齐岳山隧道溶洞预报与处治技术研究.pdf

・隧道／地下工程・齐岳山隧道溶洞预报与处治技术研究周大勇（中铁十四局集团第二工程有限公司山东泰安２７１０００）摘要介绍了ＴＳＰ地震波法超前地质预报的原理和方法，并结合齐岳山隧道ＺＫ２２＋０７０处溶洞开挖工程实例，对预报结果和实际开挖情况进行对比分析，结果表明：预报结果与实际开挖情况相吻合，验证了ＴｓＰ地震波法探测对深埋特长复杂岩溶隧道溶洞预报结果的准确性，能有效控制和避免溶洞等不良地质引起的灾害的发生；同时，提出对该处小型溶洞进行回填和加强附近围岩段支护强度措施的处治方案，提高了隧道的安全性和稳定性，保证了隧道的顺利施工。关键词岩溶隧道超前地质预报溶洞处治中图分类号Ｕ４５６．３文献标识码Ａ———文章编号１００９４５３９（２０１６）０８００８７０４ＳｔｕｄｙｏｎＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｎｄＴｒｅａｔｍｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＫａｒｓｔＣａｖｅｉｎＱｉｙｕｅｓｈａｎＴｕｎｎｅｌＺｈｏｕＤａｙｏｎｇ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１４山ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐ２耐Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ’Ｃｏ．Ｌｔｄ．，ＴａｉａｌｌＳｈａｎｄｏｎｇ２７１０００，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆａｄｖａｎｃｅｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＴＳＰｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｍｅｔｈｏｄｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｃｏｍ。ｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅＺＫ２２＋０７０ｏｆｃａｖｅｉｎＱｉｙｕｅｓｈａｎＴｕｎｎｅｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｅｘａｍｐｌｅｓ，ｔｈｅｆｏｒｅｃａｓｔｒｅｓｕｌｔａｎｄｔｈｅａｃｔｕａｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｐｒｅｄｉｃｔｓｔｈｅｋａｒｓｔｃａｖｅｉｎａｃｔｕａｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅＴＳＰｓｅｉｓｍｉｃｗａｖｅｍｅｔｈｏｄｉｓａｃｃｕｒａｔｅｆｏｒｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｋａｒｓｔｃａｖｅｉｎｔｈｅｄｅｅｐｂｕｒｉｅｄｌｏｎｇｃｏｍｐｌｅｘｋａｒｓｔｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｉｓＣａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｃｏｎｔｒｏｌａｎｄａｖｏｉｄｔｈｅｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅｏｆｔｈｅｄｉｓａｓｔｅｒｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｋａｒｓｔｃａｖｅ．Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｓｃｈｅｍｅｏｆｂａｃｋｆｉｌｌａｎｄｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｓｅｃｔｉｏｎｎｅａｒｔｈｅｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔｓｔｒｅｎｇｔｈｍｅａｓｕｒｅｓｆｏｒｓｍａｌｌｃａｖｅａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄＳＯａｓｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓａｆｅｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｕｎｎｅｌ，ａｎｄｔＯｅｎｓｕｒｅｔｈｅｔｕｎｎｅｌｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｍｏｏｔｈｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｋａｒｓｔｔｕｎｎｅｌ；ａｄｖａｎｃｅｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ；ｋａｒｓｔｃａｖｅｔｒｅａｔｍｅｎｔ１引言我国岩溶分布面积较广，约占我国国土总面积的１／３，其中西南部云、贵、鄂、湘等地区岩溶最为发育。在岩溶地区修建隧道经常会遇到溶洞、溶腔和地下暗河等岩溶构造。在开挖扰动下极易发生大规模的涌水突泥、围岩大变形、塌方等地质灾害，严重影响隧道的正常施工¨。４Ｊ。因此，采用超前地质预报及时发现溶洞，并采用有效的处治措施是岩溶地区隧道快速安全施工的关键。—收稿日期：２０１６０６一Ｏｌ基金项目：中国铁建股份有限公司２０１３年度科技研究开发计划随着预报技术的快速发展，超前地质预报在隧道中应用越来越广泛ｂｑＪ。目前，隧道中常用的超前地质预报方法有：ＴＳＰ地震波法、地质雷达法、超前水平钻探法、瞬变电磁法、激发极化法等预报方法。其中ＴＳＰ地震波法能准确地预报掌子面前方１００～１５０ｍ范围内的围岩情况，判断掌子面前方是否存在断层、破碎带、溶洞等不良地质体，同时还能预测掌子面前方围岩岩性变化以及含水情况旧。１２｜。探测结果为隧道工程施工工艺及不良地质的处治，如溶洞的处治，提供依据，因而被越来越广泛地应用到岩溶地区隧道施工中。随着岩溶地区隧道施工水平的发展，根据不同溶洞形态，逐渐形成了成课题（１３一Ｃ１１）铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０８１万方数据・隧道／地下工程・套的治理方案和处治技术。已建宜万铁路齐岳山隧道修建过程中，曾发生百余次重大岩溶突水突泥事故。其中在隧道进口段施工不到９００ｄ，就遭遇了１５０多个大小溶腔，施工难度极大。利万高速齐岳山隧道与上述隧道同处在一个地质构造单元，岩溶极其发育，施工风险极高。因此，隧道施工前采用ＴＳＰ地震波法对齐岳山岩溶隧道溶洞等不良地质进行预报，并据此提出相应的溶洞处治技术，对含溶洞岩溶隧道的顺利施工极其重要。２工程概况齐岳山隧道是利万高速的控制性工程，位于湖北省利川市城区西北２１ｋｍ处南坪乡朱家院子和谋道镇筲箕湾之间，为穿越齐岳山而建，设计为分离式隧道，隧道走向３１３０，总体呈ＳＥ．ＮＷ向展布。隧道全长３０００多ｍ，埋深超５００ｍ，岩溶强发育，属深埋特长岩溶隧道。勘察区属于川鄂湘黔隆褶带之北西缘和四川沉降褶带之川东褶带的结合部分，北缘与北西向的大巴山弧形构造斜接、重接复合。隧址区岩溶洼地、溶沟、溶槽、漏斗、落水洞等岩溶微地貌发育。隧址范围发育２条断层，分别为：（１）中槽逆断层（Ｆ１）：亦叫齐岳山断裂，平行山脉走向发育，走向ＮＥ，略向南东倾，压性，在ＹＫ２０＋４４０～ＹＫ２０＋４６０（ＺＫ２０＋４００～ＺＫ２０＋４２０）段与隧道大角度斜交，宽约２０ｍ。物探显示该段岩体破碎异常带，钻探亦显示该段挤压构造作用致使岩体碎裂岩化特征明显。（２）德胜场断层（Ｆ２）：与山脉大致平行，顺德胜槽谷发育，走向约５４。，在ＹＫ２１＋９１０（Ｚｌ＜２ｌ＋９１０）处与隧道相交，宽约数米，物探显示该段明显破碎异常。两条断裂在隧道洞身表现均较窄，与路线基本垂直，断层带内岩溶发育，有大型溶洞存在可能，对本隧道的建设影响较大。隧道中部位于齐岳山背斜转折端处，岩体节理裂隙极发育，各个方向均有发育，主要沿构造线走向及垂直于构造线延伸。３ＴＳＰ预报系统布置ＴＳＰ（ＴｕｎｎｅｌＳｅｉｓｍｉｃＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎ），即隧道地震波预报方法。通过炸药爆炸产生地震波，地震波以球面的形式向四周传播，其中一部分向隧道前方传播，经隧道前方的界面反射回来，反射信号经接受传感器转换成电信号并放大。分析反射波信息特征可以定性和定量地预报掌子面前方一定范围内的不良地质体。通过在隧道掌子面附近边墙处布置２４个炮孔，炮孔高度为１．５ｍ，所以炮孔位于同一水平位置。炮孔深度为１．５ｍ，斜向下１５度，便于炮孔封堵，炮孔间距为１．５ｍ。接收杆位置为距离最近炮孔１５～２０ｍ处，孔深２ｍ。图１为观测系统与隧道关系平面示意图。图１观测系统与隧道关系平面示意图在测量过程中，逐次引爆炮孔炸药，制造出小型地震波，地震波遇到节理面、地层层面、断层破碎带、溶洞、暗河等不良地质界面时会发生反射，反射波的强度及传送时间反映了不良地质体的性质、产状、距离。对采集的ＴＳＰ数据进行处理，获得反射波深度偏移图以及岩石物性参数等一系列成果，分析可判断隧道掌子面前方不良地质情况。地震波传播时间与反射面和传感器的距离成正比，据此确定反射界面的位置、与隧道轴线的交角，进而确定不良地质体与隧道掘进之间的距离。４探测结果分析采用ＴＳＰ２０３ｐｌｕｓ仪器对齐岳山隧道出口段左洞进行了超前地质预报和数据采集。共布置炮孔为２４个，炮孔间距为１．５ｍ，其中有效接收炮孔信息为２３个。掌子面桩号为ＺＫ２２＋０７７，传感器桩号为ＺＫ２２＋１２２。本次ＴＳＰ探测范围为出口左洞里程ＺＫ２２＋０７７～ＺＫ２１＋９４７，共１３０ｍ。图２为２Ｄ结果显示与岩体物性图。根据探测数据处理结果，给出了该探测范围内围岩岩性分析结果和施工建议，见表１。８８铁道建箕技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０８Ｊ万方数据・隧道／地下工程・表１超前地质预报成果解释序长度／号里程推断结果ＺＫ２２＋０７７．该预报段围岩强度和完整性较差，且岩溶裂隙发育。其中ＺＫ２２＋０７２～ＺＫ２２＋０６８段、ＺＫ２２＋０６２一ＺＫ２２＋０４２段１４９地震波传播信号杂乱，吒／吒增加、泊松比上升、密度下降，推测该段溶蚀裂隙较发育，流体含量较高，可能存在溶洞ＺＫ２２＋０２８或含流体构造。建议开挖前必须施作超前钻探，探明情况后施工，同时加强支护并做好防护措施ＺＫ２２＋０２８～与上段围岩相比，该段围岩情况稍好，强度略有提高。其中该段范围内自ＺＫ２２＋００８一ＺＫ２１＋９９２段、ＺＫ２２＋９８８一２４３ＺＫ２１＋９８６段ｖｖｖ．有急剧下降、泊松比、密度同时下降，推测该段围岩强度较低，节理裂隙发育或孔隙度增加，含溶ＺＫ２１＋９８５蚀裂隙水，可能存在充填泥质构造或溶洞。建议对异常段进行超前钻探探明情况后施工，并加强注意施工安全ＺＫ２１４－９８５～与上段围岩相比，根据ＴＳＰ成果图像显示，该段围岩与前一段围岩情况相似，围岩强度不高，节理裂隙弱发育；但其中３３８ＺＫ２１＋９５８一ＺＫ２１＋９４７段泊松比、密度等变化异常，岩层强弱交替，含水量稍高，可能存在导水裂隙或夹杂泥质，建ＺＫ２ｌ＋９４７议本段开挖前做好超前探测工作，探明情况后施工，施工中加强支护方发育，两个溶洞下部贯通，利用测绳测量溶洞深度，探测深度６０ｍ未到底，向溶洞内投石未听见有水声。人工深入到溶洞内部进行探测：纵向可见长度约２０—ｍ，横向宽度约４．０５．０ｍ，其中自隧道拱—脚向隧道内侧发育溶洞的横向宽度约１．５２．５ｍ；溶洞侧壁近似垂直向下发育；利用钻孔对底板进行钻探验证，底板厚度均不小于５．０ｍ；溶洞大里程侧偏出隧道，向隧道轮廓线外发育。随后对该溶洞再次进行现场勘查，发现向上发育的溶洞纵向长度约９．５一１０．０ｍ，超出隧道轮廓线的横向—宽度约２．５３．０ｍ，溶洞竖向发育高度具体不可探测。溶洞发育位置如图３所示。图３溶洞示意图图２掌子面前方岩体物性图２Ｄ显示５．２溶洞处治方案５溶洞揭露情况与处治方案清溶嘉曩喜翟磊誉茎嘉窆茔差署雾蓁霪墨名言蓁以里程桩号ＺＫ２２＋０７０处围岩揭露情况为例，对用溶洞回填方案进行处治。该次预报结果与实际开挖揭露情况进行对比分析。（１）先利用隧道洞渣对下部溶洞进行回填处５．１溶洞揭露情况理，洞渣回填至水沟底部，完成后再进行掌子面开根据ＴＳＰ超前地质预报结果和施工建议，在齐挖，以保证隧道施工安全。岳山隧道开挖至ＺＫ２２＋０７２一ＺＫ２２＋０６８段附近，（２）在ＺＫ２２＋０８２。ＺＫ２２＋０６３范围按照Ｚ４＋施工时密切注意围岩情况变化，控制爆破进尺，开支护形式施作钢筋混凝土仰拱。挖结果显示，该里程掌子面为中风化灰岩，节理裂（３）在ＺＫ２２＋０７７．２。ＺＫ２２＋０６５范围内加强隙较发育，围岩强度高，层理较发育。掌子面开挖初支强度：采用１１８型钢钢架，钢架间距０．８ｍ，保证至里程ＺＫ２２＋０７０时，在掌子面右侧拱脚处揭露两二衬厚度４０ｃｍ，对于溶洞侧初支钢架拱脚下纵向个溶洞，斜向右上方发育，同时向大里程方向斜下设置一根１１８型钢托梁。铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１６（０８ｌ鹋ｒ万方数据・隧道／地下工程・（４）在初支面预留３根＋１０８钢管，长度分别为２．５ｍ、３．０ｍ、３．５ｍ，初支封闭后对背后溶洞泵送Ｃ２０混凝土，确保混凝土厚度超过隧道拱顶不小于１．０ｍ。（５）在ＺＫ２２＋０８２一ＺＫ２２＋０６３范围内二衬采用钢筋混凝土，具体钢筋规格型号参照Ｚ４＋支护形式中衬砌钢筋施工。６结论（１）采用ＴＳＰ超前地质预报，可以提前掌握隧道掌子面前方围岩情况，降低溶洞等灾害发生概率，保证隧道快速安全施工。（２）ＴＳＰ地震波探测法超前地质预报以其长距离、高精度和对施工影响较小等预报特点在岩溶隧道中得到广泛的应用。该方法能够对掌子面前方软弱夹层、破碎带、断层和溶洞以及含水层性质进行准确的预报。对比分析预报结果与齐岳山ＺＫ２２＋０７０处溶洞揭露情况，验证了ＴＳＰ地震波探测对深埋特长复杂岩溶隧道溶洞预报结果的准确性。（３）针对隧道出现小型溶洞，采用回填法处治，并加强隧道支护强度，有效保证了隧道溶洞区的正常施工。参考文献［１］建质［２００７］２５４号地铁及地下工程建设风险管理指南［Ｓ］．”・－＋－＋。＋。＋一＋－＋一＋一＋一＋－＋一＋一＋（上接第３０页）参考文献鲁建生，杨永宏，刘继龙．保阜高速公路跨京广铁路转体桥称重试验研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２００９（５）：—１０６１０９．董国亮．京石铁路客运专线滹沱河特大桥跨京广铁路连续梁转体桥大里程合龙段施工技术［Ｊ］．铁道标准—设计，２０１１（１０）：７８８２．李晓超．大跨度曲线转体桥钢球铰精确安装控制施工—技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１３（１）：５９６１．冯丛．异形框架涵下穿既有线同步平移换梁施工关键—技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（１０）：９１９５．杜嘉俊．桥梁转体法施工技术创新与展望［Ｊ］．铁道铁道建筑技术［２］钱七虎，戎晓力．中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００８，２７—（４）：６４９６５５．［３］李奎．隧道岩溶围岩力学特性的初步研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００５．［４］许振浩，李术才，李利平，等．基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估［Ｊ］．岩土力学，２０１１（６）：１７５７—１７６６．［５］罗利锐，刘志刚，闫怡冲．超前地质预报系统的提出及—其发展方向［Ｊ］．岩土力学，２０１ｌ（ｓ１）：６１４６１８．［６］汪成兵，丁文其，由广明．隧道超前地质预报技术及应—用［Ｊ］．水文地质工程地质，２００７（１）：１２０１２２．［７］张庆松，李术才，孙克国，等．公路隧道超前地质预报应用现状及技术分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００８—（４）：７６６７７１．［８］李术才，李树忱，张庆松，等．岩溶裂隙水与不良地质情况超前预报研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，—２６（２）：２１７２２５．［９］刘志刚．隧道地震勘探髑Ｐ在工程中的应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２００１（５）：ｌ一４．［１０］许振浩，李术才，张庆松，等．ＴＳＰ超前地质预报地震波反射特性研究［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００８—（４）＇ｔ６４０６４４，７１６．［１１］赵勇，肖书安，刘志刚．ＴＳＰ超前地质预报系统在隧道—工程的应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２００３，７（５）：１８２２．［１２］薛翊国，李术才，张庆松，等．ＴＳＰ２０３超前地质预报系统探测岩溶隧道的应用研究［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００７，３（７）：１１８７一１１９１．—建筑技术，２０１２（４）：７１１．［６］杜嘉俊．Ｔ型刚构桥转体法施工［Ｊ］．铁道建筑技术，１９９４（２）：５一１２．［７］郝树林．跨铁路既有线转体桥施工技术研究［Ｄ］．北京：北京建筑工程学院，２０１２．［８］王国群．滹沱河特大桥转体施工控制技术［Ｊ］．建筑与文化，２０１３（１２）：１９．［９］陈海学．铁路大跨度拱桥劲性钢骨架转体施工及控制［Ｊ］．石家庄铁道大学学报：自然科学版，２００４，１７—（Ｓ１）：４６５０．［１０］费文彬．桥梁平转法转体施工平衡称重及配重［Ｊ］．—国防交通工程与技术，２０１５（ｓ１）：３０３２．［１１］郑兴华．转体法施工平衡称重及配重［Ｊ］．建筑工程技术与设计，２０１４（２１）：２５９．ＲＡＩＬＷＡＹＣｏＮｓＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥｃＨＮｏＬｏＧＹ∞２０１６）１Ｊ１Ｊ１ｊ，Ｉ．＝Ｉ纠纠钔列蚰万方数据