综合超前预报技术在某岩溶瓦斯隧道中的应用

廖烟开，李瑞林,唐进才,唐俊林

(叙镇铁路有限责任公司，云南 威信 657999)

1 概述

隧道的工程地质和水文地质条件复杂多变,在岩溶瓦斯隧道开展超前地质预报工作对确保施工安全和进度具有十分重要的作用。隧道超前地质预报,是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料,并运用相应的理论和规律对这些资料进行分析、研究,从而对施工掌子面前方岩体情况或成灾可能性做出预报。但从总体来说,我国隧道超前地质预报工作处于起步阶段,突出表现在既缺乏专职施工地质队伍,又不重视具体施工地质工作[1]。为此,以成昆铁路复线某岩溶隧道为研究对象,进行综合地质超前预报技术的应用总结,以期为后续施工积累经验具有一定的指导意义。

2 预报方法和技术简介

Q/CR 9217—2015铁路隧道超前地质预报技术规程中明确要求[2]:对各种方法预报结果综合分析、相互验证,提高预报的准确性。规程中明确规定了超前地质预报方法有:地质调查法、超前钻探法(超前地质钻探和加深炮孔)、物探法(弹性波反射法、电磁波反射法和高分辨直流电法)、超前导坑预报法。

除上述预报方法外,国内专家学者也在积极探索其他方法,比如前期曾使用过的红外探水法、岩体温度法、陆地声呐法等,还有近期提出的激发极化法等各类预报方法。每一种预报方法均有各自的优、缺点和适用条件,应根据不同的地质条件选择适宜的方法,并采用多种方法相互结合、相互验证、相互补充,提高预报准确率。各种方法的优缺点详见表1。

表1 超前预报方法优缺点统计表

3 工程应用实例

3.1 工程概况

成昆复线某岩溶瓦斯隧道设计为单洞双线隧道,全长5 115 m。洞身存在断层、岩溶、煤线和有毒有害气体等不良地质。隧道最大埋深275 m。

1)地形地貌及地质构造。

隧区属中山地貌,地质构造复杂,受多期地质构造影响,断裂发育,岩体破碎,隧道通过区的主要断裂如下:

a.上半坡断层：为一近北西向的区域性大断裂,为压扭性深断裂,为倾向东北的逆断层,倾角约为60°,断层破碎带宽度约为100 m,以断层角砾为主。隧道于D3K524+260附近与上半坡断裂相交,交角约为50°,隧道区内断层上盘为二叠系上统峨眉山玄武岩,下盘为寒武系砂岩。

b.杨家坪断层:为一推测平移断层,断层走向约为N70°W,隧道于D3K524+120附近与该断裂相交,交角约为70°,位于隧道洞身段,断层破碎带不明显。

2)水文地质。

a.地表水。

隧区内地表水主要为沟水,水量随季节性变化较大,主要接受大气降水补给,雨季水量较大,旱季多干涸。

b.地下水。

节理、裂隙较发育,白云质灰岩、灰岩岩溶发育,含有较大的岩溶水和一定量的基岩裂隙水。

3)不良地质。

隧道穿越的不良地质包括:岩溶、煤层瓦斯、放射性、第三系昔格达地层。

a.岩溶。

隧道洞身于D2K524+580～D2K525+300附近穿越寒武系白云岩夹白云质灰岩、二叠系下统栖霞—茅口组灰岩,为岩溶强烈发育地段。隧区灰岩区内发育的岩溶形态主要有溶沟、溶槽、落水洞、溶孔、溶隙、溶洞、暗河及洼地等,属熔岩强烈发育区。

b.煤层瓦斯。

隧道区内含煤地层主要为二叠系下统梁山组,位于D2K524+900～D2K525+000段内,该煤层地层及煤层厚度均较薄,煤层总体稳定性比较差,煤层顶板为碳酸盐岩,溶蚀现象明显,瓦斯封闭条件较差,施工时做好瓦斯检测和通风。

c.放射性。

隧道下伏基岩为二叠系上统玄武岩,通过对隧道深孔放射性测井测试与计算,施工中应加强监测和防护,同时隧道弃渣需妥善处理并做好防护。

4)第三系昔格达地层。

DK520+425～DK520+540，DK522+700～DK523+340和DK525+350～DK525+540为昔格达地层,属易滑地层,隧道开挖易产生掉块、坍塌甚至塌顶等危害。

3.2 岩溶段综合预报方法的应用

1)物探法。

a.地震波反射法。

在隧道D2K525+301左右边墙位置各布置一个地震波信息接收孔,孔径为50 mm,右边墙一侧孔深约1.72 m,孔高约1.61 m;左边墙一侧孔深约为1.81 m,孔高约为1.61 m。在D2K525+294～D2K525+262段的右边墙,按约0.5 m的间距布置20个激发孔分别激发地震波,孔径约40 mm,孔深1.32 m～1.49 m不等,每个激发孔向下倾斜约5°;第1号～第6号激发孔装填的药量约70 g,第7号～第20号激发孔装填的药量约50 g。隧道D2K525+258.9～D2K525+130段TSP预报成果见表2。

表2 隧道D2K525+258.9～D2K525+130段TSP成果表

b.地质雷达法。

雷达探测每开挖25 m做一次,搭接5 m,探测采用了SIR-3000型地质雷达,100 MHz天线,在掌子面布设横向两条测线进行探测。

掌子面测线布置示意如图1所示。

预报掌子面里程为D2K525+255,预报里程范围为D2K525+255～D2K525+225段(即掌子面开挖方向30 m),隧道D1K523+255掌子面雷达探测频谱见图2。预报结论如下:

D2K525+255～D2K525+245段(掌子面前方0 m～10 m)电磁波反射波信号能量较强,波形畸变明显,推断围岩整体维持掌子面现状,岩体破碎,岩质较软,节理裂隙发育,溶蚀裂隙发育,围岩渗水或局部存在软弱夹层,围岩稳定性差。

D2K525+245～D2K525+234段(掌子面前方10 m～21 m)电磁波反射波信号能量较弱,波形畸变较弱,推断岩体较破碎,溶蚀裂隙较发育,岩质较硬,围岩湿润,围岩稳定性较差。

D2K525+234～D2K525+225段(掌子面前方21 m～30 m)电磁波反射波信号能量较强,波形畸变明显,推断岩体破碎,节理裂隙发育,岩质较软,围岩稳定性差,围岩渗水或局部存在软弱夹层。

建议施工过程中加强支护措施,做好防排水,并采用加深炮孔和超前地质钻探对该段围岩的破碎情况、含水量及岩溶发育程度做进一步探测。

c.瞬变电磁法。

探测工作采用了加拿大GEONICS公司生产的PROTEM-47型瞬变电磁仪。测试上台阶掌子面为D2K525+239,中台阶里程为D2K525+245,在距离中台阶掌子面10 m(即里程D2K525+255)处,布置1个发射线框,掌子面布置一条测线,测线上每0.5 m 1个测点,通过移动接收线圈,形成1条实测剖面。

探测时测线布置在中台阶D2K525+245位置上,预报范围为掌子面前方21 m～95 m(即D2K525+224～D2K525+150段),结合视电阻率剖面图与前期地质勘查情况,本次预报结论见表3。

表3 隧道D2K525+224～D2K525+150段瞬变电磁法解释成果表

2)地质法。

a.地质编录。

该隧道由出口向小里程方向掘进,隧道D2K525+240掌子面主要为厚层灰岩,岩层产状N45°W/48°S。块状镶嵌结构,局部节理面呈黄褐色,有溶蚀现象,节理间夹泥,潮湿,少量渗水,主要发育一组节理裂隙,节理产状N30°W/48°N,节理间距20 cm～50 cm,层间发育,延伸较短,开张型,局部最大张开宽度1 cm。隧道D2K525+240掌子面典型照片见图3。

b.地质钻探。

地质钻探主要为加深炮孔和超前水平钻孔,布置加深炮孔5孔,深度为5 m～6 m,搭接不少于1 m;超前水平钻孔每次布置3个钻孔,钻孔深度30 m,钻孔位置分部位于掌子面的上部、左侧和右侧,尽量靠近掌子面轮廓线,超前水平钻孔的终孔位置应超出隧道开挖轮廓以外5 m～8 m。隧道于D2K525+240掌子面开始连续施作加深炮孔和超前水平钻孔。

隧道掌子面施工超前水平钻孔图见图4。

综合加深炮孔和超前钻孔得出结论:前方D2K525+190～D2K525+160段钻进过程中存在卡钻和突进现象,钻孔冲洗液呈黄褐色,夹泥,有小股状流水,分析认为前方该段岩体破碎～较破碎,岩质较软,围岩整体稳定性差。地下水较发育,溶蚀裂隙较发育或存在软弱夹层。

c.综合预报结论分析及建议。

综合以上预报的成果,对该隧道出口段(岩溶)提出以下施工建议:

根据勘察设计资料、超前地质预报资料以及现场实际调查,前家山隧道出口段为岩溶发育区,局部岩体破碎,节理发育且夹泥,尤其在D2K525+189～D2K525+140段,围岩岩体破碎,节理裂隙发育,部分裂隙夹泥,局部发育空腔,极易发生岩溶风险[4-6]。

针对超前地质预报异常段落,建议采用超前水平钻探(3孔,取芯)+加深炮孔(5孔)对围岩完整性、岩溶及地下水发育情况进行核实,每次超前钻孔的长度不小于30 m,并做好钻孔记录形成超前水平钻孔报告[7-10]。

对掌子面开挖作业人员关于“临近隧道内不良地质体(岩溶)的前兆标志”相关知识的培训工作,并将“临近隧道内不良地质体(岩溶)的前兆标志”制作成信息提示牌挂于开挖台架上。同时根据掌子面揭示情况,动态调整原设计图纸中的预报方法,采用多种预报方法相结合,增加预报频次,探明前方岩溶发育情况[11-12]。

根据超前地质钻孔揭露情况,建议岩溶异常发育段上报设计调整为拱部φ76中管棚或大管棚,环向间距0.4 m;并套打拱部φ42小导管,环向间距0.4 m,每环46根,每根长度4.5 m,纵向3.2 m一环,防止拱部坍塌和突泥等事故的发生。

开挖时按设计开挖工法施工,根据相关规范控制台阶长度,确保管棚及超前小导管注浆饱满,及时做好初期支护和锁脚锚杆施工,尽早实现初期支护与临时仰拱(仰拱)的封闭成环,确保初期支护的稳定。

鉴于隧道出口端岩溶发育,应采用物探手段探测隧道周边围岩情况,重点检查拱部、侧边墙及基底下方5 m范围内是否有隐伏溶洞、溶槽等。

4 综合超前地质预报的管理

针对现场实际存在的问题,进行了认真分析总结并提出如下解决思路:

1)建设单位成立专家组有针对性的开展专题研究和技术攻关;为隧道施工提供专项咨询服务,通过对超前预报方法、成果的研判,对隧道施工潜在风险进行预判评估,进而指导隧道施工。

2)加强超前地质预报管理,保证超前地质预报成果的准确性,超前地质预报工作按照“季计划、月调整、据实变、再实施”的原则进行动态管理。

3)加强隧道施工风险管理,按照“宏观管方案、微观管安全”的原则进行管控。宏观上管控整座隧道的风险级别、风险评估、施工方案和应急预案;微观上管控隧道施工当月风险、每周风险、当班风险、每道工序、每循环开挖的风险。

4)设计院地质、隧道专业人员对每一期超前地质预报成果进行审核并提出有效的建议和意见。施工单位作为地质预报成果的应用单位,加强对成果的分析和对比验证,并将成果准确性纳入对超前地质预报单位的考核。

5)要求预报单位的超前地质预报结论和建议措施的用语须严谨、准确;建议措施应“对症下药”,具有针对性;建议措施中慎重使用超前水平钻、超前探孔,钻探措施满足实际需要即可。尽量避免为规避责任,提出超出实际需要的措施或模糊的成果结论,预报成果应对施工具有切实有效的指导作用。

5 结论

1)通过多种手段、多种方法相结合的综合预报技术在岩溶隧道的探测和预报中取得不错效果。

2)岩溶隧道由于地质复杂性,其岩溶发育规律通常难以把握,预报预测过程需要循序渐进、动态调整、反复认识并多种方法相互验证以提高预报的准确率,隧道超前地质预报手段和方法不能一成不变或一劳永逸,需要在施工过程中不断增加和调整,以达到降低隧道施工风险,确保施工安全的目的。

3)除了需加强技术方面的水平,动态调整预报方法,不断总结和验证,提高预报准确率外,综合预报的管理方面的水平也需要不断的加强,参建各方高度重视,将预报真正纳入工序管理。

4)通过不断的实施及验证,从技术和管理两方面着手,通过发现问题、分析问题和解决问题的思路,使地质超前预报的效果及准确率不断提高,切实起到指导施工的作用。