巖溶區隧道工程地質勘察要點分析

楊 澤,孫 遙

(1.陜西鐵路工程職業技術學院,陜西 渭南 714000;2.陜西省地質環境監測總站,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地貌。隨著近年來我國鐵路、公路等基礎設施建設的大力發展,途徑巖溶等復雜地質區隧道段的長度快速增長,使得隧道建設與地質環境之間的矛盾越來越突出[1-3]。巖溶會引發突水突泥、圍巖坍塌、地面沉降等若干工程地質問題,直接決定了隧道的選線及設計工作,施工階段的巖溶處理會影響到隧道工程的成本、進度及安全,運維階段由于巖溶所引發的地質災害事故更是對人民的生命財產帶來極大損失[4-6]。

工程地質勘察作為建設工程領域的一個重要環節,通過若干手段來查明建設場址的工程地質條件,對可能出現的各種工程地質問題進行分析與評價,為隧道建設的其他各個環節工作提供可靠的地質分析資料和所需的地質參數。由于巖溶發育具有復雜性、隱蔽性及形態多樣性等特點,導致其勘察難度極大,而隧道工程的安全及穩定與地質環境條件息息相關,因此隧道工程的地質勘察工作往往貫穿隧道建設全過程。本文首先對巖溶區隧道建設的若干重要工程地質問題進行介紹,其次對巖溶區隧道勘察的常用方法進行討論,最后根據巖溶區隧道工程特點,將勘察工作分為可行性勘察與初步勘察、詳細勘察、施工勘察3個階段,對每個階段的勘察目的、勘察內容及勘察手段進行分析研究。

1 巖溶區隧道工程地質問題

巖溶區修建隧道易引發突水、突泥、坍塌、地面沉降等若干工程地質問題,對工程建設帶來不利影響。巖溶發育區往往降雨量充足,石灰巖、白云巖等可溶巖中賦存大量巖溶水,隧道開挖破壞了巖溶內部地質環境,形成新的排泄通道。當隧道經過褶皺核部、節理密集帶及斷層破碎帶等地質構造或大型溶洞與暗河時,極易發生突水現象,當前方遇到軟弱層時,在水的作用下會發生突泥現象,突水突泥是隧道施工中最常見的地質災害,會導致設備損毀及人員傷亡。巖溶區隧道施工中尤其要注意隔水層的判別,一旦失誤挖通會導致承壓水迅速涌出,造成不可估量的損失。隧道開挖的另一關鍵要素為防塌,當隧道淺埋時若支護不當會造成圍巖失穩坍塌,巖溶區常發育的富含地下水的松散巖體也易發生坍塌事故。

當隧道在巖溶發育區開挖時,為降低巖溶水對施工的影響,常采取排水措施。而當地下水位變化過大時,經常會引發地面沉降及塌陷,嚴重者會導致地表水資源枯竭及房屋建筑開裂,威脅到當地的生態環境及居民生活。以武漢地鐵的文化大道區間隧道段為例[7],該區段發育巖溶,隧道修建時并未對溶洞采取處理措施,隧道建設及運營多年來未出現巖溶地質問題,但是2014年隧道附近進行基坑降水施工,改變了溶洞的地質環境條件,隨即引發地面塌陷,導致了人民生命財產的損失。因此在巖溶區隧道施工過程中應盡量減少對地質環境的擾動,慎重處理各類工程地質問題。

2 巖溶區隧道勘察方法

巖溶區隧道工程地質問題具有突發性、隱蔽性等特點,一旦發生常常會造成嚴重的工程事故,工程地質勘察通過多種勘察手段能獲得隧道建設所需的巖溶區詳細地質信息,從而保障隧道施工及運維的安全與穩定。巖溶區隧道勘察方法一般包含工程地質測繪、鉆探法、物探法、測試與監測等幾大類,在實際工作時一般根據現場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 工程地質測繪

工程地質測繪是地質選線的重要依據,是開展其他工程地質勘察手段的基礎。工程地質測繪主要用于查明隧道建設影響范圍內的區域地質及水文地質條件,主要內容包括地形地貌、地層巖性、區域構造、水文特征等。地形地貌可以指示巖溶發育概況,例如巖溶區的山間洼地往往發育溶洞,山地的埡口處常發育暗河。地層產狀對巖溶發育有控制作用,隧道選線應盡量選擇隧道軸線與巖層走向垂直。地質構造可以控制巖溶水的分布,向斜是典型的儲水構造,斷層可作為巖溶水的流通通道。巖溶水的分布及壓力會直接影響隧道的施工安全,應查明隧道影響范圍內的含水層與隔水層分布規律、補給與排泄、巖溶基準面、水動力、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測繪之后,用于重點區域的地質資料獲取。鉆探的使用不受地形條件及地質條件的限制,可以直接揭露巖溶區的地層巖性及構造特征,并且可利用鉆孔進行抽水及壓水試驗、地球物理測井、瓦斯檢測等工作。鉆探也常作為一種直接勘探手段對物探異常進行驗證,保證物探解釋的準確性。巖溶區隧道勘察時遇到溶洞、地下暗河及物探異常段,應加密勘探點,并且鉆探深度要超過溶洞、暗河及物探異常下方一定深度。目前超前地質預報的水平鉆探技術能探測出隧道掌子面前方地質信息,并廣泛應用于隧道施工勘察中。

2.3 工程物探

物探可以彌補巖溶區鉆探取芯的不足,實現勘探區的三維成像,能更直觀的掌握目標地質體的宏觀分布特征,且具有成本低、覆蓋面廣等優勢。物探與鉆探相互配合,能準確的對隧道圍巖進行分類,并探測出溶洞、地下暗河的分布情況。巖溶區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。電法勘探中應用較多的有瞬變電磁法、高密度電法及探地雷達法,地震勘探中應用較多的有跨孔地震CT及高密度地震映像法,近年來隧道超前地質預報中廣泛應用的TRT、TSP等技術也屬于地震法的一種。

2.4 測試與監測

為獲得巖溶區隧道圍巖的物理力學性質指標從而進行圍巖分類,應對圍巖的密度、抗壓強度、彈性模量等性質進行試驗測試分析?，F場原位測試可模擬建設場地的實際承受荷載能力,進而獲得巖土體的力學參數,原位測試方法包括標準貫入、靜力觸探、動力觸探等。為掌握巖層的滲透特性及對涌水量進行預測,也可布置抽水及壓水試驗等。隧道開挖會導致圍巖應力重分布,巖溶區隧道施工的復雜性、巖溶地質災害的隱伏性、施工人員的操作水平等都有可能導致隧道出現坍塌、涌水、瓦斯泄漏等事故,因此必須在隧道施工中做好監控量測工作。施工及運維階段應該對圍巖變形及重點區域的地下水位、水壓、水溫等情況進行監測,掌握地下水的狀態變化以便能及時處理各種突發事件。當隧道開挖至煤層或特殊氣體層位時,應該設置專門的瓦斯及特殊氣體監測裝置,保障施工的安全。

3 巖溶區隧道分階段勘察要點

根據巖溶區隧道施工特點,將巖溶區隧道勘察工作分為可行性勘察及初步勘察、詳細勘察、施工勘察3個階段進行分析,如表1所示?？尚行钥辈旒俺醪娇辈斓哪康闹饕侵笇淼肋x線,需要掌握隧址內的區域地質概況內容,包括區域構造、區域地層巖性、區域水文概況及巖溶發育情況。詳細勘察主要服務隧道設計工作,需要在初勘基礎資料上針對已選定隧址區域展開詳細的物探及鉆探工作,力求查明影響隧道建設的所有相關地質信息。施工勘察為滿足隧道施工過程中對地質信息的需求,尤其是巖溶區這類復雜地質條件的隧道施工務必開展施工勘察工作,隨著超前地質預報技術在隧道施工領域的應用,大大降低了隧道施工的地質災害風險。

表1 巖溶區隧道分階段勘察要點

3.1 可行性勘察及初步勘察

本階段的主要勘察任務包含以下內容:(1)收集工作區的區域地質調查資料,對區域地質資料進行踏勘驗證,進行工程地質測繪,分析隧址范圍內的地形地貌、區域地層巖性、區域地質構造等基礎地質信息;(2)查明巖溶區的地表水文及地下水文分布特征;(3)溶洞、落水洞、暗河、豎井等巖溶現象的位置、分布規模、充填情況及演化特征,對巖溶地質災害進行風險評估;(4)查明隧址影響范圍內的房屋建筑、橋梁、公路、鐵路及其他各類建筑物的分布情況;(5)分析查明隧道建設可能遇到的特殊巖土及不良地質體,以及可能出現的地質災害風險點;(6)綜合分析斷裂帶分布、巖溶發育、水文特征等地質要素,盡量規避不良地質體,綜合工程經濟、環境保護等為隧道選線提供指導建議。

此階段主要采用的勘察方法為工程地質測繪及遙感技術,重點復雜地質區布置物探,嚴重不良地質體布置鉆探。此階段對于大型溶洞、地下暗河等不良地質體的處理方法主要是繞避及跨越,因為巖溶區的地質條件復雜,致災因子多樣性,突水突泥等地質災害的發生難以預測,主動避讓是最為安全且經濟的處理方式,實在難以避開的制定初步治理方案。

3.2 詳細勘察

巖溶區隧道詳細勘察是在深入掌握初勘資料的基礎上,結合隧道工程的實際需求,對擬建隧道區域進行加密鉆孔及孔內試驗的勘察工作,對于溶洞發育區可進行大比例尺工程物探進行詳細探測。此過程主要勘察任務包含:(1)綜合分析初勘資料,掌握隧道建設所需的地質信息,對于信息不明確區域及重點區域進行補充勘探;(2)對隧址區進行加密勘探點,進行鉆孔及孔內試驗,獲得更為準確的工程地質資料;(3)根據勘察設計相關規范要求,對隧址取樣,將試樣及鉆探巖芯進行室內巖石試驗及土工試驗,為施工圖設計提供相關的巖土物理力學性質參數;(4)對巖性接觸帶、斷層破碎帶、節理密集帶進行追索,獲得不連續結構面的展布情況;(5)查明地表水與地下水的發育規律及其對隧道施工的影響,對地下水補、徑、排特征詳細勘察,對水質進行試驗分析,評估隧道突水突泥的風險性;(6)查明特殊巖土及不良地質的詳細分布情況及工程特性,尤其是背斜及盆地儲水構造、大型溶洞及落水洞的位置、規模及充填情況,制定施工處理方案。

詳細勘察應該結合隧道工程實際,得到隧道設計及施工所需的詳細地質資料。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測繪及巖土性質測試。綜合分析巖溶區隧道工程地質概況,應對隧址地質災害風險進行評估,對不良地質體制定處理方案,采取“預防為主、排堵結合”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足隧道施工所需,尤其是巖溶區的地質條件極為復雜,巖溶發育具有隨機性及形態多樣性,區內地質災害受控因素多,往往具有突發性,導致其很難被全面評估及預測。因此勘察工作應貫穿隧道建設全過程,施工階段更應重視,此階段勘察內容包含:(1)綜合利用多種地質及地球物理方法,對隧道掌子面前方地質情況進行探測,給出隧道開挖建議;(2)對隧道圍巖進行室內試驗及原位測試,提出圍巖加固補強(即注漿堵水)的措施方案;(3)判斷巖溶水壓力對隧道施工的影響,提供排水泄壓方案的地質及水文參數;(4)對溶洞、暗河、斷層破碎帶等重點不良地質體進行“物探+鉆探”深入探測,充分掌握其分布及發育規律,評估其風險;(5)對地下水位、水質、水壓、水溫、地下水侵蝕性等水文要素進行長期觀測;(6)利用監控量測技術控制隧道開挖導致的地面沉降,監測支護結構的受力變形情況,對隧道內部空氣質量進行實時監測。

施工階段的勘察手段主要有超前地質預報、監控量測、巖土測試、地質編錄等。其中超前地質預報技術作為一種復雜地質區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及工程地質特征,指導施工方案調整及避免隧道施工地質災害的發生。超前地質預報技術主要包含超前導坑法、超前水平鉆探、地質雷達法、紅外探測法、TSP技術、TRT技術、TST技術等。地質編錄主要包含隧道洞身地質編錄、掌子面地質編錄等。施工階段應對隧道圍巖變形、空氣質量、水文參數等進行實時監測,保障隧道施工安全,并為隧道開挖、圍巖支護、地災防治提供必要的巖土性質參數。

4 結語

(1)巖溶區隧道建設過程中經常遇到多種不良地質災害,嚴重威脅到隧道建設及運維的安全與穩定。本文首先介紹巖溶區隧道建設的工程地質問題,然后對各種勘察方法進行討論,最后將巖溶區隧道勘察工作分為3個階段進行分析研究,從勘察目的、勘察內容、勘察手段等方面厘清各階段的勘察要點,為巖溶區隧道勘察工作提供指導。

(2)鑒于巖溶發育的復雜性,無論是哪一勘察階段,工作時均應合理選擇勘察方法,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解釋的多解性與局限性,最大程度發揮多種勘察方法的優點,提高勘察報告的質量水平。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勘察報告的質量,應組織地質、物探、水文、隧道等相關專業人員之間的技術交流,加強勘察人員的技術水平及綜合分析能力,才能獲得最貼合隧道實際建設所需的勘察資料,滿足巖溶等復雜地質地區隧道工程勘察的需求。由于巖溶分布的復雜性、隨機性及隱蔽性,現有探測技術依然難以完全查明巖溶的空間展布形態及演化發展規律,應努力提高勘察儀器的精度及促進勘察技術的革新,不斷升級隧道勘察方法,利用大數據、人工智能等現代科技手段,加強勘察資料的綜合分析,為隧道工程建設提供科學依據。