楊 澤,孫 遙

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院,陜西 渭南 714000;2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站,陜西 西安 710068)

0 引言

巖溶也叫做喀斯特,是可溶性巖石在水的溶蝕作用下形成的特殊地質(zhì)地貌。隨著近年來我國鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力發(fā)展,途徑巖溶等復雜地質(zhì)區(qū)隧道段的長度快速增長,使得隧道建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境之間的矛盾越來越突出[1-3]。巖溶會引發(fā)突水突泥、圍巖坍塌、地面沉降等若干工程地質(zhì)問題,直接決定了隧道的選線及設(shè)計工作,施工階段的巖溶處理會影響到隧道工程的成本、進度及安全,運維階段由于巖溶所引發(fā)的地質(zhì)災害事故更是對人民的生命財產(chǎn)帶來極大損失[4-6]。

工程地質(zhì)勘察作為建設(shè)工程領(lǐng)域的一個重要環(huán)節(jié),通過若干手段來查明建設(shè)場址的工程地質(zhì)條件,對可能出現(xiàn)的各種工程地質(zhì)問題進行分析與評價,為隧道建設(shè)的其他各個環(huán)節(jié)工作提供可靠的地質(zhì)分析資料和所需的地質(zhì)參數(shù)。由于巖溶發(fā)育具有復雜性、隱蔽性及形態(tài)多樣性等特點,導致其勘察難度極大,而隧道工程的安全及穩(wěn)定與地質(zhì)環(huán)境條件息息相關(guān),因此隧道工程的地質(zhì)勘察工作往往貫穿隧道建設(shè)全過程。本文首先對巖溶區(qū)隧道建設(shè)的若干重要工程地質(zhì)問題進行介紹,其次對巖溶區(qū)隧道勘察的常用方法進行討論,最后根據(jù)巖溶區(qū)隧道工程特點,將勘察工作分為可行性勘察與初步勘察、詳細勘察、施工勘察3個階段,對每個階段的勘察目的、勘察內(nèi)容及勘察手段進行分析研究。

1 巖溶區(qū)隧道工程地質(zhì)問題

巖溶區(qū)修建隧道易引發(fā)突水、突泥、坍塌、地面沉降等若干工程地質(zhì)問題,對工程建設(shè)帶來不利影響。巖溶發(fā)育區(qū)往往降雨量充足,石灰?guī)r、白云巖等可溶巖中賦存大量巖溶水,隧道開挖破壞了巖溶內(nèi)部地質(zhì)環(huán)境,形成新的排泄通道。當隧道經(jīng)過褶皺核部、節(jié)理密集帶及斷層破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造或大型溶洞與暗河時,極易發(fā)生突水現(xiàn)象,當前方遇到軟弱層時,在水的作用下會發(fā)生突泥現(xiàn)象,突水突泥是隧道施工中最常見的地質(zhì)災害,會導致設(shè)備損毀及人員傷亡。巖溶區(qū)隧道施工中尤其要注意隔水層的判別,一旦失誤挖通會導致承壓水迅速涌出,造成不可估量的損失。隧道開挖的另一關(guān)鍵要素為防塌,當隧道淺埋時若支護不當會造成圍巖失穩(wěn)坍塌,巖溶區(qū)常發(fā)育的富含地下水的松散巖體也易發(fā)生坍塌事故。

當隧道在巖溶發(fā)育區(qū)開挖時,為降低巖溶水對施工的影響,常采取排水措施。而當?shù)叵滤蛔兓^大時,經(jīng)常會引發(fā)地面沉降及塌陷,嚴重者會導致地表水資源枯竭及房屋建筑開裂,威脅到當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境及居民生活。以武漢地鐵的文化大道區(qū)間隧道段為例[7],該區(qū)段發(fā)育巖溶,隧道修建時并未對溶洞采取處理措施,隧道建設(shè)及運營多年來未出現(xiàn)巖溶地質(zhì)問題,但是2014年隧道附近進行基坑降水施工,改變了溶洞的地質(zhì)環(huán)境條件,隨即引發(fā)地面塌陷,導致了人民生命財產(chǎn)的損失。因此在巖溶區(qū)隧道施工過程中應(yīng)盡量減少對地質(zhì)環(huán)境的擾動,慎重處理各類工程地質(zhì)問題。

2 巖溶區(qū)隧道勘察方法

巖溶區(qū)隧道工程地質(zhì)問題具有突發(fā)性、隱蔽性等特點,一旦發(fā)生常常會造成嚴重的工程事故,工程地質(zhì)勘察通過多種勘察手段能獲得隧道建設(shè)所需的巖溶區(qū)詳細地質(zhì)信息,從而保障隧道施工及運維的安全與穩(wěn)定。巖溶區(qū)隧道勘察方法一般包含工程地質(zhì)測繪、鉆探法、物探法、測試與監(jiān)測等幾大類,在實際工作時一般根據(jù)現(xiàn)場條件及勘察要求選擇合適的幾種手段綜合勘察、相互印證。

2.1 工程地質(zhì)測繪

工程地質(zhì)測繪是地質(zhì)選線的重要依據(jù),是開展其他工程地質(zhì)勘察手段的基礎(chǔ)。工程地質(zhì)測繪主要用于查明隧道建設(shè)影響范圍內(nèi)的區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,主要內(nèi)容包括地形地貌、地層巖性、區(qū)域構(gòu)造、水文特征等。地形地貌可以指示巖溶發(fā)育概況,例如巖溶區(qū)的山間洼地往往發(fā)育溶洞,山地的埡口處常發(fā)育暗河。地層產(chǎn)狀對巖溶發(fā)育有控制作用,隧道選線應(yīng)盡量選擇隧道軸線與巖層走向垂直。地質(zhì)構(gòu)造可以控制巖溶水的分布,向斜是典型的儲水構(gòu)造,斷層可作為巖溶水的流通通道。巖溶水的分布及壓力會直接影響隧道的施工安全,應(yīng)查明隧道影響范圍內(nèi)的含水層與隔水層分布規(guī)律、補給與排泄、巖溶基準面、水動力、水溫、地下水侵蝕性等水文特征。

2.2 鉆探工程

鉆探一般布置于工程地質(zhì)測繪之后,用于重點區(qū)域的地質(zhì)資料獲取。鉆探的使用不受地形條件及地質(zhì)條件的限制,可以直接揭露巖溶區(qū)的地層巖性及構(gòu)造特征,并且可利用鉆孔進行抽水及壓水試驗、地球物理測井、瓦斯檢測等工作。鉆探也常作為一種直接勘探手段對物探異常進行驗證,保證物探解釋的準確性。巖溶區(qū)隧道勘察時遇到溶洞、地下暗河及物探異常段,應(yīng)加密勘探點,并且鉆探深度要超過溶洞、暗河及物探異常下方一定深度。目前超前地質(zhì)預報的水平鉆探技術(shù)能探測出隧道掌子面前方地質(zhì)信息,并廣泛應(yīng)用于隧道施工勘察中。

2.3 工程物探

物探可以彌補巖溶區(qū)鉆探取芯的不足,實現(xiàn)勘探區(qū)的三維成像,能更直觀的掌握目標地質(zhì)體的宏觀分布特征,且具有成本低、覆蓋面廣等優(yōu)勢。物探與鉆探相互配合,能準確的對隧道圍巖進行分類,并探測出溶洞、地下暗河的分布情況。巖溶區(qū)隧道勘察的常用物探方法可分為重力法、磁法、電法以及地震法等幾大類。電法勘探中應(yīng)用較多的有瞬變電磁法、高密度電法及探地雷達法,地震勘探中應(yīng)用較多的有跨孔地震CT及高密度地震映像法,近年來隧道超前地質(zhì)預報中廣泛應(yīng)用的TRT、TSP等技術(shù)也屬于地震法的一種。

2.4 測試與監(jiān)測

為獲得巖溶區(qū)隧道圍巖的物理力學性質(zhì)指標從而進行圍巖分類,應(yīng)對圍巖的密度、抗壓強度、彈性模量等性質(zhì)進行試驗測試分析。現(xiàn)場原位測試可模擬建設(shè)場地的實際承受荷載能力,進而獲得巖土體的力學參數(shù),原位測試方法包括標準貫入、靜力觸探、動力觸探等。為掌握巖層的滲透特性及對涌水量進行預測,也可布置抽水及壓水試驗等。隧道開挖會導致圍巖應(yīng)力重分布,巖溶區(qū)隧道施工的復雜性、巖溶地質(zhì)災害的隱伏性、施工人員的操作水平等都有可能導致隧道出現(xiàn)坍塌、涌水、瓦斯泄漏等事故,因此必須在隧道施工中做好監(jiān)控量測工作。施工及運維階段應(yīng)該對圍巖變形及重點區(qū)域的地下水位、水壓、水溫等情況進行監(jiān)測,掌握地下水的狀態(tài)變化以便能及時處理各種突發(fā)事件。當隧道開挖至煤層或特殊氣體層位時,應(yīng)該設(shè)置專門的瓦斯及特殊氣體監(jiān)測裝置,保障施工的安全。

3 巖溶區(qū)隧道分階段勘察要點

根據(jù)巖溶區(qū)隧道施工特點,將巖溶區(qū)隧道勘察工作分為可行性勘察及初步勘察、詳細勘察、施工勘察3個階段進行分析,如表1所示。可行性勘察及初步勘察的目的主要是指導隧道選線,需要掌握隧址內(nèi)的區(qū)域地質(zhì)概況內(nèi)容,包括區(qū)域構(gòu)造、區(qū)域地層巖性、區(qū)域水文概況及巖溶發(fā)育情況。詳細勘察主要服務(wù)隧道設(shè)計工作,需要在初勘基礎(chǔ)資料上針對已選定隧址區(qū)域展開詳細的物探及鉆探工作,力求查明影響隧道建設(shè)的所有相關(guān)地質(zhì)信息。施工勘察為滿足隧道施工過程中對地質(zhì)信息的需求,尤其是巖溶區(qū)這類復雜地質(zhì)條件的隧道施工務(wù)必開展施工勘察工作,隨著超前地質(zhì)預報技術(shù)在隧道施工領(lǐng)域的應(yīng)用,大大降低了隧道施工的地質(zhì)災害風險。

表1 巖溶區(qū)隧道分階段勘察要點

3.1 可行性勘察及初步勘察

本階段的主要勘察任務(wù)包含以下內(nèi)容:(1)收集工作區(qū)的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料,對區(qū)域地質(zhì)資料進行踏勘驗證,進行工程地質(zhì)測繪,分析隧址范圍內(nèi)的地形地貌、區(qū)域地層巖性、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造等基礎(chǔ)地質(zhì)信息;(2)查明巖溶區(qū)的地表水文及地下水文分布特征;(3)溶洞、落水洞、暗河、豎井等巖溶現(xiàn)象的位置、分布規(guī)模、充填情況及演化特征,對巖溶地質(zhì)災害進行風險評估;(4)查明隧址影響范圍內(nèi)的房屋建筑、橋梁、公路、鐵路及其他各類建筑物的分布情況;(5)分析查明隧道建設(shè)可能遇到的特殊巖土及不良地質(zhì)體,以及可能出現(xiàn)的地質(zhì)災害風險點;(6)綜合分析斷裂帶分布、巖溶發(fā)育、水文特征等地質(zhì)要素,盡量規(guī)避不良地質(zhì)體,綜合工程經(jīng)濟、環(huán)境保護等為隧道選線提供指導建議。

此階段主要采用的勘察方法為工程地質(zhì)測繪及遙感技術(shù),重點復雜地質(zhì)區(qū)布置物探,嚴重不良地質(zhì)體布置鉆探。此階段對于大型溶洞、地下暗河等不良地質(zhì)體的處理方法主要是繞避及跨越,因為巖溶區(qū)的地質(zhì)條件復雜,致災因子多樣性,突水突泥等地質(zhì)災害的發(fā)生難以預測,主動避讓是最為安全且經(jīng)濟的處理方式,實在難以避開的制定初步治理方案。

3.2 詳細勘察

巖溶區(qū)隧道詳細勘察是在深入掌握初勘資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合隧道工程的實際需求,對擬建隧道區(qū)域進行加密鉆孔及孔內(nèi)試驗的勘察工作,對于溶洞發(fā)育區(qū)可進行大比例尺工程物探進行詳細探測。此過程主要勘察任務(wù)包含:(1)綜合分析初勘資料,掌握隧道建設(shè)所需的地質(zhì)信息,對于信息不明確區(qū)域及重點區(qū)域進行補充勘探;(2)對隧址區(qū)進行加密勘探點,進行鉆孔及孔內(nèi)試驗,獲得更為準確的工程地質(zhì)資料;(3)根據(jù)勘察設(shè)計相關(guān)規(guī)范要求,對隧址取樣,將試樣及鉆探巖芯進行室內(nèi)巖石試驗及土工試驗,為施工圖設(shè)計提供相關(guān)的巖土物理力學性質(zhì)參數(shù);(4)對巖性接觸帶、斷層破碎帶、節(jié)理密集帶進行追索,獲得不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的展布情況;(5)查明地表水與地下水的發(fā)育規(guī)律及其對隧道施工的影響,對地下水補、徑、排特征詳細勘察,對水質(zhì)進行試驗分析,評估隧道突水突泥的風險性;(6)查明特殊巖土及不良地質(zhì)的詳細分布情況及工程特性,尤其是背斜及盆地儲水構(gòu)造、大型溶洞及落水洞的位置、規(guī)模及充填情況,制定施工處理方案。

詳細勘察應(yīng)該結(jié)合隧道工程實際,得到隧道設(shè)計及施工所需的詳細地質(zhì)資料。此階段的勘察手段主要為鉆探及物探,輔助大比例尺工程地質(zhì)測繪及巖土性質(zhì)測試。綜合分析巖溶區(qū)隧道工程地質(zhì)概況,應(yīng)對隧址地質(zhì)災害風險進行評估,對不良地質(zhì)體制定處理方案,采取“預防為主、排堵結(jié)合”的原則。

3.3 施工勘察

由于隧道工程的隱蔽性,即使是詳勘階段資料仍然難以完全滿足隧道施工所需,尤其是巖溶區(qū)的地質(zhì)條件極為復雜,巖溶發(fā)育具有隨機性及形態(tài)多樣性,區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害受控因素多,往往具有突發(fā)性,導致其很難被全面評估及預測。因此勘察工作應(yīng)貫穿隧道建設(shè)全過程,施工階段更應(yīng)重視,此階段勘察內(nèi)容包含:(1)綜合利用多種地質(zhì)及地球物理方法,對隧道掌子面前方地質(zhì)情況進行探測,給出隧道開挖建議;(2)對隧道圍巖進行室內(nèi)試驗及原位測試,提出圍巖加固補強(即注漿堵水)的措施方案;(3)判斷巖溶水壓力對隧道施工的影響,提供排水泄壓方案的地質(zhì)及水文參數(shù);(4)對溶洞、暗河、斷層破碎帶等重點不良地質(zhì)體進行“物探+鉆探”深入探測,充分掌握其分布及發(fā)育規(guī)律,評估其風險;(5)對地下水位、水質(zhì)、水壓、水溫、地下水侵蝕性等水文要素進行長期觀測;(6)利用監(jiān)控量測技術(shù)控制隧道開挖導致的地面沉降,監(jiān)測支護結(jié)構(gòu)的受力變形情況,對隧道內(nèi)部空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測。

施工階段的勘察手段主要有超前地質(zhì)預報、監(jiān)控量測、巖土測試、地質(zhì)編錄等。其中超前地質(zhì)預報技術(shù)作為一種復雜地質(zhì)區(qū)隧道施工階段的必要勘察手段,能夠查明隧道掌子面前方的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)特征,指導施工方案調(diào)整及避免隧道施工地質(zhì)災害的發(fā)生。超前地質(zhì)預報技術(shù)主要包含超前導坑法、超前水平鉆探、地質(zhì)雷達法、紅外探測法、TSP技術(shù)、TRT技術(shù)、TST技術(shù)等。地質(zhì)編錄主要包含隧道洞身地質(zhì)編錄、掌子面地質(zhì)編錄等。施工階段應(yīng)對隧道圍巖變形、空氣質(zhì)量、水文參數(shù)等進行實時監(jiān)測,保障隧道施工安全,并為隧道開挖、圍巖支護、地災防治提供必要的巖土性質(zhì)參數(shù)。

4 結(jié)語

(1)巖溶區(qū)隧道建設(shè)過程中經(jīng)常遇到多種不良地質(zhì)災害,嚴重威脅到隧道建設(shè)及運維的安全與穩(wěn)定。本文首先介紹巖溶區(qū)隧道建設(shè)的工程地質(zhì)問題,然后對各種勘察方法進行討論,最后將巖溶區(qū)隧道勘察工作分為3個階段進行分析研究,從勘察目的、勘察內(nèi)容、勘察手段等方面厘清各階段的勘察要點,為巖溶區(qū)隧道勘察工作提供指導。

(2)鑒于巖溶發(fā)育的復雜性,無論是哪一勘察階段,工作時均應(yīng)合理選擇勘察方法,并充分利用物探手段,采用多種勘察方法綜合勘察,避免單一勘察手段地質(zhì)解釋的多解性與局限性,最大程度發(fā)揮多種勘察方法的優(yōu)點,提高勘察報告的質(zhì)量水平。除了勘察方法的選用,勘察人員的工作水平也影響著工程地質(zhì)勘察報告的質(zhì)量,應(yīng)組織地質(zhì)、物探、水文、隧道等相關(guān)專業(yè)人員之間的技術(shù)交流,加強勘察人員的技術(shù)水平及綜合分析能力,才能獲得最貼合隧道實際建設(shè)所需的勘察資料,滿足巖溶等復雜地質(zhì)地區(qū)隧道工程勘察的需求。由于巖溶分布的復雜性、隨機性及隱蔽性,現(xiàn)有探測技術(shù)依然難以完全查明巖溶的空間展布形態(tài)及演化發(fā)展規(guī)律,應(yīng)努力提高勘察儀器的精度及促進勘察技術(shù)的革新,不斷升級隧道勘察方法,利用大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代科技手段,加強勘察資料的綜合分析,為隧道工程建設(shè)提供科學依據(jù)。