宜万铁路岩溶隧道地质综合超前预报技术

薛 斌,韩小敏

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063;2.铁道部宜万铁路建设指挥部,湖北恩施 445000)

1 工程概况

宜万铁路东起宜昌东站,西至万州站,全长约 377 km,是沪汉蓉快速通道的重要组成部分,是连接中国东中部地区的重要交通纽带(图1)。

宜万铁路是中国目前在建的地质条件最为复杂的工程,岩溶隧道分布主要集中在土城、长阳至齐岳山,该段由于碳酸盐岩广泛分布,岩溶地貌发育。全线共设计隧道 159座,总长约 338 km,岩溶隧道(隧道洞身穿越可溶岩地段)有 91座,占全线 159座隧道比例为57%,总长度 239.349 km,占全线隧道总长度的 69%,其中隧道洞身位于可溶岩地层长度 195.741 km,占全线隧道总长度的 58%。长度 3 km以上的岩溶隧道27座[1]。

图1 宜万铁路线路平面

宜万铁路隧道工程岩溶强烈发育,岩溶及岩溶水极其复杂,是制约工程建设的突出问题。宜万线浅埋隧道一般都位于岩溶的垂直发育带中,深埋隧道基本位于岩溶季节变动带和水平循环带的交界部位。受岩溶及岩溶水影响,地表岩溶类型齐全,形态各异,地下岩溶洞穴随处可见,暗河密布,规模宏大,无论是浅埋还是深埋岩溶隧道,开挖过程中都可能存在遇溶腔、岩溶管道、突泥、突水或出现高压导水断层时产生大型突水(泥)地质灾害问题,施工风险极大。在现有技术条件下,不可能在设计勘探阶段查明所有的岩溶地质问题。因此,针对隧道施工过程中可能遇到的不良地质,必须进行及时准确的地质超前预测预报,预防各类突发性地质灾害,规避工程建设风险,实现铁路工程质量、安全、工期、环境和投资控制目标。

2 岩溶隧道综合超前预报主要内容及预报方法

2.1 主要内容

施工地质是工程勘察阶段工程地质勘探在施工阶段的延续,用以在施工过程中解决勘察阶段所没有解决或不能解决的工程地质问题。岩溶隧道综合超前预报的主要内容如下。

(1)岩性、构造的变化

非可溶岩与可溶岩采用不同的超前预报体系,通过对地层岩性、岩层产状的预报,在即将进入可溶岩地段时严格按岩溶隧道预报体系实施,规避施工风险;通过对构造的预报,宏观判释构造对岩溶发育的影响。

(2)岩溶、岩溶水预报

对溶腔发育位置、发育方向、规模大小及与隧道空间关系进行预报;对溶腔水量、水压力、溶腔储水量、动态补给量进行预报;对工程地质灾害规模、危害程度进行预报。

2.2 预报原则和预报方法

由于岩溶具有形态的不规则性和发育的随机性,对岩溶进行准确的探测难度很大。采用地质分析法、物探法和水平钻孔法中的任何单一方法预报岩溶都会收到一定的效果,但又都会有一定的局限性。目前,国内外已形成的超前预测预报方法很多,归纳起来分类如图2所示。

图2 施工地质超前预测预报方法分类

2003年 9月,宜万铁路建设单位邀请国内外专家在成都召开“隧道地质超前预报技术交流研讨会”,确定宜万铁路岩溶隧道采用“地质-物探-钻探”的综合预报原则,选定地质素描、地震波法、地质雷达、红外探水、深孔水平钻探、加深炮孔共 6种方法为宜万铁路岩溶隧道地质超前预报试验研究项目。

3 岩溶隧道综合超前预报技术

3.1 施工地质分级

施工地质超前预报,特别是复杂隧道的施工地质超前预报,需要较长时间占用掌子面,势必影响施工进度,为了在规避施工风险和保证施工进度两个方面取得协同,保持双赢,有必要针对宜万铁路复杂隧道的工程地质特点对隧道的复杂程度和复杂地段进行分级。

(1)风险隧道等级划分

宜万铁路共有岩溶隧道 91座,通过对地表岩溶发育形态、地表与地下的径流特点、暗河发育情况、断层的切割和连通等、线路位于岩溶发育带的位置等,确定了八字岭、野三关、大支坪、云雾山、马鹿箐、金字山、齐岳山、别岩槽 8座隧道为Ⅰ级风险隧道,白云山、鲁竹坝、龙鳞宫等 26座隧道为Ⅱ级风险隧道,其余隧道为一般风险隧道。

Ⅰ级风险隧道最主要的地质特征是:隧道位于岩溶的水平发育带中或地下水的水平循环带中,只要一经揭露断层、构造或溶腔,就会发生大规模的突水突泥,形成毁灭性的地质灾害。宜万铁路的 8座Ⅰ级风险隧道全部都具有上述特征,是宜万铁路能否成功修建的关键工程,也是宜万铁路超前预报的重点隧道。

(2)地质等级划分及预报项目

为了使超前预报工作更具有针对性,以最合理的预报手段、最短的预报时间取得期望的预报效果,达到规避风险、保证工程进度的目的。对Ⅰ、Ⅱ级风险隧道根据不同地段的复杂程度进行了地质等级划分。复杂隧道地质等级共分为 4级,如表1所示。

3.2 超前地质预报模式

根据风险隧道等级划分和地质等级划分,确定岩溶隧道不同地质环境条件下预报模式(表2)。

3.3 超前地质预报管理

岩溶隧道超前地质预报的核心是风险预报,规避施工风险。宜万铁路通过制定相关实施细则,将超前地质预报纳入工序管理,明确建设、设计、监理、施工各方的职责、分工。针对Ⅰ级风险隧道,为规避施工过程中出现突水突泥高风险,实施标准化管理。

(1)职责分工(表3)

(2)工作流程(图3)

(3)决策程序

超前地质预报纳入工序管理,使施工地质超前预报成为施工工序流程的一个重要环节,在岩溶隧道施工中,真正做到“有疑必探、不探不挖”的科学化施工原则。在施工过程中,对超前地质预报分析的准确性,决定了能否有效规避施工风险;对超前地质预报分析的时效性,决定了超前地质预报对工程进度的影响程度。

表1 宜万铁路施工地质分级和对应的预测预报项目

表2 宜万铁路岩溶隧道超前预报模式

表3 宜万铁路超前地质预报职责分工

图3 宜万铁路超前地质预报工作流程

①针对Ⅱ级风险和一般风险隧道,在超前地质预报无异常的情况下,经施工单位现场总工程师确认后,进行开挖掘进,资料报设计单位核备;有异常时,将基础资料提交设计单位,设计单位在 12 h内确定补充探测方案。

②针对Ⅰ级风险隧道,设计单位根据隧道所揭示的地质情况于 12 h内提交《超前地质预测预报设计通知单》,施工单位按要求组织实施超前地质预测预报工作,并在探测完成后 12 h内将探测结果提交设计单位,设计单位原则上应在 8 h内回复。如遇到可能发生突水突泥的岩溶发育区段,应在 48 h内提交《超前地质预测预报补充设计通知单》。

③施工单位在超前探查或掘进过程中发现异常地质现象或揭示地质情况与原设计地质情况有差别且对施工安全构成潜在威胁时,应停止掘进,并及时上报。

4 超前预报方法研究

宜万铁路开工后,选定地质素描、地震波法、地质雷达、红外探水、深孔水平钻探、加深炮孔共 6种方法为宜万铁路岩溶隧道地质超前预报试验研究项目。2003年至 2004年,在野三关、大支坪、马鹿箐、齐岳山等复杂岩溶隧道中进行试验,地震波法每 100～150 m 1次、地质雷达每 15～20 m 1次、深孔水平钻探 1孔至多孔贯穿、地质素描 1～2个开挖循环 1次、红外探水每 15～20 m施作 1次、加深炮孔按专项设计施作,通过多个试验样本与开挖进行验证对比、以及后期的深入研究,得到如下试验结论。

4.1 地震波法预报技术

2003年 12月宜万铁路开工,到 2004年 11月共10座隧道进行了 40次地震波法预报。地震波法对岩溶及断层准确预报 14次,准确预报率仅为 35%。为提高预报效果,邀请 Amberg公司技术总监现场进行技术交流探讨。研究了影响地震波法预报效果的因素:横向预报差异性、选择参数影响、小异常的遗漏、接受器套管与孔壁的耦合、炮孔的倾斜和堵孔、环境干扰、单一接收器影响资料对比分析、数据处理参数选择。通过研究,在现场加强技术管理,在随后的地震波法预测预报中得到如下研究结论:

(1)地震波法对岩溶预报有效率为 50%～60%;

(2)地震波法分辨岩溶要求岩溶在掌子面纵向规模应不小于 3m,且大部分或全部应在掌子面范围;

(3)地震波法纵向预报长度只能达到 100 m,100 m后受回振干扰较大,数据不宜采用;

(4)地震波法采用反演得到的直达速度不代表岩体的真实速度,难以对岩溶及断层区围岩级别作出真实判释。

4.2 地质雷达超前预报技术

地质雷达对不良地质有较好的反映,如龙麟宫隧道地质雷达预报结果与实际开挖就有很好的对应关系。但地质雷达有效预报距离只有 15 m,且每 2个循环需要重叠 5 m,预报距离短,因此,与加深炮孔相比较,优势不明显。同时,地质雷达预报精度受掌子面平整度耦合问题、支护钢架与作业台架的干扰问题影响较大。

4.3 红外探水预报技术

红外探水是利用温度场进行预报,宜万铁路全线使用后,难以达到预报效果。分析原因主要是岩溶水是循环水,难以达到精确分辨的目的。同时,掌子面的喷射混凝土水泥水化热效应持续时间很长,它对红外场分辨影响很大。研究表明,红外探水难以达到对岩溶水的预报目的[1]。

4.4 超前深孔钻探及加深炮孔技术

超前深孔钻探虽然是“一孔之见”,但其“可靠性大、准确性高”的特点,是其他预报方法不可替代的。超前深孔钻探和加深炮孔能直观地反映岩溶、岩溶水地质问题,只要是规模较大的岩溶,都是可以钻探到,并进行水量、水压力的测试。通过对溶腔规模、水量、水压的判释,有效规避施工风险,同时为方案决策提供准确的依据。因此,超前深孔钻探成为宜万铁路岩溶高风险隧道超前地质预报的首要方法。

(1)钻机设备选型及钻进速度

宜万铁路超前深孔钻探使用过的国内外钻机有HGY-300D、MKD-5S、RPD-150C、C6等 10余 种。影响超前深孔钻探的 2个重要指标,一是钻机的钻进能力,二是钻机的移动能力,其中钻机的钻进能力最为重要。

通过宜万铁路深孔钻探超前预测预报,钻机的选型对深孔钻探影响很大。由现场实际钻孔能力来看,在不取芯条件下,HGY-300D、JD-30、LF-100、MGY-60B、MK-3、MK-5、XY-2、XY-150、XY-2P、XY-2PC、YQ-100、ZD-60共 12种钻机钻进能力为 1～3 m/h,称之为慢速钻机;MKD-5S(煤科院西安分院产)、ZYG-150B(煤科院重庆分院产)钻机钻探能力为 5～7 m/h,称之为中速钻机;RPD-75SL-H2、RDP-150C、卡萨 C6钻机钻探能力为 10～15 m/h,称之为快速钻机。按平导月平均进度 180～240 m/月,钻机进、出场及施工准备时间按 2h,一次钻孔深度按30m,开挖25m,预留 5m岩盘,每次掌子面钻设计 1个超前探孔等综合指标考虑,慢、中、快 3类钻机对施工的影响分别为 16.6%、7.6%、4.9%。综合以上分析,针对不同岩溶隧道的情况(长度、地质条件),根据不同钻机的钻进能力,对超前钻探钻机选型配套建议如下:①对长度小于 1km的岩溶隧道,可配备中速钻机;②对长度大于 1 km、小于5km的一般岩溶隧道,可配备中速钻机,对较复杂的岩溶隧道应配备快速钻机;③针对长度大于 5 km的隧道,必须购置快速钻机,以满足施工进度和溶腔探测的需要。

(2)超前钻探循环长度及布孔设计

超前钻探主要目的是探查隧道周边一定范围内是否存在大型岩溶腔体、探明岩溶腔体在隧道周边一定范围内的发育规模及充填物性质、裂隙发育情况,进行水压力与涌水量观测,并对物探异常进行验证。宜万铁路岩溶隧道在进行超前深孔钻探方案设计时,探索了 20～100 m多种长度的钻孔长度和布孔方式,经过总结,超前钻探长度以 30 m距离探测为宜,搭接长度5m;重点地段采用 1～2孔超长距离(60 m及以上)超前钻探了解掌子面前方宏观地质情况。

(3)加深炮孔技术

加深炮孔(5m)是短距离探查隧道前方及周边地质情况的主要手段,是防范掌子面突水突泥风险的最后一关。宜万铁路岩溶隧道(正洞)加深炮孔分 2循环交错向前布置:第 1循环超长炮孔 17孔,中间 5孔为水平孔,其余各孔以 20°、40°角度外插;第 2循环超长炮孔 17孔,中间 6孔为水平孔,其余各孔以 20°、40°角度外插。在加深炮孔出现异常时,应停止掘进,确定排除风险后方可继续掘进。

5 工程案例

大支坪隧道“990溶腔”包括为大型富水充填溶洞,因该溶腔第一次探遇是在平导 PDK132+990位置,合并简称“990溶腔”。

5.1 超前地质预报工作与判析

在平导探遇溶腔后,在线路设置迂回导坑绕过“990溶腔”,进行前方施工,经正反向逼近溶腔进行探测。各掌子面完成主要探测工作量如表4所示。

通过超前预测预报方案的实施,基本确定了“990溶腔”及影响范围、充填物类型及性质(砂卵石及黏土),并通过对水量、水压、地表降雨的观测和分析,初步掌握了“990溶腔”工程地质、水文地质特征,为处理方案的选择和实施奠定了基础。大支坪隧道“990溶腔”超前探测形态平面见图4。

表4 大支坪隧道“990溶腔”超前探测实施情况

图4 “990溶腔”超前探测溶腔形态平面

5.2 开挖揭示溶腔后反分析

“990”溶腔前期采用超前注浆加固后,采用释能降压法处理通过。通过对开挖揭示溶腔形态与超前地质探测资料分析时判释的溶腔形态比较,得出以下结论。

(1)物探手段在施工阶段只是一种辅助手段,地震波法、地质雷达对“990”溶腔均有异常反应,但对异常的分析不能定量查明溶腔范围、充填物介质地质特征、水量、水压等具体参数;物探异常对进一步地质加深探测工作的布孔具有一定的指导意义。

(2)通过超前探孔(非取芯钻探或取芯钻探),能够较为准确地锁定靠钻机侧的溶腔边界,靠钻机侧的溶腔边界为 Ⅰ线 DK132+947、DK133+027、Ⅱ线ⅡDK132+913、ⅡDK132+997,超前探孔锁定的溶腔边界与开挖揭示的溶腔边界一致。

(3)通过超前探孔(非取芯钻探或取芯钻探),对大型含水充填溶腔(溶腔纵向发育长度大于 10 m)对面边界的锁定存在误差。“990溶腔”Ⅰ线在通过超前探孔锁定对面边界时,存在较大偏差,主要原因为:①非取芯钻探通过人工记录钻进速率、钻进平稳度(是否卡钻)、返水颜色、水量大小、充填物涌出等指标判断前方地质情况。在靠近钻机侧,由完整或较完整基岩进入充填溶腔时,有一个明显的突变过程,所以能准确锁定靠钻机侧的溶腔边界;对大型含水充填溶腔,在进入对面基岩前,由于长距离在充填溶腔中钻探,钻机钻进效率降低,并且在进入对面基岩后,钻进速率、返水颜色、水量大小、充填物涌出等指标没有明显突变过程,在钻探时,是否进入对面基岩的判断要求钻机操作人员有丰富的经验。通过现场实践,一般的钻探人员或技术人员不具备这方面的判断能力,即使是经验丰富的钻机操作人员,也会因岩溶的复杂性而存在判断偏差。②取芯钻探通过取芯芯样、水量大小判断前方地质情况,在岩溶地区,由于目前取芯工艺由于坍孔、机械破碎等原因,取出芯样与实际地质情况存在偏差,对判断溶腔对面边界依然存在不确定性。③岩溶的不规则性和复杂性:超前钻探(一孔或多孔)均是以钻孔确定的点,按推测最不利情况连成溶腔可能发育范围的包络线,由于岩溶发育的不规则性和复杂性,通过超前探测,很难锁定溶腔的准确范围。

(4)对于岩溶裂隙(或纵向长度在 5 m以下的溶腔),通过超前钻探能较为准确地锁定裂隙(或溶腔)范围及与隧道的空间关系,如Ⅰ线 DK132+995、Ⅱ线ⅡDK132+940、ⅡDK133+010岩溶裂隙。

(5)超前地质预报对溶腔形态的描绘是一种通过物探、钻孔的一些具体参数进行分析后的预报,不可能与实际的溶腔形态完全一致,在开挖掘进中,必须施作加深炮孔,通过加深炮孔短距离进一步探测溶腔,评估风险。

6 结论

(1)宜万铁路在国内铁路建设首次系统构建了一套基于岩溶隧道风险分级和施工地质分级基础上的岩溶隧道地质超前预报模式,并把地质超前预报首次纳入工序管理,对宜万铁路岩溶风险隧道的顺利建成起到了关键性的作用,对中国西南地区岩溶隧道修建具有借鉴意义。

(2)宜万铁路岩溶隧道采用“地质—物探—钻探”的综合预报原则,通过试验研究选定地质素描、地震波法、地质雷达、深孔水平钻探、加深炮孔 5种方法为宜万铁路岩溶隧道地质超前预报项目是合理的。

(3)岩溶隧道超前地质预报的核心是风险预报,规避施工风险。高风险岩溶隧道通过建立地表(降雨量)-洞内(水量、水压力)水文观测体系,采用“地质素描、地震波法、多孔水平超前钻探、地质雷达、加深炮孔”预报模式,能有效探遇前方溶腔风险源,查明溶腔规模、地质特征,为溶腔处理方案的选择和实施奠定了基础。其中物探等方法只能是施工阶段的辅助手段;科学的布孔、一定数量的超前探孔、地质取芯是定量查明溶腔的必要手段;加深炮孔是防范掌子面突水突泥风险的最后一关,是不可替代、必须实施的探测手段[2～3]。

(4)复杂岩溶地区的地质超前探测,专业化发展是方向[4～7]。物探方法(地震波法、地质雷达)的关键是减少干扰因素,提高判释水平;超前钻探技术的关键是钻机选型和钻探资料判释。由于施工单位普遍缺乏施工地质超前预报方面的专业机械与人才,多数施工单位采取的是外委方式,这其实上是一个专项转包,为使超前预报工作开展的更好,发展的更快,应引入市场机制,实行专业化承包,让真正有实力、有能力的队伍来完成该项工作。

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