隧道溶洞綜合超前預報技術研究

李 偉

0 引言

隧道施工超前預報就是利用一些儀器來探測隧道掌子面前方圍巖的地質構造、工程地質條件與水文地質條件等地質條件[1]。這樣看來,超前預報主要需要兩個方面的知識:物探知識與地質理論知識。而那些超前預報儀器只是探測掌子面前方圍巖中的異常情況,難以具體地判斷出是哪種地質災害,另外一些基于地質理論知識的超前預報方法,如地質素描法、工程地質綜合分析法等。單純地靠物探方法來預報隧道掌子面前方圍巖情況,由于地質基礎理論知識和地質工作經驗方面的欠缺,盲目相信探測結果,往往易導致預報結果對界面性質的判斷失誤或錯誤,而不進行界面產狀的修正又造成隧道掌子面前方界面距探測面所在位置距離不準。單純地靠地質理論知識與工作經驗來預報隧道掌子面前方圍巖地質情況,由于所掌握的物探知識有限,往往表現為對探測結果的茫然,而又固守于對地質條件的掌握和經驗,難以做出大膽的判斷。只有把兩者結合起來才能既提高超前預報的精度,又保證超前預報快速進行,少占用隧道施工時間,才是一種實用型綜合超前預報方法。

1 隧道綜合超前預報技術

超前地質預報是隧道信息化施工的有機組成部分,在隧道信息化施工中占有重要的地位。超前地質預報工作可以減少隧道地質災害的發生,降低隧道建設成本,保證隧道施工安全。建設單位根據超前地質預報成果組織協調各相關單位采取相應的工程處理方案;超前地質預報結果可為設計單位設計變更提供重要的參考,施工單位根據預報成果采取合理的施工方法及相應的工程應對措施;超前預報的準確性是其工程應用中的基礎。

現場隧道超前地質預報,是理論結合實際的重要步驟,也是超前預報技術應用于生產實踐的直接的體現。相對于TSP、超前地質鉆孔、紅外探水儀等超前地質預報方法而言,地質雷達探測和地質素描具有成本低、操作簡單、對施工干擾小等優點,既能保證超前預報準確性又便于操作,因而其具有廣泛的應用基礎。

綜合超前地質預報方法是以工程地質報告為基礎,主要是結合地質雷達探測與地質素描,同時參考現場監控量測的數據,對施工期間隧道掌子面前方的地質情況進行預報。該預報方法主要包括:地質素描、監控量測、洞內觀測及地質雷達探測四個方面,其中地質素描的主要任務是通過收集資料、現場地質素描宏觀地掌握掌子面前方及相關段圍巖巖性、地質構造及含水情況,監控量測的主要內容包括:地表下沉、拱頂下沉、水平收斂、圍巖內部位移、錨桿內力、圍巖接觸應力、鋼支撐內力等,洞內觀測主要內容包括:側墻觀測、拱頂拱腰觀測、圍巖級別觀測,地質雷達的作用是探測測線位置掌子面前方圍巖剖面圖。

2 溶洞綜合超前預報實例

從貴州晴隆隧道超前預報中挑選出典型溶洞實例,論述實用型結合超前預報方法在預報溶洞中的應用。

超前預報的具體里程為晴隆隧道右線進口YK83+371。掌子面情況:巖體巖性為微風化灰巖,底部夾有少量黃泥,層理發育明顯,巖層較薄,層厚約 0.2 m ～ 0.4 m,產狀為55°∠20°;節理發育,掌子面左右兩側各有一組節理,左側節理產狀 125°∠90°,右側節理產狀為125°∠86°,節理縫隙內均夾有黃泥;在掌子面上有多處滴水。隧道附近發現一些溶洞,據勘察資料記錄,此段溶巖發育。

采用瑞典MALA公司的RAMAC系列地質雷達采集到的數據,經過相應的雷達軟件Reflexw處理后,繪制出地質雷達深度剖面圖(見圖1)。

結合地質素描資料,可能初步推斷出:從掌子面(YK83+371)至其前方 30 m(YK83+401)范圍內,巖石巖性保持不變,為微風化灰巖,夾有少量石英巖與黃泥,層理發育明顯,節理發育,巖體整體性較好,在掌子面前方18 m(YK83+389)處,存在一微弱的電磁波反射面,推測在該處很可能為一裂隙或是一平行于掌子面的節理;在掌子面左側,從掌子面前方12 m(YK83+383)處至掌子面前方20 m(YK83+391)處,反射信號比信號規則且比較強烈,推測該范圍內含水量較高;在掌子面右側,從掌子面前方6 m(YK83+377)處至掌子面前方12 m(YK83+383)處,存在一寬度約1 m的電磁波強反射區,推測該處為一含水破碎帶,也可能為一含泥夾層或是溶槽。下面以圖2為例說明溶洞地質雷達圖像的解譯。從圖 1可看出,在100 ns～250 ns之間存在一個強反射區,且局部有較多的雙曲線型同相軸特征,250 ns以后,反射波強度較弱,但仍存在一些局部零星的小反射區。雖然存在著雙曲線型同相軸,但雙曲線型同相軸后續的反射波具有直線型同相軸的特征,可能是空洞內存在充填物的征兆。在500 ns以后,反射信號有增強的趨勢,只是受時間長度限制和電磁信號衰減的影響,在本次測量剖面上反映不明顯,在本段巖石暴露后應該進一步觀察下一區段巖石介質的雷達反射波特征。從地質雷達剖面結合工程地質條件,初步判斷掌子面前方存在較多大小不等的溶洞,溶洞內可能存在充填物。由于區域1中溶洞充填物吸收信號中高頻成分稍強些,可見其充填物中粘土或充填物含水量稍高于區域2的溶洞。后經開挖證實,左側溶洞內充填粘性土,右側溶洞內充填砂性土。

3 結語

巖溶與其周圍的介質存在著較明顯的物性差異,尤其是溶洞內的充填物與可溶性巖層之間存在的物性差異更明顯。這些充填物一般是碎石土、水和空氣等,這些介質與可溶性巖層本身由于介電常數不同形成電性界面。無疑探測出這個界面的情況,也就知道了巖溶的位置、范圍、深度等內容。當有巖溶發育時,反射波波幅和反射波組將隨溶洞形態的變化橫向上呈現出一定的變化。一般溶洞的反射波為低幅、高頻、細密波型,但當溶洞中充填風化碎石或有水時,局部雷達反射波可變強。溶蝕程度弱的石灰巖的雷達反射波組為高頻、低幅細密波;素填土的雷達反射波特征為低幅高頻短波長,同相軸較連續;雜填土中的雷達反射波具有強幅低頻,同相軸不連續的特點。

[1]何發亮,李蒼松,陳成宗.隧道地質超前預報[M].成都:西南交通大學出版社,2006.

[2]張建兵,陳永林.超前地質預報技術在隧道施工中的應用[J].山西建筑,2009,35(13):312-313.