超長炮孔法在復雜巖溶隧道地質超前探測中的應用

周柏林

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司,湖北武漢 430063)

隧道洞身巖溶的復雜性和隧道地質勘察工作的艱巨性,決定了地面勘察難以準確查明隧道洞身形態各異、分布不均的具體巖溶地質情況,存在隧道工程施工發生涌水突泥災害風險。隨著隧道工程施工安全和使用安全要求的提高,有必要重新審視隧道地質超前探測的理念,如:巖溶隧道地質超前探測除包括工作面前方外還應該包括工作面周邊的超前探測,特別是工作面前方和工作面周邊安全巖盤厚度范圍內的超前探測,直接關系到隧道的施工安全。如前方存在大型高壓富水溶腔時,應根據溶腔發育特征以及隧道的工程地質條件,確定隧道工作面與富水溶腔間的安全距離即安全巖盤厚度,在大于安全巖盤厚度的安全距離采取合理的工程措施對富水溶腔進行處理,使隧道施工安全順利進行。下面結合被稱為巖溶發育、地下水豐富、暗河系統發育、突水突泥的風險程度和工程處理難度為國內外罕見的宜萬鐵路復雜巖溶隧道工程超前探測中超長炮孔法應用實例,對超長炮孔法在巖溶隧道地質綜合超前探測中的應用進行探討。

1 超長炮孔法在巖溶隧道綜合超前探測中的應用

1.1 超長炮孔法簡介

在復雜巖溶隧道開挖施工中,必須保證施工工作面與前方不良地質體(溶腔、管道、暗河、斷層等)有一定厚度的安全巖盤。根據安全巖盤厚度剪切強度計算、安全巖盤厚度數值模擬預測分析得知,當Ⅱ、Ⅲ級圍巖水壓小于2 MPa或Ⅳ級圍巖水壓小于1.0 MPa時,安全巖盤厚度應采用3 m值。而控制施工工作面前方及洞身周圍留有3 m的安全巖盤,在隧道施工中的狹窄場地條件下最好的探測方法就是超長炮孔法。

超長炮孔法是采用風槍對工作面前方及周邊進行地質超前探測的一種方法,是對超前鉆探的一種補充,主要應用于隧道的地質復雜程度地段,其探測長度一般為5 m。

1.2 超長炮孔探測方案確定原則

超長炮孔探測方案確定原則:超長炮孔的孔數、間距、偏角等要素的選擇和布置,取決于開挖斷面尺寸、安全巖盤厚度和工作面前方及周邊地質復雜程度。

1.3 地質復雜地段超前炮孔探測方案

地質復雜地段超長炮孔探測指洞身在地下水位以下且巖溶、暗河、斷層發育或地面物探重大異常的地段(詳細探測),洞身在地下水位以上且巖溶、斷層發育或地面物探有較大異常的地段(重點探測)進行超長炮孔探測。

詳細探測超長炮孔方案:

假定隧道開挖斷面尺寸(探測面積)即開挖斷面外安全巖盤厚度尺寸面積為A(m2)、安全巖盤厚度為H(m),為使超長炮孔間距不大于安全巖盤厚度,超長炮孔孔數n的確定方法如下。

當超長炮孔采用等邊三角形排列時

當超長炮孔采用正方形排列時

將式(1)、式(2)合并得

(1)正洞超長炮孔孔數確定

假定安全巖盤厚度為3 m,正洞開挖斷面高9.5 m,寬6.8 m,開挖斷面探測面積(圖1中外虛線)135.9 m2,采用式(3)確定超長炮孔的孔數為17孔。

圖1 探測范圍示意(單位:m)

(2)正洞超長炮孔的布置

為使超長炮孔探測隧道工作面前方和工作面周邊安全巖盤厚度范圍的地質情況,超長炮孔除部分探測前方的不良地質外,在工作面周邊采用了向外以20°～40°的角度外插。

為提高超長炮孔探測隧道工作面前方和工作面周邊安全巖盤厚度范圍不良地質體的有效性,超長炮孔采用兩循環交錯向前布置,第一循環超前長炮孔17孔,中間5孔為水平孔,其余各孔以20°、40°角度外插(如圖2中黑實心);第二循環超前長炮孔17孔,中間6孔為水平孔,其余各孔以20°、40°角度外插(見圖2)。布孔要素見表1。

(3)平導超前炮孔孔數確定

假定安全巖盤厚度為3 m,平導開挖斷面高4.5 m,寬4.0 m,開挖斷面探測面積94.3 m2,采用式(3)確定超長炮孔的孔數為12孔。

圖2 超長炮孔布置示意(單位:m)

表1 正洞全斷面開挖超長炮孔要素一覽

從圖2和表1可看出,超長炮孔探測工作面前方3.8～5.0 m,探測工作面前周邊3.2 m,使施工中工作面前方及周邊有安全距離(取3 m)的保護,這是地下水位以下巖溶隧道施工又一安全保證。

(4)平導超前炮孔的布置

平導超前炮孔的布置見圖3。

圖3 平導超長炮孔探測布置示意(單位:m)

1.4 重點探測地段超前炮孔探測方案

由于重點探測地段的施工風險程度沒有詳細探測地段施工風險程度大,主要存在塌方等施工風險,其超前炮孔探測方案只需在詳細探測基礎上進行修改。正洞采用12 孔方案 ,如圖2中的 1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、10、12 、13(黑實心)。

2 云霧山隧道DK244+558裂隙出水探測實例

云霧山隧道全長6 623 m,為單面上坡,隧道最大埋深800 m,是宜萬鐵路的一級風險隧道。隧道穿過白果壩背斜和白果壩斷裂,為寒武系下統天河板組灰巖、白云巖、溶崩角礫巖。區內發育白果壩暗河,大魚泉、小魚泉、惡水溪和洞灣管道流系統,預測最大涌水量8.9萬m3/d。

云霧山隧道DK244+470～DK244+570段,為詳細探測地段,在DK244+474工作面進行了超前TSP探測,探測結論:DK244+505～DK244+533破碎含水可能涌水,DK244+533～DK244+578較破碎含水,建議異常段沿起拱線以上布置5～6個超前長炮孔(半斷面)。該段采用的一孔超前水平鉆未發現巖溶異常。

按要求(如圖2)進行超前炮孔探測,DK244+498開始有少量裂隙水,DK244+556時圖中6號超前炮孔出水量很大,后在其工作面進行了8孔超前鉆探,確定了DK244+560～DK244+562含水裂隙管道(如圖4)。

圖4 DK244+560裂隙管道縱斷面

超前鉆孔孔內水壓監測顯示:旱季時水壓0.05 MPa、降雨(50 mm)12 h后水壓最大達到0.5 MPa,所有出水孔放水時最大水量9700 m3/d。

3 結束語

(1)超長炮孔法是短距離超前探測隧道前方及周邊巖溶管道、巖溶裂隙、巖溶洞穴及富水情況探測的主要手段,是復雜巖溶隧道特別是地下水位以下的隧道超前探測中必不可少的手段。

(2)超長炮孔法是對超前鉆探的一種補充,是巖溶隧道復雜地段施工的一種有效的防護裝甲,應每施工循環探測一次。

(3)超長炮孔具有設備輕便,探測時間短且具有直觀性,易于多孔同時進行探測的優點,與中、長距離超前鉆探結合使用,效果更好。

(4)超長炮孔其探測長度一般為5 m,其孔數和布置等要素應根據開挖斷面尺寸、安全巖盤厚度、地質復雜程度綜合分析確定。

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