壁板坡特长隧道岩溶发育特征与超前探测.pdf

蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯蕯 片未完全压紧的管顶和管底应力较小。 而接头 2 附近 应力则出现重分布而较为均匀。 3由于管节接头偏转,沿管道轴线方向应力在 接头 1 附近左右起拱线周围出现明显应力集中,随着 距离增加,接头 2 应力集中不明显。 参考文献 [1]摇 程勇,刘继国. 拱北隧道设计方案[J]. 公路隧道,2012334 38. 摇 [2]摇 高海东. 港珠澳大桥珠海连接线拱北隧道长距离大直径曲线管幕 顶管工艺试验研究[J]. 铁道标准设计,2014,588114120. [3]摇 李刚. 泥水平衡顶管机在拱北隧道曲线管幕工程中的应用[J]. 铁 道标准设计,2015,59498101. [4]摇 刘应亮. 港珠澳大桥拱北隧道曲线管幕管节现场制作技术[J]. 铁道标准设计,2014,5810102104. [5]摇 丁传松. 直线及曲线顶管施工中的顶推力研究[D]. 南京南京工 业大学,2004. [6]摇 朱合华,等. 曲线顶管的三维力学模型理论分析与应用[J]. 岩土 工程学报,2003,254492495. [7]摇 陈建中. 玻璃钢夹砂顶管及其应用中的关键力学问题研究[D]. 武汉武汉理工大学,2005. [8]摇 卢红前. 大直径钢顶管弹塑性设计方法的建立与探讨[J]. 武汉大 学学报工学版,2004,37S1169173. [9]摇 魏纲,等. 顶管施工中管道受力性能的现场试验研究[J]. 岩土力 学, 2005,26812731277. [10] 潘同燕. 大口径急曲线顶管施工力学分析与监测技术研究[D]. 上海同济大学,2000. [11] 黄吉龙,陈锦剑,王建华,等. 大口径顶管顶进过程的数值模拟分 析[J]. 地下空间与工程学报,2008,43489493. [12] 马保松,D. stein,蒋国盛,等. 顶管和微型隧道技术[M]. 北京人 民交通出版社,2004. 收稿日期20150728 基金项目中铁五局集团科技研究开发计划课题2012005 作者简介钟勇奇1975,男,高级工程师,1997 年毕业于上海铁道 大学铁道工程专业。 第 60 卷摇 第 5 期 2016 年 5 月 铁 道 标 准 设 计 RAILWAY摇 STANDARD摇 DESIGN Vol. 60摇 No. 5 May 2016 文章编号10042954201605009805 壁板坡特长隧道岩溶发育特征与超前探测 钟勇奇1, 王摇 薇2, 肖粤秀2, 杨新安2 1郾 中铁五局集团第四工程有限公司,广东韶关摇 512031;2郾 同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海摇 201804 摘摇 要岩溶是壁板坡隧道的主要不良地质类型,研究如何进行准确预报及分析岩溶发育特征,对隧道施工安全具 有重要意义。 根据实际揭露的岩溶,从纵向和横向两个方面,全面分析壁板坡隧道岩溶的发育特征,根据形状将岩 溶分为长条型、半球型和点孔型。 介绍壁板坡隧道 TSP、地质雷达、红外探水及超前水平钻探相结合的综合预报方 法,以左线某处溶洞为例,论证该综合预报方法的准确性,证明是适用于特长隧道岩溶地质超前预报的可行方案。 关键词壁板坡隧道; 岩溶; 施工地质; 地质预报; 超前探测 中图分类号U452郾 11摇 摇 文献标识码A摇 摇 DOI10. 13238/ j. issn. 1004-2954. 2016. 05. 021 Karst Features and Advanced Detection of Extra鄄long Bibanpo Tunnel ZHONG Yong鄄qi1, WANG Wei2, XIAO Yue鄄xiu2, YANG Xin鄄an2 1. The Fourth Engineering Corporation of China Railway No. 5 Engineering Group, Shaoguan 512031; 2. The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering, Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China Abstract Karst is one of the main unfavorable geology in the Bibanpo tunnel. It蒺s important to find out the way to forecast accurately karst development and analyze its features to ensure normal tunneling. Karst features are analyzed from vertical and horizontal aspects based on revealed caves. Those caves are classified by shape into three categories strip, hemisphere and dot鄄hole. A comprehensive forecast employing TSP, geological radar, infrared detection and advanced horizontal core drill is introduced. With reference to a cave in left line, the comprehensive forecast is proved accurate and feasible to predict the geological conditions in extra鄄long tunnel. Key words Bibanpo tunnel; Karst; Construction geology; Geological forecast; Advanced detection 1摇 工程概况 壁板坡隧道是沪昆铁路最长的铁路隧道,是全 线控制性工程之一。 隧道全长 14郾 756 km,最大埋深 735 m,进口位于贵州盘县红果镇上纸厂村,出口位 于云南省富源县后所镇三丘田村。 隧址区位于云贵 高原云南与贵州接壤部位,西部地形较平缓,高原面 貌保存完好,东部地形切割较强,形成山峦起伏的中 山地貌。 隧道洞身穿过地层为石炭系下统大塘组C1d 三叠系下统永宁镇组T1yn1,岩性以灰岩、白云岩、玄 武岩和泥质白云岩为主,其中灰岩、白云岩、泥质白云 岩属于碳酸盐类岩石,是西南地区发育岩溶的主要岩 石类别。 隧道沿线穿越多条断层和节理,岩石破碎,裂 隙发育,且该地区降雨充沛,地下水活跃,为隧址区岩 溶发育提供了良好的条件[1]。 岩溶发育会削弱岩体的力学性质,破坏岩体的完 整性,降低围岩分级[2]。 隧道穿越饱气带时,岩溶水 会影响隧道顶、底板围岩的稳定性,穿越饱水带时,会 发生涌水、突水等地质灾害,腐蚀工程结构,影响施工 安全等[3]。 因此,采用综合的地质预报方法,快速准 确地预报隧道掘进前方的岩溶发育情况,具有重要的 理论意义和工程实用价值。 2摇 壁板坡隧道岩溶地质勘探与分析 在勘探阶段,对隧址区的地表岩溶发育情况进行 踏勘,分析钻孔勘探结果和隧址区岩溶发育的水文地 质条件,为判断地下岩溶的发育程度及影响范围提供 依据。 2郾 1摇 地表岩溶发育特征 隧址一带主要为碳酸盐岩地层,局部夷平面内发 育大量岩溶洼地、岩溶漏斗、落水洞图 1。 根据调 查,洞内充填大量黏土及块石,可见深度 2 8 m,洞口 植被发育较好,该区内古岩溶较发育,可能存在古岩溶 管道,因此对铁路工程选线、施工运营安全有重要 影响。 图 1摇 隧址区地表岩溶洼地 2郾 2摇 钻探分析 壁板坡隧道除进出口浅孔外,洞身共布置 11 个深 孔,其中 DZ-BBPSD-06 号孔揭示 DK985266 处岩性 为玄武岩夹凝灰岩,是玄武岩与灰岩的接触带段,岩体 完整性差,力学强度低,且在雨季时,地下水位稳定在 高程2 281 m,高出隧道高程 307郾 6 m,DZ-BBPSD-3- 07 号孔揭示 DK982330 处灰岩相对较完整,但节理 非常发育,DZ-BBPSD-04 号孔揭示 DK983415 处水 量较大,水能从孔口往外涌,具有承压性。 根据钻孔勘探,壁板坡隧道约有 3郾 7 km 范围穿越 峨眉山组地层及其与灰岩接触带,岩体物理力学性质 差,稳定性较差,地下水受地表水影响较大,地下水位 起伏较大,为岩溶发育提供较好的条件。 2郾 3摇 岩溶地质分析 壁板坡隧道处于南盘江和北盘江的分水岭地带, 地表分水岭里程约为 DK983850,地下分水岭与地表 分水岭基本一致,分水岭南西隧道出口段地下水从 北向南径流,而北东隧道进口段则从南向北径流。 分水岭北东侧为大面积厚层灰岩分布区,地势相 对较高,属地下水的补给径流区。 地下水由南向北 径流,地下水水力坡度大,径流通畅,水循环交替迅速, 以发育非均匀垂直岩溶为主,均匀性差,岩溶形态表现 为数量较多的垂直岩溶个体形态,如岩溶洼地、落水 洞。 大气降水通过地表岩溶迅速渗入地下,补给地下 水。 区内的岩溶洼地和落水洞多集中在区内的一级夷 平面上的山间槽谷内,发育高程2 150 2 500 m,东西 两侧均受隔水岩层限制,故地下水沿构造线方向总体 由南向北运移,流出测区外。 3摇 壁板坡隧道岩溶发育特征 壁板坡隧道岩溶发育的类型主要为溶洞,从纵向 及横向两个方面进行分析,总结壁板坡隧道岩溶的发 育特征。 3郾 1摇 岩溶发育类型 地表岩溶形态一般分为溶沟槽、石芽、漏斗、溶 蚀洼地、坡立谷、溶蚀平原等,地下岩溶形态一般分为 落水洞井、溶洞、暗河、天生桥等[4-5]。 这里主要讨 论壁板坡隧道的地下岩溶发育特征。 壁板坡隧道地下岩溶发育的主要类型为溶洞,溶 洞开口近似圆形或长方形,直径或宽度一般为 2 5 m,深度为 1 4 m,随深度增加,宽度变窄,部分溶洞深 度较深,无法测量。 3郾 2摇 岩溶发育特征 3郾 2郾 1摇 沿隧道纵向 根据实际揭露,左线遇到 8 处岩溶,各溶洞的位置 99第 5 期钟勇奇,王摇 薇,肖粤秀,等壁板坡特长隧道岩溶发育特征与超前探测 见图 2,集中分布在进口段 DK978 000 DK981 000 的4 km 范围内,其中 DK978000 DK979000 内 有 7 处溶洞。 该段岩性主要为中厚层状灰岩,节理裂 隙较发育,局部围岩含水或渗水,具备岩溶发育的 条件。 图 2摇 左线岩溶沿纵向分布 摇 3郾 2郾 2摇 隧道揭示岩溶 溶洞的形状主要有 3 种一是长条型,开口形状近 似圆形或矩形,宽度随深度增加而减小;二是半球型, 溶洞形状类似碗状,开口一般呈圆形,深度较长条型 小;三是点孔型,溶孔一般有涌砂或涌水,水流具有一 定的压力,在雨季,出水量有较大幅度的增长。 壁板坡隧道典型溶洞的特征[6-7]、照片及相对于 洞身的位置示意见表 1。 表 1摇 左线揭示 1 6 号岩溶特征 序号位置特征照片示意 1DK978481 溶洞位于右侧边墙,开口呈椭圆形,环 向长 2郾 8 m,纵向宽 1郾 5 m,垂直边墙 进去约 2 m 后逐渐变窄,斜向上发展, 看不到顶 2DK978512 位于隧道上台阶左侧,该溶洞形状横 断面大大致呈三角状形,剖面图大致 呈梯形状,溶洞高约 5 m、宽度 2郾 5、深 度 2郾 7 m 3DK980770 隧道右侧拱肩及拱顶有多处出水点, 出水点呈散射状,有一定压力 4摇 岩溶超前探测与预报 在施工阶段,岩溶引发的涌砂、涌水等灾害对隧道 施工安全威胁大,由于地质条件的复杂多变性及各种 探测方法的局限性,采用单一探测方法难以实现对岩 溶的准确预报,为此,需根据各种超前地质预报方法的 001铁 道 标 准 设 计第 60 卷 特点,采用综合的预报技术,以实现较精准预报,保障 隧道施工安全。 4郾 1摇 预报方法及其组合 超前地质预报技术主要分为两大类钻孔探测 直接法和地球物理探测法间接法 [8]。 钻孔探测 主要是超前水平钻探法和工作面浅孔钻探,地球物理 探测法包括 TSP 预报法、地质雷达、红外探水等。 对 壁板坡隧道超前预报中采用的几种探测方法说明 如下。 1TSP TSP 预报法属于多波多分量高分辨率地震反射 法[9]。 地震波在设计的震源点用小量炸药激发产生。 当地震波遇到岩石波阻抗差异界面如断层、破碎带 和岩性变化等时,一部分地震信号反射回来,一部分 信号透射进入前方介质。 反射的地震信号将被高灵敏 度的地震检波器接收。 数据通过 TSP win 软件处理, 便可探测出隧道工作面前方不良地质体的性质、位置 及规模。 2地质雷达 地质雷达是利用发射天线发射高频电磁波,经目 标体反射后被接收天线接受,形成雷达图像。 电磁波 在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通 过介质的电性参数及几何形态而变化。 根据接收波的 旅行时间、幅度与波形资料,可推断介质的结构和形态 特征[10]。 3红外探水 红外探水通过测量一定范围内地质体辐射的红外 场强度,根据场强的变化规律预报前方可能出现的不 良地质体的性质,尤其是含水体[11]。 4超前水平钻探 超前水平钻探是在工作面布设探孔,采用钻机进 行超前钻探,根据钻机在钻孔过程中的推力、扭矩、钻 速、成孔难易及钻孔出水情况确定前方的地层和 特性[12]。 以上几种探测方法的预报距离及优缺点见表 2。 表 2摇 探测方法对比 探测方法预报距离/ m优点缺点 TSP100 150 不需要占用隧道工作面,对施工影响小;对与隧道轴线垂 直的不连续界面节理裂隙、断层破碎带预测较准确 对形状不规则的不连续体如规模较小的溶洞预报精 度较差 地质雷达30 对断裂带特别是含水带、破碎带有较高的识别能力;探测 效率高,操作简便,分辨率高 受隧道内金属物干扰大;对工程施工干扰较大 红外探水30 仪器轻便,操作简单;不影响隧道施工;对含水体异常敏 感;预报费用低廉 易受各种环境因素湿度、温度的干扰;不能测出水 压、水量 超前水平钻探30 40 预报结果可靠、直观;钻取的岩芯可进行试验获取物理力 学性质参数 速度慢,占用工序时间长;费用较高 摇 摇 壁板坡隧道首先采用 TSP 进行长距离预报,其次 对破碎带、含水体采取地质雷达和红外探水进行辅助 探测,最后对影响较大的不良地质段进行超前水平钻 探,以此达到较精确定位、准确预报的目的。 4郾 2摇 应用及效果评价 以 DK978317 处溶洞为例,采用 TSP、红外探水 和超前水平钻探进行超前预报,各探测方法的预报结 果如下。 1采用 TSP 对 DK978237 DK978347 段进行 超前 地 质 预 报, 其 预 报 成 果 见 图 3。 根 据 图 译, DK978237 D1K978300 段围岩较破碎,岩溶弱 中等发育,局部含水;DK978300 DK978347 段围 岩较破碎 破碎,节理裂隙发育,岩溶弱发育,弱富水, 其中 DK978312 DK978323 段存在软弱带、溶蚀裂 隙或溶洞。 2采用红外探水对 DK978277 DK978332 段 进行地质预报,红外场强的变化值见图 4,曲线沿隧道 开挖方向有上升趋势,判定岩体含水。 3采用地质雷达对 DK978292 DK978322 段 进行预报,探测剖面见图 5,雷达电磁波无明显强反射 界面,局部振幅较强,频率中等,推测该段围岩较完 整 较破碎,岩溶弱发育。 4采用超前水平钻探对 DK978285 DK978 319 段进行预报,钻孔速度及推进力随深度变化曲线 见图 6,钻进特征为钻孔速度慢、平稳、无跳动现象,偶 尔出现卡钻现象,岩层为灰岩,节理裂隙较发育,裂隙 中充填少量黏土,岩质较破碎,终孔时有少量清水流 出,水量为 3 L/ h。 综上,判断 DK978317 处围岩较破碎,节理裂隙 发育,岩溶弱发育,弱富水,与实际揭露情况基本一致。 TSP 属长距离预报方法,能进行长期预报;红外探水能 较准确地预报岩体含水情况,地质雷达能够探测岩溶 的形状特征,但其探测距离有限。 与物探方法相比,超 前水平钻探占用工作面,对施工影响较大,但对地层岩 性、裂隙度、充填物及含水量的预测有较高的精确度。 由此可见,综合预报技术对准确预报岩溶的位置、形状 101第 5 期钟勇奇,王摇 薇,肖粤秀,等壁板坡特长隧道岩溶发育特征与超前探测 图 3摇 DK978237 DK978347 段 TSP 预报成果 摇 图 4摇 红外场强曲线 摇 图 5摇 地质雷达探测剖面 摇 及富水程度显得非常必要。 5摇 结语 1根据地表勘探、钻孔探测及水文地质分析,岩 图 6摇 钻孔速度及推进力随深度变化曲线 摇 溶是壁板坡隧道主要不良地质类型,对隧道选线设计、 施工乃至运营安全有重要影响。 2壁板坡隧道岩溶集中在进口段 DK978000 DK981000 内,岩溶类型主要是溶洞,其形状主要有 3 种,一是长条型,开口形状近似圆形或矩形,宽度随 深度增加而减小;二是半球型,溶洞形状类似碗状,开 口一般呈圆形,深度较长条形小;三是点孔型,溶孔一 般有涌砂或涌水,水流具有一定的压力,在雨季,出水 量有较大幅度的增长。 3壁板坡隧道采用 TSP、红外探水、地质雷达和 超前水平钻探相结合的综合预报方法,具有较高的准 确性,证明是适用于特长隧道岩溶地质超前预报的可 行方案。 参考文献 [1]摇 李苍松,高波,梅志荣. 岩溶及地下水超前预报技术[M]. 成都西 南交通大学出版社,2013. 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