徑流形式受地貌、巖溶、地質(zhì)構(gòu)造、水網(wǎng)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。
根據(jù)工程勘察資料,新街隧道場地不良地質(zhì)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(zhì)調(diào)查結(jié)果。
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(yuǎn)。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(cè),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(nèi)北側(cè)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(cè)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
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(nèi),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(yuǎn),可不予考慮。
圖3 新街隧道場地典型落水洞
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(shè)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(dāng)?shù)鼐用穹Q棺材洞,如圖4(b)所示,對其進(jìn)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(nèi)潮濕,局部位置存在點滴狀和淋雨狀出水;進(jìn)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(yuǎn)離新街隧道,對隧道建設(shè)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(xiàn)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?cè)绫?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(cè),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(jié),形成了發(fā)達(dá)的地下溶洞及管道網(wǎng)絡(luò)。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(fēng)險極高。在雨季強(qiáng)降雨作用下,地表水向地下水轉(zhuǎn)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(fēng)險將更高。因此,在隧道施工建設(shè)階段應(yīng)加強(qiáng)掌子面前方的溶洞探測,利用超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果指導(dǎo)隧道掘進(jìn)施工,以避免發(fā)生巖溶突水突泥事故。
通過前期地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)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(shè)產(chǎn)生較大風(fēng)險。為此,采用地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報方法,對新街隧道進(jìn)出口施工掌子面進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報工作。
超前地質(zhì)預(yù)報采用美國GSSI地質(zhì)雷達(dá),主機(jī)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(nèi)圍巖變化情況。下面將列舉典型探測結(jié)果進(jìn)行分析。
2019年7月21日采用地質(zhì)雷達(dá)對新街隧道進(jìn)口左幅進(jìn)行了掌子面前方超前地質(zhì)預(yù)報,預(yù)報起點里程為ZK48+710,預(yù)報長度為30 m,預(yù)報前方終點里程為ZK48+740。掌子面處測線布置和現(xiàn)場探測操作如圖6所示。通過掌子面現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn):掌子面揭露圍巖為灰色、灰黑色中等風(fēng)化灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀272°∠20°,巖質(zhì)較堅硬,節(jié)理裂隙較發(fā)育,腰部發(fā)育一條緩傾向右側(cè)夾泥裂隙,巖體較破碎,巖體整體呈裂隙塊狀結(jié)構(gòu),圍巖自穩(wěn)能力較差,掌子面整體濕潤(見圖7)。
圖6 地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報
圖7 隧道進(jìn)口ZK48+710掌子面圍巖現(xiàn)場情況
現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)后通過地質(zhì)雷達(dá)配套分析軟件RADAN7進(jìn)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(nèi)的地質(zhì)雷達(dá)圖像。經(jīng)過對地質(zhì)雷達(dá)圖像進(jìn)行分析和判釋,結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)觀察,得出如下結(jié)論:進(jìn)口左幅ZK48+710—ZK48+740預(yù)報區(qū)段圍巖為中等風(fēng)化灰?guī)r,巖質(zhì)較堅硬,雷達(dá)波形較紊亂,波形一致性差,由此可推測預(yù)報區(qū)段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎,預(yù)報區(qū)段前方10~20 m范圍內(nèi)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(dāng)隧道進(jìn)口左幅開挖到里程ZK48+727時,在掌子面右側(cè)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(nèi)黃色黏土充填,如圖9所示。
圖9 掌子面揭露的充填溶洞
2018年7月10日對新街隧道出口右幅進(jìn)行了掌子面前方超前地質(zhì)預(yù)報,預(yù)報起點里程為YK50+919,預(yù)報長度為30 m,預(yù)報前方終點里程為YK50+889。掌子面處測線布置同圖6(a),現(xiàn)場測試操作如圖10所示。通過掌子面現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn),新街隧道出口右幅YK50+919掌子面揭露圍巖為強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化灰?guī)r、泥灰?guī)r夾黃色黏土,巖質(zhì)較軟,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,結(jié)構(gòu)面充填黃色黏土,巖體整體呈鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu),圍巖自穩(wěn)能力差。
圖10 地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報現(xiàn)場測試
現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)后通過地質(zhì)雷達(dá)配套分析軟件RADAN7進(jìn)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(nèi)的地質(zhì)雷達(dá)圖像。經(jīng)過對地質(zhì)雷達(dá)圖像進(jìn)行分析和判釋,再結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)觀察,得出如下結(jié)論:隧道出口右幅YK50+919—YK50+889預(yù)報區(qū)段圍巖為強(qiáng)風(fēng)化—中等風(fēng)化灰?guī)r、泥灰?guī)r夾黃色黏土,巖質(zhì)較軟,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,圍巖自穩(wěn)能力差,預(yù)報區(qū)段前方1~3 m和18~30 m范圍內(nèi)溶蝕裂隙發(fā)育,18~22 m范圍內(nèi)可能發(fā)育溶洞,圍巖自穩(wěn)能力下降,但在3~18 m范圍內(nèi)巖體均勻性較好。
在后續(xù)掌子面開挖過程中,當(dāng)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(qiáng)風(fēng)化巖夾黃色黏土,巖體均勻性較好,但巖質(zhì)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(zhì)雷達(dá)圖像
圖12 掌子面揭露圍巖情況
通過上述兩例地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報典型案例可知:采用地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報方法對巖溶隧道進(jìn)行圍巖地質(zhì)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(jìn)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(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù),因而超前地質(zhì)預(yù)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(shù)措施。
(1)通過對新街隧道場地進(jìn)行地質(zhì)調(diào)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(shè)存在較大影響,具有一定的風(fēng)險性,需要在隧道掘進(jìn)施工過程中充分掌握開挖面附近圍巖的地質(zhì)情況,以免發(fā)生巖溶突水突泥事故;
(2)采用地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報方法對新街隧道進(jìn)出口掌子面圍巖情況進(jìn)行地質(zhì)超前探測,以新街隧道進(jìn)口左幅ZK48+710和出口右幅YK50+919為例,結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)圖像解析結(jié)果和掌子面前方預(yù)報區(qū)開挖揭露圍巖情況,驗證了地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報方法在巖溶隧道圍巖地質(zhì)情況探測中的適用性。