高风险岩溶隧道溶洞探测与处治技术及工程应用

高风险岩溶隧道溶洞探测与处治技术及工程应用

王晓勇1

1.中铁十四局集团第四工程有限公司

摘要：我国是世界上岩溶分布面积最广的国家之一，在岩溶地区修建隧道时，施工中极易发生不良地质灾害，如何针对不同地质条件下不同类型的岩溶隧道采用恰当的岩溶治理措施来减轻隧道岩溶危害是一个亟待解决的重大难题。溶洞的大量存在，极易导致隧道在开挖扰动下发生大规模的突水突泥、隧道围岩崩塌、地表塌陷等地质灾害，对施工安全构成严重威胁。为此，科学高效的开展超前地质预报，准确地对溶洞进行探测，建立一套行之有效、经济合理的隧道溶洞综合治理方案和体系，从根本上解决具有隐蔽性和突发性的岩溶危害问题，不仅对既有岩溶地区隧道施工具有重要技术价值和经济意义，而且为在建和待建的岩溶隧道的建设提供了重要的理论依据和现实指导。然后以盛家堡隧道为依托，通过前期的地质分析，在了解隧道可能发生的地质灾害基础上，运用TSP-203探测仪器、GPR等物探手段对盛家堡隧道的不良地质体进行了探测，探测结果与现场实际揭露的溶洞基本吻合，然后采用溶隙注浆手段进行处治。实际应用表明，采用综合超前地质预报体系，可有效规避施工过程中的不良地质灾害，为溶洞处治提供科学的依据。

关键词：岩溶隧道、超前地质预报、TSP、溶洞处治

1引言

铁路是我国的经济大动脉，已经成为经济发展、国家建设不可或缺的基础性交通设施。目前，中国铁路从“四纵四横”路网成型，到“八纵八横”的中长期铁路网规划，我国已跻身世界上隧道修建规模、技术和难度最大的国家之列。同时，随着西部大开发战略的逐步实施，公路、铁路工程建设的重心逐渐转向岩溶高度发育的西部山区，一大批复杂地质条件下“大埋深、长洞线、高应力、强岩溶、高水压”等特点的高风险岩溶隧道正在或即将在湖北省西部山区兴建。鄂西山区多为碳酸盐岩地层，气候湿润，导致地表多形成岩溶洼地，山体内溶洞、溶腔、地下暗河等岩溶构造十分发育，隧道建设过程中极易遇到不同类型、不同分布形态的隐伏溶洞。岩溶隧址区内常伴随突水涌泥、地面塌陷和较大地表沉降等地质灾害，对隧道的施工质量和安全构成严重威胁，甚至造成人员伤亡和重大经济损失。

针对不同地质条件下不同类型的岩溶隧道采用科学合理的探测手段，以及恰当的岩溶治理措施来减轻隧道岩溶危害是一个亟待解决的重大难题。为此，选择科学高效的综合预报探测手段，建立一套行之有效、经济合理的隧道溶洞综合治理方案和体系，从根本上解决具有隐蔽性和突发性的岩溶危害问题，不仅对既有岩溶隧道施工具有重要技术价值和经济意义，而且为在建和待建的岩溶隧道的建设提供了重要的理论依据和现实指导。

为了更加有效地掌握隧道施工期间掌子面前方的地质情况，实现减少或杜绝施工期地质灾害、保障生产安全的目的，从20世纪70年代开始人们注重隧道施工过程中超前地质探测理论、技术研究及工程实践工作，目前已形成完善的综合超前地质预报体系。

因此，本文依托湖北省黔张常铁路盛家堡隧道通过前期的地质分析，在了解隧道可能发生的地质灾害基础上，遵循“以地质分析为核心，综合物探与地质分析相结合，洞内外相结合，长短预报结合”的原则，结合现场情况，通过层次分析，采用最优的物探、钻探手段对掌子面前方的地质情况进行预报，达到提高预报效率和预报准确性的目的。

2综合超前预报原则

（1）地质与物探、钻探结合

地质勘查和超前钻探工作是隧道工程设计和施工的前期基础和重要前提，为超前地质预报工作提供了良好的前期资料。准确的超前钻探和详尽的地质资料，才能使物探的解释结果更加真实准确。

（2）洞内外结合

综合分析野外实地勘察和洞内地质编录与洞内超前地质预报成果，多方位多角度分析不良地质情况。

（3）长短及不同物探方法结合

TSP超前地质预报探测距离较长，往往能达到100m之上，但只能从宏观把握地质情况，对详尽不良地质情况的探测缺乏准确性。地质雷达探测结果往往比较准确，但是距离稍短。为提高超前地质预报工作的准确性和精度，采用长短结合的方式，取长补短，更能发挥预报的作用。

3岩溶处治技术

由于岩溶具有复杂性、隐蔽性、高风险性等特点，因此岩溶处治技术应该结合岩溶发育特征和隧道现场施工环境等多方面因素综合考虑，及时的采取合理的防治措施往往可以避免灾难性的后果，否则后果不堪设想。因此，必须在分析隧道岩溶发育特征及机理的基础上，针对不同类型的岩溶，有针对性地制定防治原则和相应的施工工艺和措施。隧道岩溶的处治是十分复杂，参照国内外有关岩溶处治技术的相关文献资料，并结合国内外大量的隧道岩溶处治经验，归纳起来主要是岩溶隧道溶洞处治原则的研究和不同溶洞治理方法的研究。

关于岩溶隧道溶洞处治原则方面，隧道岩溶处治应遵循“引、堵、跨、绕”的原则。早期岩溶隧道的处治，经常采用“排”的方法，即主要是修筑泄水洞、排水沟、管道、渗沟、明渠、涵洞或辅助导坑截流排出地下水。但这种以“排”为主修建的隧道，会给营运期带来许多地质灾害和质量问题，如：排放的地下水和地表水会造成地表开裂、山体破坏、水井干涸、农田缺水等，严重影响了工区周边的环境及农业生产。同时在隧道营运期也会造成二次衬砌开裂、漏水。近年来，国内外许多研究学者和技术人员针对岩溶灾害的防治原则进行了多方面的研究，取得了一定的进展。制定了“以堵为主，排堵结合、因地制宜、综合治理”为原则的防治机制，确保施工安全，结构稳定，顺利运营。

关于不同溶洞治理的方法方面，根据溶洞的位置、大小、与隧道间距、是否充填物及充填物的性质不同，采用不同的处治技术。对于无充填小型溶洞，应先探测溶洞发育的位置和规模，多采用填堵的形式治理。对于大型无充填溶洞，若施工条件不允许，不宜采用回填治理的方案，应采用跨越的方案进行治理。对于充水型溶洞，应先探测水量的大小，对隧道施工安全进行风险评估，然后采用引流的方式释能泄压，待溶腔内水压稳定后，再采用相应的施工方案进行治理。对于治理难度巨大、消耗工期较长、投资经费较多的大型溶洞，应采用“绕”的方法，另行选线。

4工程应用

4.1讨论

盛家堡隧道是新建黔张常铁路沿线的一条复杂岩溶隧道，隧道全长2245m，为Ⅱ级风险隧道，其中有1439m可溶岩段，地质条件较差。隧道通过区域岩溶强烈发育，可形成一定规模的管道流，洞身开挖时可能遇到溶洞、溶槽及突水涌水现象，施工风险较大。图2为盛家堡隧道剖面效果图。

隧道进口起于志留系上统纱帽群组泥质粉砂岩夹页岩，洞身穿越二叠系下统栖霞组灰岩，出口位于二叠系茅口组灰岩地层中，此外志留系地表及可溶岩洼地内分布有大量冲积、坡积第四系覆盖层，分别为第四系全新统（Q4）、二叠系下统（P4）、志留系上统（S3）构造岩。工程场地构造体系主要隶属华夏和新华夏构造体系。大地构造单元属扬子地台，二级构造单元为鄂黔台褶带，带内以斜歪褶皱为主，总体有向斜紧密、背斜相对宽缓的特点。而断裂多发生在大型背斜的陡翼，断裂的发育受褶皱的控制明显，走向与褶皱轴向大致平行，长度都不超过其所在褶皱的长度。隧道位于来凤向斜的西北翼，地层属于单斜构造，岩层产状多在N35°~50°E/25°~50°S之间,产状较为稳定,其褶皱不发育。隧道经过区域发育三断层红花岭压性断层F5、黑洞圹压性断层F6及黑洞圹压性断层支断裂F6-1断层较为发育。节理隧道经过的志留系地层由于其岩质较软节理裂隙发育且多数节理属于风化节理受红花岭压性断裂F5的影响该地层构造节理也较为发育。

4.2不良地质

据调查资料测区不良地质主要为岩溶。隧址区地表主要分布着以下几种岩溶形态溶蚀裂隙、溶槽沟、落水洞、洼地、溶洞。其他岩溶个体形态不发育。隧址里程DK74+790~DK76+229（1439m）为可溶岩段落，地表可溶岩大面积出露，岩溶峰林与岩溶洼地相间，岩体表面溶蚀现象严重，溶槽、溶沟随处可见，SKZ-12钻孔揭示，高程629.32m~631.62m处发育一较大溶洞，直径2.3m，无充填，D14SZ-19钻孔揭示，高程580.22m~564.22m处发育大型溶洞，洞高16m，粉质黏土半充填。因此该区域岩溶属于裸露型岩溶发育强度属于强烈发育。

分析结果如下：

里程桩号DK75+932～DK75+926段范围内，围岩波速Vp：4953～5047m/s；Vs:2926～3012m/s；泊松比为0.22～0.25;动态杨氏模量为59～62Gpa。围岩反射界面较密集，纵、横波速度，泊松比，动态杨氏模量值起伏变化较大。推断该段围岩溶蚀裂隙发育，裂隙间泥质填充，岩体较破碎，局部破碎，围岩强度与当前掌子面相当。建议围岩等级Ⅴ级，加强支护，防止坍塌、掉块。

里程桩号DK75+926～DK75+897段范围内，围岩波速Vp：5079m/s；Vs:3012m/s；泊松比为0.23;动态杨氏模量为64Gpa。该段围岩反射界面较少，纵、横波速度稍升高，泊松比稍降低，动态杨氏模量值稍升高。推断该段围岩溶蚀裂隙较发育，岩体较破碎，围岩强度较前段稍变好。建议围岩等级Ⅳ级，按设计围岩照常施工。

里程桩号DK75+897～DK75+832段范围内，围岩波速Vp：4670～5024m/s；Vs:2855～3036m/s；泊松比为0.18～0.24;动态杨氏模量为59～62Gpa。围岩反射界面较多，纵、横波速度，泊松比，动态杨氏模量值起伏变化较大。推断该段为断层影响带，围岩溶蚀裂隙发育，岩体较破碎，局部破碎，围岩工程地质条件较前段变差。建议围岩等级Ⅴ级，超前水平钻探、加深炮孔及地质雷达进一步验证。

（2）地质雷达预报

采用美国地质雷达对掌子面前方的地质情况进行了探测，选用100MHz屏蔽天线，应用点测法进行探测。在掌子面下部、中部各布置一条垂直于隧道轴线走向的水平雷达测线。

4.4现场开挖情况

2016年8月25日，盛家堡隧道出口基底地质雷达资料显示DK75+845～DK75+866段，深度1～20m范围内线路整体溶蚀裂隙发育，部分泥质充填，岩体较破碎，局部破碎，建议异常段落钻孔进一步验证；根据探孔结果，DK75+843～DK75+869段基底当前开挖面（高程530.02m）以下约13.1m节理裂隙发育，岩体破碎，溶隙发育，其中3.8～13.1m（526.22～516.92m）范围内岩溶形态多为大型溶隙，规模一般为0.3～0.6m，溶隙以无充填为主，其中D5、D6、D7号孔局部为黏性土全充填。13.1m以下岩体较完整，岩溶不发育。

（4）在施工过程中，加强监控量测，及时分析量测数据，如遇监控数据变化异常及时启动应急预案，并通知参建各方，确定处理方案。

（5）注浆压力达到2.0MPa，稳压时间不小于10min，并且注浆速度不得大于10L/min。

（6）采用地质雷达进行注浆效果检查，有无注浆盲区及存在，若存在盲区，应重新打孔补注浆。

（7）施工过程中，当注浆量达到估算量80%时，并预计回填量会突破估算数量时，要及时书面报告建设指挥部，由建设指挥部组织各单位分析原因，确定下一步处理措施。

5结论

本文依托盛家堡隧道，采用综合超前地质预报对风险岩溶隧道进行不良地质探测，理论联系实际分析研究了盛家堡隧道的岩溶发育特征，利用TSP和GPR等物探手段对盛家堡隧道里程桩号DK75+866～DK75+846进行了探测，结合掌子面揭露情况和超前钻探结果，推断出探测段围岩的地质状况，进一步对该段基地岩溶进行补探，提出处理合理的岩溶处治方案，很好地验证了此次超前预报准确性，可供类似工程参考借鉴。结果表明，综合超前地质预报在风险岩溶地区的应用对裂隙溶洞的探测和处治取得了良好的效果，能保障施工安全，提高经济效益，可供类似工程参考。

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