中铁十二局集团第二工程有限公司 山西太原小店 030032
摘要：由于在隧道施工中，岩溶发育的随意性、不可推测性，溶洞、溶腔走向的不可预见性，充填溶洞对物探手段存在一定的误导性，钻孔揭示溶腔存在偶然性，施工中出现突水突泥现象为工程带来极大安全隐患。如何正确、综合的运用超前地质预报手段，摸清可能的岩溶发育情况，并对可能引发突水突泥的岩溶进行超前、综合防治，是保证隧道施工及运营安全的重中之重。
关键词：隧道岩溶；突泥突水；防治
赣州至龙岩铁路扩能改造工程中复隧道位于福建省西南部，该隧道出口段地势平缓，地表处于山谷地带，常年有径流，且水势较大。隧道出口段表层处于灰岩地段，底部为砂岩。勘察期间主要采取了EH-4、地震波等物探手段，并结合勘探钻孔进行了勘察。勘察资料揭示：DK188+600～DK189+060灰岩段埋深210～70m，洞身围岩为弱风化C2h灰岩。物探EH-4揭示洞身局部可能存在岩溶或裂隙发育区。钻孔揭示溶洞，洞高1.7-7.7m不等，灰岩顶面标高450m～390m不等，平均线岩溶率19.5%。
中复隧道出口地质纵断面图
地下水主要为基岩裂隙水和岩溶水，局部地段地下水发育，可能存在涌水、突泥现象。钻孔揭示地下水位多处于溶洞内，富集于破碎带，预测最大涌水量5805m3/d,属强富水区，易发生岩溶涌水、突泥突水, 含砾粘土、碎石土地层孔隙比较大，地表水下渗为地下水主要补给来源，地下水位及水量受大气降水影响较大，因地表水下渗，部分地段形成岩溶洼地。
中复隧道出口段在施工过程中，发生了3次较大突泥突水，分别在DK188+943、+889、+747揭示了三处较大规模的溶洞，发生涌泥涌水，其它段落亦揭示大小不等的溶洞，占用有效施工时间4.3个月。由于岩溶问题造成隧道一直处于不正常的施工状态，无法形成稳定的施工态势，给工期造成了很大的压力。
隧道岩溶突水突泥是指在隧道岩溶段掘进过程中出现的突发性涌水涌泥，突水突泥是由于隧道开挖中未进行超前地质预报，以致将溶洞隔水层挖穿，使溶腔内岩溶水涌进隧道，形成突水突泥；或是隧道靠近溶洞时，周围所留隔水层厚度和强度不能抵抗岩溶水压力，使隧道周边和前方被岩溶水鼓破形成突泥突水。突水水源和来水通道是形成突水突泥不可缺少的自然条件，另外不当的施工方法也可能导致突泥突水。
一、为顺利通过中复隧道灰岩段，综合采用TSP、地质雷达、超前水平探孔、加深炮孔及地质素描5种方法进行探测。并根据岩溶发育特点，重点探测拱部岩溶。
a、TSP203超前地质预报
TSP方法属于多波多分量高分辨率地震反射法。地震波在设计的震源点用小量炸药激发产生。当地震波遇到岩石波阻抗差异界面时，一部分地震信号反射回来，一部分信号透射进入前方介质。反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收。数据通过TSPwin软件处理，便可了解隧道工作面前方地质体的性质和位置及规模。
TSP203每次可探测100～350m，为提高预报准确度和精度，采取重叠式预报（重叠部分不小于10m），每开挖100m预报一次，每次探测结果与开挖揭示情况对比分析。这种方法是对岩溶发育情况做长距离的预报。
b、地质雷达法
探地雷达利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线T送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线R所接收。检测方法是：在掌子面上布设测线，由天线向地层中发射一定强度的高频电磁波，电磁波在传播过程中遇到与周围电阻抗有差异的地层或目标体时，部分能量反射回来，被接收天线所接收，通过分析雷达图像特征，预测前方围岩情况。该方法分辨率较高，方向性较好，能够分辨出较小规模的地质异常，能及时预报出掌子面附近的破碎带、溶洞及赋水等不良地质情况。
地质雷达每次可探测20～25m，为提高预报准确度和精度，采取重叠式预报（重叠部分不小于5m)，每开挖20m预报一次，每次探测结果与开挖揭示情况对比分析。这种方法是对岩溶发育情况做中等距离的预报。
c、超前地质钻孔
超前地质钻孔是利用钻机在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。可对TSP203、地质雷达等手段探测到的不良地质进行可靠验证。在钻探过程中根据钻孔的钻碴、返碴颜色、钻进速度、跳钻、卡钻情况，以及水压、水量情况，判断前方地质情况，方法直接可靠。属于中等距离超前地质预报的一种，因其可以直观的揭示溶洞的位置及纵深方向的大小，是探测前方溶洞的主要依据。
d、加深炮孔
加深炮孔探测是利用风钻或凿岩台车等在隧道开挖工作面钻小孔径浅孔,获取地质信息的一种方法，适用于岩溶发育地区。加深炮孔属于短距离超前地质预报，是超前地质钻探的一种重要补充，因其数量较多，在岩溶发育区可大大增加揭示岩溶的几率，大大降低岩溶突泥突水带来的危害。
中复隧道超前地质钻孔及加深炮孔的设置结合了本隧道断面尺寸，探测精度和交叉重叠共同验证等要求，见下图所示。
超前水平探孔孔位布置图 加深炮孔布置图
e、地质素描
地质素描是用素描技法描绘出地质客观实体的空间形态及相互关系，中复隧道灰岩段要求每开挖循环都要进行地质素描，并通过地质素描结果，验证、调整地质复杂程度分级和超前地质预报方案，预判岩层走向。
中复隧道超前地质预报小组，根据上述五种超前地质预报结果编制综合地质预报，预判前方25m范围内的岩溶发育情况，根据预报的结果，调整围岩级别，制定有针对性的支护措施及施工方案，降低施工风险。
二、岩溶突泥突水处理措施。
a、排水降压：排水降压就是在隧道正洞适当位置，施工泄水孔与正洞溶腔连通，为溶腔填充物及汇集水建立新的通道，将溶腔填充物及汇集水彻底释放，并为今后溶腔体内可能积聚的填充物预留通道，从而减少或消除隧道正洞施工及运营安全压力的施工方法。
中复隧道在施工DK188+747左侧加深炮孔时探测到溶洞，有黄黑色涌水，水压较大，涌水打在施工工人身上，工人难以站稳，涌水喷射约4m。现场停止掘进，人员、机械安全撤离。随后水压逐渐增大，最大射程达到18m，由上台阶拱脚喷射至下台阶。
由于岩溶岩壁已被加深炮孔击穿，现采用地质雷达、超前水平探孔对掌子面发现溶洞规模及位置进行补充探测，为打孔泄压提供依据。经探测中、下台阶及上台阶右侧边墙未发现不良波形；上台阶左侧边墙及掌子面左侧，在初支背后5～15米范围内雷达反射波波幅及相位变化较大，预计本段范围内存在溶洞并填充大量淤泥和水；上台阶下方由左向右2.5米～6米的下部雷达反射波波幅及相位变化较大，推断为溶洞。
结合超前水平探孔，探测结果显示，在掌子面前方2～8.5m的地方存在溶洞，溶洞宽度在0.5～1.4m范围内，左侧边墙外4.8m至9.8m处有溶洞，溶洞宽度在0.5-1.2m。超前水平探孔有岩溶水水流出，涌水量为18m3/h，探孔揭示溶洞填充物为黄色泥沙。为进一步验证各溶洞的联通性，现场采用高压风探测。先利用高压闸阀关闭4个探孔，在其中1个探孔接入高压风，打开另一个探孔，如有高压风吹出则表明两者是联通的。
根据预报结果综合研判，在掌子面前方2～8.5m的地方存在溶洞，溶洞宽度在0.5～1.4m范围内。左侧边墙外4.8m至9.8m处有溶洞，溶洞宽度在0.5～1.2m，左上部7m范围外有较大溶洞。见下图。
地质雷达揭示溶洞分布情况 超前水平探孔揭示溶洞分布情况
结合探测成果，在上台阶左侧边墙施作3个径向泄水孔，终孔于开挖轮廓线外5m，并进入溶洞，终孔高出拱顶的距离分别为：3m、5m、6.5m。施工过程加强观察，如有堵塞，需进行扫孔，确保施工处于低水压状态。现场施工情况表明，3个泄水孔在不同高度、不同方位均打穿溶洞侧壁，起到泄水降压作用，为掌子面下部开挖加固起到安全保障。
b、岩溶大管棚超前支护及注浆封闭技术
对应岩溶等较复杂的地质情况，在施工中常采用大管棚等较强的超前支护措施进行支护。但在灰岩段岩层岩质较硬，大管棚施工较困难，在制定施工方案时根据岩溶分布情况，区别对待并采取有针对性的支护方式。
在处理DK188+747溶洞时，根据溶洞分布位置，在上台阶左半幅90°范围内打设洞身管棚，进行注浆及超前支护。根据开挖情况局部套打超前小导管，注浆压力不小于1MPa。现场注浆分三个阶段进行，根据渗水量分析，注浆效果显著，形成有效岩溶隔水层，具备开挖条件。
c、岩溶采用硫铝酸盐水泥注浆处理技术
岩溶具有空腔大、空隙率高的特点，普通水泥单液浆初凝速度较慢，很难满足施工要求；超细水泥造价高，现场注浆量大，经济效益较差；普通水泥—水玻璃浆现场操作工艺复杂，不易控制且后期强度较低，不能满足开挖要求，且对环境有一定污染。通过调研，采用快硬硫铝酸盐特种水泥作为主要注浆材料进行注浆较为合理，可有效形成岩溶隔水层，达到安全施工目的。
d、较大独立溶腔回填处理技术
针对个别独立较大溶腔，在溶腔内填充物释放完后，可采用泵送混凝土、吹砂等方式进行回填。泵送混凝土回填面以上6m预留钢管，用作溶腔内水位观测孔和排水管，当满管排水时，应暂停掘进，打设泄水孔，降低水位；泵送混凝土回填完成后，打设5m长系统锚管，注水灰比1:1水泥浆，将填充混凝土与岩体锚固，防止回填混凝土坍塌；锚管施工完成后，利用预留钢管吹沙回填混凝土顶面以上3m范围内溶腔空腔，最终形成复合人工隔水层，即可以防止突泥突水又能防止溶腔顶部孤石坠落影响施工和运营安全。
e、隧底岩溶探测处理
采用地质雷达扫描、地质钻探勘探等手段对隧底平行岩溶发育情况进行探测，根据探测结果对基底岩溶发育地段采用“探灌结合”的原则进行基底注浆加固，以对基底溶腔、溶槽进行密实填充并固结松散土体，增加隧底隔水层厚度，提高隧底抗水压能力，防止在后期出现突泥突水、基底塌陷事故。
中复隧道DK188+726～DK189+200段实施隧底岩溶注浆加固措施，在隧底仰拱施工时预埋钻探孔，钻探孔布置采用正方形布置，间距3m*3m。基底岩溶加固采用钢花管注浆，注浆材料采用水泥浆液。针对大的岩溶通道或较大溶洞和裂隙处，酌情灌沙回填或稀水泥砂浆对腔体进行充填，然后采用水泥浆注浆。加固范围隧底以下15m，其中隧底8m以内采用1：1水泥浆注浆；8m～15m范围内进行灌砂处理。处理后探测结果显示，隧底注浆段注浆效果显著，未发现明显异常区域。
f、隧道拱墙岩溶防治技术
出口灰岩段在隧道开挖过程中，不断有大小不等的溶洞被揭示出来，为确保隧道周边围岩密实，避免在开通运营期间平行岩溶带来的突泥突水等地质危害，对隧道开挖轮廓线外5米范围内围岩，进行径向注浆，对开挖揭示的小溶洞清理后采用同标号喷射混凝土回填，可增加拱墙平行岩溶的隔水层厚度，避免岩溶继续发育，提高岩溶隔水层的抗水压能力。在开展径向注浆的段落，要求用注浆钢管取代系统锚杆，取消原设计的系统锚杆。在施工过程中提高了施工效率，节约了施工成本。
通过对中复隧道出口岩溶段施工，主要形成了对岩溶隧道探测及处理相关技术：一是项目部必须单独设立超前地质预报小组，制定了“以地质调查法为基础，以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行综合超前地质预报，并采用宏观预报指导微观预报、长距离预报指导中短距离预报”的方法。同时要求在探测过程中重点探测隧道拱部岩溶发育情况，只有探明掌子面前方围岩，才能有效制定治理岩溶突泥突水的施工方案，降低岩溶隧道开挖施工风险。
二是在探明岩溶方位、规模的情况下形成一系列岩溶突泥突水处理技术，如排水降压，采用超前地质预报手段探明岩溶的方位及规模，进行泄水孔施工，排放岩溶水，使隧道施工在低压下进行，保证隧道施工安全；针对拱部溶洞可采用大管棚超前支护，注浆材料选用硫铝酸盐水泥，提高注浆效率；在遇到已经揭示出来的独立溶腔时应采用泵送混凝土吹砂的方式进行回填，可以保证施工及后期运营安全；岩溶段围岩级别应根据综合地质预报进行综合评定并及时调整，隧道支护参数应根据围岩级别的调整进行动态设计，确保了施工安全和洞室稳定；对隧底及拱墙隐藏的岩溶，为防止后期发生突泥突水事件，可采用地质雷达、地质钻探等探测方法进行排查，采用隧底注浆及拱墙径向注浆的方法整治。
采用上述施工措施起到了排水降压、增加隔水层抵抗能力的效果，可安全、高效、经济、快速的通过隧道岩溶段，防止突泥突水造成的损害。
论文作者:赵耀
论文发表刊物:《防护工程》2017年第26期
论文发表时间:2018/1/25
标签：岩溶论文; 溶洞论文; 地质论文; 隧道论文; 超前论文; 注浆论文; 水层论文; 《防护工程》2017年第26期论文;