岩溶区隧道工程地质勘察要点分析

杨 泽,孙 遥

(1.陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南 714000;2.陕西省地质环境监测总站,陕西 西安 710068)

0 引言

岩溶也叫做喀斯特,是可溶性岩石在水的溶蚀作用下形成的特殊地质地貌。随着近年来我国铁路、公路等基础设施建设的大力发展,途径岩溶等复杂地质区隧道段的长度快速增长,使得隧道建设与地质环境之间的矛盾越来越突出[1-3]。岩溶会引发突水突泥、围岩坍塌、地面沉降等若干工程地质问题,直接决定了隧道的选线及设计工作,施工阶段的岩溶处理会影响到隧道工程的成本、进度及安全,运维阶段由于岩溶所引发的地质灾害事故更是对人民的生命财产带来极大损失[4-6]。

工程地质勘察作为建设工程领域的一个重要环节,通过若干手段来查明建设场址的工程地质条件,对可能出现的各种工程地质问题进行分析与评价,为隧道建设的其他各个环节工作提供可靠的地质分析资料和所需的地质参数。由于岩溶发育具有复杂性、隐蔽性及形态多样性等特点,导致其勘察难度极大,而隧道工程的安全及稳定与地质环境条件息息相关,因此隧道工程的地质勘察工作往往贯穿隧道建设全过程。本文首先对岩溶区隧道建设的若干重要工程地质问题进行介绍,其次对岩溶区隧道勘察的常用方法进行讨论,最后根据岩溶区隧道工程特点,将勘察工作分为可行性勘察与初步勘察、详细勘察、施工勘察3个阶段,对每个阶段的勘察目的、勘察内容及勘察手段进行分析研究。

1 岩溶区隧道工程地质问题

岩溶区修建隧道易引发突水、突泥、坍塌、地面沉降等若干工程地质问题,对工程建设带来不利影响。岩溶发育区往往降雨量充足,石灰岩、白云岩等可溶岩中赋存大量岩溶水,隧道开挖破坏了岩溶内部地质环境,形成新的排泄通道。当隧道经过褶皱核部、节理密集带及断层破碎带等地质构造或大型溶洞与暗河时,极易发生突水现象,当前方遇到软弱层时,在水的作用下会发生突泥现象,突水突泥是隧道施工中最常见的地质灾害,会导致设备损毁及人员伤亡。岩溶区隧道施工中尤其要注意隔水层的判别,一旦失误挖通会导致承压水迅速涌出,造成不可估量的损失。隧道开挖的另一关键要素为防塌,当隧道浅埋时若支护不当会造成围岩失稳坍塌,岩溶区常发育的富含地下水的松散岩体也易发生坍塌事故。

当隧道在岩溶发育区开挖时,为降低岩溶水对施工的影响,常采取排水措施。而当地下水位变化过大时,经常会引发地面沉降及塌陷,严重者会导致地表水资源枯竭及房屋建筑开裂,威胁到当地的生态环境及居民生活。以武汉地铁的文化大道区间隧道段为例[7],该区段发育岩溶,隧道修建时并未对溶洞采取处理措施,隧道建设及运营多年来未出现岩溶地质问题,但是2014年隧道附近进行基坑降水施工,改变了溶洞的地质环境条件,随即引发地面塌陷,导致了人民生命财产的损失。因此在岩溶区隧道施工过程中应尽量减少对地质环境的扰动,慎重处理各类工程地质问题。

2 岩溶区隧道勘察方法

岩溶区隧道工程地质问题具有突发性、隐蔽性等特点,一旦发生常常会造成严重的工程事故,工程地质勘察通过多种勘察手段能获得隧道建设所需的岩溶区详细地质信息,从而保障隧道施工及运维的安全与稳定。岩溶区隧道勘察方法一般包含工程地质测绘、钻探法、物探法、测试与监测等几大类,在实际工作时一般根据现场条件及勘察要求选择合适的几种手段综合勘察、相互印证。

2.1 工程地质测绘

工程地质测绘是地质选线的重要依据,是开展其他工程地质勘察手段的基础。工程地质测绘主要用于查明隧道建设影响范围内的区域地质及水文地质条件,主要内容包括地形地貌、地层岩性、区域构造、水文特征等。地形地貌可以指示岩溶发育概况,例如岩溶区的山间洼地往往发育溶洞,山地的垭口处常发育暗河。地层产状对岩溶发育有控制作用,隧道选线应尽量选择隧道轴线与岩层走向垂直。地质构造可以控制岩溶水的分布,向斜是典型的储水构造,断层可作为岩溶水的流通通道。岩溶水的分布及压力会直接影响隧道的施工安全,应查明隧道影响范围内的含水层与隔水层分布规律、补给与排泄、岩溶基准面、水动力、水温、地下水侵蚀性等水文特征。

2.2 钻探工程

钻探一般布置于工程地质测绘之后,用于重点区域的地质资料获取。钻探的使用不受地形条件及地质条件的限制,可以直接揭露岩溶区的地层岩性及构造特征,并且可利用钻孔进行抽水及压水试验、地球物理测井、瓦斯检测等工作。钻探也常作为一种直接勘探手段对物探异常进行验证,保证物探解释的准确性。岩溶区隧道勘察时遇到溶洞、地下暗河及物探异常段,应加密勘探点,并且钻探深度要超过溶洞、暗河及物探异常下方一定深度。目前超前地质预报的水平钻探技术能探测出隧道掌子面前方地质信息,并广泛应用于隧道施工勘察中。

2.3 工程物探

物探可以弥补岩溶区钻探取芯的不足,实现勘探区的三维成像,能更直观的掌握目标地质体的宏观分布特征,且具有成本低、覆盖面广等优势。物探与钻探相互配合,能准确的对隧道围岩进行分类,并探测出溶洞、地下暗河的分布情况。岩溶区隧道勘察的常用物探方法可分为重力法、磁法、电法以及地震法等几大类。电法勘探中应用较多的有瞬变电磁法、高密度电法及探地雷达法,地震勘探中应用较多的有跨孔地震CT及高密度地震映像法,近年来隧道超前地质预报中广泛应用的TRT、TSP等技术也属于地震法的一种。

2.4 测试与监测

为获得岩溶区隧道围岩的物理力学性质指标从而进行围岩分类,应对围岩的密度、抗压强度、弹性模量等性质进行试验测试分析。现场原位测试可模拟建设场地的实际承受荷载能力,进而获得岩土体的力学参数,原位测试方法包括标准贯入、静力触探、动力触探等。为掌握岩层的渗透特性及对涌水量进行预测,也可布置抽水及压水试验等。隧道开挖会导致围岩应力重分布,岩溶区隧道施工的复杂性、岩溶地质灾害的隐伏性、施工人员的操作水平等都有可能导致隧道出现坍塌、涌水、瓦斯泄漏等事故,因此必须在隧道施工中做好监控量测工作。施工及运维阶段应该对围岩变形及重点区域的地下水位、水压、水温等情况进行监测,掌握地下水的状态变化以便能及时处理各种突发事件。当隧道开挖至煤层或特殊气体层位时,应该设置专门的瓦斯及特殊气体监测装置,保障施工的安全。

3 岩溶区隧道分阶段勘察要点

根据岩溶区隧道施工特点,将岩溶区隧道勘察工作分为可行性勘察及初步勘察、详细勘察、施工勘察3个阶段进行分析,如表1所示。可行性勘察及初步勘察的目的主要是指导隧道选线,需要掌握隧址内的区域地质概况内容,包括区域构造、区域地层岩性、区域水文概况及岩溶发育情况。详细勘察主要服务隧道设计工作,需要在初勘基础资料上针对已选定隧址区域展开详细的物探及钻探工作,力求查明影响隧道建设的所有相关地质信息。施工勘察为满足隧道施工过程中对地质信息的需求,尤其是岩溶区这类复杂地质条件的隧道施工务必开展施工勘察工作,随着超前地质预报技术在隧道施工领域的应用,大大降低了隧道施工的地质灾害风险。

表1 岩溶区隧道分阶段勘察要点

3.1 可行性勘察及初步勘察

本阶段的主要勘察任务包含以下内容:(1)收集工作区的区域地质调查资料,对区域地质资料进行踏勘验证,进行工程地质测绘,分析隧址范围内的地形地貌、区域地层岩性、区域地质构造等基础地质信息;(2)查明岩溶区的地表水文及地下水文分布特征;(3)溶洞、落水洞、暗河、竖井等岩溶现象的位置、分布规模、充填情况及演化特征,对岩溶地质灾害进行风险评估;(4)查明隧址影响范围内的房屋建筑、桥梁、公路、铁路及其他各类建筑物的分布情况;(5)分析查明隧道建设可能遇到的特殊岩土及不良地质体,以及可能出现的地质灾害风险点;(6)综合分析断裂带分布、岩溶发育、水文特征等地质要素,尽量规避不良地质体,综合工程经济、环境保护等为隧道选线提供指导建议。

此阶段主要采用的勘察方法为工程地质测绘及遥感技术,重点复杂地质区布置物探,严重不良地质体布置钻探。此阶段对于大型溶洞、地下暗河等不良地质体的处理方法主要是绕避及跨越,因为岩溶区的地质条件复杂,致灾因子多样性,突水突泥等地质灾害的发生难以预测,主动避让是最为安全且经济的处理方式,实在难以避开的制定初步治理方案。

3.2 详细勘察

岩溶区隧道详细勘察是在深入掌握初勘资料的基础上,结合隧道工程的实际需求,对拟建隧道区域进行加密钻孔及孔内试验的勘察工作,对于溶洞发育区可进行大比例尺工程物探进行详细探测。此过程主要勘察任务包含:(1)综合分析初勘资料,掌握隧道建设所需的地质信息,对于信息不明确区域及重点区域进行补充勘探;(2)对隧址区进行加密勘探点,进行钻孔及孔内试验,获得更为准确的工程地质资料;(3)根据勘察设计相关规范要求,对隧址取样,将试样及钻探岩芯进行室内岩石试验及土工试验,为施工图设计提供相关的岩土物理力学性质参数;(4)对岩性接触带、断层破碎带、节理密集带进行追索,获得不连续结构面的展布情况;(5)查明地表水与地下水的发育规律及其对隧道施工的影响,对地下水补、径、排特征详细勘察,对水质进行试验分析,评估隧道突水突泥的风险性;(6)查明特殊岩土及不良地质的详细分布情况及工程特性,尤其是背斜及盆地储水构造、大型溶洞及落水洞的位置、规模及充填情况,制定施工处理方案。

详细勘察应该结合隧道工程实际,得到隧道设计及施工所需的详细地质资料。此阶段的勘察手段主要为钻探及物探,辅助大比例尺工程地质测绘及岩土性质测试。综合分析岩溶区隧道工程地质概况,应对隧址地质灾害风险进行评估,对不良地质体制定处理方案,采取“预防为主、排堵结合”的原则。

3.3 施工勘察

由于隧道工程的隐蔽性,即使是详勘阶段资料仍然难以完全满足隧道施工所需,尤其是岩溶区的地质条件极为复杂,岩溶发育具有随机性及形态多样性,区内地质灾害受控因素多,往往具有突发性,导致其很难被全面评估及预测。因此勘察工作应贯穿隧道建设全过程,施工阶段更应重视,此阶段勘察内容包含:(1)综合利用多种地质及地球物理方法,对隧道掌子面前方地质情况进行探测,给出隧道开挖建议;(2)对隧道围岩进行室内试验及原位测试,提出围岩加固补强(即注浆堵水)的措施方案;(3)判断岩溶水压力对隧道施工的影响,提供排水泄压方案的地质及水文参数;(4)对溶洞、暗河、断层破碎带等重点不良地质体进行“物探+钻探”深入探测,充分掌握其分布及发育规律,评估其风险;(5)对地下水位、水质、水压、水温、地下水侵蚀性等水文要素进行长期观测;(6)利用监控量测技术控制隧道开挖导致的地面沉降,监测支护结构的受力变形情况,对隧道内部空气质量进行实时监测。

施工阶段的勘察手段主要有超前地质预报、监控量测、岩土测试、地质编录等。其中超前地质预报技术作为一种复杂地质区隧道施工阶段的必要勘察手段,能够查明隧道掌子面前方的水文地质及工程地质特征,指导施工方案调整及避免隧道施工地质灾害的发生。超前地质预报技术主要包含超前导坑法、超前水平钻探、地质雷达法、红外探测法、TSP技术、TRT技术、TST技术等。地质编录主要包含隧道洞身地质编录、掌子面地质编录等。施工阶段应对隧道围岩变形、空气质量、水文参数等进行实时监测,保障隧道施工安全,并为隧道开挖、围岩支护、地灾防治提供必要的岩土性质参数。

4 结语

(1)岩溶区隧道建设过程中经常遇到多种不良地质灾害,严重威胁到隧道建设及运维的安全与稳定。本文首先介绍岩溶区隧道建设的工程地质问题,然后对各种勘察方法进行讨论,最后将岩溶区隧道勘察工作分为3个阶段进行分析研究,从勘察目的、勘察内容、勘察手段等方面厘清各阶段的勘察要点,为岩溶区隧道勘察工作提供指导。

(2)鉴于岩溶发育的复杂性,无论是哪一勘察阶段,工作时均应合理选择勘察方法,并充分利用物探手段,采用多种勘察方法综合勘察,避免单一勘察手段地质解释的多解性与局限性,最大程度发挥多种勘察方法的优点,提高勘察报告的质量水平。除了勘察方法的选用,勘察人员的工作水平也影响着工程地质勘察报告的质量,应组织地质、物探、水文、隧道等相关专业人员之间的技术交流,加强勘察人员的技术水平及综合分析能力,才能获得最贴合隧道实际建设所需的勘察资料,满足岩溶等复杂地质地区隧道工程勘察的需求。由于岩溶分布的复杂性、随机性及隐蔽性,现有探测技术依然难以完全查明岩溶的空间展布形态及演化发展规律,应努力提高勘察仪器的精度及促进勘察技术的革新,不断升级隧道勘察方法,利用大数据、人工智能等现代科技手段,加强勘察资料的综合分析,为隧道工程建设提供科学依据。