超长炮孔法在复杂岩溶隧道地质超前探测中的应用.pdf

收稿日期 作者简介 周柏林 6, 男,年毕业于西南交通大学工程地质 物探专业, 高级工程师。 文章编号 1672- 7479 2010 05- 0022- 03 超 长 炮 孔 法 在 复 杂 岩 溶 隧 道 地 质 超 前 探 测 中 的 应 用 周柏林 中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉430063 Applications of Long ShotHoleM ethod in ComprehensiveAdvanced Prediction for GeologicalConditions ofComplex Karst Tunnels Zhou Bailin 摘要以宜万铁路复杂岩溶隧道地质综合超前探测中超长炮孔法的应用为例, 总结了超长炮孔 法的孔数等要素与开挖断面尺寸、 安全岩盘厚度、 工作面前方及周边地质复杂程度的密切关系, 提出了 超长炮孔法工作布置、 超长炮孔要素等探测方案的确定方法及其在复杂岩溶隧道地质综合超前探测中 的应用, 完善了复杂岩溶隧道工作面前方和工作面周边地质综合超前探测的安全理念。 关键词岩溶隧道超前探测超长炮孔工作面 中图分类号 U455 49文献标识码 B 隧道洞身岩溶的复杂性和隧道地质勘察工作的 艰巨性, 决定了地面勘察难以准确查明隧道洞身形 态各异、 分布不均的具体岩溶地质情况, 存在隧道工 程施工发生涌水突泥灾害风险。随着隧道工程施工 安全和使用安全要求的提高, 有必要重新审视隧道 地质超前探测的理念, 如 岩溶隧道地质超前探测除 包括工作面前方外还应该包括工作面周边的超前探 测, 特别是工作面前方和工作面周边安全岩盘厚度 范围内的超前探测, 直接关系到隧道的施工安全。 如前方存在大型高压富水溶腔时, 应根据溶腔发育 特征以及隧道的工程地质条件, 确定隧道工作面与 富水溶腔间的安全距离即安全岩盘厚度, 在大于安 全岩盘厚度的安全距离采取合理的工程措施对富水 溶腔进行处理, 使隧道施工安全顺利进行。下面结 合被称为岩溶发育、 地下水丰富、 暗河系统发育、 突 水突泥的风险程度和工程处理难度为国内外罕见的 宜万铁路复杂岩溶隧道工程超前探测中超长炮孔法 应用实例, 对超长炮孔法在岩溶隧道地质综合超前 探测中的应用进行探讨。 1超长炮孔法在岩溶隧道综合超前探测中的 应用 1 1超长炮孔法简介 在复杂岩溶隧道开挖施工中, 必须保证施工工作 面与前方不良地质体 溶腔、 管道、 暗河、 断层等 有一 定厚度的安全岩盘。根据安全岩盘厚度剪切强度计 算、 安全岩盘厚度数值模拟预测分析得知, 当、 级 围岩水压小于 2MPa或级围岩水压小于 1 0MPa 时, 安全岩盘厚度应采用 3m值。而控制施工工作面 前方及洞身周围留有 3m的安全岩盘, 在隧道施工中 的狭窄场地条件下最好的探测方法就是超长炮孔法。 超长炮孔法是采用风枪对工作面前方及周边进行 地质超前探测的一种方法, 是对超前钻探的一种补充, 主要应用于隧道的地质复杂程度地段, 其探测长度一 般为 5m。 1 2超长炮孔探测方案确定原则 超长炮孔探测方案确定原则 超长炮孔的孔数、 间 距、 偏角等要素的选择和布置, 取决于开挖断面尺寸、 安全岩盘厚度和工作面前方及周边地质复杂程度。 3地质复杂地段超前炮孔探测方案 地质复杂地段超长炮孔探测指洞身在地下水位以 22铁道勘察2010年第 5期 2010- 07- 20 19 21982 1 下且岩溶、 暗河、 断层发育或地面物探重大异常的地段 详细探测 , 洞身在地下水位以上且岩溶、 断层发育 或地面物探有较大异常的地段 重点探测 进行超长 炮孔探测。 详细探测超长炮孔方案 假定隧道开挖断面尺寸 探测面积 即开挖断面 外安全岩盘厚度尺寸面积为 Am 2 、 安全岩盘厚度为 H m, 为使超长炮孔间距不大于安全岩盘厚度, 超长 炮孔孔数 n的确定方法如下。 当超长炮孔采用等边三角形排列时 n 4 A / 1 05 H 2 3 14 1 当超长炮孔采用正方形排列时 n 4 A / 1 13 H 2 3 14 2 将式 1、 式 2合并得 n 1 0 1 15A/H 2 1 1 A / H 2 3 1正洞超长炮孔孔数确定 假定安全岩盘厚度为 3m, 正洞开挖断面高 9 5 m, 宽 6 8m , 开挖断面探测面积 图 1中外虚线 135 9 m 2, 采用式 3确定超长炮孔的孔数为 17孔。 图 1探测范围示意 单位 m 2正洞超长炮孔的布置 为使超长炮孔探测隧道工作面前方和工作面周边 安全岩盘厚度范围的地质情况, 超长炮孔除部分探测 前方的不良地质外, 在工作面周边采用了向外以 20 40 的角度外插。 为提高超长炮孔探测隧道工作面前方和工作面周 边安全岩盘厚度范围不良地质体的有效性, 超长炮孔 采用两循环交错向前布置, 第一循环超前长炮孔 17 孔, 中间 5孔为水平孔, 其余各孔以 20 、 40 角度外插 如图 2中黑实心 ; 第二循环超前长炮孔 17孔, 中间 6孔为水平孔, 其余各孔以 20 、 40 角度外插 见图 2。布孔要素见表 1 。 3平导超前炮孔孔数确定 假定安全岩盘厚度为 3, 平导开挖断面高5 , 宽, 开挖断面探测面积3, 采用式 3确 定超长炮孔的孔数为孔。 图 2超长炮孔布置示意 单位 m 表 1正洞全断面开挖超长炮孔要素一览 炮孔 编号 钻孔偏 角 / 炮孔长 度 /m 工作面前方 探测长度 /m 终孔距开 挖轮廓 /m 备注 Z QP1- 1仰插 4053 83 2 Z QP1- 2仰插 2054 7 Z QP1- 3仰插 2054 7 Z QP1- 4外插 4053 83 2 Z QP1- 5水平55 Z QP1- 6水平55 Z QP1- 7外插 4053 83 2 Z QP1- 8外插 4053 83 2 Z QP1- 9水平55 Z QP1- 10 外插 4053 83 2 Z QP1- 11 外插 4053 83 2 Z QP1- 12水平55 Z QP1- 13水平55 Z QP1- 14 外插 4053 83 2 Z QP1- 15 外插 4053 83 2 Z QP1- 16 俯角 4053 83 2距隧底开挖线 Z QP1- 17 外插 4053 83 2 Z QP2- 1仰插 4053 83 2 Z QP2- 2仰插 2054 7 Z QP2- 3水平55 Z QP2- 4仰插 2054 7 Z QP2- 5外插 4053 83 2 Z QP2- 6水平55 Z QP2- 7外插 4053 83 2 Z QP2- 8水平55 Z QP2- 9水平55 Z QP2- 10 外插 4053 83 2 Z QP2- 11水平55 Z QP2- 12 外插 4053 83 2 Z QP2- 13 外插 4053 83 2 Z QP2- 14水平55 Z QP2- 15 外插 4053 83 2 Z Q6 俯角533距隧底开挖线 Z Q俯角533距隧底开挖线 注 ZQ 表示正洞全断面、 分别表示第一循环、 第二循环炮孔编号。 23超长炮孔法在复杂岩溶隧道地质超前探测中的应用 周柏林 m4 m4 0m94m 2 12 P2- 14082 P2- 174082 P1- 4P2- 4 从图 2和表 1可看出, 超长炮孔探测工作面前方 3 8 5 0m, 探测工作面前周边 3 2m , 使施工中工作 面前方及周边有安全距离 取 3m的保护, 这是地下 水位以下岩溶隧道施工又一安全保证。 4平导超前炮孔的布置 平导超前炮孔的布置见图 3 。 图 3平导超长炮孔探测布置示意 单位 m 1 4重点探测地段超前炮孔探测方案 由于重点探测地段的施工风险程度没有详细探测 地段施工风险程度大, 主要存在塌方等施工风险, 其超 前炮孔探测方案只需在详细探测基础上进行修改。正 洞采用 12孔方案, 如图 2中的 1 、 2 、 3 、 4 、 5 、 6 、 7 、 8 、 9 、 10 、 12 、 13黑实心 。 2云雾山隧道 DK244 558裂隙出水探测 实例 云雾山隧道全长 6 623m, 为单面上坡, 隧道最大 埋深 800m , 是宜万铁路的一级风险隧道。隧道穿过 白果坝背斜和白果坝断裂, 为寒武系下统天河板组灰 岩、 白云岩、 溶崩角砾岩。区内发育白果坝暗河, 大鱼 泉、 小鱼泉、 恶水溪和洞湾管道流系统, 预测最大涌水 量 8 9万 m 3 /d。 云雾山隧道 DK244 470 DK244 570段, 为详细 探测地段, 在 DK244 474工作面进行了超前 TSP 探 测, 探测结论 DK244 505 DK244 533破碎含水可能 涌水, DK244 533 DK244 578较破碎含水, 建议异常 段沿起拱线以上布置 5 6个超前长炮孔 半断面 。该 段采用的一孔超前水平钻未发现岩溶异常。 按要求 如图进行超前炮孔探测, DK 开始有少量裂隙水, DK 556时图中 6号超前炮孔 出水量很大, 后在其工作面进行了孔超前钻探, 确定 了 DK 56 DK 56 含水裂隙管道 如 图 4。 图 4DK244 560裂隙管道纵断面 超前钻孔孔内水压监测显示 旱季时水压 0 05 MPa 、 降雨 50mm 12 h后水压最大达到 0 5MPa , 所 有出水孔放水时最大水量9 700m 3 /d 。 3结束语 1超长炮孔法是短距离超前探测隧道前方及周 边岩溶管道、 岩溶裂隙、 岩溶洞穴及富水情况探测的主 要手段, 是复杂岩溶隧道特别是地下水位以下的隧道 超前探测中必不可少的手段。 2超长炮孔法是对超前钻探的一种补充, 是岩 溶隧道复杂地段施工的一种有效的防护装甲, 应每施 工循环探测一次。 3超长炮孔具有设备轻便, 探测时间短且具有 直观性, 易于多孔同时进行探测的优点, 与中、 长距离 超前钻探结合使用, 效果更好。 4超长炮孔其探测长度一般为 5m , 其孔数和布 置等要素应根据开挖断面尺寸、 安全岩盘厚度、 地质复 杂程度综合分析确定。 参考文献 [1]铁道第一勘察设计院. 铁路工程地质手册[M]. 北京 中国铁道出 版社, 1999 [2]陈尚桥, 黄润秋. 对重庆市浅埋地下洞室安全顶板厚度研究 [ J]. 岩石力学与工程学报, 2000 Z1 [3]郭朋超.隧道地质超前探测新技术概述[ J].铁道建筑技术, 20042 [4]程世吉, 何振起, 刘国伍. 宜万线别岩槽隧道地质超前探测 [ J]. 现 代隧道技术, 2004增刊 384- 388 [5]肖树安, 吴世林. 复杂地质条件下的隧道地质超前探测技术 [ J]. 现代隧道技术, 2004增刊 369- 374 [6]王洪勇. 综合超前地质预报在园梁山隧道中的应用 [ J]. 现代隧道 技术, 2004, 41 3 []席继红 长大复杂岩溶隧道综合施工地质技术探讨 [ ] 铁道标准 设计,Z 24铁道勘察2010年第 5期 2244498 244 8 24402442 7.J . 20072