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1、中铁二十二局集团第一工程有限公司优秀论文申报表中铁二十二局集团第一工程有限公司优秀论文申报表题目岩溶隧道突水突泥灾害超前预测预报技术研究申报单位中铁二十二局沪昆客专第二项目部姓名单位职务职称刘佳佳中铁二十二局一公司项目总工，工程师柯象友中铁二十二局一公司分部总工，工程师作者王建华中铁二十二局一公司分部副总工，助理 工程师论文依托项目 背景及完成时 间沪昆客运专线铁路 12 标 中铁二十二局集团第一工程有限公司沪昆客专项目部2014.8.2论文发表及获 奖记录无论文摘要在岩溶地区深埋长大隧道的施工过程中, 由于深层岩溶发育的复杂性,造成施工过程中突水突泥灾害频繁发生, 对工程造成很大影响, 所以
2、进行施工地质预测预报是必要的, 这项工作主要包括预测和预报两个阶段。预测主要是根据岩溶水文地质与工程地质的基础理论, 对岩溶洞穴管道集中发育地段进行判定, 确定突水突泥灾害的危险地段, 预报工作是在危险地段应用地质探测方法对施工掌子面前方的岩溶洞穴管道分布状况进行探测, 在这方面主要方法有水平钻探和物探手段,探地雷达作为近年来发展起来的一种物探方法, 由于其探测过程的连续性和定向性, 在中短距离的探测预报中具有突出的优势。 申报单位 对论文的 综合评价文章探讨了岩溶形成条件综合判识、水平钻探与探地雷达相结合进行 岩溶隧道突水突泥灾害超前预测预报的方法，值得施工借鉴。单位评审上报意见及申报等级（
3、盖章） 年 月 日岩溶隧道突水突泥灾害超前预测预报技术研究岩溶隧道突水突泥灾害超前预测预报技术研究刘佳佳 柯象友 王建华（中铁二十二局第一工程有限公司沪昆项目部）摘要摘要: : 在岩溶地区深埋长大隧道的施工过程中, 由于深层岩溶发育的复杂性, 造成施工过程中突水突泥灾害频繁发生, 对工程造成很大影响, 所以进行施工地质预测预报是必要的, 这项工作主要包括预测和预报两个阶段。预测主要是根据岩溶水文地质与工程地质的基础理论, 对岩溶洞穴管道集中发育地段进行判定, 确定突水突泥灾害的危险地段；预报工作是在危险地段应用地质探测方法对施工掌子面前方的岩溶洞穴管道分布状况进行探测, 在这方面主要方法有水平
4、钻探和物探手段。探地雷达作为近年来发展起来的一种物探方法, 由于其探测过程的连续性和定向性, 在中短距离的探测预报中具有突出的优势。文章探讨了岩溶形成条件综合判识、水平钻探与探地雷达相结合进行岩溶隧道突水突泥灾害超前预测预报的方法。关键词关键词: : 隧道; 突水突泥灾害; 超前预报引言：引言： 通过沪昆客专高家屯隧道施工，详细介绍突水突泥灾害超前预测预报技术研究技术工艺及注意要点，为今后类似工程施工提供参考作用在岩溶地区进行长大隧道施工时, 有可能遇到大型溶洞或地下暗河等地下岩溶管道系统, 洞内不仅充满地下水, 而且在岩溶管道系统形成过程中地表岩溶洼地和槽谷汇集降水, 并携带大量泥砂等风化产
5、物的暂时性洪流, 通过落水洞、漏斗、竖井等导入地下溶洞, 泥水混合物在其搬运过程中按重力分异沉积在溶洞系统的不同部位。当隧道施工中揭露岩溶管道系统中的某个部位, 储存在管道中的地下水或地下水与泥、砂混合物以高压力瞬间喷射而出, 其流量能达每小时几千方, 涌入并淹没了掌子面, 进而向毛洞和已成型的洞体推进, 迫使隧道施工停止, 更有甚者, 由于地下泥石流来势凶猛, 施工人员来不及撤离而危及生命安全, 并淹没了施工机械, 造成严重的事故。由于岩溶系统涌水量大需长时间的放水、疏干在隧道设计高程以上的地下水, 并形成大范围的降落漏斗,与此同时在隧道也沉积了大量泥砂, 如某隧道涌出的泥砂量竟达23万m3
6、 , 在重新施工前需将大量泥砂土方清除, 给施工带来极大不便, 不仅影响施工进度, 还提高了工程造价, 拖延工期, 损失是巨大的。突水突泥的后果是破坏了地下水的动态平衡, 长期下去会使溶洞出口、地下暗河出口、岩溶泉水等周围的水生生物和喜湿的植物减少或大面积消失, 同时会使地下水补给地段的空气湿度降低而改变降落漏斗范围内的小气候,从而影响到局部的生态环境。在目前工程技术水平条件下, 解决突水、涌泥砂等问题预测预报的方法, 采用地质法和综合物探和洞内超前钻探相配合的方法,是简便易行的。1 预测技术根据岩溶形成的地质条件对岩溶强烈发育带进行判定, 地下水的补给区和地下水排泄点之间的岩溶管道的连通实验
7、, 溶洞调查的结果是必要的。结合岩溶发育规律找出地下水的运动方向, 特别是地下水运动途径, 进而确定岩溶管道的平面位置。依据当地岩溶发育深度与隧道设计高程, 把岩溶管道的平面分布位置与隧道线路相交地段判定为危险地段。结合高家屯隧道经过地段部分岩溶的特征, 对岩溶灾害的相关地质预测技术进行了分析。该地段基岩大多裸露，为三叠系中统关岭组一段（T2g1）泥岩、泥灰岩、泥质白云岩互层，下面对突水突泥危险段进行了讨论。地层岩性分析地层岩性结构特征与岩溶发育在碳酸盐岩体中, 除化学沉积外, 还有碎屑沉积, 其原因在于以SiO2为主要成分的结构致密的燧石结核与其同生的碳酸盐间形成易溶- 难溶界面, 水流最易
8、沿此界面进行溶蚀, 水流沿着此界面逐渐淘蚀, 使结核孤立, 以至于最终剥离。 水流易在胶结物中形成大量溶孔, 所以在界面上发育大量溶孔、小型溶洞, 并为岩溶进一步发育提供了良好的物质基础。岩层中易溶特殊矿物成分对岩溶发育的作用由于在T1 j 和T1d 地层中存在石膏和角砾岩等特殊成分, 它们与水作用形成对碳酸盐岩有很强的侵蚀性的地下水, 导致溶蚀作用加剧, 从而使T1 j 和T1d深部岩溶管道大量发育, 在T1 j 岩层中夹有纤维状的石膏( CaSO4 #2H2O) ; 在大冶组岩层中发现黄铁矿(FeS2 ) 呈星点状分散分布, 局布较集中, 这对岩溶的发育也起到促进作用。岩层构造特征对岩溶发
9、育的影响岩层构造特征对岩溶发育的影响一般认为, 厚层及巨厚的碳酸盐岩层中, 成分均一, 结晶颗粒粗大, 因此溶解度大, 所以容易发育岩溶。大量野外观察发现在构造强烈地区, 薄层灰岩与厚层灰岩交界处往往容易发育溶洞。如在本区大冶组、嘉陵江组有大量薄层夹中厚层灰岩; 长兴组中有厚层夹薄层灰岩, 由于构造强烈岩层层面张开程度远大于节理裂隙面, 这些层面成为地下水的良好通道。如在岩层厚度小于10cm 左右的嘉陵江组薄层灰岩和强烈褶皱地段大冶组灰岩中, 往往夹杂有小溶洞, 并填充有泥土沉积物质。在大冶组、嘉陵江组的薄层灰岩岩层倾角陡立, 层面间的张开程度非常大, 且裂隙发育, 使得薄层灰极为破碎,为岩溶
10、发育创造了良好空间。这种发育特征非常明显。总体, 岩层的构造特性在一定程度上会弥补可溶岩溶解的差异性, 甚至成为影响岩溶发育的主要因素。褶皱形态与岩溶发育褶皱的不同部位变形机制不同, 岩体破裂程度不同, 直接影响到岩溶的发育和富水条件。在岩性条件相同的情况下褶皱构造岩溶发育的特点是核部强于翼部, 背斜倾伏端或向斜挠起端及各类褶皱构造的转折部位, 岩层走向及倾向均发生改变, 同时由于岩层弯曲产生的二次构造应力场的作用造成这些部位岩体破碎, 有利于岩溶的发育。岩层产状及断层与岩溶管道的发育岩层产状与岩溶管道发育方向之间的关系分析表明由于构造强烈的岩层倾角陡立, 岩石成为导水通道, 所以大量的岩溶管
11、道沿岩层走向发育。断层与岩溶关系分析表明岩溶管道沿断层发育远不如沿地层走向发育。突水涌泥灾害与岩溶地貌和地下水关系岩溶的形成是可溶性岩石与地下水共同作用的结果。地表岩溶洼地、槽谷为汇集降水形成的暂时洪水提供了有利的场所, 而岩溶洼地、槽谷中的落水洞或漏斗为洪水转入地下成为地下水补给区, 在补给区和排泄点间, 是地下水径流区即深层岩溶管道的形成地段。2 预报技术地质法+ 综合物探+ 洞内超前钻探法是指在地表岩溶洼地、槽谷、峡谷和分布在其中的落水洞、漏斗、竖井等调查，及地下溶洞或暗河、干洞调查，找出岩溶发育与地层岩性组合特征、地层产状要素、褶皱形态、断层和节理等关系, 圈出地表岩溶洼地、槽谷及其中
12、的落水洞、漏斗、竖井等与地下岩溶管道系统的关系。在此基础上, 依据岩溶化含水层( 组) 和非岩溶隔水层( 组) 的划分, 在褶皱构造中以隔水层( 组) 分布和圈闭来划分水文地质单元和地下水类型;以地表分水岭、夷平面、岩溶洼地和槽谷以及其中的落水洞、漏斗、竖井等作为岩溶化含水层( 组) 的补给区，以溶洞、暗河、大泉等出口的位置的分布和排列作为地下水的排泄区; 在补给区和排泄区间找出地下水可能的径流方向和途径, 并结合该地岩溶发育规模确定岩溶管道系统的可能位置, 即从补给区的岩溶洼地、槽谷及其中的落水洞、漏斗、竖井径流区的可能管道位置排泄区岩溶管道和地下水的出口等，在确定溶洞、暗河系统基础上, 根
13、据隧道设计高程和可能遇到的岩溶系统, 确定隧道施工疏干漏斗范围, 最终确定突水、突泥的储存量+ 稳定流量即总的突水、突泥量; 依据区内非岩溶化岩层厚度、分布、风化产物、夷平面上的沉积物的分布及岩性特征、厚度、现代河流从伏流口转入地下所携带的碎屑物质等分析判定物质来源。在超前探测方面探测结果准确可靠的超前钻孔技术与能够进行定向连续扫描探测的探地雷达技术的配合进行是一个较为合适的选择, 因为超前钻孔虽然直观, 但是一孔之见对于反应空间分布形态纷繁复杂的岩溶洞穴管道系统来说显然是不充分的, 而进行较多数量的钻孔则费时费力, 影响施工进度, 地质雷达作为一种地球物理勘察方法具有快速、便捷的特点, 其连
14、续扫描能够迅速得到掌子面前方的大量物探剖面, 资料解释的结果对岩溶发育的空间形态能够有三维的认识, 但地质雷达作为一种物探方法也具有其多解性, 特别是被探测岩体的相对介电常数的取值将直接影响到探测结果的精度, 需要在探测的同时进行标定, 而超前钻孔的结果则同时能对地质雷达结果进行修正与参数标定, 这二者的结合进行能够实现快速、准确的岩溶洞穴发育情况超前预报。在地质雷达探测的过程中, 介质中电磁波的传播速度和界面的反射系数是重要的影响因素, 相对于地质雷达所用的高频电磁脉冲而言,通常工程勘探和检测中所遇到的介质都是以位移电流为主的低损耗介质。在这类介质中, 反射系数和波速主要取决于介电常数, 所
15、以在隧道超前预报探测中岩石及洞穴充填物的相对介电常数是决定判识精度的重要物理量。针对在岩溶地区深埋隧道进行超前探测预报的具体条件, 设计了探测方案, 在隧道掌子面进行超前探测的测线, 其中至少一条测线通过超前钻探的钻孔。因为对于相同的材料, 不同频率的天线的有效探测深度与分辨率是有差别的, 所以工作中分别采用不同频率的天线进行重复探测, 目的之一是结果相互补充印证, 之二是综合考虑分辨率与探测深度的矛盾, 既对浅层目标提高分辨率, 又使探测深度能够达到深层目标。探测中分别使用中心频率为400MHz、200MHz、80MHz、35MHz 和16MHz 的天线, 结果表明能够判定掌子面前方约25m
16、 范围之内的岩溶洞穴空间分布情况。应用探地雷达对部分隧道的岩溶洞穴发育分布情况进行了探测, 工作中分别应用了5 个中心频率的天线, 可以看到不同频率的天线对充填型岩溶洞穴的分辨程度有差别, 探测预报结果为后期的开挖所证实。3.3. 结束语结束语通过水平钻探与探地雷达相结合等超前地质预报方法在高家屯隧道中的实际运用，有效的预防了高家屯隧道突水突泥情况的发生，为以后的岩溶隧道防突水突泥提供了良好的借鉴。参考文献: 1 何振起等， 利用地震反射法进行隧道施工地质超前预报 J铁道工程学报. 2002 2 赵玉光等， 论公路隧道信息化施工超前地质预报系统与地质超前预报 J 中国地质灾害与防治学报. 2001
