隧道溶洞综合超前预报技术研究

李 伟

0 引言

隧道施工超前预报就是利用一些仪器来探测隧道掌子面前方围岩的地质构造、工程地质条件与水文地质条件等地质条件[1]。这样看来,超前预报主要需要两个方面的知识:物探知识与地质理论知识。而那些超前预报仪器只是探测掌子面前方围岩中的异常情况,难以具体地判断出是哪种地质灾害,另外一些基于地质理论知识的超前预报方法,如地质素描法、工程地质综合分析法等。单纯地靠物探方法来预报隧道掌子面前方围岩情况,由于地质基础理论知识和地质工作经验方面的欠缺,盲目相信探测结果,往往易导致预报结果对界面性质的判断失误或错误,而不进行界面产状的修正又造成隧道掌子面前方界面距探测面所在位置距离不准。单纯地靠地质理论知识与工作经验来预报隧道掌子面前方围岩地质情况,由于所掌握的物探知识有限,往往表现为对探测结果的茫然,而又固守于对地质条件的掌握和经验,难以做出大胆的判断。只有把两者结合起来才能既提高超前预报的精度,又保证超前预报快速进行,少占用隧道施工时间,才是一种实用型综合超前预报方法。

1 隧道综合超前预报技术

超前地质预报是隧道信息化施工的有机组成部分,在隧道信息化施工中占有重要的地位。超前地质预报工作可以减少隧道地质灾害的发生,降低隧道建设成本,保证隧道施工安全。建设单位根据超前地质预报成果组织协调各相关单位采取相应的工程处理方案;超前地质预报结果可为设计单位设计变更提供重要的参考,施工单位根据预报成果采取合理的施工方法及相应的工程应对措施;超前预报的准确性是其工程应用中的基础。

现场隧道超前地质预报,是理论结合实际的重要步骤,也是超前预报技术应用于生产实践的直接的体现。相对于TSP、超前地质钻孔、红外探水仪等超前地质预报方法而言,地质雷达探测和地质素描具有成本低、操作简单、对施工干扰小等优点,既能保证超前预报准确性又便于操作,因而其具有广泛的应用基础。

综合超前地质预报方法是以工程地质报告为基础,主要是结合地质雷达探测与地质素描,同时参考现场监控量测的数据,对施工期间隧道掌子面前方的地质情况进行预报。该预报方法主要包括:地质素描、监控量测、洞内观测及地质雷达探测四个方面,其中地质素描的主要任务是通过收集资料、现场地质素描宏观地掌握掌子面前方及相关段围岩岩性、地质构造及含水情况,监控量测的主要内容包括:地表下沉、拱顶下沉、水平收敛、围岩内部位移、锚杆内力、围岩接触应力、钢支撑内力等,洞内观测主要内容包括:侧墙观测、拱顶拱腰观测、围岩级别观测,地质雷达的作用是探测测线位置掌子面前方围岩剖面图。

2 溶洞综合超前预报实例

从贵州晴隆隧道超前预报中挑选出典型溶洞实例,论述实用型结合超前预报方法在预报溶洞中的应用。

超前预报的具体里程为晴隆隧道右线进口YK83+371。掌子面情况:岩体岩性为微风化灰岩,底部夹有少量黄泥,层理发育明显,岩层较薄,层厚约 0.2 m ～ 0.4 m,产状为55°∠20°;节理发育,掌子面左右两侧各有一组节理,左侧节理产状 125°∠90°,右侧节理产状为125°∠86°,节理缝隙内均夹有黄泥;在掌子面上有多处滴水。隧道附近发现一些溶洞,据勘察资料记录,此段溶岩发育。

采用瑞典MALA公司的RAMAC系列地质雷达采集到的数据,经过相应的雷达软件Reflexw处理后,绘制出地质雷达深度剖面图(见图1)。

结合地质素描资料,可能初步推断出:从掌子面(YK83+371)至其前方 30 m(YK83+401)范围内,岩石岩性保持不变,为微风化灰岩,夹有少量石英岩与黄泥,层理发育明显,节理发育,岩体整体性较好,在掌子面前方18 m(YK83+389)处,存在一微弱的电磁波反射面,推测在该处很可能为一裂隙或是一平行于掌子面的节理;在掌子面左侧,从掌子面前方12 m(YK83+383)处至掌子面前方20 m(YK83+391)处,反射信号比信号规则且比较强烈,推测该范围内含水量较高;在掌子面右侧,从掌子面前方6 m(YK83+377)处至掌子面前方12 m(YK83+383)处,存在一宽度约1 m的电磁波强反射区,推测该处为一含水破碎带,也可能为一含泥夹层或是溶槽。下面以图2为例说明溶洞地质雷达图像的解译。从图 1可看出,在100 ns～250 ns之间存在一个强反射区,且局部有较多的双曲线型同相轴特征,250 ns以后,反射波强度较弱,但仍存在一些局部零星的小反射区。虽然存在着双曲线型同相轴,但双曲线型同相轴后续的反射波具有直线型同相轴的特征,可能是空洞内存在充填物的征兆。在500 ns以后,反射信号有增强的趋势,只是受时间长度限制和电磁信号衰减的影响,在本次测量剖面上反映不明显,在本段岩石暴露后应该进一步观察下一区段岩石介质的雷达反射波特征。从地质雷达剖面结合工程地质条件,初步判断掌子面前方存在较多大小不等的溶洞,溶洞内可能存在充填物。由于区域1中溶洞充填物吸收信号中高频成分稍强些,可见其充填物中粘土或充填物含水量稍高于区域2的溶洞。后经开挖证实,左侧溶洞内充填粘性土,右侧溶洞内充填砂性土。

3 结语

岩溶与其周围的介质存在着较明显的物性差异,尤其是溶洞内的充填物与可溶性岩层之间存在的物性差异更明显。这些充填物一般是碎石土、水和空气等,这些介质与可溶性岩层本身由于介电常数不同形成电性界面。无疑探测出这个界面的情况,也就知道了岩溶的位置、范围、深度等内容。当有岩溶发育时,反射波波幅和反射波组将随溶洞形态的变化横向上呈现出一定的变化。一般溶洞的反射波为低幅、高频、细密波型,但当溶洞中充填风化碎石或有水时,局部雷达反射波可变强。溶蚀程度弱的石灰岩的雷达反射波组为高频、低幅细密波;素填土的雷达反射波特征为低幅高频短波长,同相轴较连续;杂填土中的雷达反射波具有强幅低频,同相轴不连续的特点。

[1]何发亮,李苍松,陈成宗.隧道地质超前预报[M].成都:西南交通大学出版社,2006.

[2]张建兵,陈永林.超前地质预报技术在隧道施工中的应用[J].山西建筑,2009,35(13):312-313.