淺埋巖溶段地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測及防治系統(tǒng)研究
　　林正根
　�。ê�南省核工業(yè)地質(zhì)局三一一大隊(duì)湖南岳陽414100）
　　摘要：本文通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)等技術(shù)手段的現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果分析，對淺埋巖溶段地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測與防治系統(tǒng)進(jìn)行研究，對實(shí)際工程具有一定的指導(dǎo)意義。
　　關(guān)鍵詞：隧道；地質(zhì)災(zāi)害；預(yù)防
　　前言
　　由于淺埋巖溶隧道巖溶地質(zhì)突具有發(fā)性強(qiáng)、影響范圍大、演變速度快的特點(diǎn)，因此在淺埋巖溶地質(zhì)條件下進(jìn)行隧道施工，必須采取預(yù)防措施，防止災(zāi)害的發(fā)生，保障施工安全。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、超前支護(hù)、監(jiān)控量測技術(shù)組合成的巖溶地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測與防治系統(tǒng)。通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)信息，彌補(bǔ)地質(zhì)勘測信息的不足，并為超前支護(hù)措施選擇提供依據(jù)；監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析結(jié)果修正超前支護(hù)及初期支護(hù)設(shè)計(jì)。三者形成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)、不斷優(yōu)化的系統(tǒng)。
　　1淺埋巖溶段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)研究
　　1.1隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)
　　巖溶隧道涌水、突泥、塌方等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，一方面是由于不良地質(zhì)條件造成的，這是客觀因素；但另一方面，很多地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生都是源于缺乏較為詳細(xì)的地質(zhì)資料，從而造成選擇的設(shè)計(jì)時(shí)支護(hù)參數(shù)出現(xiàn)偏差，施工過程中施工方法使用不當(dāng)，最后導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害事故的發(fā)生。這其實(shí)是主觀方面的原因，采用一定的技術(shù)手段是可以避免災(zāi)害的發(fā)生。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在巖溶隧道中的應(yīng)用，是對地質(zhì)勘測資料的有力補(bǔ)充，可以減少設(shè)計(jì)和施工過程中的盲目性，在一定程度上可以避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。最近交通部對于長大隧道做出了必須進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的要求，可見超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道設(shè)計(jì)、施工中的重要作用。
　　目前，隧道超前探測預(yù)報(bào)技術(shù)發(fā)展迅速，世界各地尤其針對各種不良地質(zhì)開發(fā)出了多種超前探測方法，預(yù)測的準(zhǔn)確率也有了很大的提高。目前,隧道內(nèi)綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用的方法,大體而言可以分為三類,包括地質(zhì)方法、鉆探和物探方法。主要為掌子面地質(zhì)編錄、超前鉆孔、TSP掌子面探測、地質(zhì)雷達(dá)掌子面探測等。
　　某隧道淺埋巖溶段采用了TSP-203超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對淺埋巖溶段進(jìn)行了測試。通過測試預(yù)測和探測開挖工作面前方的地質(zhì)和水文情況，獲取圍巖類別、斷層帶和破碎帶位置、性質(zhì)、規(guī)模、富水情況等信息進(jìn)行反饋，并對探測到的地質(zhì)情況進(jìn)行綜合分析，做出判斷，提出地質(zhì)預(yù)報(bào)成果，作為指導(dǎo)施工和優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的依據(jù)。淺埋段測試位置設(shè)在左線ZK40+584，接收器位置設(shè)在掌子面ZK40+584，對ZK40+533～ZK40+420即掌子面前方113m進(jìn)行超前預(yù)報(bào)；預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)炮點(diǎn)為24個(gè)，接收器1個(gè)，采樣間隔為62.5μs，記錄時(shí)間長度為451.125ms，采樣數(shù)為7218個(gè)。采集的TSP數(shù)據(jù)，通過TSPwin軟件處理，獲得P波、SH波、SV波的時(shí)間剖面、深度偏移剖面和反射層提取積巖石物性參數(shù)等成果。
　　1.2超前地質(zhì)預(yù)報(bào)效果評價(jià)
　　通過實(shí)際開挖的地質(zhì)情況與ZK40+533～ZK40+420段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對比分析，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對開挖段的巖性、富水情況、巖體結(jié)構(gòu)、節(jié)理發(fā)育情況較為準(zhǔn)確，與實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)情況相符；對溶洞位置的預(yù)測有一定的偏差，但偏差距離不大；通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)有效的減少了災(zāi)害發(fā)生的概率，與未進(jìn)行超前預(yù)報(bào)的右線YK40+533～YK40+420段相比較，右線在該段發(fā)生兩次大的巖溶地質(zhì)災(zāi)害，而左線未發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。
　　2淺埋巖溶段超前支護(hù)技術(shù)研究
　　2.1淺埋巖溶隧道超前支護(hù)措施
　　對于淺埋巖溶隧道采用超前支護(hù)措施，應(yīng)根據(jù)隧道所處的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、隧道長度、施工機(jī)械等因素綜合考慮決定�！�公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對超前支護(hù)措施（輔助工程措施）及其適用條件有如下規(guī)定：
　�、俟芘锓�
　　管棚是將鋼管（導(dǎo)管）安插在已鉆好的孔中，沿隧道開挖輪廓外排列形成鋼管棚，管內(nèi)注漿，并與強(qiáng)有力的型鋼鋼架組合成預(yù)支護(hù)系統(tǒng)，以支撐和加固自穩(wěn)能力極低的圍巖，適用于極破碎的地層、塌方體、巖堆等地段，對防止軟弱圍巖下沉、松弛和坍塌等有顯著效果。其特點(diǎn)是支護(hù)能力強(qiáng)大，適用于含水的沙土質(zhì)地層或破碎帶，以及淺埋隧道或地面有重要建筑物地段。管棚法在國內(nèi)外應(yīng)用都很廣泛，如日本新瀉縣公路隧洞穿過軟弱的礫石夾粘土和沙層時(shí)，采用管棚灌漿護(hù)頂法施工，以防止人口稠密的居民區(qū)發(fā)生沉陷，管棚長度已達(dá)71.5m。國內(nèi)工程塌方處理較多采用管棚法施工，取得了良好的效果。
　　管棚隨隧道開挖面形狀和導(dǎo)管的布置方式而異，沿隧道開挖輪廓線縱向設(shè)置，其長度為10～45m，應(yīng)視地質(zhì)情況選用。為保證開挖后管棚鋼管仍有足夠的超前長度，縱向兩組管棚搭接長度應(yīng)大于3.0m。管棚鉆孔環(huán)向間距應(yīng)視管棚用途而定，如果考慮防塌與防水，一般應(yīng)為30～50cm。
　　②超前導(dǎo)管法
　　超前小導(dǎo)管是沿隧道縱向在拱上部開挖輪廓線外一定范圍內(nèi)向前上方傾斜一定角度，或者沿隧道橫向在拱腳附近向下方傾斜一定角度的密排注漿花管。注漿花管的外露端通常支于開挖面后方的格柵鋼架上，共同組成預(yù)支護(hù)系統(tǒng)。
　　注漿小導(dǎo)管既能加固洞壁一定范圍內(nèi)的圍巖，又能支托圍巖，其支護(hù)剛度和預(yù)支護(hù)效果均大于超前錨桿，適用于自穩(wěn)時(shí)間很短的砂土層、砂卵（礫）石層、斷層破碎帶、軟弱圍巖淺埋段等地段的隧道。
　　小導(dǎo)管前部鉆有注漿孔，呈梅花形布置，前端成錐形，尾部長度不小于30cm，作為不鉆注漿孔的預(yù)留止?jié){段。壓注水泥砂漿的水灰比一般為0.5～1.0。當(dāng)圍巖破碎，巖體止?jié){效果不好時(shí)，亦可采用水泥－水玻璃注漿，將漿液凝結(jié)時(shí)間控制在數(shù)分鐘內(nèi)。注漿壓力宜為0.5～1.0MPa，必要時(shí)在孔內(nèi)設(shè)止?jié){塞。
　　③超前鉆孔注漿預(yù)加固地層法(帷幕注漿法)
　　超前鉆孔注漿預(yù)加固地層是把具有充填和凝膠性能的漿液材料，通過配套的注漿機(jī)具設(shè)備壓入所需加固的地層中，經(jīng)過凝膠硬化作用后充填和堵塞地層中的縫隙，減小注漿區(qū)地層滲水系數(shù)及隧道開挖時(shí)的滲漏水量，并能固結(jié)軟弱松散巖體，使圍巖強(qiáng)度和自穩(wěn)能力得到提高。
　　超前圍巖預(yù)注漿又稱長孔注漿，它是加固地層、封堵水源的一種方法。適用于軟弱圍巖及斷層破碎帶、自穩(wěn)性差的含水地質(zhì)地段。超前圍巖預(yù)注漿注漿孔深一般在15～30cm。注漿孔可在的地表面或開挖面正面分層布置，在縱向呈傘形輻射狀。要求注漿孔間距按各個(gè)注漿孔的擴(kuò)散半徑相互重疊原則確定。8～16m的淺孔可采用鉆孔臺車鉆孔注漿；當(dāng)孔深超過16m時(shí)，則應(yīng)采用重型風(fēng)鉆或鉆機(jī)鉆孔。注漿孔徑75～110mm；注漿孔間距按1.5～1.6倍漿液擴(kuò)散半徑?jīng)Q定，一般為2～3m，漿液擴(kuò)散半徑為1～2m，注漿范圍為開挖輪廓線以外1～3m。
　　注漿段長應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和鉆孔機(jī)械及注漿設(shè)備等條件確定。一般情況下，設(shè)計(jì)段長度可取30～50m，對于破碎巖層或涌水量大的地段，可適當(dāng)取段一些，每次在注漿段長度范圍內(nèi)保留5～10m左右不開挖，作為下一段注漿的止水（漿）巖盤。
　�、艹�前錨桿
　　超前錨桿又稱斜錨桿，一般適用于淺埋松散破碎的地層，是沿隧道縱向在拱上部開挖輪廓線外一定范圍內(nèi)向前上方傾斜一定外插腳，或者沿隧道橫向在拱腳附近向下方傾斜一定外插腳的密排砂漿錨桿。前者稱拱部超前錨桿，后者稱邊墻超前錨桿。拱部超前錨桿用以支托拱上部臨空的圍巖，起插班作用。邊墻超前錨桿用在先拱后墻法開挖邊墻的過程中，將起拱線附近巖體所承受的較大拱部荷載傳遞至深部圍巖，從而提高施工中的圍巖穩(wěn)定性。
　�、莸孛嫔皾{錨桿法
　　地面砂漿錨桿是對地層預(yù)加固的一種方法，它適用于淺埋、洞口地段和某些偏壓地段。為使預(yù)加固有較好的效果，錨固砂漿在達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上時(shí)，才能進(jìn)行下方速調(diào)的開挖。地表注漿加固法是對于隧道埋深小于50m，圍巖穩(wěn)定性較差，開挖過程可能引起塌方的不良地段，它通過從地面向下鉆孔注漿，對圍巖進(jìn)行預(yù)先加固。
　�、迚κ秸趽醴�
　　墻式遮擋法一般用于淺埋隧道，且隧道上方兩側(cè)（或一側(cè)）地表有建筑物。此時(shí)可在隧道兩側(cè)（或一側(cè)）從地表向下打入板樁，形成遮擋壁，以限制因隧道開挖造成圍巖松弛的范圍傳到遮擋以外，從而保證了地表建筑物的安全。
　　2.2某隧道淺埋巖溶段超前支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　某隧道淺埋段地質(zhì)條件極為復(fù)雜，一方面隧道圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重，圍巖自穩(wěn)能力極差，加上地下水的復(fù)合作用，開挖過程極易出現(xiàn)坍塌；而且隧道埋深較淺，小的塌方可能誘發(fā)變成冒頂塌方。另一方面而地表又為大片水田和居民區(qū)，在前期的施工中發(fā)生溶洞突泥涌水后，地表已經(jīng)出現(xiàn)了沉陷、房屋開裂、水田漏水等現(xiàn)象，所以在淺埋段的施工必須采取“以堵為主，適量排放”的堵水原則。因此淺埋段的施工中必須要解決“破碎圍巖加固”以控制水平收斂和拱頂下沉量和“堵水”以保證施工安全保障地表環(huán)境這兩大問題。原設(shè)計(jì)根據(jù)地勘資料和工程類比在這段采用了超前小導(dǎo)管和中空注漿錨桿的組合。從實(shí)際已經(jīng)揭露的圍巖情況，通過TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，結(jié)合涌水量的監(jiān)測數(shù)據(jù)，圍巖位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析：原設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)偏弱，不能達(dá)到“限量排放”的預(yù)期效果，因此需要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。
　　優(yōu)化后超前小導(dǎo)管由原來的每環(huán)35根增加到每環(huán)49根，長度為5.5m，管徑由φ42改為φ51，環(huán)向間距40cm，系統(tǒng)注漿錨桿改為4m長φ42注漿小導(dǎo)管，采用18工字鋼支撐，間距0.5～0.75m，根據(jù)圍巖情況適當(dāng)加密。加強(qiáng)支護(hù)措施后，超前導(dǎo)管的搭接長度增加，相當(dāng)同一斷面采用三層超前小導(dǎo)管注漿，在開挖前形成了第一層注漿加固圈，系統(tǒng)錨桿也改為注漿效果更好的小導(dǎo)管，并加長了50cm，擴(kuò)大了注漿范圍，加強(qiáng)了二次注漿的效果，全斷面形成第二層注漿加固圈，以達(dá)到堵水的目的。
　　結(jié)束語
　　淺埋巖溶地質(zhì)災(zāi)害不僅對隧道施工安全危害性較大，特別是對于地表生態(tài)環(huán)境破壞較為嚴(yán)重，且破壞后恢復(fù)較為困難。因此，建議在設(shè)計(jì)上對淺埋巖溶隧道盡量采用強(qiáng)支護(hù)、強(qiáng)防水措施，盡量避免災(zāi)害的發(fā)生。
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