洞湾隧道进口段岩溶发育特征分析与施工处理建议

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1、洞湾隧道进口段岩溶发育特征分析与施工处理建议摘要:隧道岩溶问题是当前国内外隧道施工中的重大难题,岩溶工程地质问题对地下工程建设和运营管理造成很大的影响。洞湾隧道施工过程中发现隧道底板以下发育大型溶洞,通过配合测量断面同时进行地质水文地质调绘、物探结合钻孔详细查明溶洞规模、形态、大小、埋深及与线路的关系,查明隧道底板以下岩溶发育情况以及与隧道顶板的距离,评价隧道围岩的稳定性,并提出岩溶施工处理措施建议,为隧道施工及岩溶整治设计提供地质依据。 毕业论文网 /2/view-11984453.htm关键词:洞湾隧道; 岩溶工程地质问题; 围岩稳定性; 处理措施 1.引言 在建洞湾隧道属贵州省赤水至望谟

2、高速公路重难点和控制性工程,隧道采用分离式,其中:左洞起讫桩号ZK66+164ZK68+290,总长2126m;右洞起讫桩号YK66+205YK68+290,总长2085m。隧道净空10.255.0m,隧道最大埋深约310m。当隧道开挖到右线右壁YK66+488里程处揭露出大型溶洞,根据施工情况和现场初步调查,从隧道底往上发育约13m,隧道顶板和右侧壁坍塌;往下垂深发育3040m,在隧道以下形成多个溶洞大空腔,相互连通。溶洞顶离设计隧道底最薄处约35m。导致中断施工近五个月,直接影响隧道的施工和安全。但溶洞具体如何展布?发育特征如何?与隧道的关系不清。其危险程度取决于溶洞的规模、溶洞周围岩体的

3、稳定性和岩体的质量及其与隧道的关系1。 2.隧道区地质背景 隧道区属构造溶蚀侵蚀中低山地貌,处于川黔南北向构造带与北东向构造带交接的复合部位,北与新华夏系第三沉降带的“四川盆地”相接,南与早古生带“黔中隆起”相邻,构造形迹定形于印支燕山期,多呈北东向展布。隧道位于桑木场背斜北西翼,其走向与背斜展布方向大角度相交。地层为单斜地层,受构造影响,局部小褶曲较发育,地层总体产状为255320832。地层岩性组成为奥陶系下统湄潭组(O1m)泥岩夹灰岩、页岩、中上统(O2+3)灰岩及志留系龙马溪组(S1l)泥岩。奥陶系下统湄潭组(O1m)灰岩夹泥岩、页岩分布于隧道入口K67+000m段,地层产状28032

4、02032。中风化灰岩(O1m)分布于隧道进口至ZK66+620、YK66+510段,厚度较大,岩溶极其发育,于隧道右线YK66+460YK66+515段底板下方及右侧发育大型溶洞,联通至左线ZK66+460ZK66+485段底板下方。 根据施工阶段地质调查及资料综合分析,隧道进口段发育F1断层,呈北东南西走向,产状30077,与隧道左线相交于ZK66+475ZK66+510段,与隧道右线相交于YK66+480YK66+520段。此断层同时处于奥陶系下统灰岩与泥岩、页岩接触部位,切穿下部灰岩地层。控制了隧道进口段岩溶的基本特征,岩溶的发育规模、空间形态、延伸范围及方向等与本断层基本一致,6处洞

5、腔总体与构造带方向一致,溶洞底板、顶板由缓突变陡部位受构造控制显著,且向大里程方向倾斜,与构造带倾向一致。该断层对隧道特别是右线施工及运行安全影响很大。 3.岩溶发育特征 因岩溶发育的无规律性,隧道底板进入洞腔,垂直延伸约30m,顶板还在不断坍塌掉块。其岩溶发育情况分布范围、规模不清,造成施工难度极大、无法继续施工。目前关键是要详细查明溶洞规模、形态、大小、埋深及与线路的关系等情况,隧道底板以下岩溶发育情况以及与隧道顶板的距离,为隧道施工及岩溶整治设计提供地质依据。根据施工情况及初步调查,设计院、施工单位、业主以及地质专家的多次研究论证,通过配合测量断面同时进行地质水文地质调绘,对溶洞的规模、

6、形态,长度、宽度、高度及洞底起伏和洞顶的凹凸、支洞、溶洞的分叉位置、延伸方向、溶洞的联通情况及与隧道底轴线的关系进行详细量测,并进行详细地质观察,对溶洞充填情况、石笋、石柱、石钟乳发育情况,地下水大小、流向及水力联系情况,进出水位置及洞壁、顶底地质特征进行调查(见下图)。在以上测量、调查和物探的基础上,在已开挖隧道底板布置钻孔进一步查明隧道底板以下岩溶发育情况和软弱夹层、岩石的完整程度、大溶洞底板以下岩溶发育情况,验证物探解释效果。根据调查测绘成果进行综合整理,分析岩溶发育特征和分布规律,得出溶洞顶与设计隧道底的厚度及变化情况和溶洞以下岩溶发育情况,评价与隧道的关系和影响2。 3.1 岩溶水水

7、力通道及发育特征 岩溶水为隧道区主要的地下水类型,含水岩组为奥陶系灰岩,赋存于灰岩岩溶管道中,包括溶洞、溶蚀裂隙、溶槽等,均匀性差,局部富水性强。地下水径流条件主要受岩性、构造、岩溶发育程度的影响,分布不均匀。地下水的补给来源主要是大气降水入渗补给。由于断层及其影响带范围内岩体破碎、岩溶管道发育,有利于地下水富集,地下水运移于两盘岩层节理裂隙、岩溶管道中,形成富水区,局部水量较大。据实测水文地质成果,隧道区主要存在6条流水通道,分别是: 巨型溶洞RD1中2#溶槽开始,经过1#、2#、3#至4#洞腔后下渗通道。此通道水流通过溶洞底板或底板下层通道向南西方向发展、汇集,流通过程中接纳中途汇集水流后

8、逐渐形成较大水流,成为形成巨型溶洞洞腔及该溶洞群的主要水力因素。 巨型溶洞RD1流水洞S4至下部岩溶裂隙通道:S4为流水洞,水量4.5L/s(2011年11月25日)。S4处流水洞面积约0.50.6m2,下方15m深度范围内为受此流水洞冲刷、溶蚀形成的竖井,呈圆形截面,直径约8m,深度较大,且同1#溶槽联通。此通道水流通过地下深层通道向南西方向发展、汇集,形成较大水流,成为形成1#洞腔及附近空洞的主要水力因素。 溶洞群3#洞腔流水洞S1至下部岩溶裂隙通道:S1为流水洞,水量5.0L/s(2011年11月25日)。S1处流水洞面积约0.50.5m2,向180方向延伸约10m后向下继续延伸。此通道

9、水流通过地下深层通道向南、南西方向发展、汇集,形成较大水流,成为形成3#洞腔底部空洞的主要水力因素。故此推断,3#洞腔底部存在一定规模的岩溶,但对隧道施工及运营影响不大。 3.2 隧道进口段岩溶水水力联系特征 根据对RD1溶洞群的精确测量,该溶洞群各洞腔分布具有明显的水力侵蚀特征,最明显的是,从1#、2#溶槽至1#洞腔,再至2#、3#、4#、5#、6#等洞腔,水位侵蚀高程由高至低逐渐降低,由此形成水力通道。其中主通道从2#溶槽开始,经过1#、2#、3#至4#洞腔,此通道水流受控于F1构造,通过溶洞底板或底板下层通道向南西方向发展、汇集,流通过程中接纳中途汇集水流后逐渐形成较大水流,成为形成巨型

10、溶洞洞腔及该溶洞群的主要水力因素。 隧道进口段溶洞与外界存在水力联系,其中6#洞腔内发现有螃蟹及鼠类动物的残骸,但并不是溶洞内原生动物,推测是溶洞在洪水期间由涌入的地表水冲带进来后沉积形成,故此可以判断,至少6#洞腔与外界存在水力联系;3#洞腔S1处水流较大,向180方向延伸约10m后消失于细小过水通道内,根据溶洞内地形、地层岩层条件推断,3#洞腔亦与外界存在水力联系;1#溶槽S4处水流较大,经陡壁处的流水洞向下垂直散落在P2处巨石上,根据隧道施工时的观测,P2处巨石为人工堆积形成,向下方深度15m后发育竖井,水流向下经块碎石间缝隙深入到该竖井内消失,根据溶洞内地形、地层岩层条件推断,1#溶槽

11、亦与外界存在水力联系。 根据对溶洞内岩层裂隙的仔细观测(2011年11月26日),除1#洞腔外,其他洞腔岩层面、裂隙面间(包括洞腔顶部岩层)充填有软塑状粘性土,但年代已久。因此可以判断,在隧道区极端洪水期间,RD1溶洞群中2#、3#、4#、5#共4个洞腔会完全被洪水淹没,在1#大洞腔、6#小洞腔、1#及2#溶槽底部会存在一定深度的积水,各洞腔内尤其是空间狭小的洞腔通道、过水通道、落水洞内水流湍急,对洞内沉积物或构筑物冲刷、侵蚀作用强烈。 3.3 隧道进口段溶洞沉积物特征 关于岩溶水水力特征的综合分析,以及对各洞腔、通道、溶槽等岩溶形态内沉积物的实际观测,证实了洞湾隧道进口段溶洞群的发展趋势,即

12、以F1构造带为导向,从北东方向的1、2#溶槽开始,主要经1、2、3、4#洞腔,继续向南西方向延伸,途中汇集来自各通道、洞腔内的支流而形成较大水流,构造带主导了岩溶洞群的发育、伸展。 本隧道进口溶洞群各通道、洞腔内岩溶沉积物主要为重力水沉积类型,主要沉积物包括石钟乳、石笋、石幔、石旗、鹅管等。按其发育的规模大小,自北东至南西方向各洞腔、通道内沉积物的典型特征为: (1)1、2#溶槽至6、5、1#洞腔:洞穴沉积物主要为石钟乳、石笋、石幔,规模大、发育程度高、形成年代早。其中最高的石笋发现于6#洞腔,高度达6.1m;特别的是,在2#溶槽中部集中发育穴珠,小的如豆粒,大的如乒乓球,表面呈淡黄色,周边洞

13、底较平坦,是碳酸钙岩溶水球形结晶的特殊表现。 (2)1#洞腔:溶洞群中最大的洞腔,洞穴沉积物主要为石钟乳、石笋,集中于地质条件较为稳定的南侧洞壁附近;洞腔北侧发育一堵北东向巨型石幔。洞穴沉积物规模较大、发育程度较高、形成年代较早。其中最高的石笋发现于6#洞腔,高度达6.1m。 (3)2#洞腔:溶洞群中较小的洞腔,洞穴沉积物主要为小型石钟乳、石笋,规模较小、发育程度较低、形成年代较晚。其中最高的石笋高度仅1m左右。 (4)3、4#洞腔:溶洞群中较大的洞腔,洞穴沉积物主要为鹅管,局部有小型石钟乳、石笋。鹅管是石钟乳发育过程中的最初形态,自洞顶向下生长,空心细玻璃管状。其规模很小、发育程度低、形成年

14、代晚,其中最高的石笋高度仅10cm左右,尚处于生长的初期阶段。 3.4 隧道岩溶发育规模及形态特征 经地质调绘及对溶洞的实测,隧址区岩溶极为发育。岩溶形态主要表现为落水洞、溶洞及地表溶蚀洼地、地表塌陷等,特别溶洞,具有发育规模大、空间变化差异大、受构造控制明显的特征。其中溶洞RD1及联通溶洞群受F1构造影响,发育规模巨大,与隧道右线YK66+478YK66+490段联通,对隧道施工及运行安全影响很大,目前看来是洞湾隧道施工中最大的岩溶地质障碍。 发育的溶洞群总体呈北东30延伸,与隧道轴线近直交,由6个洞腔连通而成,隧道左右线均位于1号大空腔上部穿过。溶洞沿隧道右线纵向由里程YK66+459发育

15、到里程YK66+516,长约57m。为沿隧道右线发育最宽;左线纵向由里程ZK66+461发育到里程ZK66+486,长约25m。横向向隧道两侧发育延伸长约265m。洞高一般1619m,斜向右线右边墙外侧发育落水洞,深约35m,在溶洞范围内右线发育到拱顶以上35m。YK66+459+479段溶洞底较平缓,高程1004.251010.62m,往大里程方向溶洞底逐渐变高变陡,高程由1004.25m到1021.50m,高差17.25m,坡度30.7,溶洞顶底基本同向变化,向小里程倾斜。 由小里程向大里程由厚变薄,也就是1号洞腔中坍塌区最薄仅6.16m,右隧道开挖断面处最薄,向左右两侧变厚。 根据调查隧

16、道YK66+492+516段发育构造带,走向30,倾向120,倾角77,与隧道轴线近垂直,平行于溶洞主长轴。受其影响,在右隧道沿隧道轴线YK66+492+516段长24m,宽约25m范围内溶洞顶发生强烈崩塌,形成厚10m的崩积物,溶洞顶板离隧道底厚仅6.1613.05m,属最危险地段。 3.5 隧道岩溶形成机制 洞湾隧道位于赤水河系侵蚀第二阶地,大气降水丰富,地表径流充沛,地表水沿构造带及地层接触带等软弱结构面下渗,地下水的动态变化较大。在隧道区域地层岩性相对复杂,灰岩及泥岩、页岩呈夹层状分布,其进口下部及隧道中部的泥岩、页岩属相对隔水层,地下水沿灰岩节理、裂隙渗透过程中遇到阻隔,便向下沿其层间裂隙、垂直节理及构造裂隙渗流,在泥岩与灰岩接触面附近形成近似沿灰岩层面发育的且角度较大的竖向溶蚀裂隙,溶蚀裂隙在以往较为稳定的地质环境条件下继续向下、向外扩展,形成

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