廖煙開，李瑞林,唐進(jìn)才,唐俊林

(敘鎮(zhèn)鐵路有限責(zé)任公司，云南 威信 657999)

1 概述

隧道的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變,在巖溶瓦斯隧道開展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作對確保施工安全和進(jìn)度具有十分重要的作用。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào),是利用一定的技術(shù)和手段收集隧道所在巖體的有關(guān)資料,并運(yùn)用相應(yīng)的理論和規(guī)律對這些資料進(jìn)行分析、研究,從而對施工掌子面前方巖體情況或成災(zāi)可能性做出預(yù)報(bào)。但從總體來說,我國隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作處于起步階段,突出表現(xiàn)在既缺乏專職施工地質(zhì)隊(duì)伍,又不重視具體施工地質(zhì)工作[1]。為此,以成昆鐵路復(fù)線某巖溶隧道為研究對象,進(jìn)行綜合地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的應(yīng)用總結(jié),以期為后續(xù)施工積累經(jīng)驗(yàn)具有一定的指導(dǎo)意義。

2 預(yù)報(bào)方法和技術(shù)簡介

Q/CR 9217—2015鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程中明確要求[2]:對各種方法預(yù)報(bào)結(jié)果綜合分析、相互驗(yàn)證,提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。規(guī)程中明確規(guī)定了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有:地質(zhì)調(diào)查法、超前鉆探法(超前地質(zhì)鉆探和加深炮孔)、物探法(彈性波反射法、電磁波反射法和高分辨直流電法)、超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)法。

除上述預(yù)報(bào)方法外,國內(nèi)專家學(xué)者也在積極探索其他方法,比如前期曾使用過的紅外探水法、巖體溫度法、陸地聲吶法等,還有近期提出的激發(fā)極化法等各類預(yù)報(bào)方法。每一種預(yù)報(bào)方法均有各自的優(yōu)、缺點(diǎn)和適用條件,應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)條件選擇適宜的方法,并采用多種方法相互結(jié)合、相互驗(yàn)證、相互補(bǔ)充,提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1。

表1 超前預(yù)報(bào)方法優(yōu)缺點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

成昆復(fù)線某巖溶瓦斯隧道設(shè)計(jì)為單洞雙線隧道,全長5 115 m。洞身存在斷層、巖溶、煤線和有毒有害氣體等不良地質(zhì)。隧道最大埋深275 m。

1)地形地貌及地質(zhì)構(gòu)造。

隧區(qū)屬中山地貌,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,受多期地質(zhì)構(gòu)造影響,斷裂發(fā)育,巖體破碎,隧道通過區(qū)的主要斷裂如下:

a.上半坡斷層：為一近北西向的區(qū)域性大斷裂,為壓扭性深斷裂,為傾向東北的逆斷層,傾角約為60°,斷層破碎帶寬度約為100 m,以斷層角礫為主。隧道于D3K524+260附近與上半坡斷裂相交,交角約為50°,隧道區(qū)內(nèi)斷層上盤為二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖,下盤為寒武系砂巖。

b.楊家坪斷層:為一推測平移斷層,斷層走向約為N70°W,隧道于D3K524+120附近與該斷裂相交,交角約為70°,位于隧道洞身段,斷層破碎帶不明顯。

2)水文地質(zhì)。

a.地表水。

隧區(qū)內(nèi)地表水主要為溝水,水量隨季節(jié)性變化較大,主要接受大氣降水補(bǔ)給,雨季水量較大,旱季多干涸。

b.地下水。

節(jié)理、裂隙較發(fā)育,白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r巖溶發(fā)育,含有較大的巖溶水和一定量的基巖裂隙水。

3)不良地質(zhì)。

隧道穿越的不良地質(zhì)包括:巖溶、煤層瓦斯、放射性、第三系昔格達(dá)地層。

a.巖溶。

隧道洞身于D2K524+580～D2K525+300附近穿越寒武系白云巖夾白云質(zhì)灰?guī)r、二疊系下統(tǒng)棲霞—茅口組灰?guī)r,為巖溶強(qiáng)烈發(fā)育地段。隧區(qū)灰?guī)r區(qū)內(nèi)發(fā)育的巖溶形態(tài)主要有溶溝、溶槽、落水洞、溶孔、溶隙、溶洞、暗河及洼地等,屬熔巖強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。

b.煤層瓦斯。

隧道區(qū)內(nèi)含煤地層主要為二疊系下統(tǒng)梁山組,位于D2K524+900～D2K525+000段內(nèi),該煤層地層及煤層厚度均較薄,煤層總體穩(wěn)定性比較差,煤層頂板為碳酸鹽巖,溶蝕現(xiàn)象明顯,瓦斯封閉條件較差,施工時(shí)做好瓦斯檢測和通風(fēng)。

c.放射性。

隧道下伏基巖為二疊系上統(tǒng)玄武巖,通過對隧道深孔放射性測井測試與計(jì)算,施工中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測和防護(hù),同時(shí)隧道棄渣需妥善處理并做好防護(hù)。

4)第三系昔格達(dá)地層。

DK520+425～DK520+540，DK522+700～DK523+340和DK525+350～DK525+540為昔格達(dá)地層,屬易滑地層,隧道開挖易產(chǎn)生掉塊、坍塌甚至塌頂?shù)任：Α?/p>

3.2 巖溶段綜合預(yù)報(bào)方法的應(yīng)用

1)物探法。

a.地震波反射法。

在隧道D2K525+301左右邊墻位置各布置一個(gè)地震波信息接收孔,孔徑為50 mm,右邊墻一側(cè)孔深約1.72 m,孔高約1.61 m;左邊墻一側(cè)孔深約為1.81 m,孔高約為1.61 m。在D2K525+294～D2K525+262段的右邊墻,按約0.5 m的間距布置20個(gè)激發(fā)孔分別激發(fā)地震波,孔徑約40 mm,孔深1.32 m～1.49 m不等,每個(gè)激發(fā)孔向下傾斜約5°;第1號～第6號激發(fā)孔裝填的藥量約70 g,第7號～第20號激發(fā)孔裝填的藥量約50 g。隧道D2K525+258.9～D2K525+130段TSP預(yù)報(bào)成果見表2。

表2 隧道D2K525+258.9～D2K525+130段TSP成果表

b.地質(zhì)雷達(dá)法。

雷達(dá)探測每開挖25 m做一次,搭接5 m,探測采用了SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá),100 MHz天線,在掌子面布設(shè)橫向兩條測線進(jìn)行探測。

掌子面測線布置示意如圖1所示。

預(yù)報(bào)掌子面里程為D2K525+255,預(yù)報(bào)里程范圍為D2K525+255～D2K525+225段(即掌子面開挖方向30 m),隧道D1K523+255掌子面雷達(dá)探測頻譜見圖2。預(yù)報(bào)結(jié)論如下:

D2K525+255～D2K525+245段(掌子面前方0 m～10 m)電磁波反射波信號能量較強(qiáng),波形畸變明顯,推斷圍巖整體維持掌子面現(xiàn)狀,巖體破碎,巖質(zhì)較軟,節(jié)理裂隙發(fā)育,溶蝕裂隙發(fā)育,圍巖滲水或局部存在軟弱夾層,圍巖穩(wěn)定性差。

D2K525+245～D2K525+234段(掌子面前方10 m～21 m)電磁波反射波信號能量較弱,波形畸變較弱,推斷巖體較破碎,溶蝕裂隙較發(fā)育,巖質(zhì)較硬,圍巖濕潤,圍巖穩(wěn)定性較差。

D2K525+234～D2K525+225段(掌子面前方21 m～30 m)電磁波反射波信號能量較強(qiáng),波形畸變明顯,推斷巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖質(zhì)較軟,圍巖穩(wěn)定性差,圍巖滲水或局部存在軟弱夾層。

建議施工過程中加強(qiáng)支護(hù)措施,做好防排水,并采用加深炮孔和超前地質(zhì)鉆探對該段圍巖的破碎情況、含水量及巖溶發(fā)育程度做進(jìn)一步探測。

c.瞬變電磁法。

探測工作采用了加拿大GEONICS公司生產(chǎn)的PROTEM-47型瞬變電磁儀。測試上臺階掌子面為D2K525+239,中臺階里程為D2K525+245,在距離中臺階掌子面10 m(即里程D2K525+255)處,布置1個(gè)發(fā)射線框,掌子面布置一條測線,測線上每0.5 m 1個(gè)測點(diǎn),通過移動(dòng)接收線圈,形成1條實(shí)測剖面。

探測時(shí)測線布置在中臺階D2K525+245位置上,預(yù)報(bào)范圍為掌子面前方21 m～95 m(即D2K525+224～D2K525+150段),結(jié)合視電阻率剖面圖與前期地質(zhì)勘查情況,本次預(yù)報(bào)結(jié)論見表3。

表3 隧道D2K525+224～D2K525+150段瞬變電磁法解釋成果表

2)地質(zhì)法。

a.地質(zhì)編錄。

該隧道由出口向小里程方向掘進(jìn),隧道D2K525+240掌子面主要為厚層灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀N45°W/48°S。塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu),局部節(jié)理面呈黃褐色,有溶蝕現(xiàn)象,節(jié)理間夾泥,潮濕,少量滲水,主要發(fā)育一組節(jié)理裂隙,節(jié)理產(chǎn)狀N30°W/48°N,節(jié)理間距20 cm～50 cm,層間發(fā)育,延伸較短,開張型,局部最大張開寬度1 cm。隧道D2K525+240掌子面典型照片見圖3。

b.地質(zhì)鉆探。

地質(zhì)鉆探主要為加深炮孔和超前水平鉆孔,布置加深炮孔5孔,深度為5 m～6 m,搭接不少于1 m;超前水平鉆孔每次布置3個(gè)鉆孔,鉆孔深度30 m,鉆孔位置分部位于掌子面的上部、左側(cè)和右側(cè),盡量靠近掌子面輪廓線,超前水平鉆孔的終孔位置應(yīng)超出隧道開挖輪廓以外5 m～8 m。隧道于D2K525+240掌子面開始連續(xù)施作加深炮孔和超前水平鉆孔。

隧道掌子面施工超前水平鉆孔圖見圖4。

綜合加深炮孔和超前鉆孔得出結(jié)論:前方D2K525+190～D2K525+160段鉆進(jìn)過程中存在卡鉆和突進(jìn)現(xiàn)象,鉆孔沖洗液呈黃褐色,夾泥,有小股狀流水,分析認(rèn)為前方該段巖體破碎～較破碎,巖質(zhì)較軟,圍巖整體穩(wěn)定性差。地下水較發(fā)育,溶蝕裂隙較發(fā)育或存在軟弱夾層。

c.綜合預(yù)報(bào)結(jié)論分析及建議。

綜合以上預(yù)報(bào)的成果,對該隧道出口段(巖溶)提出以下施工建議:

根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料以及現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查,前家山隧道出口段為巖溶發(fā)育區(qū),局部巖體破碎,節(jié)理發(fā)育且夾泥,尤其在D2K525+189～D2K525+140段,圍巖巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,部分裂隙夾泥,局部發(fā)育空腔,極易發(fā)生巖溶風(fēng)險(xiǎn)[4-6]。

針對超前地質(zhì)預(yù)報(bào)異常段落,建議采用超前水平鉆探(3孔,取芯)+加深炮孔(5孔)對圍巖完整性、巖溶及地下水發(fā)育情況進(jìn)行核實(shí),每次超前鉆孔的長度不小于30 m,并做好鉆孔記錄形成超前水平鉆孔報(bào)告[7-10]。

對掌子面開挖作業(yè)人員關(guān)于“臨近隧道內(nèi)不良地質(zhì)體(巖溶)的前兆標(biāo)志”相關(guān)知識的培訓(xùn)工作,并將“臨近隧道內(nèi)不良地質(zhì)體(巖溶)的前兆標(biāo)志”制作成信息提示牌掛于開挖臺架上。同時(shí)根據(jù)掌子面揭示情況,動(dòng)態(tài)調(diào)整原設(shè)計(jì)圖紙中的預(yù)報(bào)方法,采用多種預(yù)報(bào)方法相結(jié)合,增加預(yù)報(bào)頻次,探明前方巖溶發(fā)育情況[11-12]。

根據(jù)超前地質(zhì)鉆孔揭露情況,建議巖溶異常發(fā)育段上報(bào)設(shè)計(jì)調(diào)整為拱部φ76中管棚或大管棚,環(huán)向間距0.4 m;并套打拱部φ42小導(dǎo)管,環(huán)向間距0.4 m,每環(huán)46根,每根長度4.5 m,縱向3.2 m一環(huán),防止拱部坍塌和突泥等事故的發(fā)生。

開挖時(shí)按設(shè)計(jì)開挖工法施工,根據(jù)相關(guān)規(guī)范控制臺階長度,確保管棚及超前小導(dǎo)管注漿飽滿,及時(shí)做好初期支護(hù)和鎖腳錨桿施工,盡早實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)與臨時(shí)仰拱(仰拱)的封閉成環(huán),確保初期支護(hù)的穩(wěn)定。

鑒于隧道出口端巖溶發(fā)育,應(yīng)采用物探手段探測隧道周邊圍巖情況,重點(diǎn)檢查拱部、側(cè)邊墻及基底下方5 m范圍內(nèi)是否有隱伏溶洞、溶槽等。

4 綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的管理

針對現(xiàn)場實(shí)際存在的問題,進(jìn)行了認(rèn)真分析總結(jié)并提出如下解決思路:

1)建設(shè)單位成立專家組有針對性的開展專題研究和技術(shù)攻關(guān);為隧道施工提供專項(xiàng)咨詢服務(wù),通過對超前預(yù)報(bào)方法、成果的研判,對隧道施工潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判評估,進(jìn)而指導(dǎo)隧道施工。

2)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理,保證超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果的準(zhǔn)確性,超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作按照“季計(jì)劃、月調(diào)整、據(jù)實(shí)變、再實(shí)施”的原則進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。

3)加強(qiáng)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管理,按照“宏觀管方案、微觀管安全”的原則進(jìn)行管控。宏觀上管控整座隧道的風(fēng)險(xiǎn)級別、風(fēng)險(xiǎn)評估、施工方案和應(yīng)急預(yù)案;微觀上管控隧道施工當(dāng)月風(fēng)險(xiǎn)、每周風(fēng)險(xiǎn)、當(dāng)班風(fēng)險(xiǎn)、每道工序、每循環(huán)開挖的風(fēng)險(xiǎn)。

4)設(shè)計(jì)院地質(zhì)、隧道專業(yè)人員對每一期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果進(jìn)行審核并提出有效的建議和意見。施工單位作為地質(zhì)預(yù)報(bào)成果的應(yīng)用單位,加強(qiáng)對成果的分析和對比驗(yàn)證,并將成果準(zhǔn)確性納入對超前地質(zhì)預(yù)報(bào)單位的考核。

5)要求預(yù)報(bào)單位的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論和建議措施的用語須嚴(yán)謹(jǐn)、準(zhǔn)確;建議措施應(yīng)“對癥下藥”,具有針對性;建議措施中慎重使用超前水平鉆、超前探孔,鉆探措施滿足實(shí)際需要即可。盡量避免為規(guī)避責(zé)任,提出超出實(shí)際需要的措施或模糊的成果結(jié)論,預(yù)報(bào)成果應(yīng)對施工具有切實(shí)有效的指導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

1)通過多種手段、多種方法相結(jié)合的綜合預(yù)報(bào)技術(shù)在巖溶隧道的探測和預(yù)報(bào)中取得不錯(cuò)效果。

2)巖溶隧道由于地質(zhì)復(fù)雜性,其巖溶發(fā)育規(guī)律通常難以把握,預(yù)報(bào)預(yù)測過程需要循序漸進(jìn)、動(dòng)態(tài)調(diào)整、反復(fù)認(rèn)識并多種方法相互驗(yàn)證以提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率,隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段和方法不能一成不變或一勞永逸,需要在施工過程中不斷增加和調(diào)整,以達(dá)到降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn),確保施工安全的目的。

3)除了需加強(qiáng)技術(shù)方面的水平,動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)報(bào)方法,不斷總結(jié)和驗(yàn)證,提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率外,綜合預(yù)報(bào)的管理方面的水平也需要不斷的加強(qiáng),參建各方高度重視,將預(yù)報(bào)真正納入工序管理。

4)通過不斷的實(shí)施及驗(yàn)證,從技術(shù)和管理兩方面著手,通過發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的思路,使地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的效果及準(zhǔn)確率不斷提高,切實(shí)起到指導(dǎo)施工的作用。