壁板坡特長隧道巖溶發育特征與超前探測

鐘勇奇，王　薇，肖粵秀，楊新安

(1.中鐵五局集團第四工程有限公司，廣東韶關　512031;2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海　201804)

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壁板坡特長隧道巖溶發育特征與超前探測

鐘勇奇1，王薇2，肖粵秀2，楊新安2

(1.中鐵五局集團第四工程有限公司，廣東韶關512031;2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804)

摘要：巖溶是壁板坡隧道的主要不良地質類型，研究如何進行準確預報及分析巖溶發育特征，對隧道施工安全具有重要意義。根據實際揭露的巖溶，從縱向和橫向兩個方面，全面分析壁板坡隧道巖溶的發育特征，根據形狀將巖溶分為長條型、半球型和點孔型。介紹壁板坡隧道TSP、地質雷達、紅外探水及超前水平鉆探相結合的綜合預報方法，以左線某處溶洞為例，論證該綜合預報方法的準確性，證明是適用于特長隧道巖溶地質超前預報的可行方案。

關鍵詞：壁板坡隧道；巖溶；施工地質；地質預報；超前探測

1工程概況

壁板坡隧道是滬昆鐵路最長的鐵路隧道，是全線控制性工程之一。隧道全長14.756 km，最大埋深735 m，進口位于貴州盤縣紅果鎮上紙廠村，出口位于云南省富源縣后所鎮三丘田村。隧址區位于云貴高原云南與貴州接壤部位，西部地形較平緩，高原面貌保存完好，東部地形切割較強，形成山巒起伏的中山地貌。

隧道洞身穿過地層為石炭系下統大塘組(C1d)～三疊系下統永寧鎮組(T1yn1)，巖性以灰巖、白云巖、玄武巖和泥質白云巖為主，其中灰巖、白云巖、泥質白云巖屬于碳酸鹽類巖石，是西南地區發育巖溶的主要巖石類別。隧道沿線穿越多條斷層和節理，巖石破碎，裂隙發育，且該地區降雨充沛，地下水活躍，為隧址區巖溶發育提供了良好的條件[1]。

巖溶發育會削弱巖體的力學性質，破壞巖體的完整性，降低圍巖分級[2]。隧道穿越飽氣帶時，巖溶水會影響隧道頂、底板圍巖的穩定性，穿越飽水帶時，會發生涌水、突水等地質災害，腐蝕工程結構，影響施工安全等[3]。因此，采用綜合的地質預報方法，快速準確地預報隧道掘進前方的巖溶發育情況，具有重要的理論意義和工程實用價值。

2壁板坡隧道巖溶地質勘探與分析

在勘探階段，對隧址區的地表巖溶發育情況進行踏勘，分析鉆孔勘探結果和隧址區巖溶發育的水文地質條件，為判斷地下巖溶的發育程度及影響范圍提供依據。

2.1地表巖溶發育特征

隧址一帶主要為碳酸鹽巖地層，局部夷平面內發育大量巖溶洼地、巖溶漏斗、落水洞(圖1)。根據調查，洞內充填大量黏土及塊石，可見深度2～8 m，洞口植被發育較好，該區內古巖溶較發育，可能存在古巖溶管道，因此對鐵路工程選線、施工運營安全有重要影響。

圖1　隧址區地表巖溶洼地

2.2鉆探分析

壁板坡隧道除進出口淺孔外，洞身共布置11個深孔，其中DZ-BBPSD-06號孔揭示DK985+266處巖性為玄武巖夾凝灰巖，是玄武巖與灰巖的接觸帶段，巖體完整性差，力學強度低，且在雨季時，地下水位穩定在高程2 281 m，高出隧道高程307.6 m，DZ-BBPSD-3-07號孔揭示DK982+330處灰巖相對較完整，但節理非常發育，DZ-BBPSD-04號孔揭示DK983+415處水量較大，水能從孔口往外涌，具有承壓性。

根據鉆孔勘探，壁板坡隧道約有3.7 km范圍穿越峨眉山組地層及其與灰巖接觸帶，巖體物理力學性質差，穩定性較差，地下水受地表水影響較大，地下水位起伏較大，為巖溶發育提供較好的條件。

2.3巖溶地質分析

壁板坡隧道處于南盤江和北盤江的分水嶺地帶，地表分水嶺里程約為DK983+850，地下分水嶺與地表分水嶺基本一致，分水嶺南西(隧道出口段)地下水從北向南徑流，而北東(隧道進口段)則從南向北徑流。

分水嶺北東側為大面積厚層灰巖分布區，地勢相對較高，屬地下水的補給—徑流區。地下水由南向北徑流，地下水水力坡度大，徑流通暢，水循環交替迅速，以發育非均勻垂直巖溶為主，均勻性差，巖溶形態表現為數量較多的垂直巖溶個體形態，如巖溶洼地、落水洞。大氣降水通過地表巖溶迅速滲入地下，補給地下水。區內的巖溶洼地和落水洞多集中在區內的一級夷平面上的山間槽谷內，發育高程2 150～2 500 m，東西兩側均受隔水巖層限制，故地下水沿構造線方向總體由南向北運移，流出測區外。

3壁板坡隧道巖溶發育特征

壁板坡隧道巖溶發育的類型主要為溶洞，從縱向及橫向兩個方面進行分析，總結壁板坡隧道巖溶的發育特征。

3.1巖溶發育類型

地表巖溶形態一般分為溶溝(槽)、石芽、漏斗、溶蝕洼地、坡立谷、溶蝕平原等，地下巖溶形態一般分為落水洞(井)、溶洞、暗河、天生橋等[4-5]。這里主要討論壁板坡隧道的地下巖溶發育特征。

壁板坡隧道地下巖溶發育的主要類型為溶洞，溶洞開口近似圓形或長方形，直徑或寬度一般為2～5 m，深度為1～4 m，隨深度增加，寬度變窄，部分溶洞深度較深，無法測量。

3.2巖溶發育特征

3.2.1沿隧道縱向

根據實際揭露，左線遇到8處巖溶，各溶洞的位置見圖2，集中分布在進口段DK978+000～DK981+000的4 km范圍內，其中DK978+000～DK979+000內有7處溶洞。該段巖性主要為中厚層狀灰巖，節理裂隙較發育，局部圍巖含水或滲水，具備巖溶發育的條件。

圖2　左線巖溶沿縱向分布

3.2.2隧道揭示巖溶

溶洞的形狀主要有3種：一是長條型，開口形狀近似圓形或矩形，寬度隨深度增加而減??；二是半球型，溶洞形狀類似碗狀，開口一般呈圓形，深度較長條型?。蝗屈c孔型，溶孔一般有涌砂或涌水，水流具有一定的壓力，在雨季，出水量有較大幅度的增長。

壁板坡隧道典型溶洞的特征[6-7]、照片及相對于洞身的位置示意見表1。

表1　左線揭示1～6號巖溶特征

4巖溶超前探測與預報

在施工階段，巖溶引發的涌砂、涌水等災害對隧道施工安全威脅大，由于地質條件的復雜多變性及各種探測方法的局限性，采用單一探測方法難以實現對巖溶的準確預報，為此，需根據各種超前地質預報方法的特點，采用綜合的預報技術，以實現較精準預報，保障隧道施工安全。

4.1預報方法及其組合

超前地質預報技術主要分為兩大類：鉆孔探測(直接法)和地球物理探測法(間接法)[8]。鉆孔探測主要是超前水平鉆探法和工作面淺孔鉆探，地球物理探測法包括TSP預報法、地質雷達、紅外探水等。對壁板坡隧道超前預報中采用的幾種探測方法說明如下。

(1)TSP

TSP預報法屬于多波多分量高分辨率地震反射法[9]。地震波在設計的震源點用小量炸藥激發產生。當地震波遇到巖石波阻抗差異界面(如斷層、破碎帶和巖性變化等)時，一部分地震信號反射回來，一部分信號透射進入前方介質。反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收。數據通過TSP win軟件處理，便可探測出隧道工作面前方不良地質體的性質、位置及規模。

(2)地質雷達

地質雷達是利用發射天線發射高頻電磁波，經目標體反射后被接收天線接受，形成雷達圖像。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性參數及幾何形態而變化。根據接收波的旅行時間、幅度與波形資料，可推斷介質的結構和形態特征[10]。

(3)紅外探水

紅外探水通過測量一定范圍內地質體輻射的紅外場強度，根據場強的變化規律預報前方可能出現的不良地質體的性質，尤其是含水體[11]。

(4)超前水平鉆探

超前水平鉆探是在工作面布設探孔，采用鉆機進行超前鉆探，根據鉆機在鉆孔過程中的推力、扭矩、鉆速、成孔難易及鉆孔出水情況確定前方的地層和特性[12]。

以上幾種探測方法的預報距離及優缺點見表2。

表2　探測方法對比

壁板坡隧道首先采用TSP進行長距離預報，其次對破碎帶、含水體采取地質雷達和紅外探水進行輔助探測，最后對影響較大的不良地質段進行超前水平鉆探，以此達到較精確定位、準確預報的目的。

4.2應用及效果評價

以DK978+317處溶洞為例，采用TSP、紅外探水和超前水平鉆探進行超前預報，各探測方法的預報結果如下。

(1)采用TSP對DK978+237～DK978+347段進行超前地質預報，其預報成果見圖3。根據圖譯，DK978+237～D1K978+300段圍巖較破碎，巖溶弱～中等發育，局部含水；DK978+300～DK978+347段圍巖較破碎～破碎，節理裂隙發育，巖溶弱發育，弱富水，其中DK978+312～DK978+323段存在軟弱帶、溶蝕裂隙或溶洞。

圖3　DK978+237～DK978+347段TSP預報成果

(2)采用紅外探水對DK978+277～DK978+332段進行地質預報，紅外場強的變化值見圖4，曲線沿隧道開挖方向有上升趨勢，判定巖體含水。

圖4　紅外場強曲線

(3)采用地質雷達對DK978+292～DK978+322段進行預報，探測剖面見圖5，雷達電磁波無明顯強反射界面，局部振幅較強，頻率中等，推測該段圍巖較完整～較破碎，巖溶弱發育。

圖5　地質雷達探測剖面

(4)采用超前水平鉆探對DK978+285～DK978+319段進行預報，鉆孔速度及推進力隨深度變化曲線見圖6，鉆進特征為鉆孔速度慢、平穩、無跳動現象，偶爾出現卡鉆現象，巖層為灰巖，節理裂隙較發育，裂隙中充填少量黏土，巖質較破碎，終孔時有少量清水流出，水量為3 L/h。

綜上，判斷DK978+317處圍巖較破碎，節理裂隙發育，巖溶弱發育，弱富水，與實際揭露情況基本一致。TSP屬長距離預報方法，能進行長期預報；紅外探水能較準確地預報巖體含水情況，地質雷達能夠探測巖溶的形狀特征，但其探測距離有限。與物探方法相比，超前水平鉆探占用工作面，對施工影響較大，但對地層巖性、裂隙度、充填物及含水量的預測有較高的精確度。由此可見，綜合預報技術對準確預報巖溶的位置、形狀及富水程度顯得非常必要。

圖6　鉆孔速度及推進力隨深度變化曲線

5結語

(1)根據地表勘探、鉆孔探測及水文地質分析，巖溶是壁板坡隧道主要不良地質類型，對隧道選線設計、施工乃至運營安全有重要影響。

(2)壁板坡隧道巖溶集中在進口段DK978+000～ DK981+000內，巖溶類型主要是溶洞，其形狀主要有3種，一是長條型，開口形狀近似圓形或矩形，寬度隨深度增加而減?。欢前肭蛐?，溶洞形狀類似碗狀，開口一般呈圓形，深度較長條形小；三是點孔型，溶孔一般有涌砂或涌水，水流具有一定的壓力，在雨季，出水量有較大幅度的增長。

(3)壁板坡隧道采用TSP、紅外探水、地質雷達和超前水平鉆探相結合的綜合預報方法，具有較高的準確性，證明是適用于特長隧道巖溶地質超前預報的可行方案。

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Karst Features and Advanced Detection of Extra-long Bibanpo Tunnel

ZHONG Yong-qi1， WANG Wei2， XIAO Yue-xiu2， YANG Xin-an2

(1.The Fourth Engineering Corporation of China Railway No.5 Engineering Group， Shaoguan 512031; 2.The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering， Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 201804， China)

Abstract：Karst is one of the main unfavorable geology in the Bibanpo tunnel. It’s important to find out the way to forecast accurately karst development and analyze its features to ensure normal tunneling. Karst features are analyzed from vertical and horizontal aspects based on revealed caves. Those caves are classified by shape into three categories: strip， hemisphere and dot-hole. A comprehensive forecast method employing TSP， geological radar， infrared detection and advanced horizontal core drill is introduced. With reference to a cave in left line， the comprehensive forecast method is proved accurate and feasible to predict the geological conditions in extra-long tunnel．

Key words：Bibanpo tunnel; Karst; Construction geology; Geological forecast; Advanced detection

文章編號：1004-2954(2016)05-0098-05

收稿日期：2015-07-28

基金項目：中鐵五局集團科技研究開發計劃課題(2012005)

作者簡介：鐘勇奇(1975—)，男，高級工程師，1997年畢業于上海鐵道

中圖分類號：U452.1+1

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.021

大學鐵道工程專業。