公路隧道岩溶超前探测技术及突水防治原则研究.pdf

第 2 7卷 第 4期 2 0 1 0年8月 贵州大学学报 自然科学版 J o u r n a l o f G u i z h o u U n i v e r s i t y N a t u r a l S c i e n c e s V 0 1 ．2 7 N0 ．4 Aug ．2 01 0 文章编号1 0 0 0 5 2 6 9 2 0 1 0 0 4一 O 1 】 O一 0 4 公路隧道岩溶超前探测技术及 突水 防治原则研究 牵 闱 贵州大学土木建筑工程学院 ， 贵州 贵 阳 5 5 0 0 0 3 摘要 在 比较分析各种超前地质预报方法的基础上 ， 提 出了在公路 隧道修建中岩溶的超前探测 技术， 即采用地质雷达、 红外线探水法、 超前水平钻孔、 超前炮孔和掌子面地质素描相结合的方 法， 五种方法缺一不可。最后还提出了岩溶隧道突水的防治原则， 供类似工程参考使用。 关键词 公路隧道； 岩溶； 地质预报 ； 突水； 防治原则 中图分类号 U 4 5 6 ． 3 3 文献标识码 A 随着西部大开发战略的实施， 我国的公路 、 铁 路建设的重点已转移到山岭重丘地区， 由此产生了 大量的山区隧道 “ 多、 长、 大 、 深” 已成为未来 隧道 发展的总趋势 ． 2 J 。制约特长 隧道发展 的因素包 括掘进技术 、 支护技术 、 通风技术、 不 良地质等。在 现有技术经济条件下 ， 最主要的制约因素是不 良地 质 J 。岩溶作 为山区的一种主要地质灾 害， 其发 育往往与隧道 围岩完整性 、 构造部位和地下水发育 程度等不 良地质条件 相联系。岩溶隧道修建引起 的灾害问题主要为“ 涌突水、 突泥 沙、 塌陷” ， 导 致隧道围岩及支护结构变形、 开裂、 失稳直至坍塌， 同时制约工程进度 ， 直接危及人员和机械设备 的安 全 ， 并造成工程投资的增加和生命财产的损失 ， 还 影响生态环境 。 岩溶涌突水对施工安全 、 质量及周围环境影响 很大 ， 严重时还将影响运 营和环境安全甚 至带来 工程灾难。因此 ， 为了避免隧道建设 中突水事件的 发生 ， 破坏生态环境、 带来人员和财产的损失 ， 并保 证岩溶 山区公路隧道运营安全， 进行岩溶 山区公路 隧道修建过程 中的突水 防治关键技术的研究具有 重要意义。但是研究 的关键必须在隧道开挖之前 探测到岩溶的具体位置 、 大小和水压力情况 ， 方能 从设计施工方面采取必要 的措施 ， 确保隧道施工的 安全进行 。本文主要探讨岩溶超前探测技术及设 计与施工防治原则问题。 1 超前地质预 报方法的比较分析 根据地质和水文勘察综合分析 ， 若隧道主要位 于岩溶地区 ， 将会 引起涌水 、 突泥 、 坍塌、 冒顶等灾 害。为了克服隧道修建风险问题 ， 应进行地质超前 预报 ， 根据预报结果及时采取恰当的设计与施工措 施 ， 从而确保工程的安全建成。超前预报方法主要 有长距离 T S P 2 0 3探测法 、 地质雷达探测法 、 超前 水平钻孔、 地质素描、 超前炮孑 L 、 超前导洞法、 红外 线探水法 、 高密度电阻率法 以及水平波剖面法等。 每种方法都有其优点和一定的局 限性 ， 其比较分析 列于表 1中。 2 岩 溶探测关键技术 地质雷达对岩溶的探测结果作为预判， 其结果 需用超前水平钻孔进行验证 ， 超前水平钻孔直观、 准确 ， 但探测范围较小 ， 工作量大 ， 而超前炮孔是超 前水平钻的有效补充 ， 同时还需采用红外线探水法 对岩溶水进行探测 。所以， 在 岩溶隧道的施工 中， 以超前水平钻孔为主 ， 其他手段为辅进行综合探测 岩溶地质 ， 从而克服 了施工风 险， 为隧道的顺利施 工提供了强有力的技术保 障。 岩溶探测关键步骤如下 1 采用地质雷达对岩溶 的位置进行探测 ； 2 如果发现有溶洞存在 ， 采用红外线探水法 探测岩溶水情况； 3 在地质雷达预测存在岩溶地段实施超前 水平钻孔 ， 进行详细探测 ； 4 在隧道开挖钻孔 中， 采用超前炮孔增加水 平钻孔的探测范 围， 进一步提高探测 的准确性 ； 收稿 日期 2 O l O O l 一2 0 基金项 目 贵州省优秀青年科技人才培养计划项 目 2 0 0 7 0 7 ， 贵州省 自然科学基金 2 0 0 7 2 1 8 8 作者简介 李围 1 9 7 9一 ， 男 ， 贵州德江人 ， 博士 ， 教授 ， 硕士生导师 ， 主要从事 隧道及地下 工程修建关 键技术 的科研和教 学工作 ， E m a i l we i l i y y 1 2 6． c o rn． 通讯作者 李固 ， E ma i l w e i l i y y 1 2 6 ． C O rn 第 4期 李围 公路隧道岩溶超前探测技术及突水防治原则研究 5 每次开挖完成后， 对掌子面进行地质素 存在和对水压和水量进行预测。 描， 观察地下水外露情况来进一步论证岩溶水是否 表 1 超前预报方法的比较分析 3突水 防治原则 3 ． 1 基本原则 1 “ 预防为主” 的原则 岩溶隧道的修建主要难点 确定进行地质预 报， 为信息化施工提供可靠依据； 如何选择安全经 济的施工方法和衬砌结构构造措施 ， 快速通过岩溶 发育地段 ； 如何对突泥、 塌方 、 涌水等事故进行有效 地预防和处置。为防止岩溶隧道修建 中突水突泥 事件的发生， 带来生命和财产损失、 影响工程进度、 延长工期和增加造价等， 这都要求隧道设计与施工 技术人员务必重视“ 预防为主” 的基本原则。只有 大家统一了“ 预防为主” 的思想 ， 才 能在各项工作 中根据超前预报来制定相应的预案 ， 以便确保隧道 施工 的安全。 2 “ 超前地质预报” 的原则 首先应采用地貌、 地质调查与地质推理相结合 的方法对岩溶地段进行定性预测 ， 再结合地表钻 孔探测、 超前导坑预报 、 洞 内超前钻孔预探、 隧道岩 溶预探 等方 法，进 一步查 明溶 洞的分布范 围、 类 型、 规模 、 发育程度、 填充物、 相对隧道位置及地下 水等情况 ， 为正确制定通过岩溶地段 的施工方案 提供依据。 施工 中应坚持将超前地质预报纳入施工动态 管理工作 中， 根据地质预报情况制定施工方法， 在施工 中根据开挖后的实际情况不断调整施工方 法和各 类参 数，并 与地质预报资料相对 比，不断 提高地质预报的准确性。 3 “ 设计与施工方案稳妥可靠、 保证工期 、 经 济合理” 的原则 针对超前地 质预报 的情况 ， 结合施工 现场情 况 ， 制定可靠 的设计 和施工方案， 才能避免在岩溶 地质条件下修建隧道时突水突泥事件的发生 。因 此 ， 必须要求业主、 监理 、 设计和施工等多方单位并 邀请有经验的隧道专家对设计和施工方案进行评 审， 在满足方案可行的基础上， 还必须要求方案能 够保证工期和经济合理， 从而确保该隧道工程安全 顺利地进行。 4 “ 重视疏导、 堵排结合、 因地制宜、 综合治理 贵州大学学报 自然科学版 第 2 7卷 的” 原则 重视疏导就是尽量不改变岩溶水的运移路径 ， 保持地下水的原始循环和贮存状态 ， 从而减少地下 水的流失 ， 保证施工 、 结构、 运营和环境安全。 堵排结合就是根据隧道内涌水量大小 、 所含泥 砂程度 ， 并考虑对隧道运营安全和环境 的影 响， 将 堵水和排水结合起来 ， 决定治理方案。对于规模较 大的暗河 ， 当封堵困难 时， 可采取在隧道外部修建 排水洞或在隧道内修建涵管或桥梁进行跨越 ， 既达 到了排水 目的， 又保证 了施工和运营安全。 因地制宜、 综合治理就是根据隧道所处的工程 地质和水文地质条件及周围环境条件 ， 采取多种方 法进行综合治理。 5 “ 严注浆、 短进尺、 弱爆破 、 强支护 、 快封闭、 勤量测” 的原则 严注浆 采用小导管等超前支护 ， 必须压注水 泥砂浆或其他化学浆 液 ， 加 固溶洞与 隧道间的 围 岩 ， 使隧道周围形成一个具有一定强度 的壳体 ， 以 增强围岩的 自稳能力。 短进尺 因为对围岩 的扰动过大 ， 导致岩溶与 隧道问的围岩变形大， 发生塑性变形导致开裂 ， 从 而则极易引发突水事件的发生。因此 ， 每进行 1次 超前注浆加固后 ， 进行多次开挖 ， 即限制 1次开挖 进尺的长度 ， 减小对围岩 的扰动， 从而增加 围岩的 自稳性。 弱爆破 采用预裂爆破和光面爆破等控制爆破 技术等进行施工， 从而减小隧道的开挖对围岩的扰 动， 从而避免岩溶突水事件的发生 。 强支护 在岩溶地层 中施工 ， 初期支护必须十 分牢固， 具有较大的刚度 ， 以控制开挖初期的围岩 的变形 ， 从而避免岩溶与隧道间的围岩发生开裂现 象 ， 导致突水事件的发生 。 快封闭 在台阶法施工中， 如上 台阶过长时， 围 岩变形增加较快 ， 为及时控制围岩的变形 ， 必须采 用临时仰拱封闭措施 ， 即要实行开挖 1环 一次进 尺 ， 封闭 1 环， 提高初期支护的承载能力。同时 二次衬砌必须紧跟其后 ， 避免因为初期支护的变形 过大 ， 引起岩溶与隧道间的围岩发生塑性破坏 ， 引 发突水事件。 勤量测 对 隧道施工过程进行经常性 的量测 ， 掌握施工动态 ， 及时反馈 ， 以便采取相应 的措施 ， 如 增加初期支护的刚度和加强注浆加固的压力和范 围等， 来保证施工安全顺利地通过岩溶地段。 6 “ 环境保护” 原则 因为岩溶隧道 的修建极易发生突水事件 ， 地下 水位的下降 ， 破坏了区域生态环境 ， 造成植被减少 、 地表沙土流失、 地 面沉陷等生态和地质灾 害。因 此 ， “ 环境保护” 是岩溶隧道修建的基本原则。 3 ． 2 设 计与 施工原 则 1 “ 精心勘察设计” 原则 对于岩溶 隧道 ， 工程地质条件 和水文条件复 杂 ， 岩溶的位置和大小等是不可预见的 ， 因而加大 了岩溶隧道的建设难度。因此 ， 精心的勘察和设计 是岩溶隧道建设 的根本 。 2 “ 隧道二衬局部加强” 原则 如果在隧道修建中出现了隧道二次衬砌局部 的背后和溶洞连通 ， 而且溶洞处于稳定状态 ， 因此 由溶洞条件下衬砌结构 的力学特性可以得出， 只需 加强溶洞范围内部分二次衬砌结构即可满足要求 ， 从而可以节约隧道的开挖量和混凝土的用量。 3 “ 应用防水混凝土” 原则 由于岩溶隧道多与地下水有关 ， 隧道周 围的水 压都比较大 ， 虽然有点溶洞在冬季枯水期水压很 小 ， 但是在夏季雨水期其水压都是相 当大的， 因此 必须采用防水性能好 的喷射混凝土和二次衬砌模 筑混凝土， 从而确保防水效果。 4 “ 远离高水压大溶洞” 原则 如果在前期的地质勘察 中就能查明其大溶洞 或者高水压溶洞的位置 ， 则在隧道线路设计过程中 因尽量避免隧道位置与这种溶洞相连 ， 如果不能错 开 ， 也应该预 留一定 的最小安全距离。因此 ， 说明 如果对于小溶洞或者水压不是很大的溶洞 ， 则应考 虑以线路为主 ， 不要特别 回避溶洞位置 ， 而对 于高 水压大溶洞则线路应尽量绕行。 5 “ 最小安全距离” 原则 由于岩溶隧道突水在 隧道纵方 向上存在最小 安全距离 ， 因此首先采用多种超前地质勘探手段 ， 综合判断查 明岩溶的位置 ， 当隧道开挖的掌子面在 达到离溶洞最小安全距 离之前实施超前注浆等加 固措施之后 ， 方能进行通过岩溶段的隧道施工。 最小安全距离的确定是很复杂的， 与地质本身 的因素和岩溶水 的压力等有关 ， 需要进行专题研 究 ， 包括在已有的隧道工程经验上采用数值模拟计 算甚至是室 内相识模型试验进行确定。 6 “ 溶洞与隧道间洞壁重点加固” 原则 岩溶隧道 突水主要发生在溶洞与隧道间的洞 壁软弱位置 ， 因为地层的开挖扰动这部分围岩 ， 从 而引起塑性变形破坏 ， 导致突水事件 的发生 ， 因此 第4期 李围 公路隧道岩溶超前探测技术及突水防治原则研究 应重点加强溶洞与隧道问洞壁围岩 ， 加 固方法可以 采用超前管棚支护、 小导管注浆加 固等措施 。 7 “ 旱季施工” 原则 通过对岩溶突水特征 的分 析， 对 连通型溶洞 即岩溶水主要有地 表降雨来补给 ， 应避开雨季 施工 ， 而对未连通型溶洞 ， 则不受季节影响。 8 “ 二衬紧跟” 原则 由与岩溶突水主要发生在开挖和初期支护这 两个环节 ， 二次衬砌施作完成后 ， 由于二次衬砌的 强度 、 刚度和防水性能都 比较高， 故突水事件不会 发生 ， 因此采取 ” 防水性能混凝 土二 次衬砌 ” 模筑 混凝土模式并实施“ 二衬紧跟” 技术措施后 ， 对于 防止突水事件 的发生有其重要性。 9 “ 控制爆破” 原则 在隧道近距离穿越岩溶地段时 ， 应采用预裂爆 破或者光面爆破等控制爆破技术 ， 从而减少爆破震 动对 围岩的扰动 ， 确保溶洞与隧道间的洞壁围岩地 层的稳定性。 1 0 “ 信息化施工” 原则 在隧道施工过程 中， 应加强对隧道 围岩变形、 水压力和支护结构应力 、 应变监测 ， 进行信息化施 工 ， 确保施工安全。 4 结束语 岩溶地 区隧道的修建难度相 当大， 岩溶的存在 很难在设计之前准确预报 ， 因此岩溶山区公路隧道 突水的防治是一个难题 ， 也是一项系统工程。只有 在施工 中做好超前地质预报 ， 并在在上述所有原则 指导下， 经各单位专业技术人员的通力配合， 方能 确保施工安全 、 保证工期 和施工质量， 并取得 良好 的技术经济效应 ， 同时隧道的建成必然带来巨大的 社会效益。 参考文献 [ 1 ]田四明， 张 民庆．齐岳山隧道进 13背斜地段岩溶发育特征分析 与治理[ J ]． 现代隧道技术， 2 0 0 6 4 2 7 3 3 ． [ 2 ] 屈科， 许模．圆梁山隧道毛坝向斜段典型岩溶现象及发育分布 特征[ J ] ． 地质灾害与环境保护， 2 0 0 1 I 4 3 4 7 ． [ 3 ] 王建秀．大型地下工程岩溶涌 突 水模式的分析及其工程应 用[ J ] ． 水文地质与工程地质， 2 0 0 1 4 4 9 5 2 ． [ 4 ]王国斌 ， 晏 鄂川， 杨文 东． 乌池 坝隧道 岩溶发育 特征与突水 机 理研究[ J ] ． 武汉理工大学学报， 2 0 0 8 8 1 5 21 5 6 ． [ 5 ]刘招伟 ， 何满潮 ， 王树仁． 圆梁 山隧道岩溶 突水机 理及防 治对 策研究[ J ] ． ， 岩土力学 ， 2 0 0 6 2 2 2 8 2 3 2 ． S t u d y o n Pr e v e n t i o n Pr i n c i p l e s o f W a t e r I n flo w a n d De t e c t i n g Te c h n o l o g i e s a b o u t Ka r s t i n Co n s t r u c t i n g Hi g h wa y Tu nn e l U W e i ’ C i v i l E n g i n e e r i n g a n d B u i l d i n g C o n s t r u c t i o n C o l l e g e ，G u i z h o u U n i v e r s i t y ， G u i y ang 5 5 0 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Fi r s tly， a l l k i n d s o f g e o l o g y p r e d i c t i o n s we r e s t u d i e d． Th e n，t he d e t e c t i n g t e c h n o l o g i e s a b o ut Ka r s t we r e p u t f o r wa r d du rin g b u i l d i n g hi g h wa y t u n ne 1 ．Th i s d e t e c t i ng me t h o d i n c l u d e s Ge o l o gy Ra d ar ，I n f r are d De t e c rin g W a t e r ，Ho riz o n t a l Dril l i n g Ho l e，Ho riz o n t al Sh o t Ho l e a n d De s c rib i ng Ge o l o gy a t Ex c a v a t i n g Fa c e ．F i n a l l y， p r e v e n t i o n p rin c i p l e s a bo u t wa t e r i n flo w we r e b r o u g h t f o rw a r d for Ka r s t t u n n e l ， wh i c h wi l l b e a p p l i e d i n s i mi l ar Ka r s t t u n n e l s ． Ke y wor d sh i g h wa y t u n n e l ； k a r s t ； g e o l o gy p r e d i c t i o n； wa t e r I n flo w ； p r e v e n t i o n prin c i p l e s