岩溶地区隧道工程中地质预报的综合应用.pdf

岩溶地区隧道工程中地质预报的综合应用马慧勇(中铁二十三局集团第四工程公司)摘要：本文介绍了多种地质预报的综合运用，可以有效提高岩溶地区隧道工程的预报准确性。关键词：岩溶隧道；地质预报；综合应用中图分类号：U452．1+1文献标识码：B文章编号：1672-4011(2011)03—0141一02O前言在石灰岩地区修建隧道工程时，岩溶问题不容忽视且存在复杂性。对隧道通过地区进行地质勘查并做出预报显得尤为必要，而目前该领域常规采用的各种探测手段和方法都有各自的缺陷，对其采取综合运用可明显的提高预报的准确性，这在湖北沪蓉西高速公路岩湾隧道施工中得到了充分的体现。1探测预报概况岩溶形成的机理是地表水和地下水对可溶性岩层经过化学作用和机械破坏作用而形成的，其表观特征就是形成各种地表和地下溶蚀现象。虽然成因要素都相同，但由于自然气候、地质条件、时间作用等的不同，区域间的岩溶形态又有很大的不同。对隧道工程来说，需要对岩溶特别关注的是四个方面：其存在位置、规模和形态、对隧道产生的水患及坍塌病害、隧道形成后对原有岩溶系统的改变。为了探明上述关注的问题，目前在行业内普遍采用的方法有三种：，(1)TSP超前地质预报；(2)超前水平钻孑L；(3)红外探水。超前钻孔和红外探水易于掌握，操作简单且探测结果准确，但预报距离较短，且预报的范围小，象拱顶溶洞及隧道底深层溶洞等都无法探测到。为此在行业内也多次发生事故，比如装载机工作时隧道底板突然断裂，机械和人员坠入深层溶洞内；隧道修建后改变原有地下水流通道，洞顶溶洞汇水形成高压水包将已完衬砌压垮；等等的事例都是由于这些简易的探测存在较大的盲区，无法整体把握岩溶情况，造成血淋淋的教训。用TSP203地震波法进行探测可以将距离加大到100—200m，同时空间范围也增大，含盖了隧道四周。由于该设备是多点激发单点接受，数据可以充分修正校合，准确性理论上较高。但实际效果在行业内并不理想，都流传着这样的话：“物探物探，说了不算”。什么原因呢?首先操作上要求高，比如该方法的严格操作应该如下进行：在隧道边墙的同侧壁，以1．5111的间距钻24个爆破孔(s1一$24)，孔深1．5nl，孔径42mill，角度为向下10—150，高度为距隧道底面1m高。在隧道两侧，距第一个爆破孔(s1一S24)16—18m的范围内各钻1个传感器孑L，孔深2m，孔径50mm，角度为向上5—10。，高度为距隧道底面1Ill高。所有孔轴线向垂直于隧道轴向，且应保持通畅。在传感器孔和爆破孔全部钻好后，由测量班提供每个孔的三维坐标，同时用水平角度尺和钢尺测量每个孔的角度和深度，并记录下数据。但现场是搞施工而不是搞试验，往往工人实际操作中无法严格实现上述要求，同时装药量的多少会改变地震的能量，洞内的噪音等也会使数据失真，总之这种方法好比是个“娇气娃娃”，很容易受环境影响而“闹脾气”。可见目前哪种预报方法都有各自的适用性，但都存在缺陷，靠一己之力无法将地下情况勘察清楚，预报效果不理想。2地质预报的综合运用基于上述的分析，提出在岩溶地区隧道工程中采用地质预报综合应用的思路，同时引入传统的地质现场勘察，绘制地质图，并把现场踏勘及结果放在重要位置，指导其他物探手段的应用。下匿就结合在湖北沪蓉西高速公路岩溶隧道的实践，将该综合预报详细论述如下：2．1隧道工程概况岩湾隧道为变间距的四车道高速公路隧道，位于恩施市白果坝镇境内。隧道左线长2765．275m，右线长2773m，最大埋深约480m。隧道处于鄂西南褶皱山区，属构造侵蚀、溶蚀峰丛、槽谷地貌，山峰陡峻，河谷深切，隧道区自然斜坡坡角一般20一40。，溶沟、溶槽，漏斗、落水洞等岩溶微地貌发育。隧道区大部分基岩出露，沟谷、洼地及陡坎下覆盖有第四系残坡积层，基岩为奥陶系中下统南滓关组、分乡组灰岩、页岩和寒武系上统耗子砣群白云岩、灰岩。隧道区无常年流水，地表水相对比较贫乏，大气降水一般会很快顺坡面向洼地汇集，通过节理裂隙、溶洞、落水洞等进入地下，转入地下水系统。隧道区岩溶相当发育，岩溶形态更是复杂多样，有溶沟、溶隙(孔)、溶槽、溶洞、落水洞、岩溶漏斗、岩溶洼地等。岩溶发育将使隧道面临严重的渗水、涌水及涌泥灾害，同时围岩稳定性受岩溶影响也将大大降低，可造成隧道开挖过程中的塌方。2．2首先进行地质勘察，绘制隧道区域地质图该隧道施工前，和中国地质科学院岩溶所建立了技术合作关系，双方的专家一起对隧道区域内近4km2的地表进行了现场勘察，历时一周。对区域性的地质构造、地表奥陶系隔水层分布、地表洼地天坑的位置等都进行了详细的勘察，并绘制了地质图。通过现场资料和地质分析，整体 上对该隧道进行了地质预报：隧道全部位于地下水位以上100—150m的包气带中，地表洼地的汇水由奥陶系隔水层隔离，但局部有地质天窗，会以过路水的形式穿越隧道，隧道要穿越11处岩溶发育区，主要以渗水、坍塌掉块为主。这些勘察意见成为施工中的重要指导，使得进一步的勘察有了方向和重点。3利用TSP203地震波进行隧道远期预报探测。激发炮孑L及接受器埋设严格执行操作要求，并且每次炮眼内装药都在同级围岩内统一为60g，同时预报时隧道内停止一切工作，保持安静。24个爆破孔．孔深1．5m，圉1TSP203洞内数据采集示意图根据每次预报结果，对比实际开挖后揭露出来的实际地质情况，对相关数据进行修订，几次下来就掌握了规律，使预报准确率达到了70—80％。同时对地质勘察意见中确定的危险区域预报时格外加强(普通区域120m进行一次，危险区域80In一次)，对产生的数据分析格外仔细，寻找异常点。按此方法，一年来有6次微小溶洞都被探测捕捉到了，虽然小溶洞的危害对隧道不会产生较大影响，但其重要的意义在于证实了该方法有效的提高了TSP预报的准确度，为以后类似预报提供改进经验。4用红外探测仪预报地下水情况4．1该方法的原理由于分子的振动和转动，隧道中的岩体或水体，时刻都在有由内向外发射红外波段的电磁波，形成具有一定能量、动量、方向等信息的红外辐射场。当地质体中存在含水构造时，含水构造产生的红外场迭加在正常场上，形成异常场，根据异常场的特征来判断隧道岩体的含水特征。4．2具体方法在掌子面处，以2m间距用红油漆做好探测标记，分别用HY303仪器打出红色光斑，使之落在标记上。扣动仪器扳机分别读取探测值并做好记录，该隧道每30m探测一次。施工期间的地下水探测情况和前期地质勘察预报完全吻合：隧道出口的有水溶洞比隧道低200nl，隧道进口的地下水位比隧道低100m，整条隧道洞身处于地下水饱气带，枯水季节隧道施工不会发生大的有压稳定岩溶涌水。这也再次证明了传统地质学的研究手段在现代地下工程勘察预报中的巨大作用。5利用超前地质钻孔做短期预报在隧道开挖断面的中部，用水平钻机(LFl00)超前钻探1孔(见图2)，孔径76mm，每循环超前大于等于20m，若钻孑L出水，安装压力表和水表，测定地下水的压力和流量。在隧道开挖断面的拱顶、左边墙、右边墙用风枪钻3个(I)38mill的炮眼，炮眼深度5nl，依靠对钻孔速度的变化，判断前方围岩的变化。图2超前地质钻孔布置图6综合地质预报的效果综合物理探测手段的应用，效果明显，准确度大幅度提高，改变了“盲人摸象”似的被动工作思路，使所有工作人员感触最深的是传统地质学的魅力，对年轻工程师影响巨大；再有，该方法没有增加新的设备和投入，只是将施工单位都有的常规探测设备重新组织起来，经济效益明显。该综合预报中还得出以下几条经验：(1)在鄂西北山岭地区，地表奥陶系地层较薄，且极不完整，地质天窗现象明显，地质勘察时要特别注意，否则每一个不显眼的天窗区域都会成为隧道过路水的源头，其下往往都隐藏着溶蚀洞穴；(2)对于进出口位于V型河谷的隧道来说，岩溶地质的存在加剧了河谷卸荷作用。常规经验表明，V型河谷两侧卸荷破碎带范围一般为谷深的0．7倍，而在岩溶地区该范围可以扩大到5倍的谷深；(3)规范中对于溶洞存在区域的围岩分级没有规定，通过现场预报实践认为，按照围岩遇水降级的思路处理较为合适，即根据溶洞的规模、含水情况等综合因素将两倍溶洞跨度范围的隧道围岩降级1—2级，以此来确定隧道的支护和衬砌参数。7结束语该预报方法成功的在岩湾隧道中得到了应用，效果很好，被湖北沪蓉西高速公路指挥部在西线广泛推广，建设期间重大的地质灾害都被提前发现没有造成危害，取得了很好的社会效益和经济效益。[ID：6561]参考文献：[1]刘志刚，赵勇．隧道隧洞施工地质技术[M]．北京：中国铁道出版社，2001．[2]吴世林．隧洞超前地质预报的新方法一TSP【M]．北京：中国铁道出版社，2002．[3]吴泰然，何国琦．普通地质学[M]．北京：北京大学出版社，2003．