岩溶隧道的基本特征及施工处置要领概述定稿Word文档格式.docx
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地表水沿灰岩裂缝向下渗流和溶蚀,逐渐扩大,形成落水洞。
1.4.4溶洞
从落水洞下落的地下水到含水层后发生横向流动,溶蚀灰岩,形成溶洞。
1.4.5漏斗
因地下溶蚀洞穴的形成地表发生塌陷,塌陷的深度大面积小,称坍陷漏斗(天坑)。
1.4.6洼地
因地下溶蚀洞穴的形成地表发生塌陷,深度小面积大则称陷塘(洼地)。
1.4.7坡立谷、天生桥
地下水的溶蚀与塌陷作用长期相结合,形成坡立谷和天生桥。
1.4.8干谷、石林
地面上升,原溶洞和地下河等被抬出地表成干谷和石林,地下水的溶蚀作用在旧日的溶洞和地下河之下继续进行。
1.4.9暗河
主要是在喀斯特(岩溶)发育中期形成的。
它往往有出口而无入口。
高温多雨的热带及亚热带气候最有利于暗河的形成。
在地层褶皱的轴部、裂隙和断裂部位、可溶岩同非可溶岩的接触处和排水基准面附近常发育暗河。
暗河有自己的补给、径流和排泄系统。
大的暗河也形成地下河系,主要沿构造破裂面发育。
1.5岩溶隧道
隧道围岩为岩溶区,由于岩溶形成的条件,凡是有裂隙、风化的溶岩已经溶解、崩塌形成溶洞,未溶解的必定为完整的基岩,比较稳定。
因此隧道围岩为I、II级和以岩溶充填物为主的V、VI级,依据岩溶发育程度和岩溶管道的分布及通联性,伴有涌泥、突水等地质灾害现象。
2岩溶形态及其发育条件
2.1岩溶形态
由于溶蚀作用和由此引起的机械冲刷坍陷等共同作用的结果,在地表与地下形成的奇特地形形态有十几种,如:
溶沟和石芽、溶蚀裂隙、漏斗、溶蚀洼地、落水洞、坡立谷、峰林、干谷、溶洞、暗河等。
溶沟
石牙
漏斗
洼地
落水洞
峰林
溶洞
天生桥
2.2岩溶发育阶段
可以岩溶发育过程分为4个阶段——幼年期、青年期、中年期、老年期。
(1)发育初期,大多是石芽、溶沟,逐渐发育成溶斗和落水洞,为岩溶发育的幼年期。
(2)岩溶地貌进一步发育,地下洞穴大量发育,并且互相贯通成为一个统一的地下水系统,地下水面以上,溶洞干涸,地下水面以下的洞穴充水,形成地下河,为岩溶发育的青年期。
(3)进一步发育,地面逐渐被蚀低,离地面较浅的溶洞的顶板开始崩塌,地下河的某些段塌顶成为地面河。
岩溶地貌进入中年期。
(4)最后,地下河和溶洞大量崩塌,成为地面岩溶盆地和平原地貌。
此时石灰岩已大量蚀去,石灰岩的残积堆积物发育。
除了溶蚀平原上残留少量的残丘及孤峰,地面起伏很小,形成一个准平原。
为岩溶地貌的老年期
2.3岩溶发育条件
岩溶的发育条件:
具有可溶性岩层;
具有足够流量且具溶解能力的水(酸性水);
地表水有下渗,地下水有流动的途径。
三者缺一不可!
!
也就是说,岩溶发育必须是:
(1)具有可溶性岩石(如碳酸盐岩、碳酸盐类岩石——石灰岩、白云岩、泥灰岩等;
硫酸盐岩——石膏、硬石膏、芒硝;
卤盐类岩石——钾、钠、镁盐岩石等);
(2)岩石是透水的(风化、节理裂隙发育、褶皱、断裂);
(3)水必须具有侵蚀性(一般为酸性水,如溶解CO2的水或富含SO42-);
(4)水在岩石中应处于不断的运动状态中。
2.4岩溶发育的影响因素
气候、地形地貌、地质构造、地壳运动等对岩溶发育均有较大影响和制约。
2.4.1气候的影响
气候是岩溶发育的一个重要因素,它直接影响着参与岩溶作用的水的溶蚀能力,控制岩溶发育的类型、规模和速度。
降水量和气温越高,越有利于溶蚀作用,岩溶也愈发育。
2.4.2地形地貌的影响
(1)分水岭地区:
分水岭地区地下水由降水补给,并作为其它地区地下水的补给,因此,越靠近分水岭,岩溶作用就越弱。
(2)丘陵地区:
地表水大部潜入地下,形成了无水干谷,谷底排列一系列的漏斗、落水洞,与暗河相连,岩溶作用较强;
山顶也分布有溶洞、竖井等,但无岩溶水活动,因此岩溶作用基本趋于停止。
(3)河谷斜坡:
为地表水及地下水向河谷汇集的途径,是径流最活跃及岩溶最发育的地带。
2.4.3地质构造的影响
(1)岩层产状的影响
缓倾岩层:
可溶岩位于非可溶岩(不透水岩层)上层,岩溶发育。
反之亦然。
陡倾岩层:
可溶岩与非可溶岩的接触面附近溶蚀作用强烈,常有一系列漏斗、落水洞及岩溶泉出露。
(2)褶皱的影响
背斜斜核部——张节理发育,雨水和地表水由此下渗并补给给其它地区,形成垂直岩溶地形;
向斜核部——是岩溶水汇聚区,岩溶水聚集后沿轴向流动排泄,形成水平岩溶地形。
翼部——水循环强烈的流通部位,岩溶一般较发育。
(3)断层
张性断裂带(正断层):
破碎带宽度较小,但张开程度较大,结构松散,缺乏胶结,有利于地下水渗透溶蚀,是岩溶强烈发育地带。
压性断裂带(逆断层):
断裂面上压力较大,压碎岩、糜棱岩和断层泥多呈致密状态,胶结紧密,岩溶发育较差;
但其上升盘影响规模大,牵引现象造成岩层剧烈上拱,产生大量张节理,有利于岩溶发育。
扭性断裂带(平移断层):
岩溶发育情况介于前两者之间,岩溶作用的深度一般较大。
2.4.4地壳运动的影响
地壳上升,侵蚀基准面下降,岩溶以下蚀为主,形成垂直岩溶形态;
地壳稳定,侵蚀基准面稳定,地下水以水平运动为主,形成水平岩溶形态;
若水平溶洞成层发育,每层溶洞的水平高程与当地河流降低高程相对应。
3岩溶对隧道工程的危害
通过分析岩溶形态的特性及其发育的不均衡性和不规则性,不难看出,岩溶有利用的一面(如观赏旅游价值、岩溶伴生物的医疗价值),但作为一种特殊的地质现象,更主要的是对人们的生活和工程建设构成很大的威胁,给人们的生命财产构成威胁,甚至是灾难,也给隧道及地下工程的建设和使用、维护带来一些列困难。
富水高水压地段的隧道衬砌设计参数选择很难把握;
施工阶段的突水、突泥对施工安造成很大威胁,甚至生命的代价,也严重影响施工进度;
修建地下工程后,因原岩溶水循环系统平衡破坏,造成地表水系、地貌和生态破坏,甚至造成地表结构物破坏、水资源缺乏等;
因岩溶的发育和岩溶管道水、溶蚀物等对隧道结构形成威胁,影响正常使用、运营。
特长隧道岩溶问题是国内外隧道施工中的重大难题。
我国在铁路、公路、水工隧道施工中均遇到了岩溶突水、突泥、顶板溶洞充填物陷落冒顶、底板塌陷等问题,投入了大量的人力、物力、精力来解决和处置这些地质问题,积累了一些经验,取得了一些成效,但仍然发生了一系列问题,甚至是血的教训。
表1近年来国内一些典型隧道岩溶危害表
序号
线别
隧道名称
危害情况
危害原因
1
衡广复线
南岭隧道
隧道上方稻田井泉疏干,工期延长,处治费用2500余万元
地下水涌升、涌水、涌泥
2
大瑶山隧道
DK1997+637运营时突出泥沙250m3淹没轨道,中断行车16小时,尔后多次涌水、涌沙,中断行车,经济损失超过1000万元
3
株六复线
新水花隧道
围岩稳定性骤降,边墙及拱部坍方,初期支护沉降、毁坏,构成施工安全威胁
溶洞涌水、围岩受岩溶水浸蚀严重
4
贵昆铁路
岩脚寨隧道
机具冲毁,人员伤亡严重
岩溶洞穴及岩溶管道大量突水
5
水柏铁路
嘎多隧道
地表梯田多条裂缝,最宽30cm,最长39m,给施工及当地居民财产造成极大危害
涌泥特别严重
6
渝怀铁路
圆梁山隧道
淹没隧道、破坏初期支护、底板及施工轨道隆起、冲毁设备、延误工期、人员伤亡10余人
涌水、突泥
7
龙厦铁路
象山隧道
淹没隧道、初期支护破坏、地表下陷、地面建筑物破坏、河流干涸、破坏局域生态,延误工期
涌水、突泥,破坏地表及地下水系及地层稳定系统
8
达万铁路
田家坡隧道
溶洞大部分坍塌堆积,左侧长200余米,纵向长40余米,严重影响工程进度,增加工程成本
溶洞溶蚀严重,堆积体较厚,大量岩溶水涌出
9、
广渝高速公路
华蓥山隧道
隧道中部增设泄水洞、地表农田失水、干涸、开裂、居民饮水源干涸
隧道内大涌水、破坏地下及地表水系
10
渝湘高速公路
中兴隧道
突出泥水淹没隧道,冲毁机具,污染河流
溶洞及其连通管道突出泥水100余万方
11
合芜高速公路
石刀山隧道
溶洞内充满堆积物,坍塌达40m以上,边清边塌,达到3000余方
溶洞涌泥,诱发溶蚀堆积物坍塌
12
引黄工程国际II标
6#隧洞(青羊渠~温岭段)
溶洞连续出现,削弱围岩稳定性,管片承载力降低,防渗能力减弱,影响过流能力
溶蚀物具膨胀性,堆积物软弱
13
深圳东部供水干线
西坑1#隧洞
隧洞100m以外的地面变形、开裂,水井干枯,土墙屋开裂
溶洞出现大量涌水
4隧道岩溶预报
岩溶客观存在于地层中,具有不可视性和不规则性,隧道施工中具突发性和高危性,必须注重预测预报,做到早发现、早防治,杜绝突发灾害,确保安全。
4.1地面(洞外)岩溶地质灾害探测方法
4.1.1地面地质调查法
地面地质调查的工作方法分为地质测绘法、地面地质界面和地质体投射技术。
通过地面调查定性确定岩溶的空间分布,为具体预报提供指导,也作为施工总体安排提供借鉴。
主要工作有:
(l)弄清楚隧道线路经过地区可溶岩(灰岩、盐岩),特别是强溶岩(纯灰岩、白云岩、盐岩)的地层层位、展布范围及所处的岩溶水动力分带。
(2)查明隧道线路经过地区及其邻近地区,在可溶岩特别是强溶岩中分布规模较大断层的产状及其与地表隧道轴线的相互关系;
特别注意那些两条或两条以上断层交汇的位置(它们是侵蚀性地下水的有利通道)。
(3)查明可溶岩与非可溶岩接触界面的位置及其与地表隧道轴线的相互关系。
(4)结合上述有利于岩溶发育的岩层层位和构造位置,在大小封闭的洼地内,寻找大型溶洞或暗河的入口。
(5)根据断层产状或可溶岩与非可溶岩界面的产状,用地面地质界面法和投射公式,求得可能出现的大型溶洞、暗河与隧道的相互关系。
(6)查明暗河入口和出口的位置及标高,并结合可能成为暗河通道的较大断层或较紧闭背斜褶皱核部的位置、产状,推断暗河的大致通道,确定能否与隧道相遇或与隧道的大概位置关系。
(7)依据岩溶发育的分带性和隧道相对标高和季节变化,判断那些可能与隧道相遇溶洞、暗河的含水量;
或推断那些不与隧道相遇的有水溶洞或暗河对隧道施工的影响程度。
(8)搞清隧道所在位置所属的构造体系和地表具体的构造行迹。
4.1.2地面(洞外)浅层地震法
浅层地震探测岩溶及陷落柱通常采用反射波法。
岩溶裂隙发育带的存在使地震波发生绕射、散射,吸收系数增大,并影响水平叠加效果,反射波能量减弱。
在时间剖面上可以根据反射波振幅及波形特征来识别致密灰岩区和岩溶裂隙发育带,据此判定岩溶及陷落柱情况。
但,受外界因素和人为因素影响大。
4.1.3地面(洞外)电阻率法
探测岩溶的常用电阻率方法包括:
电测深法、高密度电阻率法、偶极法、充电电位法、自然电位法、激电中梯、地质雷达法、瞬变电磁法、CSAEM、高频大地电磁法(EH一4)氰法等。
4.1.4地面重力勘探
当地下浅部存在局部密度不均匀体时,地球重力位将发生畸变,重力及其梯度也随之畸变。
利用重力垂直梯度测量技术勘测岩溶的方法。
受重力仪精度影响很大。
4.1.5遥感信息技术
在夜航热红外图象上岩溶、陷落柱体表现的色调往往与周边地物不同。
根据这一特征逐个用目视法判释出热异常区(同时,应排除温度高的人造或自然地物影响)。
然后利用明显的物点作控制,将这些异常区转绘至比例尺为1:
25000的上、下对照图上。
根据隧道遥感富水程度估算经验公式,进行定量解析。
4.1.6放射性测量(如:
Rn、Hg、CO2、SO2等)
根据氡气异常的峰值状态可确定岩溶及陷落柱的位置与范围。
常用“测氡法”。
利用氡及其子体具有沿空间垂直向上运动的特点,测定地面各点散放的氡量,判定溶腔的分部与规模。
4.1.7测井法
测井法即钻孔电磁波法(单孔法、双孔法)。
双孔法是将电磁波幅射源和接收装置分别放置在两个钻孔中,用于寻找钻孔间与围岩有明显电性差异的异常体;
而单孔法则是将辐射源和接收装置放置在同一钻孔中,用于寻找钻孔周围的异常体。
4.1.8综合方法
每一种预测的方法都有其局限性,为了提高预报精度和解释的唯一性,应根据具体工程选择多种方法组合。
地面(洞外)岩溶地质灾害探测方法评价表
预报方法
适用条件
特点
地面地质调查法
场地条件许可(人员能到达,视线相对好)
精度低,总体感性好
浅层地震预报
场地条件许可(测线布置,避开震动干扰)
精度高,深度大
电法
电测深法
场地条件许可(测线布置,避开电性干扰)
普适性,精度中等
高密度电阻率法
浅层普适,精度中等
地质雷达发
浅层普适(<30m)
音频大地电磁法
精度中等,深度大
瞬变电磁法
有树木线框无法移动,地形条件影响大
普适性,探测深度大
重力探测法
区域性岩溶探测,仪器精度要求高
方法简便,精度低
放射性测量(测氡法)
与地质构造有关,与气象条件有关
精度低
测井
弹孔法
测量孔周围的岩溶裂隙情况
双孔法
测量两孔之间的岩溶裂隙情况,利用交会法判定岩溶位置
组合法
几种方法组合
有一定效果,耗费大
4.2洞内掌子面岩溶探测
洞内探测受场地限制和噪声、施工震动、施工用电的干扰,则用于掌子面探测的方法较少。
但,掌子面超前地质预报相对地面超前预报有许多的优点,己知条件较多,精度相对较高,因此它是目前隧道施工超前地质预报的主要方法。
一般采用长距离超前地质预报和短距离超前地质预报相结合的方法。
(1)长距离超前地质预报:
隧道地震预报(TSP、VSP、TRT)、隧道电性预报、水平超前钻探等;
(2)短距离超前地质预报:
地质雷达法、BEAM法、水平声波剖面法、陆地声纳法、红外探水法、超前平行导坑(隧道)法、水平钻速法、充电法、自然电位法、隧道及井巷电磁导弹超前预报技术、掌子面地质编录预测法。
(3)掌子面超前地质预报常用方法
掌子面超前地质预报常用方法表
方法及内容
TSP
VSP
地质雷达
陆地声纳
超前钻孔
地质编录
勘探范围
200m
100m
<30m
<50m
10m
勘探布置
掌子面50m
掌子面30~50m
掌子面
勘探时间
1.5h
1h
240h
0.5h
解释人员
探测专业
地质专业
解释精度
高
低
局限性
多解性
效率低,难度大
人员技术要求高
力学信息
好(纵横波)
非直接类比
好
4.3岩溶隧道超前地质预报方法评价
隧道超前地质预报分为地面(洞外)与掌子面(洞内)预报,各自又采用很多种具体方法,各种方法各有其特点及局限性,且各地的岩溶地质条件不同。
因此,我们在选择预报方案时应是:
多种方法与参数的综合集成,决不是单一而片面的解析。
5岩溶隧道施工处治
5.1处治原则
岩溶隧道的处治原则可以归纳为:
“绕、截、排、堵、越”与“分部开挖、加强支护”相结合的原则。
5.2“绕”避——选线绕、施工绕
勘察设计过程中遇到特大溶洞或溶洞群可改线绕行;
施工施工中遇到一时难以处治的溶洞,为加快施工进度,可以改线绕行通过溶洞或用迂回导坑绕过溶洞区,继续进行前方施工,同时进行溶洞处理。
5.3拦“截”地表水
当地表自然沟床,汇水洼地发现有溶穴、落水洞、漏斗、竖井等为隧道地下水补给来源,补给量随季节变化,则应采取措施(泄水沟、泄水暗管等)拦截地表水,防止下泄于隧道。
5.4引“排”地下水
当隧道掘进遇到溶洞有流水时,首先应查明水源,涌水量,流向及与隧道位置的关系,采取以排为主,截引相结合的措施。
常年流量大的应增设泄水洞排放。
5.5堵(填)
⑴对已停止发育,径跨不大,无水或渗水较小量,可根据其与隧道相交的位置及其充填情况,采用浆砌石或砼回填封闭,并辅以适当的引排水。
(2)隧道穿过溶洞,下部为充填物,拱部以上空洞,可采用加强衬砌,拱顶以上设浆砌片石,浆砌片石以上设干砌片石封闭.
5.6跨“越”
当溶洞较大较深,可采用梁、拱跨越。
但梁端或拱座应置于稳固可靠的基岩上,必要时用圬工加固。
5.7溶洞水处治
溶洞水无论对施工,还是对运营都有极大的危害,处治不当将造成严重的安全隐患,溶洞处治的过程就是与岩溶涌水、突泥作斗争的过程,必须予以高度重视。
处理原则:
加强预测、分析特征、预测危害、科学堵排。
可根据水源补给及危害情况,分别采取“以排为主,排堵结合”或“以堵为主,限量排放”的方法。
5.8工程实例
5.8.1宜万铁路大支坪隧道岩溶治理
采用“释能降压法”处治岩溶。
遵循“释能降压、注浆加固、超前支护、综合治理”的原则进行溶洞治理。
5.8.1.1工程概况
大支坪隧道位于湖北省巴东县大支坪镇,Ⅰ线全长8775m,Ⅱ线全长8789m,最大埋深495m,纵坡为人字坡;
进口段Ⅱ线先期按平导断面快速超前I线施工,Ⅱ线右侧30m设置长3991m的排水洞。
大支坪隧道纵断面图
大支坪隧道地质条件复杂,属高风险岩溶隧道。
不良地质多表现为:
岩溶裂隙极发育,溶腔、暗河多,出水点多、涌水量大,受地表水补给影响极为严重,易形成突水,设计最大涌水量44×
104m3/d;
断层破碎带影响范围广,地质软弱,岩溶裂隙发育,多为泥砂填充,易形成突泥。
施工先后遭遇溶腔82处,其中大规模突水、突泥30次,最大涌水量达36.3×
雨季期涌水期间多造成隧道各工作面全面停工。
DK132+900~DK133+030段受断层影响多发育为易发生突水突泥的大型异常体,施工曾多次遇岩溶管道突水突泥,累计突泥4×
104m3,最大涌水量10×
104m3/d。
大支坪隧道区地下水流向图
平导PDK132+990突水突泥
突水突泥淤积Ⅰ线正洞及破坏双层初支
5.8.1.2“990”岩溶形态及水文地质特征
(1)溶洞形态及充填物特征
根据综合超前地质预报及开挖揭示的地质情况,探明Ⅰ线DK132+947~+958,DK133+004~+027间,Ⅱ线DK132+913~+921,DK132+973~+997间发育大型富水充填溶腔,溶腔基本上沿层面及岩层走向发育,Ⅰ、Ⅱ线溶腔贯通,尖灭于排水洞左边墙。
溶腔充填物主要为砂卵石及黏土。
溶腔形态如图所示。
充填溶腔形态图
(2)水文地质特征
岩溶发育地层为三叠系嘉陵江组下部和大冶组上部灰岩,向斜构造。
地表为水谷坝洼地,发育多个落水洞,洞身穿越处发育有F3断层。
岩溶和地下水发育主要受构造和地层控制,由于大冶组底部为泥岩和页岩地层,为相对阻水层,有利于处于阻水层上部的灰岩地层岩溶和地下水发育。
地下水流向由北东流向南西,排泄于野三河下游。
地下水主要接受大气降水补给,地表深孔测得的地下水位埋深100m左右,洼地汇水面积6.06km2。
水文地质纵断面如图所示。
大支坪隧道PDK132+990溶腔段水文地质图
5.8.1.3溶腔处理
(1)爆破揭示开挖前岩溶段帷幕注浆加固地层
针对岩溶充填物性质及溶腔规模易发生重大突水突泥安全风险,为降低施工风险及下步爆破揭示后易于安全快速突破,前期对990异常体Ⅰ线正、反向,Ⅱ线正、反向4个作业面实施了超前帷幕注浆及管棚预加固地层方案,加固长度30m,开挖轮廓线外8m。
(2)释能降压
为有效释能降压、降低突发性突水突泥地质灾害对正洞结构施工影响,采用多措施对溶腔进行释能降压。
1)多作业面钻孔排泄岩溶水释能降压
根据溶腔水发育规律,通过Ⅰ,Ⅱ线正反向掌子面、对应排水洞及帷幕注浆加固圈外采用辐射状钻孔对高压岩溶水进行排泄降压。
钻孔实现最大排水量5×
104m3/d,大大降低水压风险。
2)临界爆破揭示溶腔体排泄降压
通过正洞掘进开挖靠近溶腔体后,依靠精确超前地质探测精确锁定溶腔边界,预留足够安全岩盘,采用一次临界爆破揭示溶腔技术对蓄能溶腔进行揭示释能降压。
施工中先后9次爆破揭示溶腔管道,累计排泄泥砂3×
释能降压爆破后排泄的水和介质
3)增设高位排水支洞进一步释能降压
根据溶洞规模、充填性质、地下水补给及隧道空间关系,综合考虑Ⅰ、Ⅱ线隧道施工、运营安全及永采用临界控制爆破揭示技术进一步排泄溶腔泥水充填物,以避免地下水积聚确保正洞结构施工及运营安全。
a)高位排水支洞设置。
根据990岩溶水文地质条件及突水突泥特征,在排水洞990异常体相对应段分别设置两条高位排水支洞:
排水支洞
(一)目的是在Ⅱ线洞顶上5m处揭示IIDK132+914I溶腔进行释能降压;
排水支洞
(二)开口里程对应Ⅱ线里程II133+026附近,目的是在Ⅱ线隧道拱顶约5m处揭示990主溶腔释能降压。
高位排水支洞揭示990溶腔平面图见图9。
排水支洞断面设置未揭示段内净空采用2.2m(宽)×
2.5m(高)的断面,揭示段采用内净空5.0m(宽)×
5.5m(高)的断面,确保一次爆破揭示溶腔断面最大。
高位排水支洞揭示溶腔平面图
b)高位排水支洞
(二)
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