【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|岩土工程勘察

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2015-04-30

关键词：溶洞探查地质预报陆地声呐法

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120～150 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。
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(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1～2m、有时甚至达4～5m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100～140m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+840～ZK35+787掌子面尚可以观察到断层(ZK35+821～ZK35+816和ZK35+809～ZK35+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+796～YK34+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20~25ms(50～60m，ZK232+190～ZK232+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。60～70ms(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
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复合激发极化法(及二电流激发极化半衰时差值法)
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三峡翻坝公路鸡公岭隧道地下水预报