岩溶地区城市浅埋输水隧洞超前地质预报特点分析
时间：2023-01-20 10:45:11 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
韦 斯，杨 刚
(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵阳 520005)
随着我国城镇化的进一步发展，城市供水需求也越来越多大，一大批城市供水工程开始建设。在城市供水工程建设中，有大量的地下输水工程要修建，而地下输水隧洞的开挖也面临着各种各样的复杂地质问题，特别是在岩溶地区，输水隧洞的开挖遇到涌水突泥、塌方冒顶等地质灾害问题也更加频繁，因此在岩溶地区，做好城市浅埋输水隧洞的超前地质预报工作显得尤为重要[1]。目前，国内隧洞超前地质预报技术已经有了长足发展,常用的预报方法有：地质调查法、地震波法、探地雷达法、瞬变电磁法、聚焦电流法、红外探测法、超前钻探法等。隧洞超前地质预报技术已经广泛的应用到各类隧道开挖施工中，特别是在一些复杂深埋长隧洞中的应用，也取得较好效果，对于城市浅埋输水隧洞的超前地质预报而言，虽然相较复杂深埋长隧洞会相对简单些，但是在岩溶地区，城市浅埋输水隧洞的超前地质预报工作也有自身的特点，文章将通过工程实例，介绍岩溶地区城市浅埋输水隧洞超前地质预报工作的特点。
1.1 工程概况
贵阳某输水隧洞工程总长8.256km，隧洞最大埋深85m，最小埋深15m，均处于地下水位以下。隧洞开挖断面为4.2m×4.1m(宽×高)城门洞形，顶拱高2.1m，为180°圆弧，直墙高2m。
1.2 水文、地质概况
工程区地处云贵高原由中低山向丘陵过渡之斜坡地带，属贵州高原中部浅切剥蚀型岩溶低中山丘陵区，境内地貌破碎。东南边沿为高坡背斜，背斜轴部为海拔1400～1655m；
西南边沿与平坝、长顺接壤，海拔1300～1500m；
东西两翼地处背斜地带，海拔1200m以上；
中槽、花溪、青岩一部分地处中部断层之间的岩溶和侵蚀盆地，海拔1100m左右。
工程区三迭系灰岩广泛分布，地表落水洞、洼地、石林、峰丛等发育，小河流、溪流、山塘、泉眼众多。
工程区第四系残坡积层为黏土夹碎石，厚0～15m，主要分布在冲沟及岩溶洼地底部，以及缓坡地带。隧洞穿越地层岩性主要为三叠系下统大冶组第一段(T1d1)灰岩，偶夹紫灰色薄层夹板片状灰岩、时夹薄至中厚层灰岩、具平行层理；
大冶组第二段(T1d2)为浅灰、灰色厚层灰岩，时夹薄至中厚层灰岩；
安顺组(T1a)灰色薄至中层白云岩、时夹泥质白云岩、溶塌角砾状白云岩；
花溪组(T2h)浅灰色中厚白云岩、泥质白云岩与泥岩互层夹溶塌角砾岩[2]。
工程区地表水系发育，区内分布的水库有花溪水库及阿哈湖水库，在低洼或冲沟位置分布有众多山塘。区内小河、溪流众多，总体上至西向东流向花溪水库或啊哈湖水库，阿哈湖及花溪水库为区内相对最低排泄基准面，其正常蓄水位高程分别为1110.0m及1145m。
区内地下水埋藏浅，普遍埋深为0～30m。地下水主要接受降雨补给，降雨通过洼地、沟谷等汇集，然后通过落水洞、竖井、溶隙等快速下渗，补给地下水。或通过覆盖层孔隙、基岩裂隙缓慢下渗，补给地下水。地下水接受补给后，或通过岩溶管道向较远的海拔较低处径流，排泄于河谷；
或通过溶隙、裂隙及孔隙等向附近低洼处径流，排泄于沟谷或洼地。除此之外，地下水还接受水库、山塘及河流小溪等地表水补给。地下水通过井(泉)、岩溶管道等排泄于河流、冲沟，最后汇集于花溪水库或阿哈湖水库[3]。
1.3 预报方案设计
本输水隧洞采用旋挖机进行开挖掘进，根据其工程地质条件特点，超前地质预报采用的预报方法及内容见表1。
表1 预报方法与预报内容对应表
预报工作按如下流程进行。
1)地质调查分析法：跟随隧洞掘进同步进行，贯穿隧洞施工全过程。
2)TETSP长距离预报：每次预报距离100m(根据地质情况略有差异)，相邻两次预报重叠≥10m，贯穿整个隧洞。
3)短距离探地雷达预报：每次预报距离约20m(根据地质情况略有差异)，相邻两次预报重叠≥5m，贯穿整个隧洞。
4)红外探水预报：红外线探测作为分析地下水类型及赋存态状的一种辅助手段，用于定性判断开挖断面前方及洞壁外侧一定范围内有无水体存在及其方位，预报距离5～30m。根据隧洞地形地貌及工程地质条件红外探水预报采用连续观测的方式随施工循环进行，每个循环在掌子面、洞顶、左右拱腰、左右侧壁均布置测点进行探测，相邻两次预报重叠3～5m。
5)短距离预报发现的物探异常，根据具体情况采用超前地质钻探(或加深炮孔)验证。
6)单次预报工作完成后，及时提交预报成果，长距离预报成果报送≤48h，短距离预报无重大异常情况下≤24h。属于警报应在12h内提交预报成果，属于紧急警报应在6h内提交预报成果，并电话通知业主建管部、施工方及相关部门。
7)根据预报成果确定施工方案后进行隧洞施工。
8)对比开挖实际情况与预报情况差异，分析原因，提高下一循环预报精度。
1.4 预报实施情况
根据之前的预报方案设计，隧洞每开挖20m左右做一次地质雷达和红外探水预报，每100m左右做一次TETSP预报，对有重大异常段采用超前地质钻探进行验证。后来，根据开挖揭露的地质情况，调整了预报方法和方案，采用瞬变电磁法代替地震TETSP预报方法，超前地质钻探也改为除预报异常段的验证外，开挖过程中掌子面出现异常也进行超前钻探，接近取水口全洞段进行超前地质钻探。结合地表地质调查情况，还实施了地面瞬变电磁探测，并对重要洞段在采用钻孔电磁波CT等方法[4]。
1.5 预报成果分析
综合整个输水隧洞开挖的地质情况，此次隧洞超前地质预报成果总体吻合，但是也出现了一下误报或漏报的情况，分析其原因，除了预报方法上的缺陷，还有该隧洞自身的特点所造成的。
1.5.1 预报方法上的缺陷
1)地质调查分析法适用长短距离预报，除开挖工作面地质编录外，几乎不占用隧洞施工时间，对掌子面地质情况的预判可指导超前钻探的布置，可对易发生涌水、突泥的洞段进行预判，但无法不良地质体进行定量判别。
2)地震TSP中长距离预报，接收孔钻孔会干扰部分施工，信号激发和接收过程需暂停相应工作面施工约两个小时，由于隧洞埋深较浅，且位于市区，地面人类活动的震动干扰信号会传导到隧洞内，同时地表及地表建筑物的反射信号也会进入接收信号中，导致异常信号难以判别。
3)地质雷达短距离预报，现场测试时需要旋挖机退离掌子面50m以上，围岩较差洞段受到提前支护的钢拱架、钢支撑影响较大，因隧洞埋深较浅，有时会受到地表高压线及民用电磁干扰器的影响，同时地质雷达只能得到掌子面前方隧洞洞身的反射信号，无法取得掌子面前方隧洞洞身以外的反射信号。
4)瞬变电磁法适用于中距离预报，对含水地层较为敏感，是岩溶地区比较有效的预报方法，它可获得掌子面前方隧洞洞身及洞身以外的地质情况信息，但和地质雷达一样，同时会受到各种各样的电磁干扰，且会存在一定盲区。
5)红外探水预报主要用于短距离的涌水、突泥预报，但效果不是很理想，主要是干扰因素较多，难以获得理想的测试环境，比如探测时旋挖机才退出掌子面，掌子面岩体温度仍然很高，由于隧洞埋深较浅，地下水局部会与地表水连通，受地面温度影响较大。
6)超前地质钻探法是最直观的预报方法，是预防涌水、突泥的最主要手段，通过钻孔可直观的获得掌子面前方的地质信息，并通过出水量、出水压力的大小，判断前方地层含水量的情况，同时起到释放水压力的作用；
缺点就是占有开挖工作面的时间较长，预报的距离较短，只是一孔之见，不能完全反映掌子面前方隧洞洞身及洞身以外的地质情况。
1.5.2 输水隧洞自身特点
1)本隧洞施工穿越岩溶、地下暗河、临近水库等不良地质段及特殊岩土，地质条件复杂，施工风险高，且工程位于市区内，各支洞洞口邻近既有建筑、居民区，周边有桥梁地基，穿越市政道路、铁路既有线等，施工断面较小，工程难度大。
2)本次隧洞开挖出现几次较大规模涌水、突泥，其主要因素有：①掌子面前方洞身有较大泥水充填的溶洞；
②掌子面前方洞身顶部有较大泥水充填的溶洞；
③掌子面前方洞身两侧有岩溶通道或地下暗河通过；
④掌子面前方洞身裂隙与地表水连通。第1种因素通过地质雷达探测很容易发现，第2种因素通过瞬变电磁法也能够探测到，第3和第4种因素就很难进行预报，因为异常的规模较小，且裂隙的连通性也未可知，只有在开挖遇见后才能揭露，由于有水源的补给，特别是雨季，其涌水量甚至更加严重。而靠近取水口的洞段，由于隧洞低于库水位，在一定水压的作用下，库水会贯穿裂隙倒灌到隧洞内[5]。
3)本次隧洞开挖出现塌方冒顶情况，主要是由于部分洞段岩体泥质含量较重，岩质较软，且埋深较浅，当掘进时遇到溶蚀破碎带时，来不及进行支护，就发生了塌方冒顶的情况。
在岩溶地区，城市浅埋输水隧洞的超前地质预报工作也是个相对复杂和细致的工作，因各个方法都存在各自的局限性，需结合各个方法的特点采用洞内、洞外多种方法搭配使用，同时隧道开挖时应随时注意掌子面地质情况变化，做好掌子面涌水、突泥的前兆观察，短进尺、勤支护，才能有效预防涌水突泥、塌方冒顶等地质灾害的发生。
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