巖溶區(qū)隧道工程地質(zhì)勘察要點(diǎn)分析

楊 澤,孫 遙

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000;2.陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站,陜西 西安 710068)

0 引言

巖溶也叫做喀斯特,是可溶性巖石在水的溶蝕作用下形成的特殊地質(zhì)地貌。隨著近年來(lái)我國(guó)鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力發(fā)展,途徑巖溶等復(fù)雜地質(zhì)區(qū)隧道段的長(zhǎng)度快速增長(zhǎng),使得隧道建設(shè)與地質(zhì)環(huán)境之間的矛盾越來(lái)越突出[1-3]。巖溶會(huì)引發(fā)突水突泥、圍巖坍塌、地面沉降等若干工程地質(zhì)問(wèn)題,直接決定了隧道的選線(xiàn)及設(shè)計(jì)工作,施工階段的巖溶處理會(huì)影響到隧道工程的成本、進(jìn)度及安全,運(yùn)維階段由于巖溶所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害事故更是對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大損失[4-6]。

工程地質(zhì)勘察作為建設(shè)工程領(lǐng)域的一個(gè)重要環(huán)節(jié),通過(guò)若干手段來(lái)查明建設(shè)場(chǎng)址的工程地質(zhì)條件,對(duì)可能出現(xiàn)的各種工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行分析與評(píng)價(jià),為隧道建設(shè)的其他各個(gè)環(huán)節(jié)工作提供可靠的地質(zhì)分析資料和所需的地質(zhì)參數(shù)。由于巖溶發(fā)育具有復(fù)雜性、隱蔽性及形態(tài)多樣性等特點(diǎn),導(dǎo)致其勘察難度極大,而隧道工程的安全及穩(wěn)定與地質(zhì)環(huán)境條件息息相關(guān),因此隧道工程的地質(zhì)勘察工作往往貫穿隧道建設(shè)全過(guò)程。本文首先對(duì)巖溶區(qū)隧道建設(shè)的若干重要工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行介紹,其次對(duì)巖溶區(qū)隧道勘察的常用方法進(jìn)行討論,最后根據(jù)巖溶區(qū)隧道工程特點(diǎn),將勘察工作分為可行性勘察與初步勘察、詳細(xì)勘察、施工勘察3個(gè)階段,對(duì)每個(gè)階段的勘察目的、勘察內(nèi)容及勘察手段進(jìn)行分析研究。

1 巖溶區(qū)隧道工程地質(zhì)問(wèn)題

巖溶區(qū)修建隧道易引發(fā)突水、突泥、坍塌、地面沉降等若干工程地質(zhì)問(wèn)題,對(duì)工程建設(shè)帶來(lái)不利影響。巖溶發(fā)育區(qū)往往降雨量充足,石灰?guī)r、白云巖等可溶巖中賦存大量巖溶水,隧道開(kāi)挖破壞了巖溶內(nèi)部地質(zhì)環(huán)境,形成新的排泄通道。當(dāng)隧道經(jīng)過(guò)褶皺核部、節(jié)理密集帶及斷層破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造或大型溶洞與暗河時(shí),極易發(fā)生突水現(xiàn)象,當(dāng)前方遇到軟弱層時(shí),在水的作用下會(huì)發(fā)生突泥現(xiàn)象,突水突泥是隧道施工中最常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害,會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損毀及人員傷亡。巖溶區(qū)隧道施工中尤其要注意隔水層的判別,一旦失誤挖通會(huì)導(dǎo)致承壓水迅速涌出,造成不可估量的損失。隧道開(kāi)挖的另一關(guān)鍵要素為防塌,當(dāng)隧道淺埋時(shí)若支護(hù)不當(dāng)會(huì)造成圍巖失穩(wěn)坍塌,巖溶區(qū)常發(fā)育的富含地下水的松散巖體也易發(fā)生坍塌事故。

當(dāng)隧道在巖溶發(fā)育區(qū)開(kāi)挖時(shí),為降低巖溶水對(duì)施工的影響,常采取排水措施。而當(dāng)?shù)叵滤蛔兓^(guò)大時(shí),經(jīng)常會(huì)引發(fā)地面沉降及塌陷,嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致地表水資源枯竭及房屋建筑開(kāi)裂,威脅到當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境及居民生活。以武漢地鐵的文化大道區(qū)間隧道段為例[7],該區(qū)段發(fā)育巖溶,隧道修建時(shí)并未對(duì)溶洞采取處理措施,隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)多年來(lái)未出現(xiàn)巖溶地質(zhì)問(wèn)題,但是2014年隧道附近進(jìn)行基坑降水施工,改變了溶洞的地質(zhì)環(huán)境條件,隨即引發(fā)地面塌陷,導(dǎo)致了人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。因此在巖溶區(qū)隧道施工過(guò)程中應(yīng)盡量減少對(duì)地質(zhì)環(huán)境的擾動(dòng),慎重處理各類(lèi)工程地質(zhì)問(wèn)題。

2 巖溶區(qū)隧道勘察方法

巖溶區(qū)隧道工程地質(zhì)問(wèn)題具有突發(fā)性、隱蔽性等特點(diǎn),一旦發(fā)生常常會(huì)造成嚴(yán)重的工程事故,工程地質(zhì)勘察通過(guò)多種勘察手段能獲得隧道建設(shè)所需的巖溶區(qū)詳細(xì)地質(zhì)信息,從而保障隧道施工及運(yùn)維的安全與穩(wěn)定。巖溶區(qū)隧道勘察方法一般包含工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆探法、物探法、測(cè)試與監(jiān)測(cè)等幾大類(lèi),在實(shí)際工作時(shí)一般根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及勘察要求選擇合適的幾種手段綜合勘察、相互印證。

2.1 工程地質(zhì)測(cè)繪

工程地質(zhì)測(cè)繪是地質(zhì)選線(xiàn)的重要依據(jù),是開(kāi)展其他工程地質(zhì)勘察手段的基礎(chǔ)。工程地質(zhì)測(cè)繪主要用于查明隧道建設(shè)影響范圍內(nèi)的區(qū)域地質(zhì)及水文地質(zhì)條件,主要內(nèi)容包括地形地貌、地層巖性、區(qū)域構(gòu)造、水文特征等。地形地貌可以指示巖溶發(fā)育概況,例如巖溶區(qū)的山間洼地往往發(fā)育溶洞,山地的埡口處常發(fā)育暗河。地層產(chǎn)狀對(duì)巖溶發(fā)育有控制作用,隧道選線(xiàn)應(yīng)盡量選擇隧道軸線(xiàn)與巖層走向垂直。地質(zhì)構(gòu)造可以控制巖溶水的分布,向斜是典型的儲(chǔ)水構(gòu)造,斷層可作為巖溶水的流通通道。巖溶水的分布及壓力會(huì)直接影響隧道的施工安全,應(yīng)查明隧道影響范圍內(nèi)的含水層與隔水層分布規(guī)律、補(bǔ)給與排泄、巖溶基準(zhǔn)面、水動(dòng)力、水溫、地下水侵蝕性等水文特征。

2.2 鉆探工程

鉆探一般布置于工程地質(zhì)測(cè)繪之后,用于重點(diǎn)區(qū)域的地質(zhì)資料獲取。鉆探的使用不受地形條件及地質(zhì)條件的限制,可以直接揭露巖溶區(qū)的地層巖性及構(gòu)造特征,并且可利用鉆孔進(jìn)行抽水及壓水試驗(yàn)、地球物理測(cè)井、瓦斯檢測(cè)等工作。鉆探也常作為一種直接勘探手段對(duì)物探異常進(jìn)行驗(yàn)證,保證物探解釋的準(zhǔn)確性。巖溶區(qū)隧道勘察時(shí)遇到溶洞、地下暗河及物探異常段,應(yīng)加密勘探點(diǎn),并且鉆探深度要超過(guò)溶洞、暗河及物探異常下方一定深度。目前超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的水平鉆探技術(shù)能探測(cè)出隧道掌子面前方地質(zhì)信息,并廣泛應(yīng)用于隧道施工勘察中。

2.3 工程物探

物探可以彌補(bǔ)巖溶區(qū)鉆探取芯的不足,實(shí)現(xiàn)勘探區(qū)的三維成像,能更直觀(guān)的掌握目標(biāo)地質(zhì)體的宏觀(guān)分布特征,且具有成本低、覆蓋面廣等優(yōu)勢(shì)。物探與鉆探相互配合,能準(zhǔn)確的對(duì)隧道圍巖進(jìn)行分類(lèi),并探測(cè)出溶洞、地下暗河的分布情況。巖溶區(qū)隧道勘察的常用物探方法可分為重力法、磁法、電法以及地震法等幾大類(lèi)。電法勘探中應(yīng)用較多的有瞬變電磁法、高密度電法及探地雷達(dá)法,地震勘探中應(yīng)用較多的有跨孔地震CT及高密度地震映像法,近年來(lái)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中廣泛應(yīng)用的TRT、TSP等技術(shù)也屬于地震法的一種。

2.4 測(cè)試與監(jiān)測(cè)

為獲得巖溶區(qū)隧道圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)從而進(jìn)行圍巖分類(lèi),應(yīng)對(duì)圍巖的密度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試分析。現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試可模擬建設(shè)場(chǎng)地的實(shí)際承受荷載能力,進(jìn)而獲得巖土體的力學(xué)參數(shù),原位測(cè)試方法包括標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探、動(dòng)力觸探等。為掌握巖層的滲透特性及對(duì)涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè),也可布置抽水及壓水試驗(yàn)等。隧道開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力重分布,巖溶區(qū)隧道施工的復(fù)雜性、巖溶地質(zhì)災(zāi)害的隱伏性、施工人員的操作水平等都有可能導(dǎo)致隧道出現(xiàn)坍塌、涌水、瓦斯泄漏等事故,因此必須在隧道施工中做好監(jiān)控量測(cè)工作。施工及運(yùn)維階段應(yīng)該對(duì)圍巖變形及重點(diǎn)區(qū)域的地下水位、水壓、水溫等情況進(jìn)行監(jiān)測(cè),掌握地下水的狀態(tài)變化以便能及時(shí)處理各種突發(fā)事件。當(dāng)隧道開(kāi)挖至煤層或特殊氣體層位時(shí),應(yīng)該設(shè)置專(zhuān)門(mén)的瓦斯及特殊氣體監(jiān)測(cè)裝置,保障施工的安全。

3 巖溶區(qū)隧道分階段勘察要點(diǎn)

根據(jù)巖溶區(qū)隧道施工特點(diǎn),將巖溶區(qū)隧道勘察工作分為可行性勘察及初步勘察、詳細(xì)勘察、施工勘察3個(gè)階段進(jìn)行分析,如表1所示?？尚行钥辈旒俺醪娇辈斓哪康闹饕侵笇?dǎo)隧道選線(xiàn),需要掌握隧址內(nèi)的區(qū)域地質(zhì)概況內(nèi)容,包括區(qū)域構(gòu)造、區(qū)域地層巖性、區(qū)域水文概況及巖溶發(fā)育情況。詳細(xì)勘察主要服務(wù)隧道設(shè)計(jì)工作,需要在初勘基礎(chǔ)資料上針對(duì)已選定隧址區(qū)域展開(kāi)詳細(xì)的物探及鉆探工作,力求查明影響隧道建設(shè)的所有相關(guān)地質(zhì)信息。施工勘察為滿(mǎn)足隧道施工過(guò)程中對(duì)地質(zhì)信息的需求,尤其是巖溶區(qū)這類(lèi)復(fù)雜地質(zhì)條件的隧道施工務(wù)必開(kāi)展施工勘察工作,隨著超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在隧道施工領(lǐng)域的應(yīng)用,大大降低了隧道施工的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

表1 巖溶區(qū)隧道分階段勘察要點(diǎn)

3.1 可行性勘察及初步勘察

本階段的主要勘察任務(wù)包含以下內(nèi)容:(1)收集工作區(qū)的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料,對(duì)區(qū)域地質(zhì)資料進(jìn)行踏勘驗(yàn)證,進(jìn)行工程地質(zhì)測(cè)繪,分析隧址范圍內(nèi)的地形地貌、區(qū)域地層巖性、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造等基礎(chǔ)地質(zhì)信息;(2)查明巖溶區(qū)的地表水文及地下水文分布特征;(3)溶洞、落水洞、暗河、豎井等巖溶現(xiàn)象的位置、分布規(guī)模、充填情況及演化特征,對(duì)巖溶地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估;(4)查明隧址影響范圍內(nèi)的房屋建筑、橋梁、公路、鐵路及其他各類(lèi)建筑物的分布情況;(5)分析查明隧道建設(shè)可能遇到的特殊巖土及不良地質(zhì)體,以及可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn);(6)綜合分析斷裂帶分布、巖溶發(fā)育、水文特征等地質(zhì)要素,盡量規(guī)避不良地質(zhì)體,綜合工程經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)等為隧道選線(xiàn)提供指導(dǎo)建議。

此階段主要采用的勘察方法為工程地質(zhì)測(cè)繪及遙感技術(shù),重點(diǎn)復(fù)雜地質(zhì)區(qū)布置物探,嚴(yán)重不良地質(zhì)體布置鉆探。此階段對(duì)于大型溶洞、地下暗河等不良地質(zhì)體的處理方法主要是繞避及跨越,因?yàn)閹r溶區(qū)的地質(zhì)條件復(fù)雜,致災(zāi)因子多樣性,突水突泥等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生難以預(yù)測(cè),主動(dòng)避讓是最為安全且經(jīng)濟(jì)的處理方式,實(shí)在難以避開(kāi)的制定初步治理方案。

3.2 詳細(xì)勘察

巖溶區(qū)隧道詳細(xì)勘察是在深入掌握初勘資料的基礎(chǔ)上,結(jié)合隧道工程的實(shí)際需求,對(duì)擬建隧道區(qū)域進(jìn)行加密鉆孔及孔內(nèi)試驗(yàn)的勘察工作,對(duì)于溶洞發(fā)育區(qū)可進(jìn)行大比例尺工程物探進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)。此過(guò)程主要勘察任務(wù)包含:(1)綜合分析初勘資料,掌握隧道建設(shè)所需的地質(zhì)信息,對(duì)于信息不明確區(qū)域及重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充勘探;(2)對(duì)隧址區(qū)進(jìn)行加密勘探點(diǎn),進(jìn)行鉆孔及孔內(nèi)試驗(yàn),獲得更為準(zhǔn)確的工程地質(zhì)資料;(3)根據(jù)勘察設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范要求,對(duì)隧址取樣,將試樣及鉆探巖芯進(jìn)行室內(nèi)巖石試驗(yàn)及土工試驗(yàn),為施工圖設(shè)計(jì)提供相關(guān)的巖土物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù);(4)對(duì)巖性接觸帶、斷層破碎帶、節(jié)理密集帶進(jìn)行追索,獲得不連續(xù)結(jié)構(gòu)面的展布情況;(5)查明地表水與地下水的發(fā)育規(guī)律及其對(duì)隧道施工的影響,對(duì)地下水補(bǔ)、徑、排特征詳細(xì)勘察,對(duì)水質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)分析,評(píng)估隧道突水突泥的風(fēng)險(xiǎn)性;(6)查明特殊巖土及不良地質(zhì)的詳細(xì)分布情況及工程特性,尤其是背斜及盆地儲(chǔ)水構(gòu)造、大型溶洞及落水洞的位置、規(guī)模及充填情況,制定施工處理方案。

詳細(xì)勘察應(yīng)該結(jié)合隧道工程實(shí)際,得到隧道設(shè)計(jì)及施工所需的詳細(xì)地質(zhì)資料。此階段的勘察手段主要為鉆探及物探,輔助大比例尺工程地質(zhì)測(cè)繪及巖土性質(zhì)測(cè)試。綜合分析巖溶區(qū)隧道工程地質(zhì)概況,應(yīng)對(duì)隧址地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,對(duì)不良地質(zhì)體制定處理方案,采取“預(yù)防為主、排堵結(jié)合”的原則。

3.3 施工勘察

由于隧道工程的隱蔽性,即使是詳勘階段資料仍然難以完全滿(mǎn)足隧道施工所需,尤其是巖溶區(qū)的地質(zhì)條件極為復(fù)雜,巖溶發(fā)育具有隨機(jī)性及形態(tài)多樣性,區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害受控因素多,往往具有突發(fā)性,導(dǎo)致其很難被全面評(píng)估及預(yù)測(cè)。因此勘察工作應(yīng)貫穿隧道建設(shè)全過(guò)程,施工階段更應(yīng)重視,此階段勘察內(nèi)容包含:(1)綜合利用多種地質(zhì)及地球物理方法,對(duì)隧道掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè),給出隧道開(kāi)挖建議;(2)對(duì)隧道圍巖進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)及原位測(cè)試,提出圍巖加固補(bǔ)強(qiáng)(即注漿堵水)的措施方案;(3)判斷巖溶水壓力對(duì)隧道施工的影響,提供排水泄壓方案的地質(zhì)及水文參數(shù);(4)對(duì)溶洞、暗河、斷層破碎帶等重點(diǎn)不良地質(zhì)體進(jìn)行“物探+鉆探”深入探測(cè),充分掌握其分布及發(fā)育規(guī)律,評(píng)估其風(fēng)險(xiǎn);(5)對(duì)地下水位、水質(zhì)、水壓、水溫、地下水侵蝕性等水文要素進(jìn)行長(zhǎng)期觀(guān)測(cè);(6)利用監(jiān)控量測(cè)技術(shù)控制隧道開(kāi)挖導(dǎo)致的地面沉降,監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力變形情況,對(duì)隧道內(nèi)部空氣質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

施工階段的勘察手段主要有超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)、巖土測(cè)試、地質(zhì)編錄等。其中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)作為一種復(fù)雜地質(zhì)區(qū)隧道施工階段的必要勘察手段,能夠查明隧道掌子面前方的水文地質(zhì)及工程地質(zhì)特征,指導(dǎo)施工方案調(diào)整及避免隧道施工地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)主要包含超前導(dǎo)坑法、超前水平鉆探、地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探測(cè)法、TSP技術(shù)、TRT技術(shù)、TST技術(shù)等。地質(zhì)編錄主要包含隧道洞身地質(zhì)編錄、掌子面地質(zhì)編錄等。施工階段應(yīng)對(duì)隧道圍巖變形、空氣質(zhì)量、水文參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),保障隧道施工安全,并為隧道開(kāi)挖、圍巖支護(hù)、地災(zāi)防治提供必要的巖土性質(zhì)參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)巖溶區(qū)隧道建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常遇到多種不良地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重威脅到隧道建設(shè)及運(yùn)維的安全與穩(wěn)定。本文首先介紹巖溶區(qū)隧道建設(shè)的工程地質(zhì)問(wèn)題,然后對(duì)各種勘察方法進(jìn)行討論,最后將巖溶區(qū)隧道勘察工作分為3個(gè)階段進(jìn)行分析研究,從勘察目的、勘察內(nèi)容、勘察手段等方面厘清各階段的勘察要點(diǎn),為巖溶區(qū)隧道勘察工作提供指導(dǎo)。

(2)鑒于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性,無(wú)論是哪一勘察階段,工作時(shí)均應(yīng)合理選擇勘察方法,并充分利用物探手段,采用多種勘察方法綜合勘察,避免單一勘察手段地質(zhì)解釋的多解性與局限性,最大程度發(fā)揮多種勘察方法的優(yōu)點(diǎn),提高勘察報(bào)告的質(zhì)量水平。除了勘察方法的選用,勘察人員的工作水平也影響著工程地質(zhì)勘察報(bào)告的質(zhì)量,應(yīng)組織地質(zhì)、物探、水文、隧道等相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員之間的技術(shù)交流,加強(qiáng)勘察人員的技術(shù)水平及綜合分析能力,才能獲得最貼合隧道實(shí)際建設(shè)所需的勘察資料,滿(mǎn)足巖溶等復(fù)雜地質(zhì)地區(qū)隧道工程勘察的需求。由于巖溶分布的復(fù)雜性、隨機(jī)性及隱蔽性,現(xiàn)有探測(cè)技術(shù)依然難以完全查明巖溶的空間展布形態(tài)及演化發(fā)展規(guī)律,應(yīng)努力提高勘察儀器的精度及促進(jìn)勘察技術(shù)的革新,不斷升級(jí)隧道勘察方法,利用大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代科技手段,加強(qiáng)勘察資料的綜合分析,為隧道工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。