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1、隧道工程通过岩溶地质地段安全风险控制技术 中铁隧道集团副总工程师汪纲领 隧道工程穿越岩溶地质地段具有危害大 预防难的特点 是目前隧道工程施工中尚未很好解决的难题 其主要表现是 当施工冒然揭露岩溶时 有可能产生大量涌水涌泥或突水突泥 造成重大安全事故 轻的对生态环境造成影响 如引起水土流失 地面沉降 地表及地下水径流改道等 甚至会引起生态环境的改变 重则可能会引起洞毁人亡的灾难性事故 给项目带来重大经济损失 要保证隧道施工的顺利进行 关键是要预防和控制隧道施工中的地质灾害 如塌方是制约隧道快速施工的最主要因素之一 而断层 岩溶是隧道开挖过程中最常见的不良地质现象 也是引起隧道塌方的 罪魁祸首 之
2、一 据不完全统计 由断层及断层破碎带 岩溶陷落柱等引起的隧道塌方占塌方总数的90 以上 可以说 隧道施工中发生的地质灾害 几乎都与断层 岩溶有关 经过广大隧道建设者的多年努力 我国在应对异常复杂岩溶地质隧道施工技术方面积累了丰富经验 达到了世界先进水平 采用超前探测 帷幕注浆 管棚预支护 高压富水溶腔释能降压 迂回绕行 桥梁跨越 防灾预警 救援逃生系统等 探 堵 排 迂 跨 防 等综合施工技术手段和措施 大大增强了隧道施工过程中安全处理大规模岩溶的能力 根据 多源协调原理 选择一套有效的超前地质预测预报技术 探明隧道开挖面前方隐伏断层及岩溶的规模大小 准确位置 充填性与连通性等 采取针对性地处
3、理方案 不仅可以避免隧道塌方 突泥突水等灾害的发生 还可显著加快隧道施工进度 节约工程施工成本 提高项目的经济效益与社会效益 下面以岩溶地质隧道施工为案例 论述隧道工程穿越高压富水岩溶地质地段 施工安全风险控制的关键技术问题 一 岩溶地质及岩溶地区的工程地质问题 1 岩溶地质 1 定义岩溶是地表水和地下水对可溶性岩层经过化学作用和机械破坏作用而形成的各种地表和地下溶蚀现象的总称 地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用称为岩溶作用 岩溶是指由岩溶作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象的总和 喀斯特现象 注 可溶性岩石大致可分为如下三大类 碳酸盐类岩石 如石灰岩 白云岩 硅质灰岩和泥灰岩等 硫
4、酸盐类岩石 如石膏 硬石膏和芒硝等 卤盐类岩石 如岩盐和钾盐 2 岩溶作用结果 形成地下和地表的各种奇特的地貌现象 地表岩溶有 石牙 溶沟 石林 岩溶漏斗 峰林 峰丛 溶蚀洼地 孤峰与岩溶平原 盲谷 断头河 落水洞等 地下岩溶主要是溶洞和地下暗河 形成特殊的水文地质现象 3 作用机理岩溶形成过程中溶蚀作用的机理十分复杂 有地下水和地表水的溶蚀和沉淀 地表水的侵蚀 剥蚀和堆积 地下洞穴高压空气的冲爆和低压空气的吸蚀 地下水的机械潜蚀 冲蚀与堆积 地下洞穴的重力崩塌 坍塌与堆积等 其中主要为地表及地下水的溶蚀作用 从工程地质上讲以地下水对碳酸岩溶蚀作用为主 4 岩溶发育的基本条件 具可溶性岩石 可
5、溶岩能提供水渗透和运移空间 具溶蚀能力的水 具良好的水循环条件 补给 排泄 注 运动的水流加速岩溶过程 并使碳酸盐岩岩体产生 碳 水 钙 物质循环 5 气候影响 它直接影响参与岩溶作用的水的溶蚀能力 控制着岩溶发育的类型 速度和规模 主要有 气温 降雨量 降水性质 降水季节分配及蒸发量大小的变化 大气降水和气温的演变过程 提供水源和水流运动的梯度场等 6 地貌地形的影响地貌条件是影响地下水循环交替条件的重要因素 区域控制地表水文网的发育特点 控制岩溶发育的总趋势 岩溶发育具有明显的叠加性和由分水岭至河谷明显增强的特征 岩溶发育受可溶岩分布 构造特征和构造线方向控制 7 地质构造的影响 1 断裂
6、 断裂构造破坏了岩层的完整性 断层带附近岩石破碎 节理裂隙特别发育 极利于岩溶水的循环及溶蚀作用的进行 岩溶常沿各种断层带发育 正断层带通常岩溶很发育 逆断层带岩溶一般不发育 通常上盘比下盘发育 在节理裂隙的交叉处或密集带 岩溶易发育 2 褶皱 褶皱轴部岩溶一般较发育 单斜岩层岩溶一般顺层面发育 地层不对称的褶皱中 陡的一翼较缓的一翼发育 各种岩层产状条件下岩溶发育特点 产状水平或缓倾的可溶岩 其上为非可溶岩时 岩溶一般不发育 其下为非可溶岩时 接触面上部岩溶一般发育 陡倾的可溶岩 上覆与下伏为非可溶岩时 上下接触带处岩溶发育 3 岩层组合特征影响 厚而纯的碳酸盐岩 有利于形成岩溶 可溶性差的
7、碳酸盐岩 不利于形成岩溶 碳酸盐岩夹非可溶岩 碳酸盐岩与非可溶岩石互层 8 构造运动的影响 稳定期 侵蚀基准面 地下水位置 稳定 岩溶发育形成水平岩溶系统 地壳上升 地下水下降 侵蚀基准面下降 侧向岩溶弱 岩溶以垂直发育为主 地壳下降 地下水循环交替好 岩溶减弱 可能造成垂直 水平向发育岩溶叠加 比较复杂 9 岩溶发育的三个阶段1 形成阶段 只要满足前述洞穴发育的四个基本条件 即可开始形成洞穴 在这个洞穴形成的初期阶段 洞穴空间规模一般较小 多呈孔隙状 人们无法进入 主要表现为溶蚀现象 2 发展阶段 随着参与洞穴发育的水流流量 流速的增加 洞穴空间逐渐扩大 发展成为具有一定规模的通道系统 主要
8、表现为溶洞和地下暗河 3 衰亡阶段 由于地壳抬升 洞穴逐渐脱离地下水位进入包气带 失去了进一步发展的动力条件 主要表现为崩塌现象显著 钟乳石类次生化学沉积大量发育 洞穴空间逐步壅塞减小 10 岩溶区稳定程度评价一般依据地面塌陷情况或地表形成的漏斗数目作为评价稳定性依据 极稳定地段 50年内未发生塌陷或漏斗 稳定地段 20 50年内只有一塌陷或漏斗 KM 中等稳定地段 1 20年内只有一塌陷或漏斗 KM 不稳定地段 每年1 5个坍塌或漏斗 KM 极不稳定地段 一年内5 10个坍塌或漏斗 KM 2 岩溶地区的工程地质问题 与岩溶有关的的工程地质问题有 可溶岩石强度的降低对地基稳定性影响 地表岩溶现
9、象 溶沟 石芽 溶蚀漏斗等 地下水岩溶现象 溶洞 溶蚀裂隙 暗河等 岩溶地区修建地下工程设施的安全稳定性 岩溶地区地下水开采对环境的影响 岩溶地区由于岩溶化作用堆积物上的不均匀沉降问题 引起建筑物地基变形破坏 如地基承载力不足 地基石不均匀沉降 地基滑动 地表塌陷等 3 岩溶对隧道的危害主要有四种类型 1 洞穴的存在使隧道全部或部分悬空 将极大地降低隧道的使用安全可靠度 2 岩溶水特别是当CO3 等可溶性物质含量增高时 水的流通将给隧道结构带来的侵蚀作用 影响隧道的使用寿命 3 洞穴堆积物因松软易坍塌下沉 改变洞穴周边的应力分布形态 影响隧道的结构稳定 4 隧道中地下水流失 使隧道顶部地面岩溶
10、塌陷 导致环境地质被破坏 也是造成隧道结构不稳定的原因 二 超前地质预报技术 1 超前地质预报技术的实践意义 进人21世纪 伴随着西部大开发战略的启动 随着交通运输 水利水电 城市地铁和地下空间开发利用 隧道施工技术也取得了长足的进步 隧道工程的规模和数量都有了较大增长 目前 中国是世界上隧道最多的国家 是地质最复杂的国家 也是今后隧道发展最快的国家 随着隧道应用领域的不断拓展 也带来了新的地质难题 由于隧道长度 埋深等各方面因素的影响 地质条件越趋复杂 隧道施工中遇到的问题也会相应地增多 不可预料的地质灾害如突泥 突水 塌方等成为困绕工程施工的主要难题 就地质工程而言 对于地质条件的预测及地
11、质灾害的预报问题一直困扰着工程建设者 往往成为大型工程项目的重难点问题 地质灾害常常导致隧道建设严重受挫 即使工程规模较小 若地质条件差 施工技术措施不当 也会变成相当困难的工程 地质条件具有复杂性 特殊性和不确定性 由于勘察手段的局限性 使得勘察成果往往不能满足施工方案对地质条件的需求 为了避免在工程施工过程中由于地质条件突变而形成地质灾害 加强对超前地质预测预报的研究显得越来越重要 超前地质预报技术出现在上个世纪中后期 是工程地质的一个分支 我国从上个世纪70年代后期逐渐开始重视这一方面的研究 并且在隧道施工中发挥了重要作用 2 超前地质预报思路 多源协同预报原则 岩溶区涌水预报是施工地质
12、预报工作中难度很大的预报 主要难在岩溶形态与分布的定量化确定难度大 地下水径流途径和运动方式确定困难 地下水储量及运动状态参数的获取困难几方面 因此 这一直是国内外施工地质预报的重点研究课题 目前 地质预报方法主要是单一手段的孤立探测成果加预报人员的经验判断而进行的预报 具有很大的局限性 在复杂地质条件下的预报效果不佳 近年来 随着预报工程实践数量的增加和经验的积累 人们逐渐认识到 隧道施工地质预报工作需要采用多手段的探测方法作支持 各手段探测信息相互印证 取长补短 于是出现了多种物探 钻探的探测技术 但是 在预报方法上仍采用经验判断为主的方法 这种状况使得预报水平差距较大 因此 需要研究预报
13、理论与预报方法相结合的载体 近年来发展起来的多源协同预报的思想以及相应的预报信息提取与处理技术 为这一目标的实现提供了一条途径 岩溶的发育分布规律与可溶岩的分布 纯度 可溶岩与非可溶岩的接触关系 地质构造的发育分布规律 地下水动力条件 包括溶蚀 溶解 冲刷能力 赋存运移规律 密切相关 因此 弄清隧道穿越区岩溶发育分布规律 探索岩溶区隧道施工配套技术 制定施工预防措施 无疑对避免岩溶地质灾害发生有着重要的指导作用 3 预报方法与手段 1 管理原则及配套技术将地质预测预报纳入工序管理 按照 物探先行 钻探验证 有掘必探 先探后掘 的原则 采用多源协同预报技术 将地质调绘与洞内物探 钻探相结合 对开
14、挖面前方断层 节理裂隙 破碎带 接触带 地层含水性 地应力状况及岩性和围岩级别等进行预报 利用长短结合 上下对照 定性与定量相结合的办法以保证预报的准确性 采用配套技术进行地面及洞内工程地质及水文地质调查 结合勘察设计资料拟定预报分级管理标准 划分出重点不良地质区段 对重点预报区段采用宏观控制预报 准确预报 验证预报三级预报方法 保证施工安全 2 预报方法与手段建议采用TSP203探测地质构造 断层 节理 裂隙 直流电法探测地下水 物探异常区采用RPD 150C钻机和YT 28风钻长短接合钻探进行地质验证 工作面地质素描预报地质素描在隧道施工中全段进行 根据开挖段围岩的工程地质 水文地质特征进
15、行预报结果的验证 提出是否修改预报方法及参数的意见 提出注浆止水方案的建议 TSP203 直流电法仪超前地质预报每开挖100m通过TSP203和YDZ型直流电法仪对开挖前进方向进行中长距离预报 TSP203对平直状地质界面 断层 节理 裂隙 的空间位置探测效果较好 准确率通常在80 左右 探测范围在隧道轴线方向可达百米 横向探测范围通常在40 50m 直流电法对地下水具有较好的探测效果 有效探测距离一般不超过85m 工作面超前地质钻孔探测预报钻探法是迄今为止地质预报最为直接 最为可靠的方法 在隧道施工通过岩溶 断层破碎带时 每开挖一段 30m左右 利用RPD 150C钻机采用钢丝绳取芯工法超前
16、钻孔对开挖前进方向进行30 50m的钻探 该钻机适用于各种不同地层的岩芯取样 使用一个取样器即可完成任何地层的取样作业 钻孔取芯比一般钻机快5 6倍 不需要撤钻杆就可取芯 钻杆可起到防止孔壁坍塌的套管作用 可以垂直方向和水平方向钻孔取样 施工中结合超前探测结果的异常段 增设钻孔 利用YT28钻机进行5m长的常规钻探 对洞身前方进行全方位空间探测 探孔成放射形布设 其它预报 a 调查断层破碎带形态b 对隧道两侧各1 5公里与居民生活 生产关系密切的泉水 井水等进行监测 c 对涌水动态的实时监测 d 当开挖面前方的自重应力 接近或等于岩爆临界应力值时 对前方围岩进行原岩应力测试 做出岩爆评估 3 信息收集与整理 地质预报由专门的地质专业工程师负责 设专职地质组 其它施工 质检人员予以配合 进行资料收集 统计 分析和编制信息预报成果 报设计 监理单位 不断总结经验 对已揭示的实际地质情况与前期地质预报内容相比较 评估预报的准确性 为以后的超前预报工作积累经验 三 岩溶高风险隧道防坍 防突技术 1 隧道突泥突水判断标准 按照充足理由律 突出必须同时具备以下三个条件 才能形成 溶腔内存在 大体积
