錢薔薇

貴廣高鐵油竹山隧道施工風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用研究

錢薔薇

（中國(guó)中鐵城市投資集團(tuán)有限公司，四川 成都 610000）

介紹了貴廣高鐵油竹山隧道安全穿越復(fù)雜高風(fēng)險(xiǎn)巖溶地區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn)。從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法選用、結(jié)果分析和預(yù)報(bào)效果等方面，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)進(jìn)行了較為全面的分析和總結(jié)，為巖溶地區(qū)隧道地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)報(bào)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。

高速鐵路；巖溶隧道；高風(fēng)險(xiǎn)施工；地質(zhì)預(yù)報(bào)

1 前言

隨著中國(guó)鐵路網(wǎng)的快速成型，鐵路隧道施工地質(zhì)條件千變?nèi)f化，遇到的風(fēng)險(xiǎn)種類也越來越多。貴廣高鐵油竹山隧道處于較典型的巖溶發(fā)育地區(qū)，其可能引起暗河水涌入、突水突泥等事故，對(duì)隧道施工威脅巨大。高速鐵路隧道如何對(duì)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行可靠預(yù)報(bào)，是隧道安全、快速施工的前提和保障，具有很大的研究和實(shí)用價(jià)值。以貴廣高鐵油竹山隧道成功通過高風(fēng)險(xiǎn)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)的案例，對(duì)高速鐵路隧道通過大型溶洞、大段溶蝕破碎帶、大型儲(chǔ)水溶巖管道等強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)進(jìn)行了較為全面的分析和總結(jié)，為巖溶地區(qū)隧道工程提供借鑒。

2 工程概況

貴廣鐵路油竹山隧道全長(zhǎng)9 896 m，始于貴州省貴定縣昌明鎮(zhèn)，終于貴州省都勻市甘塘鎮(zhèn)。線路左側(cè)設(shè)有平行導(dǎo)洞，進(jìn)口導(dǎo)洞長(zhǎng)度2 717 m，出口長(zhǎng)度2 371 m。

隧道最大埋深約720 m，隧址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道穿越巖溶、巖爆、順層、暗河、斷層破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶等多種不良地質(zhì)，隧道平常涌水量為54 200 m3/d，雨季涌水量為136 000 m3/d，存在突水突泥高風(fēng)險(xiǎn)，為Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道。

3 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)方法

目前在隧道施工中較常使用的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)超前預(yù)報(bào)技術(shù)有直接法和間接法，直接法主要采用鉆探和導(dǎo)坑，間接法有TSP、地質(zhì)雷達(dá)等。每種探測(cè)方法均有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，單一使用不能全面預(yù)報(bào)前方地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，存在一定的安全隱患，鑒于油竹山隧道的高風(fēng)險(xiǎn)性，施工中創(chuàng)新采用了多源信息綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)和巖溶發(fā)育地質(zhì)模型，前者可以利用各種探測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)更確切地預(yù)報(bào)前方地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)情況，后者更加系統(tǒng)地總結(jié)巖溶病害的發(fā)育特征，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度。

3.1 TSP探測(cè)技術(shù)

TSP探測(cè)作為一種中長(zhǎng)期的預(yù)報(bào)方法，其預(yù)報(bào)范圍一般界定為100～150 m，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過對(duì)人工地震波振幅和反射系數(shù)等數(shù)據(jù)的分析，從而可清楚判斷前方地質(zhì)體的變化，為施工單位制定相對(duì)長(zhǎng)期的施工計(jì)劃提供科學(xué)依據(jù)。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)距離一般在20～30 m，是綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)體系的關(guān)鍵技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)主要用于進(jìn)一步查明表面雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的掌子面前方富水構(gòu)造、不連續(xù)體及破碎帶，判斷地下水賦存情況，有助于減少超前鉆孔的數(shù)量，彌補(bǔ)超前鉆孔在復(fù)雜地質(zhì)條件下難以預(yù)測(cè)小斷層、貫穿性大節(jié)理及與隧道軸線平行結(jié)構(gòu)面的缺陷，對(duì)確保超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率具有決定性的作用。

3.3 巖體溫度場(chǎng)探水技術(shù)

巖溶隧道水的賦存狀態(tài)直接影響施工安全，對(duì)水的探測(cè)是必要的，主要采用紅外線探水技術(shù)。水的存在會(huì)引起圍巖紅外場(chǎng)的明顯變化，因而可以探測(cè)前方是否存在水體。其探測(cè)、分析速度較快，不易引起窩工，適合與中、短期物探手段互相補(bǔ)充使用。

3.4 超前鉆孔法

超前鉆探主要適用于前方30 m圍巖級(jí)別，富水帶、斷層、巖溶、高地應(yīng)力、有害氣體等的預(yù)報(bào)，建立在物探預(yù)報(bào)基礎(chǔ)之上。超前水平鉆可直接探測(cè)前方巖體的地層巖性、含水性、完整性，對(duì)其結(jié)果的分析可以較為準(zhǔn)確推測(cè)構(gòu)造巖溶洞穴的位置與其規(guī)模；更能直觀準(zhǔn)確反映巖體概況和預(yù)報(bào)地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果，但工期長(zhǎng)，工程投資大。

3.5 高精度孔內(nèi)成像技術(shù)

孔內(nèi)成像對(duì)孔內(nèi)壁四周及下部進(jìn)行全方位彩色攝像，并實(shí)時(shí)傳回全景圖像到地面系統(tǒng)控制器，通過電視屏幕直觀顯示圍巖破碎程度及裂隙產(chǎn)狀等?？變?nèi)成像可以直接觀測(cè)到鉆孔中地質(zhì)體的各種特征及細(xì)微構(gòu)造，適用于鉆孔取芯難度大、無法取芯的情況，在巖溶地區(qū)較為適用。

360°全景鏡頭成像如圖1所示。

圖1 360°全景鏡頭成像

綜上所述，油竹山隧道施工中建立的多源信息綜合風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，物探方面采用TSP與地質(zhì)雷達(dá)長(zhǎng)短結(jié)合，輔以巖體溫度場(chǎng)探水技術(shù)；鉆探方面利用超前水平鉆孔和高精度孔內(nèi)成像技術(shù)，不僅能直觀探測(cè)前方風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)情況，還能對(duì)更深層次的巖體巖性和構(gòu)造進(jìn)行預(yù)測(cè)。其運(yùn)行的有效性證明了體系在巖溶地區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)長(zhǎng)大隧道的適用性。

4 巖溶發(fā)育地質(zhì)模型

通過對(duì)廣西、貴州巖溶地區(qū)隧道工程典型案例的分析總結(jié)，系統(tǒng)研究了在不同構(gòu)造條件下，巖溶病害的發(fā)育特征，闡述了巖溶在不同構(gòu)造地質(zhì)條件下的發(fā)育規(guī)律，形成多個(gè)巖溶地質(zhì)發(fā)育模型，其中油竹山隧道傾斜巖層節(jié)理較發(fā)育、上下部有隔水層巖溶發(fā)育模型為巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和巖溶不良地質(zhì)處理提供了理論指導(dǎo)，填補(bǔ)了巖溶地質(zhì)預(yù)報(bào)理論體系的空白。傾斜巖層節(jié)理較發(fā)育、上下部有隔水層巖溶發(fā)育模型與現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比如圖2所示。

圖2 傾斜巖層節(jié)理較發(fā)育、上下部有隔水層巖溶發(fā)育模型與現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比圖

通過建立上述地質(zhì)模型，豐富了巖溶工程地質(zhì)的基本理論體系，在技術(shù)上確立了涉及巖溶工程地質(zhì)問題的基本依據(jù)，為貴廣鐵路巖溶發(fā)育隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了技術(shù)保障，提高了預(yù)報(bào)的可靠度。

5 超前地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)體系

首先確定預(yù)報(bào)區(qū)域所對(duì)應(yīng)的地質(zhì)模型類型，然后利用TSP203配合巖體溫度場(chǎng)探水對(duì)前方巖體結(jié)構(gòu)完整性、巖溶和地下水發(fā)育的情況進(jìn)行長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)。在開挖前利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)掌子面30 m范圍內(nèi)進(jìn)行短距離預(yù)報(bào)。對(duì)疑似存在富水帶、斷層、巖溶、高地應(yīng)力、有害氣體等不良地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的情況進(jìn)行水平鉆孔，必要時(shí)可采孔內(nèi)雷達(dá)及孔內(nèi)成像驗(yàn)證。在巖溶發(fā)育地質(zhì)模型理論的指導(dǎo)下進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，從宏觀上了解巖溶地質(zhì)情況。

在實(shí)踐操作中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙上明確的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和探測(cè)方法，分別采用地質(zhì)調(diào)查、TSP、表面雷達(dá)、紅外探測(cè)等物探方法，結(jié)合超前鉆孔（水平地質(zhì)鉆探、加深炮孔探測(cè)）、地質(zhì)編錄等手段，對(duì)隧道掘進(jìn)施工進(jìn)行超前地質(zhì)綜合預(yù)報(bào)，大力推廣孔內(nèi)雷達(dá)、鉆孔攝像、孔內(nèi)成像等新技術(shù)手段應(yīng)用，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)情況進(jìn)行輔助探測(cè)，各手段的使用應(yīng)根據(jù)圖紙和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)靈活掌握，并采用TSP輔以表面雷達(dá)、紅外探測(cè)進(jìn)行綜合分析，如有疑問則應(yīng)采用地質(zhì)鉆探法進(jìn)行核查。

各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段使用流程如圖3所示。

圖3 各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段使用流程圖

6 預(yù)報(bào)成果

6.1 TSP預(yù)報(bào)

油竹山隧道進(jìn)口平導(dǎo)TSP結(jié)果顯示：P1K82+906—P1K83+006圍巖溶蝕裂隙較發(fā)育，存在巖溶富水區(qū)，突水地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較大。

6.2 地質(zhì)雷達(dá)

為進(jìn)一步明確TSP探測(cè)結(jié)果，施工過程中進(jìn)行了多次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)。經(jīng)多次探測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以推測(cè)出平導(dǎo)P1K82+906—P1K82+936段巖體破碎，溶蝕作用強(qiáng)烈發(fā)育，涌水量預(yù)測(cè)在10～12 m3/h之間。巖溶發(fā)育危及施工安全，建議立即停止掌子面施工，對(duì)掌子面進(jìn)行鉆孔探測(cè)后再行施工。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果如圖4所示。

6.3 紅外探水

紅外探測(cè)后，結(jié)合已開挖揭示的圍巖情況，分析判定出P1K82+906—P1K82+936段可能存在大規(guī)模含水體，地下水發(fā)育，施工中發(fā)生突涌水的可能性大。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果圖

6.4 超前鉆孔驗(yàn)證情況

為探明平導(dǎo)P1K82+906前方地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)情況，采用30 m×3超前水平鉆孔進(jìn)行探測(cè)驗(yàn)證：P1K82+906—P1K82+936巖性為白云巖，巖溶作用發(fā)育，地下水發(fā)育，開挖該范圍易出現(xiàn)突水涌砂，地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)較大。結(jié)合模型可以對(duì)前方巖溶發(fā)育情況進(jìn)行推測(cè)，通過多源信息綜合風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)預(yù)報(bào)體系對(duì)預(yù)測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)超前地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)體系大數(shù)據(jù)分析，指定相應(yīng)的技術(shù)措施和管理措施，以及完善的處置體系，確保油竹山隧道通過巖溶、斷層、富水帶、高地應(yīng)力等強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)施工生產(chǎn)安全。

7 結(jié)語

貴廣鐵路油竹山高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道建立巖溶地區(qū)長(zhǎng)大隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)體系，通過恰當(dāng)選擇預(yù)報(bào)技方法及各種預(yù)報(bào)方法的相互驗(yàn)證，基本確定不良地質(zhì)的性質(zhì)、規(guī)模。多源信息綜合預(yù)報(bào)技術(shù)和巖溶隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)體系的應(yīng)用極大地提高了地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。以上多種超前地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)技術(shù)的綜合應(yīng)用為油竹山高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道規(guī)避地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)，安全快速完成建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，對(duì)其地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)的分析和總結(jié)為此類工程提供了重要參考。建設(shè)過程中以油竹山隧道為依托展開了高速鐵路隧道施工機(jī)械化配套設(shè)備開發(fā)及應(yīng)用研究、巖溶地區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)新技術(shù)應(yīng)用研究、巖溶隧道爆破控制技術(shù)研究等七項(xiàng)探索型課題，科研工作碩果累累，工程榮獲2016年度中國(guó)建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)。

［1］王良奎.多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法在隧道施工中的應(yīng)用［J］.金屬礦山，2001（11）：45-47.

［2］何振起，李海，梁彥忠.利用地震反射法進(jìn)行隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2000（4）：81-85.

［3］曾憲強(qiáng)，沙椿.工程物探論文集［M］.昆明：云南科技出版社，2006.

U455.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.069

2095－6835（2020）08－0154－03

錢薔薇，畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程專業(yè)。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕