綜合超前預報技術在某巖溶瓦斯隧道中的應用

廖煙開，李瑞林,唐進才,唐俊林

(敘鎮鐵路有限責任公司，云南 威信 657999)

1 概述

隧道的工程地質和水文地質條件復雜多變,在巖溶瓦斯隧道開展超前地質預報工作對確保施工安全和進度具有十分重要的作用。隧道超前地質預報,是利用一定的技術和手段收集隧道所在巖體的有關資料,并運用相應的理論和規律對這些資料進行分析、研究,從而對施工掌子面前方巖體情況或成災可能性做出預報。但從總體來說,我國隧道超前地質預報工作處于起步階段,突出表現在既缺乏專職施工地質隊伍,又不重視具體施工地質工作[1]。為此,以成昆鐵路復線某巖溶隧道為研究對象,進行綜合地質超前預報技術的應用總結,以期為后續施工積累經驗具有一定的指導意義。

2 預報方法和技術簡介

Q/CR 9217—2015鐵路隧道超前地質預報技術規程中明確要求[2]:對各種方法預報結果綜合分析、相互驗證,提高預報的準確性。規程中明確規定了超前地質預報方法有:地質調查法、超前鉆探法(超前地質鉆探和加深炮孔)、物探法(彈性波反射法、電磁波反射法和高分辨直流電法)、超前導坑預報法。

除上述預報方法外,國內專家學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極化法等各類預報方法。每一種預報方法均有各自的優、缺點和適用條件,應根據不同的地質條件選擇適宜的方法,并采用多種方法相互結合、相互驗證、相互補充,提高預報準確率。各種方法的優缺點詳見表1。

表1 超前預報方法優缺點統計表

3 工程應用實例

3.1 工程概況

成昆復線某巖溶瓦斯隧道設計為單洞雙線隧道,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。隧道最大埋深275 m。

1)地形地貌及地質構造。

隧區屬中山地貌,地質構造復雜,受多期地質構造影響,斷裂發育,巖體破碎,隧道通過區的主要斷裂如下:

a.上半坡斷層：為一近北西向的區域性大斷裂,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°,隧道區內斷層上盤為二疊系上統峨眉山玄武巖,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。

a.地表水。

隧區內地表水主要為溝水,水量隨季節性變化較大,主要接受大氣降水補給,雨季水量較大,旱季多干涸。

b.地下水。

節理、裂隙較發育,白云質灰巖、灰巖巖溶發育,含有較大的巖溶水和一定量的基巖裂隙水。

3)不良地質。

隧道穿越的不良地質包括:巖溶、煤層瓦斯、放射性、第三系昔格達地層。

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灰巖、二疊系下統棲霞—茅口組灰巖,為巖溶強烈發育地段。隧區灰巖區內發育的巖溶形態主要有溶溝、溶槽、落水洞、溶孔、溶隙、溶洞、暗河及洼地等,屬熔巖強烈發育區。

b.煤層瓦斯。

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

c.放射性。

隧道下伏基巖為二疊系上統玄武巖,通過對隧道深孔放射性測井測試與計算,施工中應加強監測和防護,同時隧道棄渣需妥善處理并做好防護。

4)第三系昔格達地層。

DK520+425～DK520+540，DK522+700～DK523+340和DK525+350～DK525+540為昔格達地層,屬易滑地層,隧道開挖易產生掉塊、坍塌甚至塌頂等危害。

3.2 巖溶段綜合預報方法的應用

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地震波信息接收孔,孔徑為50 mm,右邊墻一側孔深約1.72 m,孔高約1.61 m;左邊墻一側孔深約為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個激發孔分別激發地震波,孔徑約40 mm,孔深1.32 m～1.49 m不等,每個激發孔向下傾斜約5°;第1號～第6號激發孔裝填的藥量約70 g,第7號～第20號激發孔裝填的藥量約50 g。隧道D2K525+258.9～D2K525+130段TSP預報成果見表2。

表2 隧道D2K525+258.9～D2K525+130段TSP成果表

b.地質雷達法。

雷達探測每開挖25 m做一次,搭接5 m,探測采用了SIR-3000型地質雷達,100 MHz天線,在掌子面布設橫向兩條測線進行探測。

掌子面測線布置示意如圖1所示。

預報掌子面里程為D2K525+255,預報里程范圍為D2K525+255～D2K525+225段(即掌子面開挖方向30 m),隧道D1K523+255掌子面雷達探測頻譜見圖2。預報結論如下:

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,波形畸變明顯,推斷圍巖整體維持掌子面現狀,巖體破碎,巖質較軟,節理裂隙發育,溶蝕裂隙發育,圍巖滲水或局部存在軟弱夾層,圍巖穩定性差。

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,溶蝕裂隙較發育,巖質較硬,圍巖濕潤,圍巖穩定性較差。

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,波形畸變明顯,推斷巖體破碎,節理裂隙發育,巖質較軟,圍巖穩定性差,圍巖滲水或局部存在軟弱夾層。

建議施工過程中加強支護措施,做好防排水,并采用加深炮孔和超前地質鉆探對該段圍巖的破碎情況、含水量及巖溶發育程度做進一步探測。

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個發射線框,掌子面布置一條測線,測線上每0.5 m 1個測點,通過移動接收線圈,形成1條實測剖面。

探測時測線布置在中臺階D2K525+245位置上,預報范圍為掌子面前方21 m～95 m(即D2K525+224～D2K525+150段),結合視電阻率剖面圖與前期地質勘查情況,本次預報結論見表3。

表3 隧道D2K525+224～D2K525+150段瞬變電磁法解釋成果表

2)地質法。

a.地質編錄。

該隧道由出口向小里程方向掘進,隧道D2K525+240掌子面主要為厚層灰巖,巖層產狀N45°W/48°S。塊狀鑲嵌結構,局部節理面呈黃褐色,有溶蝕現象,節理間夾泥,潮濕,少量滲水,主要發育一組節理裂隙,節理產狀N30°W/48°N,節理間距20 cm～50 cm,層間發育,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.地質鉆探。

地質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個鉆孔,鉆孔深度30 m,鉆孔位置分部位于掌子面的上部、左側和右側,盡量靠近掌子面輪廓線,超前水平鉆孔的終孔位置應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論:前方D2K525+190～D2K525+160段鉆進過程中存在卡鉆和突進現象,鉆孔沖洗液呈黃褐色,夾泥,有小股狀流水,分析認為前方該段巖體破碎～較破碎,巖質較軟,圍巖整體穩定性差。地下水較發育,溶蝕裂隙較發育或存在軟弱夾層。

c.綜合預報結論分析及建議。

綜合以上預報的成果,對該隧道出口段(巖溶)提出以下施工建議:

根據勘察設計資料、超前地質預報資料以及現場實際調查,前家山隧道出口段為巖溶發育區,局部巖體破碎,節理發育且夾泥,尤其在D2K525+189～D2K525+140段,圍巖巖體破碎,節理裂隙發育,部分裂隙夾泥,局部發育空腔,極易發生巖溶風險[4-6]。

針對超前地質預報異常段落,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、巖溶及地下水發育情況進行核實,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告[7-10]。

對掌子面開挖作業人員關于“臨近隧道內不良地質體(巖溶)的前兆標志”相關知識的培訓工作,并將“臨近隧道內不良地質體(巖溶)的前兆標志”制作成信息提示牌掛于開挖臺架上。同時根據掌子面揭示情況,動態調整原設計圖紙中的預報方法,采用多種預報方法相結合,增加預報頻次,探明前方巖溶發育情況[11-12]。

根據超前地質鉆孔揭露情況,建議巖溶異常發育段上報設計調整為拱部φ76中管棚或大管棚,環向間距0.4 m;并套打拱部φ42小導管,環向間距0.4 m,每環46根,每根長度4.5 m,縱向3.2 m一環,防止拱部坍塌和突泥等事故的發生。

開挖時按設計開挖工法施工,根據相關規范控制臺階長度,確保管棚及超前小導管注漿飽滿,及時做好初期支護和鎖腳錨桿施工,盡早實現初期支護與臨時仰拱(仰拱)的封閉成環,確保初期支護的穩定。

鑒于隧道出口端巖溶發育,應采用物探手段探測隧道周邊圍巖情況,重點檢查拱部、側邊墻及基底下方5 m范圍內是否有隱伏溶洞、溶槽等。

4 綜合超前地質預報的管理

針對現場實際存在的問題,進行了認真分析總結并提出如下解決思路:

1)建設單位成立專家組有針對性的開展專題研究和技術攻關;為隧道施工提供專項咨詢服務,通過對超前預報方法、成果的研判,對隧道施工潛在風險進行預判評估,進而指導隧道施工。

2)加強超前地質預報管理,保證超前地質預報成果的準確性,超前地質預報工作按照“季計劃、月調整、據實變、再實施”的原則進行動態管理。

3)加強隧道施工風險管理,按照“宏觀管方案、微觀管安全”的原則進行管控。宏觀上管控整座隧道的風險級別、風險評估、施工方案和應急預案;微觀上管控隧道施工當月風險、每周風險、當班風險、每道工序、每循環開挖的風險。

4)設計院地質、隧道專業人員對每一期超前地質預報成果進行審核并提出有效的建議和意見。施工單位作為地質預報成果的應用單位,加強對成果的分析和對比驗證,并將成果準確性納入對超前地質預報單位的考核。

5)要求預報單位的超前地質預報結論和建議措施的用語須嚴謹、準確;建議措施應“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,鉆探措施滿足實際需要即可。盡量避免為規避責任,提出超出實際需要的措施或模糊的成果結論,預報成果應對施工具有切實有效的指導作用。

5 結論

1)通過多種手段、多種方法相結合的綜合預報技術在巖溶隧道的探測和預報中取得不錯效果。

2)巖溶隧道由于地質復雜性,其巖溶發育規律通常難以把握,預報預測過程需要循序漸進、動態調整、反復認識并多種方法相互驗證以提高預報的準確率,隧道超前地質預報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整,以達到降低隧道施工風險,確保施工安全的目的。

3)除了需加強技術方面的水平,動態調整預報方法,不斷總結和驗證,提高預報準確率外,綜合預報的管理方面的水平也需要不斷的加強,參建各方高度重視,將預報真正納入工序管理。

4)通過不斷的實施及驗證,從技術和管理兩方面著手,通過發現問題、分析問題和解決問題的思路,使地質超前預報的效果及準確率不斷提高,切實起到指導施工的作用。