【经典案例】隧道及地下工程施工中岩溶裂隙水及断层、溶洞等隐患的探查、预报.docx

【经典案例】隧道及地下工程施工中岩溶裂隙水及断层、溶洞等隐患的探查、预报 微信订阅号：勘查天地（kanchatd）摘要隧道和隧洞是高风险的工程，存在大量地质和施工未知数，特别是地质条件的未知数。目前的安全形势严峻，对隧道施工地质预报提出越来越高的要求。作者以陆地声纳法、瞬变电磁法和探地雷达组合的成套方法技术，在断层的空间定位及地下水、溶洞、暗河等探查理论研究和实测预报中均取得较好效果。隧道施工地质预报的成功应包括对地质规律的正确认识、综合物探及使用的物探技术符合要求和合理使用，以及物探与地质的结合3 个方面的突破。在主要物探方法方面，选择和提出了3 种方法的集成，目标是不漏掉一个重大的地质隐患(断层、溶洞、暗河、涌水、涌泥)。这3种方法为(1) 陆地声纳法(属弹性波反射法)，任务是120150 m 以远的断层、破碎带、溶洞、暗河的探查、预报并对它们的空间位置进行较准确的定位，判断较大出水点；(2) 瞬变电磁法(属电磁法)，任务是80 m 左右远含水体的探查预报；(3) 复合式激发极化法，任务是探查50 m 左右远的含水体，区分自由水和束缚水，进行涌水量分级。案例分享陆地声纳法(1)潭峪沟隧道断层破碎带的掌子面前方预报潭峪沟隧道是北京八达岭高速公路的一座双车道隧道，主要穿过岩层为花岗岩。在平导和正洞接近地质勘察资料注明的断层前，用陆地声纳法作了探查。每次探查均设置了水平测线(正洞长11m左右，平导长5m左右)和垂直测线(长3m左右)各1条，每次用时约45min。图6是其中一份陆地声纳探查资料及预报图，从图中可清晰见到断层的2个断层面的反射同相轴f1，f2，以及断层两侧的多条连续性不很好的反射同相轴，它们反映了多条小潭峪沟隧道是北京八达岭高速公路的一座双车道隧道，主要穿过岩层为花岗岩。在平导和正洞接近地质勘察资料注明的断层前，用陆地声纳法作了探查。每次探查均设置了水平测线(正洞长11m左右，平导长5m左右)和垂直测线(长3m左右)各1条，每次用时约45min。图6是其中一份陆地声纳探查资料及预报图，从图中可清晰见到断层的2个断层面的反射同相轴f1，f2，以及断层两侧的多条连续性不很好的反射同相轴，它们反映了多条小断裂这是岩体中断层影响破碎带的反映(节理和小断层较密集)。从图6中还可看到，紧靠掌子面还有连续的反射波同相轴图像，它是断层面还是因开挖爆破在掌子面岩体中产生的松弛带、卸荷节理或爆破破坏带，难以分清。这说明，不能在接近某些断裂或岩体已发生变化时再去探查，而应在其前方十几甚至几十米以外去探查，以达到预报的目的，并可以较有把握地测到包括破碎带在内的断层带。(2)宜万铁路八字岭隧道岩溶溶槽的地质预报一些隧道中的岩溶是以溶槽、溶缝和岩溶裂隙水的形式出现的。溶缝是较大的裂缝，溶槽为宽度达12m、有时甚至达45m的溶蚀裂缝，其与溶洞的形态不同，预报难度更大。这类预报的难点在于区分小的裂缝和宽度较大或大的溶缝，这需要从同相轴中根据反射波的相位、反射强度等，并分析较宽溶缝2个反射面反射情况的不同、从地质角度深入考察和分析溶缝的规律来进行定性解释，八字岭隧道出口段即是这种情况。图7为八字岭隧道出口横洞0+080掌子面预报和实测结果。从图中可以看到，预报的120m左右范围内的12条溶缝和3处破碎岩体均与开挖情况相符，最大里程差约为2m。(3)德胜口隧道掌子面前方断层的地质预报(I)德胜口隧道位于北京，地质预报要求能较准确地预报断层的位置，并预报溶洞的存在及其在隧道掌子面前方的位置。施工中每100140m进行一次预报。图8为其中一次预报(ZK34+448)的时间剖面图，图中用红色标示了断层的反射同相轴(编号为(1)(16)，下同)。图9是预报给出的断层(蓝色)位置，水平剖面上给出了各断层在通过测线的水平面的交线，反映了断层的走向；垂直剖面上给出了断层的倾向和倾角，断层的三维空间参数均可据此得到。图9中同时用红色标出了开挖后实测的断层实际情况，图10给出了开挖出露的溶隙及交叉断层，可以见到，预报结果与开挖结果一致。(4)德胜口隧道掌子面前方断层的地质预报(II)图11所示为在ZK35+933掌子面向进口(小里程)方向探查预报资料，图11(b)中的水平剖面图表达的是断层与此水平面的交线，反映了断层的走向出露位置及里程；垂直剖面图反映了断层的倾角和倾向(供工程施工人员使用，采用的是真倾角而不是视倾角)。隧道开挖后的喷射混凝土支护往往覆盖了围岩，但预报段在ZK35+840ZK35+787掌子面尚可以观察到断层(ZK35+821ZK35+816和ZK35+809ZK35+798段因断层较密，架设了钢拱架并加厚了混凝土喷层，从而覆盖了断层)。对比图11(b)和(c)可以发现实测与预报结果完全符合。(5)德胜口隧道北口左洞YK34+796YK34+803断层的探查预报德胜口隧道右洞于2009年1月12日发生了落石，落石的位置就是陆地声纳法预报中(见图12)重点提到的交叉小断层处(2008年11月30日预报为160m左右外的YK34+797处前后2条交叉的小断层)。施工队未按预报建议在此处特别加强初期支护，而是安排几个工人架设钢拱架。由于笔者正要进行掌子面前方地质预报，及时提醒施工队再次喷射混凝土，要求拱架架设工作暂停，并考虑到预报人员的安全，将全断面施工钢台架推顶至掌子面。台架刚就位，即发生落石，2处坍落面积均达到2m2左右。落石被钢架上的钢丝网阻挡，落在拱架外沿后落地。落地后的碎块溅起的碎石使2个人受伤。由于停止了钢拱架架设，并撤出了施工人员，幸未造成大事故。(6)沪蓉西高速公路齐岳山隧道左洞暗河和溶洞的探查预报如前已述，陆地声纳法所使用的频率以及近零震检距的工作方法适于探查溶洞、暗河。关于其应用目前已有很多好的探查预报实例，本文仅介绍沪蓉西高速公路齐岳山隧道暗河、溶管的探查预报，与岩溶裂隙水预报有关的实例将在后文中介绍。图13为在齐岳山隧道ZK232+140掌子面测得的陆地声纳法时间剖面，可以看到在前方2025ms(5060m，ZK232+190ZK232+200)的暗河前壁的反射波同相轴，暗河顶在仰拱上方、正在开挖的第2部的隧道下方。6070ms(120m，ZK232+260前后)外隐约可见暗河后壁的反射同相轴，并有2个清晰的溶洞反映。隧道开挖超过ZK232+210(约路面标高)未见暗河，曾引起了争议，但随着ZK232+250的开挖爆破揭露出的暗河顶，证实了预报的准确。原预报的2个溶洞是2个与暗河相连的直径约为1.5m的溶管，位置与预报吻合。瞬变电磁法了解更多（添加QQ群：399499022，进行原文下载。）复合激发极化法(及二电流激发极化半衰时差值法)了解更多（添加QQ群：399499022，进行原文下载。）三峡翻坝公路鸡公岭隧道地下水预报断层超前探测试验溶洞超前探测试验K13+643 处墙角涌水K13+672 右边墙的两股水流ZK19+512 位置导水裂隙出水陆地声纳与瞬变电磁法组合探查充泥溶蚀裂隙典型案例在隧洞中观察到的小溶洞或溶隙导引地下