武陵山二号隧道岩溶超前地质预报浅析

阎　渊

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安　710043)



武陵山二号隧道岩溶超前地质预报浅析

阎渊

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710043)

隧道超前地质预报是一门集众多学科类别于一体的综合预报技术。而岩溶隧道超前地质预报不仅仅涉及众多学科类别，同时与施工过程中参建各方配合方式有很大的关系。武陵山二号隧道位于鄂西北岩溶发育地区，基底隐伏岩溶极为发育。从综合超前地质预报手段出发，首先采用地质调查法进行洞内外地质调查，结合既有勘察成果资料，采用地质雷达法判识，然后有针对性地采用超前水平钻探法进行钻探，有效查明了基底隐伏岩溶的分布规律。

超前地质预报岩溶超前水平钻探粉质黏土地质雷达

黔张常铁路位于渝长厦快速铁路的西端，是连接湘西北、鄂西南和渝东南交界地区的运输通道。黔张常铁路起于重庆市黔江区黔江站，途经湖北省咸丰县、来凤县，湖南省龙山县、永顺县、桑植县、张家界市、慈利县、桃源县，止于常德市武陵区常德站。铁路规划线路总长340km，工程估算金额384.4亿元，线路设计时速200km，为客货共线的国铁Ⅰ级双线电气化快速铁路[1]。黔张常铁路绝大部分地段处于可溶岩地区，岩溶极为发育。

1　隧道区域地质背景

武陵山隧道位于黔张常铁路东端，该隧道从区域上属于沅古坪向斜北西翼，区域上位于新华夏系第三隆起带的南西段，武陵山隆起带向东部沅麻盆地沉降带的过渡带西北部(见图1)，北东东向构造极为发育，处于北东东向复式背斜东南翼[2]。隧道洞身为岩溶裂隙水平径流带，地表溶洞发育。

图1　武陵山二号隧道区域地质

2　物探超前地质预报测试

该隧道出口在施工过程中即发现工作面存在填充型岩溶，岩溶主要位于基底，工作面可见粉质黏土充填于其中，岩溶形态变化较快。根据规范，岩溶地质预报应以地质调查法为基础，结合多种物探手段进行[3]。对该洞口进行地质调查后，决定采用地质雷达法对工作面及基底进行探测，同时根据基底探测结果采用超前水平钻探进行验证。

2.1地质雷达成果分析

作为一种短距离超前地质预报手段，地质雷达占用施工时间及需要施工单位配合的工作量较少[4]，一般用于探测溶洞的发育部位、规模大小、走向等，其原理与地震反射波相似[5]。岩溶洞穴在地质雷达图样上会因为填充物质的不同，形成中间和周围基岩不同反射程度的强烈差别。在实际分析过程中，首先要明确岩溶存在的可能性，然后再对地质雷达土样进行地质解析，才能有效提高判断的准确率。

为了准确查明岩溶的分部形态，在进行地质雷达扫描时，采用五纵五横交叉剖面进行探测，纵剖面沿隧道洞轴线方向布置，测线间距为2～2.5m，横向布置测线间距为2.5m一条(如图2)。

图2　探测岩溶分部范围

图3　4号横测线雷达影像

根据地质雷达成果资料分析，发现基底存在物探异常，在DK248+495～DK248+491之间，深度为5～12m区域内1～3号测线、5号测线、4号横测线、5号横测线均存在较强界面反射波，反射波同相轴连续性较差，推断该区域内岩溶裂隙、溶洞发育，泥质充填(如图3、图4)。

图4　5号横测线雷达影像

根据洞口地质雷达成果资料，继续对DK248+485～DK248+480段进行探测，根据6、7、8、9、10号测线结果反应，在DK248+480～DK248+485之间，深度为6～8m区域内测线均存在较强界面反射波，反射波同相轴连续性较差，推断该区域内岩溶裂隙、溶洞发育，泥质充填。

2.2超前水平钻探成果资料综合分析

采用超前水平钻孔进行隧道地质超前预报是隧道施工中最直接的方法[6]。由于岩溶隧道施工的不确定性，作为岩溶隧道施工来说，配备一台满足足够钻进速度和钻进能力的超前水平钻探设备是很有必要的。超前水平钻探在具体探测过程中具备许多其他探测手段所不具备的优点(如表1)[7]，首先是对工作面前方岩溶空洞揭示准确、直观，必要时候可取芯进行判定，可适时堵水，测量水量、水压，对高压富水岩溶段隧道施工具有一定的安全保障措施。其缺点是往往难以准确查明其分部范围，若要准确查明其岩溶分部范围，需要布置大量钻孔进行探测，占用施工时间长、投入费较大[8]。

本隧道在施工过程中配备了一台RPD150C型多功能钻机，该钻机最大钻进深度为150m，每小时最大钻进速度可达15m[9]。通过地质雷达成果资料分析，发现基底以下存在岩溶。为了进一步查明岩溶的分布范围，采用竖向钻探进行验证，根据既有钻探成果资料布置为井字形或梅花形，钻探深度设计为30m，在钻探过程中根据钻进揭示地质条件进行适时调整，确保准确查明其岩溶分部范围、物质组成等。

表1　各种超前预报方法优缺点比较

通过超前水平钻探验证，该隧道出口端存在一填充型岩溶，岩溶范围主要位于DK248+477～DK248+495段基底以下，岩溶最大宽度约约9m，长度约13m，位于目前基底以下3～17m不等，岩溶形态在竖向方向呈长条状，填充物为黄褐色粉质黏土，中上部粉质黏土呈硬塑状，下部粉质黏土呈软塑状(如图5)。

图5　4号横剖面揭示岩溶发育形态

3　岩溶处理

溶洞主要发育在DK248+480～DK248+495段基底，沿线路方向长约15m，横向宽约2～8m，埋深位于中台阶开挖面以下3～17m，洞内为黏土夹碎石全充填，黏土以软塑为主。局部地段位于仰拱位置，基底处理较困难。主要采用如下方式进行处理：

(1)DK248+480～+484段隧底岩溶发育深度小于3m，采用C20混凝土换填。

(2)DK248+484～+490段仰拱以下岩盘厚度小或无岩盘，岩溶发育深度3～15m，全填充，承载力小于80kPa，采用φ194钢管桩注水泥浆加固方案，加固范围为隧底溶洞范围；钢管桩间距0.6m×0.6m，梅花形布置；注浆完成后钢管内采用M10水泥砂浆灌满；桩深入基岩不小于1m；施做仰拱前，桩顶设不小于50cm厚C20混凝土垫层，内设钢筋网片[10](如图6)。

4　结论

目前，国内对于岩溶隧道的工程地质勘察主要采用地质素描、TSP及地质雷达法并结合超前水平钻探进行综合勘察。而随着国内岩溶地区隧道的增多，许多时候在查明其分布规律的同时，更重要的是给隧道施工提供提前预警功能，尤其是在遇到高压、富水隧道时，提前预测、判断工作面前方及洞身一定范围内岩溶分布规律，对保障施工安全具有重要意义。因此，超前地质预报不仅仅是施工中地质勘察手段的延伸，更应当成为施工工序的一个重要环节。对于超前地质预报来说，仅仅具有好的预报方案是远远不够的，如何将施工预警机制与高效的施工组织设计方案与施工团队有机结合，运用准确的超前地质预报结果来指导施工，对于保障施工安全，提高工作效率具有积极意义。

图6　岩溶处理方案

[1]中铁一院.黔张常铁路可行性研究报告[R].西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2014

[2]湖南省地矿局.区域地质矿产报告(大庸幅)[R].长沙：湖南省地矿局，1969

[3]中国铁路总公司.铁路隧道超前地质预报技术指南[R].北京：中国铁路总公司，2015

[4]叶英.地下工程施工超前地质预报系统研究[J].工程地球物理学报，2009，6(1)

[5]刘士奇.物探技术在高风险隧道超前地质预报中的应用研究[J].铁道勘察，2015(4)

[6]何发亮，李苍松，陈成宗.隧道地质超前预报[M].成都：西南交通大学出版社，2006

[7]李术才，等.高风险岩溶地区隧道施工地质灾害综合预报预警关键技术研究[J].岩石力学与工程学报，2008，27(7)

[8]王梦恕.对岩溶地区隧道施工水文地质超前预报的意见[J].铁道勘察，2004(1)

[9]李俊杰.RPD150C多功能钻机在高风险隧道施工中的应用[J].山西水利，2013(11)

[10]李治国.隧道岩溶处理技术[J].铁道标准设计，2003(S1)

[11]沈伟升.京沪高速铁路徐州地区岩溶勘察分析[J].铁道勘察，2011(3)

[12]李苍松.武隆隧道岩溶地质超前预报综合技术[J].水文地质工程地质，2005(2)

Analysis on Advanced Geological Forecast for Karst of Wuling Mountain No.2 Tunnel

YAN Yuan

2016-03-18

阎渊(1982—)，男，2001年毕业于西南交通大学工程地质专业，工程师。

1672-7479(2016)04-0049-03

U452.1+1

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