贵州凯里环城高速新街隧道岩溶调查及应对措施

王 建 王丽君 马建新 何 鑫

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

0 引言

岩溶，即喀斯特(Karst)，是水对可溶性岩石进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用，以及由这些作用所产生的现象的总称[1-2]。由岩溶作用所形成的地貌称为岩溶地貌。我国岩溶地区分布广泛，可溶岩层分布面积占国土总面积的1/3，其中以西南云、贵、桂、渝和中部鄂、湘等地区最为典型。随着我国西部地区基础设施建设的蓬勃开展，公路、铁路等隧道工程不可避免要穿越岩溶地层，岩溶隧道突水已成为岩溶地区隧道建设的主要地质灾害之一，严重影响工程建设活动的进度，危及工程建设安全和施工人员人身财产安全[3]。如已建成通车的宜万铁路全线在施工建设期共有岩溶隧道91座，其中重点岩溶隧道有五爪观、野三关、大支坪、龙鳞宫、云雾山、马鹿箐和齐岳山等[4]。其中，野三关隧道是宜万铁路的重要控制工程，也是宜万铁路全线最长的越岭岩溶隧道，属于宜万线八座Ⅰ级风险隧道之一。该隧道在2007年8月5日发生大规模突水，峰值总突水量约15.1 ×104m3，突泥量石量约5.35×104m3，事故造成了重大的人员伤亡和财产损失[5-7]。马鹿箐隧道也是宜万铁路8座Ⅰ级风险隧道之一，2006年1月21日在平导洞PDK255+978处揭穿大型溶洞导致突水突泥，水流通过横通道由平导洞涌入正洞，导致正洞施工人员遇难，并冲出正洞淹没洞外施工场地和设备物资，事后估算峰值涌水量达72×104m3/h，突水总量约18×104m3，造成了严重的人员伤亡和经济损失[8-11]。齐岳山隧道[12-13]和云雾山隧道[14-16]在施工建设过程中也都揭露出大规模溶洞，出现过较严重的突水突泥事故，对工程建设进度造成严重影响。为了能够在隧道施工过程中探明溶洞范围，超前地质预报方法在岩溶隧道施工中得到了广泛的应用，为提前预知溶洞位置及充填情况提供了第一手资料，同时为施工过程中制定合理的预防技术措施提供了依据[17-18]，为避免出现大规模突水事件提供了技术支撑。

综上所述，突水事故是影响岩溶地区隧道建设施工安全的第一位因素，对隧道工程建设活动将产生重大影响。因此，在隧道建设前期勘察过程中应加强岩溶地质情况的调查，并在施工建设工程中采用多种方法对隧道掌子面前方和周边的岩溶情况进行超前预报并提出相应的预警处治措施，以保证施工安全。

1 新街隧道工程概况

贵州省凯里环城高速公路北段公路工程新街隧道为分离式隧道，左幅起止桩号为ZK47+560—ZK50+940，长3380 m，进出口底板标高分别为946.95 m和872.21 m，最大埋深156.2 m；右幅起止桩号为YK47+570—YK50+970，长3400 m，进出口底板标高分别为947.17 m和871.32 m，最大埋深153.9 m。单洞建筑限界为11.0 m×5.0 m。

隧址区地处云贵高原向中部丘陵过渡地段的苗岭山麓，总体地势北西高，南东低。新街隧道平面如图1所示。隧道进口位于兴隆乡兴隆街村马家院，有乡村公路通至隧道进口处，交通条件较好；出口处位于凤山镇竹王城村沙子坪，有乡村公路通至隧道出口0.5 km处，交通条件较差。场区地貌类型属溶蚀—侵蚀型低中山地貌，地表受溶蚀、侵蚀作用强烈，地势起伏较大。场区海拔742.0～1110.0 m，相对高差368.0 m；测设基线通过段地面高程在878.0～1097.9 m之间，相对高差219.9 m。隧道进口位于陡坡，坡度为30°；出口位于陡坡，坡度为29°。

图1 新街隧道平面图

1.1 场地工程地质条件

场区覆盖层为残坡积层(Qel+dl)黏土。下伏基岩为上寒武统炉山组(∈3l)白云岩，上二叠统吴家坪组(P2w)灰岩、炭质泥岩夹粉砂岩、局部夹煤，上二叠统长兴组(P2c)灰岩、局部夹泥岩，上二叠统大隆组(P2d)泥岩，下三叠统大冶组(T1d)灰岩，中三叠统青岩组(T2q)灰岩、泥岩。

据《贵州省区域地质志》，项目区位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱之贵阳复杂构造变形区。

根据地质调绘，场区隧道附近发育有断层F1和F2，均位于隧道洞身之外。断层F1于ZK48+520处与线路斜交，为一非活动性逆断层，呈近南北走向，断层面产状86°∠42°，其上盘为上寒武统炉山组(∈3l)地层，地层产状110°∠18°；下盘为上二叠统吴家坪组(P2w)、长兴组(P2c)地层，吴家坪组(P2w)地层综合产状265°∠20°，长兴组(P2c)地层产状305°∠20°，断层带附近吴家坪组(P2w)地层受断裂构造影响存在局部褶皱、岩体破碎，主要节理产状为230°∠85°、0°∠81°两组，多为张节理，节理密度200～300 mm。断层F2于ZK51+290处与线路近正交，为一非活动性正断层，呈近南北走向，断层面产状10°∠40°，下盘为上二叠统吴家坪组(P2w)、长兴组(P2c)、大隆组(P2d)、下三叠统大冶组(T1d)地层，其上盘为中三叠统青岩组(T2q)地层。根据洞身段地表露头节理统计，岩体体积节理数为Jv=12 条/m3。

1.2 场地水文地质条件

场区地表水较发育。隧道三棵树端洞口东侧约0.3 km发育季节性流水溪沟阴阳沟，与线位ZK47+305处相交，测时流量Q=6 m3/s。隧道马场坪端西侧1.8 km处发育常年流水羊老河，与线位K52+930处相交，测时流量Q=20 m3/s，水位高程742.58 m，据访最高洪水位748.44 m，最大洪水流量100 m3/s。阴阳沟及羊老河的流向均为由南向北，最终排入清水江。隧道洞身附近未见常年性地表径流。

根据场区地层岩性及其组合特征、地下水赋存条件、水理性质和水力特征，将区内地下水类型分为碳酸岩类岩溶水、碎屑岩类基岩裂隙水以及第四系松散岩类裂隙水三大类，其中岩溶水分布较广，富水性强，基岩裂隙水分布比较局限，富水性弱—中等。

区内大气降水是地下水的主要补给源，补给方式为降水形成的片流、地表径流通过裂隙、溶隙、溶槽、落水洞下渗补给。区内地下水径流形式受地貌、岩溶、地质构造、水网展布控制，地段性差异较大。可溶岩地区洼地、落水洞、岩溶管道、岩溶裂隙发育，径流类型以岩溶管道流为主，常伴有裂隙流、脉流；非可溶岩地区，径流形式通常受地形斜坡作用控制，主要以层面流、裂隙流为主。

2 新街隧道岩溶地质调查

根据工程勘察资料，新街隧道场地不良地质主要以岩溶为主，岩溶发育形态有岩溶洼地、落水洞、溶洞三类。下面将分别介绍地质调查结果。

2.1 岩溶洼地

场区发育岩溶洼地共11个，岩溶洼地W1—W6位于隧道附近，W7—W11距离隧道较远。岩溶洼地W1—W6、W8和W9位于上二叠统长兴组(P2c)灰岩地层；W7位于上二叠统吴家坪组(P2w)灰岩地层；W10—W11位于下三叠统大冶组(T1d)灰岩地层，岩溶洼地主要分布于隧道附近的长兴组(P2c)灰岩地层。其中，岩溶洼地W1与隧道洞身段ZK49+044—ZK49+079处斜交，大部位于隧道右侧，呈不规则形状，最宽处270 m，最长460 m,如图2(a)所示，洼地北部发育溶洞(棺材洞)，降雨后地表汇水通过棺材洞灌入地下岩溶通道，且前期勘察通过钻孔揭露溶洞，洞高22.1 m，推测洼地下部有大型岩溶发育。岩溶洼地W2、W3和W4位于隧道洞身段ZK49+200—ZK49+500左10～330 m处，W2呈长条形，长约280 m，宽20～70 m，洼地内北侧发育落水洞L1；W3、W4呈近圆形，如图2(b)所示，直径约50 m，规模较小，两洼地之间西侧约40 m发育落水洞L2，推测该地段下部岩溶发育。

图2 场地典型岩溶洼地

2.2 落水洞

场区发育落水洞18个，除L7位于吴家坪组(P2w)灰岩地层外，其余均位于长兴组(P2c)灰岩地层，落水洞无降雨时均未见地表水灌入地下。落水洞L3—L5位于隧道线位ZK50+050—ZK50+140(YK50+060—YK50+150)附近(见图3)岩溶洼地W5内，呈圆形；L3和L4位于岩溶洼地W5地势最低处，降雨后地表汇水灌入地下岩溶通道；L5地势相对较高，地表汇水量较少，落水作用小，推测落水洞下部发育隐伏岩溶管道，管道向下可能延伸至隧道洞身或附近影响范围，施工过程中可能形成突泥、涌水事故。其余落水洞距离隧道洞身较远，可不予考虑。

图3 新街隧道场地典型落水洞

2.3 溶洞

场区线位附近地表发育溶洞共2个。溶洞R1位于ZK48+000左103 m处吴家坪组(P2w)灰岩地层，宽5 m、高1 m，可见深度3 m，如图4(a)所示，顺层溶蚀，规模较小，对隧道建设无影响。溶洞R2洞口位于YK49+045右390 m处长兴组(P2c)灰岩地层，当地居民称棺材洞，如图4(b)所示，对其进行实测,该溶洞走向先向北约270 m，后向西约310 m，洞宽2～30 m，洞高2～20 m，溶洞规模沿走向变化较大；洞内潮湿，局部位置存在点滴状和淋雨状出水；进洞后约170 m溶洞底部有水流，顺溶洞延伸方向流量逐渐变大。由于该溶洞走向远离新街隧道，对隧道建设无影响。

图4 新街隧道场区地表溶洞

同时通过勘察钻孔发现CZK2、CZK3、CZK4、CZK5和ZK1五个钻孔均见有溶洞，钻孔揭露溶洞情况汇总如表1所示。其中，CZK2揭露在29.4～31.9 m处溶洞位于右幅隧道洞身处，如图5(a)所示；钻孔CZK3揭露在78.6～100.7 m处溶洞位于右幅隧道洞身右侧，水平间距约为66 m，如图5(b)所示；钻孔CZK5揭露在33.4～40.2 m处溶洞位于右幅隧道洞身底板以下处，如图5(c)所示。

表1 钻孔揭露溶洞统计表

综上所述，隧道洞身段均为可溶灰岩，隧址区附近地表分布8个岩溶洼地、18个落水洞、2个溶洞，由此确定场地岩溶极其发育。场地溶洞及管道相互贯通，相互连结，形成了发达的地下溶洞及管道网络。隧道施工全段揭露隐伏岩溶及岩溶暗河管道的可能性极大，突泥涌水风险极高。在雨季强降雨作用下，地表水向地下水转换迅速，以岩溶管道流为主，若隧道揭露岩溶管道，突泥涌水风险将更高。因此，在隧道施工建设阶段应加强掌子面前方的溶洞探测，利用超前地质预报结果指导隧道掘进施工，以避免发生岩溶突水突泥事故。

3 应对措施分析

通过前期地质勘查发现新街隧道场区岩溶极其发育，局部存在较大的溶洞，对隧道施工建设产生较大风险。为此，采用地质雷达超前地质预报方法，对新街隧道进出口施工掌子面进行超前地质预报工作。

超前地质预报采用美国GSSI地质雷达，主机为SIR-30E型，配100 MHz屏蔽低频天线，探测时在隧道掌子面布置测线，以探测掌子面前方30 m范围内围岩变化情况。下面将列举典型探测结果进行分析。

3.1 新街隧道进口ZK48+710掌子面探测

2019年7月21日采用地质雷达对新街隧道进口左幅进行了掌子面前方超前地质预报，预报起点里程为ZK48+710，预报长度为30 m，预报前方终点里程为ZK48+740。掌子面处测线布置和现场探测操作如图6所示。通过掌子面现场观察发现：掌子面揭露围岩为灰色、灰黑色中等风化灰岩，岩层产状272°∠20°，岩质较坚硬，节理裂隙较发育，腰部发育一条缓倾向右侧夹泥裂隙，岩体较破碎，岩体整体呈裂隙块状结构，围岩自稳能力较差，掌子面整体湿润(见图7)。

图6 地质雷达超前地质预报

图7 隧道进口ZK48+710掌子面围岩现场情况

现场采集数据后通过地质雷达配套分析软件RADAN7进行图像处理和解析，得到如图8所示掌子面前方30 m范围内的地质雷达图像。经过对地质雷达图像进行分析和判释，结合现场地质观察，得出如下结论：进口左幅ZK48+710—ZK48+740预报区段围岩为中等风化灰岩，岩质较坚硬，雷达波形较紊乱，波形一致性差，由此可推测预报区段围岩节理裂隙发育，岩体较破碎，预报区段前方10～20 m范围内可能发育溶洞，围岩自稳能力较差，地下水稍发育。

在后续掌子面开挖过程中，当隧道进口左幅开挖到里程ZK48+727时，在掌子面右侧五分之二处揭露溶蚀裂隙发育，发育有溶腔，延伸至拱顶，腔内黄色黏土充填，如图9所示。

图9 掌子面揭露的充填溶洞

3.2 新街隧道出口YK50+919掌子面探测

2018年7月10日对新街隧道出口右幅进行了掌子面前方超前地质预报，预报起点里程为YK50+919，预报长度为30 m，预报前方终点里程为YK50+889。掌子面处测线布置同图6(a)，现场测试操作如图10所示。通过掌子面现场观察发现，新街隧道出口右幅YK50+919掌子面揭露围岩为强风化—中等风化灰岩、泥灰岩夹黄色黏土，岩质较软，节理裂隙发育，岩体破碎，结构面充填黄色黏土，岩体整体呈镶嵌碎裂状结构，围岩自稳能力差。

图10 地质雷达超前地质预报现场测试

现场采集数据后通过地质雷达配套分析软件RADAN7进行图像处理和解析，得到如图11所示掌子面前方30 m范围内的地质雷达图像。经过对地质雷达图像进行分析和判释，再结合现场地质观察，得出如下结论：隧道出口右幅YK50+919—YK50+889预报区段围岩为强风化—中等风化灰岩、泥灰岩夹黄色黏土，岩质较软，节理裂隙发育，岩体破碎，围岩自稳能力差，预报区段前方1～3 m和18～30 m范围内溶蚀裂隙发育，18～22 m范围内可能发育溶洞，围岩自稳能力下降，但在3～18 m范围内岩体均匀性较好。

在后续掌子面开挖过程中，当隧道出口右幅开挖到里程YK50+913—YK50+898时，掌子面揭露围岩均为灰色、褐灰色强风化岩夹黄色黏土，岩体均匀性较好，但岩质较软，如图12(a)所示，掌子面整体湿润，地下水发育，如图12(b)所示。

图11 隧道出口YK50+919—YK50+889地质雷达图像

图12 掌子面揭露围岩情况

通过上述两例地质雷达超前地质预报典型案例可知：采用地质雷达超前地质预报方法对岩溶隧道进行围岩地质情况超前探测，可以提前获知掌子面前方的围岩和溶洞情况，为隧道掘进施工提供安全保障，可以有效避免岩溶突水突泥事故的发生，并能为隧道衬砌结构设计提供依据，因而超前地质预报方法是岩溶隧道开挖施工过程中可以采用的一种有效技术措施。

4 结论

(1)通过对新街隧道场地进行地质调查，查明新街隧道场地岩溶极其发育，主要岩溶发育形态包括岩溶洼地、落水洞和溶洞三大类，并分析了岩溶洼地、落水洞和溶洞对拟建新街隧道的影响，其中地表落水洞和地下大型溶洞对新街隧道施工建设存在较大影响，具有一定的风险性，需要在隧道掘进施工过程中充分掌握开挖面附近围岩的地质情况，以免发生岩溶突水突泥事故；

(2)采用地质雷达超前地质预报方法对新街隧道进出口掌子面围岩情况进行地质超前探测，以新街隧道进口左幅ZK48+710和出口右幅YK50+919为例，结合地质雷达图像解析结果和掌子面前方预报区开挖揭露围岩情况，验证了地质雷达超前地质预报方法在岩溶隧道围岩地质情况探测中的适用性。