周柏林

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,湖北武漢 430063)

隧道洞身巖溶的復(fù)雜性和隧道地質(zhì)勘察工作的艱巨性,決定了地面勘察難以準(zhǔn)確查明隧道洞身形態(tài)各異、分布不均的具體巖溶地質(zhì)情況,存在隧道工程施工發(fā)生涌水突泥災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。隨著隧道工程施工安全和使用安全要求的提高,有必要重新審視隧道地質(zhì)超前探測(cè)的理念,如:巖溶隧道地質(zhì)超前探測(cè)除包括工作面前方外還應(yīng)該包括工作面周邊的超前探測(cè),特別是工作面前方和工作面周邊安全巖盤厚度范圍內(nèi)的超前探測(cè),直接關(guān)系到隧道的施工安全。如前方存在大型高壓富水溶腔時(shí),應(yīng)根據(jù)溶腔發(fā)育特征以及隧道的工程地質(zhì)條件,確定隧道工作面與富水溶腔間的安全距離即安全巖盤厚度,在大于安全巖盤厚度的安全距離采取合理的工程措施對(duì)富水溶腔進(jìn)行處理,使隧道施工安全順利進(jìn)行。下面結(jié)合被稱為巖溶發(fā)育、地下水豐富、暗河系統(tǒng)發(fā)育、突水突泥的風(fēng)險(xiǎn)程度和工程處理難度為國(guó)內(nèi)外罕見(jiàn)的宜萬(wàn)鐵路復(fù)雜巖溶隧道工程超前探測(cè)中超長(zhǎng)炮孔法應(yīng)用實(shí)例,對(duì)超長(zhǎng)炮孔法在巖溶隧道地質(zhì)綜合超前探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 超長(zhǎng)炮孔法在巖溶隧道綜合超前探測(cè)中的應(yīng)用

1.1 超長(zhǎng)炮孔法簡(jiǎn)介

在復(fù)雜巖溶隧道開(kāi)挖施工中,必須保證施工工作面與前方不良地質(zhì)體(溶腔、管道、暗河、斷層等)有一定厚度的安全巖盤。根據(jù)安全巖盤厚度剪切強(qiáng)度計(jì)算、安全巖盤厚度數(shù)值模擬預(yù)測(cè)分析得知,當(dāng)Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖水壓小于2 MPa或Ⅳ級(jí)圍巖水壓小于1.0 MPa時(shí),安全巖盤厚度應(yīng)采用3 m值。而控制施工工作面前方及洞身周圍留有3 m的安全巖盤,在隧道施工中的狹窄場(chǎng)地條件下最好的探測(cè)方法就是超長(zhǎng)炮孔法。

超長(zhǎng)炮孔法是采用風(fēng)槍對(duì)工作面前方及周邊進(jìn)行地質(zhì)超前探測(cè)的一種方法,是對(duì)超前鉆探的一種補(bǔ)充,主要應(yīng)用于隧道的地質(zhì)復(fù)雜程度地段,其探測(cè)長(zhǎng)度一般為5 m。

1.2 超長(zhǎng)炮孔探測(cè)方案確定原則

超長(zhǎng)炮孔探測(cè)方案確定原則:超長(zhǎng)炮孔的孔數(shù)、間距、偏角等要素的選擇和布置,取決于開(kāi)挖斷面尺寸、安全巖盤厚度和工作面前方及周邊地質(zhì)復(fù)雜程度。

1.3 地質(zhì)復(fù)雜地段超前炮孔探測(cè)方案

地質(zhì)復(fù)雜地段超長(zhǎng)炮孔探測(cè)指洞身在地下水位以下且?guī)r溶、暗河、斷層發(fā)育或地面物探重大異常的地段(詳細(xì)探測(cè)),洞身在地下水位以上且?guī)r溶、斷層發(fā)育或地面物探有較大異常的地段(重點(diǎn)探測(cè))進(jìn)行超長(zhǎng)炮孔探測(cè)。

詳細(xì)探測(cè)超長(zhǎng)炮孔方案:

假定隧道開(kāi)挖斷面尺寸(探測(cè)面積)即開(kāi)挖斷面外安全巖盤厚度尺寸面積為A(m2)、安全巖盤厚度為H(m),為使超長(zhǎng)炮孔間距不大于安全巖盤厚度,超長(zhǎng)炮孔孔數(shù)n的確定方法如下。

當(dāng)超長(zhǎng)炮孔采用等邊三角形排列時(shí)

當(dāng)超長(zhǎng)炮孔采用正方形排列時(shí)

將式(1)、式(2)合并得

(1)正洞超長(zhǎng)炮孔孔數(shù)確定

假定安全巖盤厚度為3 m,正洞開(kāi)挖斷面高9.5 m,寬6.8 m,開(kāi)挖斷面探測(cè)面積(圖1中外虛線)135.9 m2,采用式(3)確定超長(zhǎng)炮孔的孔數(shù)為17孔。

圖1 探測(cè)范圍示意(單位:m)

(2)正洞超長(zhǎng)炮孔的布置

為使超長(zhǎng)炮孔探測(cè)隧道工作面前方和工作面周邊安全巖盤厚度范圍的地質(zhì)情況,超長(zhǎng)炮孔除部分探測(cè)前方的不良地質(zhì)外,在工作面周邊采用了向外以20°～40°的角度外插。

為提高超長(zhǎng)炮孔探測(cè)隧道工作面前方和工作面周邊安全巖盤厚度范圍不良地質(zhì)體的有效性,超長(zhǎng)炮孔采用兩循環(huán)交錯(cuò)向前布置,第一循環(huán)超前長(zhǎng)炮孔17孔,中間5孔為水平孔,其余各孔以20°、40°角度外插(如圖2中黑實(shí)心);第二循環(huán)超前長(zhǎng)炮孔17孔,中間6孔為水平孔,其余各孔以20°、40°角度外插(見(jiàn)圖2)。布孔要素見(jiàn)表1。

(3)平導(dǎo)超前炮孔孔數(shù)確定

假定安全巖盤厚度為3 m,平導(dǎo)開(kāi)挖斷面高4.5 m,寬4.0 m,開(kāi)挖斷面探測(cè)面積94.3 m2,采用式(3)確定超長(zhǎng)炮孔的孔數(shù)為12孔。

圖2 超長(zhǎng)炮孔布置示意(單位:m)

表1 正洞全斷面開(kāi)挖超長(zhǎng)炮孔要素一覽

從圖2和表1可看出,超長(zhǎng)炮孔探測(cè)工作面前方3.8～5.0 m,探測(cè)工作面前周邊3.2 m,使施工中工作面前方及周邊有安全距離(取3 m)的保護(hù),這是地下水位以下巖溶隧道施工又一安全保證。

(4)平導(dǎo)超前炮孔的布置

平導(dǎo)超前炮孔的布置見(jiàn)圖3。

圖3 平導(dǎo)超長(zhǎng)炮孔探測(cè)布置示意(單位:m)

1.4 重點(diǎn)探測(cè)地段超前炮孔探測(cè)方案

由于重點(diǎn)探測(cè)地段的施工風(fēng)險(xiǎn)程度沒(méi)有詳細(xì)探測(cè)地段施工風(fēng)險(xiǎn)程度大,主要存在塌方等施工風(fēng)險(xiǎn),其超前炮孔探測(cè)方案只需在詳細(xì)探測(cè)基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。正洞采用12 孔方案 ,如圖2中的 1 、2 、3 、4 、5 、6 、7 、8 、9 、10、12 、13(黑實(shí)心)。

2 云霧山隧道DK244+558裂隙出水探測(cè)實(shí)例

云霧山隧道全長(zhǎng)6 623 m,為單面上坡,隧道最大埋深800 m,是宜萬(wàn)鐵路的一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。隧道穿過(guò)白果壩背斜和白果壩斷裂,為寒武系下統(tǒng)天河板組灰?guī)r、白云巖、溶崩角礫巖。區(qū)內(nèi)發(fā)育白果壩暗河,大魚泉、小魚泉、惡水溪和洞灣管道流系統(tǒng),預(yù)測(cè)最大涌水量8.9萬(wàn)m3/d。

云霧山隧道DK244+470～DK244+570段,為詳細(xì)探測(cè)地段,在DK244+474工作面進(jìn)行了超前TSP探測(cè),探測(cè)結(jié)論:DK244+505～DK244+533破碎含水可能涌水,DK244+533～DK244+578較破碎含水,建議異常段沿起拱線以上布置5～6個(gè)超前長(zhǎng)炮孔(半斷面)。該段采用的一孔超前水平鉆未發(fā)現(xiàn)巖溶異常。

按要求(如圖2)進(jìn)行超前炮孔探測(cè),DK244+498開(kāi)始有少量裂隙水,DK244+556時(shí)圖中6號(hào)超前炮孔出水量很大,后在其工作面進(jìn)行了8孔超前鉆探,確定了DK244+560～DK244+562含水裂隙管道(如圖4)。

圖4 DK244+560裂隙管道縱斷面

超前鉆孔孔內(nèi)水壓監(jiān)測(cè)顯示:旱季時(shí)水壓0.05 MPa、降雨(50 mm)12 h后水壓最大達(dá)到0.5 MPa,所有出水孔放水時(shí)最大水量9700 m3/d。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)超長(zhǎng)炮孔法是短距離超前探測(cè)隧道前方及周邊巖溶管道、巖溶裂隙、巖溶洞穴及富水情況探測(cè)的主要手段,是復(fù)雜巖溶隧道特別是地下水位以下的隧道超前探測(cè)中必不可少的手段。

(2)超長(zhǎng)炮孔法是對(duì)超前鉆探的一種補(bǔ)充,是巖溶隧道復(fù)雜地段施工的一種有效的防護(hù)裝甲,應(yīng)每施工循環(huán)探測(cè)一次。

(3)超長(zhǎng)炮孔具有設(shè)備輕便,探測(cè)時(shí)間短且具有直觀性,易于多孔同時(shí)進(jìn)行探測(cè)的優(yōu)點(diǎn),與中、長(zhǎng)距離超前鉆探結(jié)合使用,效果更好。

(4)超長(zhǎng)炮孔其探測(cè)長(zhǎng)度一般為5 m,其孔數(shù)和布置等要素應(yīng)根據(jù)開(kāi)挖斷面尺寸、安全巖盤厚度、地質(zhì)復(fù)雜程度綜合分析確定。

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