宜万铁路岩溶隧道溶腔的组合超前地质钻探技术

陈爱云(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉　430063)



宜万铁路岩溶隧道溶腔的组合超前地质钻探技术

陈爱云
(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉430063)

摘要:岩溶隧道突水突泥风险极大，超前地质钻探是直接、有效的预报方法，而对于超前地质钻探方法参数的研究较少。本文通过总结宜昌至万州铁路施工过程中所遭遇的岩溶溶腔类型及超前钻探经验，将岩溶溶腔划分为干溶腔、季节性有水溶腔和富水溶腔三种类型，并提出了相应的组合超前地质钻探方法。组合超前地质钻探方法主要是通过改变探孔A、探孔B和钎探孔的数量、布置方式等关键参数，对不同类型的溶腔形态进行探测。同时，对安全岩盘的留设厚度进行了数值分析，得出安全岩盘的留设厚度不应小于3 m。工程实践证明，组合超前地质钻探技术可显著提高溶腔预测的准确性。

关键词:宜万铁路超前地质钻探岩溶溶腔安全岩盘

宜万铁路全长377.128 km，共有隧道159座，桥梁253座，桥隧总长占线路全长的74%［1］。铁路沿线岩溶地区占线路长度的70%，地质条件之复杂国内外罕见，岩溶突水突泥问题尤其突出，安全风险极大［2-5］。

隧道施工遭遇岩溶腔体时，存在大规模突水、突泥、变形塌方等风险，对隧道内各种岩溶腔体准确超前探测是制约隧道工程建设成败的关键因素。目前国内超前地质预报的主要手段有物探法、地质分析法、超前钻探法及三者结合使用的综合地质分析法［6-8］。超前地质钻探作为超前地质预报手段中最直接、最直观、最有效的预报方法，在长大隧道施工预报中越来越显出其重要性［9］。本文分析不同类型岩溶溶腔超前钻探技术，为规避突水、突泥、变形塌方等重大地质风险提供安全预警，为隧道衬砌断面形式和支护参数的优化提供科学依据。

1　岩溶隧道类型划分

进行超前钻探时，均需要先根据地质勘测成果，综合分析判断隧道前方的岩溶发育情况及可能存在的地质风险，进行施工地质超前预报分级，并划分溶腔类型。溶腔类型对超前钻探方式具有决定性影响。

按隧道施工风险程度可将溶腔分为干溶腔、季节性有水溶腔和富水溶腔。干溶腔是指无论旱季还是雨季，溶腔内都没有明显的地下水流，其主要的风险为溶腔充填物易垮塌及溶腔壁的失稳，如宜万铁路鲁竹坝2号隧道610溶腔、龙麟宫隧道794溶腔等。季节性有水溶腔是指旱季时溶腔内基本无水，雨季或下雨后溶腔内水量较大，其主要风险是旱季时的溶腔充填物易垮塌及周边失稳引发塌方事故、雨季或下雨后溶腔突水、突泥。如宜万铁路红瓦屋隧道370溶腔、高阳寨隧道585溶腔等。富水溶腔是指无论旱季还是雨季一直有水，只是雨季时水量更大，其主要风险为突水、突泥、突块石，如宜万铁路马鹿箐隧道的978溶腔、云雾山隧道的617溶腔等。

2　干溶腔探测方法

2.1钻探方法

干溶腔超前钻探步骤:

①在掌子面朝拟开挖隧道方向钻超前探孔A，在钻孔过程中，当钻头钻穿溶腔后达完整基岩3～5 m时即停止钻探，或者当钻头钻到底之后仍没有钻穿溶腔时停止钻探。此处完整基岩是指结构面发育1组时平均间距＞1 m、或结构面发育2组时平均间距＞2 m的基岩，同时需结构面结合程度好、岩石呈整块或巨厚层状结构。

②沿掌子面朝拟开挖隧道方向钻钎探孔，然后在钎探孔安全岩盘的保护下向前挖掘隧道，钎探孔与挖掘隧道循环进行，直至钎探孔靠近探测到的溶腔边界时停止隧道掘进，此时隧道掌子面与溶腔边界之间的安全岩盘厚度为3～5 m。

③在预留的安全岩盘处掌子面朝拟开挖隧道方向钻探孔B并钻穿溶腔。

④在预留的安全岩盘掌子面处朝拟开挖隧道方向继续钻钎探孔，直至揭示溶腔。

⑤如果空溶腔过大，钻探孔B无法钻穿溶腔体，则钻钎探孔，并在采取安全措施的前提下揭示溶腔。

⑥综合分析后，形成超前地质预报成果。

2.2技术参数

在干溶腔超前钻探过程中，步骤①中探孔A只需1个即可，布置于掌子面中央(图1(a))，钻探最佳角度为0°～30°，最佳长度为30～100 m。探孔B有3个，其中1个位于掌子面的中轴线上，其它2个在掌子面中轴线两侧对称布置(图1(b))，最佳长度为15～30 m，钻探角度为0°～35°。

上述步骤②、步骤⑤和步骤⑥中，钎探孔均为5个，其中1个钎探孔位于掌子面的中轴线顶端，其它钎探孔位于掌子面边缘并沿中轴线对称分布(图1)，钎探孔最佳长度为4～7 m，钻探角度为0°～45°。

图1　干溶腔超前钻孔布置(实心为钻探孔，空心为钎探孔)

3　有水溶腔探测方法

3.1钻探方法

有水溶腔超前钻探施工步骤:

①有水溶腔的水压难以预料，在钻探前先做好钻孔出水的相关准备工作，防止钻孔水淹隧道，安装好孔口管;②在掌子面朝拟开挖隧道方向钻超前探孔A，钻至溶腔出水时即停止钻探;③对探孔A安装高压止水阀和压力表，监测钻孔内的水压变化情况后进行封孔处理;④沿掌子面朝拟开挖隧道方向钻钎探孔，然后在钎探孔安全岩盘的保护下向前挖掘隧道，钎探孔与挖掘隧道循环进行，直至钎探孔靠近探测到的溶腔边界时停止隧道掘进，此时隧道掌子面与溶腔边界之间的安全岩盘厚度为3～5 m;⑤安装孔口管，在预留的安全岩盘掌子面处朝拟开挖隧道方向钻探孔B，在钻探过程中当钻头钻穿溶腔后达完整基岩3～5 m时即停止钻探;⑥对探孔B安装高压止水阀和压力表，监测钻孔内的水压变化情况;⑦在预留的安全岩盘掌子面处朝拟开挖隧道方向继续钻钎探孔，直至钻穿溶腔，及时进行封孔处理;⑧对探孔B进行放水试验，综合分析确定岩溶水的静储量及动态补给量;⑨综合分析后，形成超前地质预报成果。

3.2技术参数

大量实践证明，在季节性有水溶腔地段，探孔A的孔数取3个即可满足要求;在富水溶腔地段，探孔A最佳个数为5个。其中1个探孔位于掌子面的中轴线上，其它探孔沿中轴线两侧对称分布(图2(a)、图3(a))。探孔A的最佳长度为30～100 m，最佳钻探角度为0°～30°。

图2　季节性有水溶腔超前钻孔布置(实心为钻探孔，空心为钎探孔)

图3　富水溶腔超前钻孔布置(实心为钻探孔，空心为钎探孔)

上述步骤⑤中，季节性有水溶腔布置6个探孔B;富水溶腔布置9个探孔B。探孔B的长度为15～30 m，钻探角度为0°～35°，具体位置见图2(b)和图3(b)。

上述步骤④和步骤⑦中，季节性有水溶腔钎探孔11个;富水溶腔钎探孔17个。钎探孔的长度4～7 m，在整个掌子面均匀分布，钎探孔的角度为0°～45°。

4　讨论

4.1组合超前地质钻探孔数

所谓组合超前地质钻探，是指探孔A、探孔B以及钎探孔组合控制的超前钻探。通过3种探孔共同探测大小不同、形状各异的岩溶溶腔。随着地质条件复杂程度增大，探孔A、探孔B以及钎探孔的数量按线性增加规律布置(表1)。钻孔位置在掌子面上遵循均匀布置的理念，孔与孔之间、孔与岩壁之间的距离尽可能相等，使钻孔利用率最大化。这种布置方式可以使超前钻探发现溶腔的概率增大，相应降低突水涌泥的风险。

表1　不同类型溶腔超前钻孔数量

4.2安全岩盘留设厚度

一般而言，无水溶腔的安全威胁相对较小，而有水溶腔安全威胁较大，如宜万铁路马鹿箐隧道的978溶腔，水压高达1.2 MPa，这就要求钻探时掌子面前方始终预留安全岩盘，保证水流不会冲破掌子面。安全岩盘的厚度可根据基于有限差分原理的数值仿真计算结果确定。

将隧道简化成直径10 m的圆柱形，根据对称性采用1/4模型。施以1.2 MPa的水压力，安全岩盘厚度分别设为2.0，3.0及4.0 m。灰岩计算采用摩尔—库伦本构方程，力学参数则根据文献［10］提供的数据(表2)确定。

表2　灰岩力学参数

计算得到的安全岩盘塑性区分布见图4。由图可见，随着安全岩盘厚度的增加，塑性区逐渐变小。当安全岩盘厚度为2 m时，塑性区贯通安全岩盘，表明水压会冲破安全岩盘;厚度为3 m时，塑性区并不能贯通安全岩盘，表明此时水压不会压坏安全岩盘;厚度为4 m时，安全岩盘未发生塑性变形，安全性更佳。因此，安全岩盘的厚度不应小于3 m。考虑到经济性，安全岩盘厚度取3～5 m较为合适。

图4　安全岩盘塑性区分布(白色网格区表示正常，其余网格区表示塑性破坏)

5　工程应用

宜万铁路的云雾山隧道全长6 640 m，最大埋深800 m。隧道穿越白果坝背斜，为寒武系下统天河板组灰岩、白云岩、溶崩角砾岩。在白果坝背斜核部发育白果坝断层，大地电磁EH-4地表物探显示白果坝背斜核部发育大型物探异常区。结合TSP加深炮孔成果，DK245 + 617附近岩体含裂隙水或裂隙渗水，推测可能有较大富水溶洞，建议水平钻探验证。

隧道掘进至DK245 + 645，开始采用富水溶腔探孔A，布置方式参见图3(a)，参数见表3，探孔11和13分别钻到溶腔，测得最大水压0.8 MPa，并采取泄水泄泥措施(图5)。掘进至DK245 + 634采用探孔B来控制溶腔形态，预留安全岩盘厚度3 m，钻探布置形式参见图3(b)，探孔间距设置为2 m，参数见表3。通过组合超前地质钻探的引导，最后顺利通过该大型富水溶腔。

图5　云雾山隧道超前地质钻探泄水泄沙照片

表3　云雾山隧道DK245 +617溶腔超前地质钻探参数

续表3　

6　结语

本文根据宜万铁路工程隧道建设经验，将岩溶地区溶腔类型划分为干溶腔、季节性有水溶腔和富水溶腔三种类型。针对不同类型溶腔，提出了相应的组合超前钻探方法。随着溶腔富水性的增强，通过增加探孔A、探孔B及钎探孔数量和改变布置方式来探测溶腔形态，可提高溶腔预测成功概率。另外，工程应用及数值分析结果显示，安全岩盘的厚度不应小于3 m。

参考文献

［1］邓谊明.宜万铁路大型岩溶洞穴发育特征及整治［J］.铁道工程学报，2011(4):59-66.

［2］杜永昌，王武现.宜万铁路大支坪隧道高压富水溶腔处理技术［J］.铁道建筑，2011(3):66-69.

［3］黄鸿健，薛斌.龙鳞宫隧道穿越大型溶腔处理技术［J］.中国工程科学，2009(12):35-40.

［4］李强.宜万铁路野三关隧道穿越4号暗河段整治措施研究［J］.铁道标准设计，2010(2):124-127.

［5］郭佳奇，王光勇，任连伟.宜万铁路岩溶地质特征及其发育模式［J］.中国地质灾害与防治学报，2013(6):74-78.

［6］张庆欣.齐岳山隧道施工安全防护技术［J］.铁道建筑，2007(9):40-43.

［7］文蛟.长大隧道不良地质段超前预报的应用研究［J］.铁道勘测与设计，2013(4):53-56.

［8］陈毅敏.宜万铁路复杂岩溶隧道施工地质预报特色［J］.铁道工程学报，2011(2):96-101.

［9］王华，吴光，冯涛，等.渝怀线圆梁山隧道超前地质钻探预报技术应用研究［J］.铁道建筑，2007(2):36-38.

［10］何云.泥质灰岩巷道数值分析［D］.长沙:中南大学，2014.

(责任审编葛全红)

Combination of Advanced Geological Drilling Technologies for Detecting Karst Cavities in Tunnel of Yichang－Wanzhou Railway

CHEN Aiyun

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd.，Wuhan Hubei 430063，China)

Abstract:W ater or mud bursts happen frequently in karst tunnels，where the advanced geological drilling is a direct and effective prediction method.However，there are little related research on the methods and parameters for advanced geological drilling.Based on the karst cavity types and advanced drilling experience in Yichang－W anzhou railway construction，karst cavities in tunnel should be classified into dry cavities，seasonal water cavities and waterrich cavities and the corresponding advanced combination geological drilling methods were proposed，which could detect different type of cavity shapes by adjusting key parameters including the number and arrangement of probe holes A，probe holes B and pin holes.T he numerical analysis was made for thickness of safety rock plates and the conclusion indicated that the thickness should not be less than 3 m.Engineering practice proved that advanced combination geological drilling technology can significantly improve cavity prediction accuracy.

Key words:Yichang－W anzhou railway;Advanced geological drilling;Karst;Cavities;Safety rock plate

作者简介:陈爱云(1976—)，男，高级工程师，硕士。

收稿日期:2015-12-06;修回日期:2016-01-16

文章编号:1003-1995(2016)03-0066-04

中图分类号:U452.1+1

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.16