浅埋岩溶段地质灾害预测及防治系统研究

　　浅埋岩溶段地质灾害预测及防治系统研究
　　林正根
　　（湖南省核工业地质局三一一大队湖南岳阳414100）
　　摘要：本文通过超前地质预报、超前支护等技术手段的现场应用结果分析，对浅埋岩溶段地质灾害预测与防治系统进行研究，对实际工程具有一定的指导意义。
　　关键词：隧道；地质灾害；预防
　　前言
　　由于浅埋岩溶隧道岩溶地质突具有发性强、影响范围大、演变速度快的特点，因此在浅埋岩溶地质条件下进行隧道施工，必须采取预防措施，防止灾害的发生，保障施工安全。超前地质预报、超前支护、监控量测技术组合成的岩溶地质灾害预测与防治系统。通过超前地质预报信息，弥补地质勘测信息的不足，并为超前支护措施选择提供依据；监控量测数据分析结果修正超前支护及初期支护设计。三者形成一个相互关联、不断优化的系统。
　　1浅埋岩溶段超前地质预报技术研究
　　1.1隧道超前地质预报技术
　　岩溶隧道涌水、突泥、塌方等地质灾害的发生，一方面是由于不良地质条件造成的，这是客观因素；但另一方面，很多地质灾害的发生都是源于缺乏较为详细的地质资料，从而造成选择的设计时支护参数出现偏差，施工过程中施工方法使用不当，最后导致地质灾害事故的发生。这其实是主观方面的原因，采用一定的技术手段是可以避免灾害的发生。超前地质预报技术在岩溶隧道中的应用，是对地质勘测资料的有力补充，可以减少设计和施工过程中的盲目性，在一定程度上可以避免地质灾害的发生。最近交通部对于长大隧道做出了必须进行超前地质预报的要求，可见超前地质预报在隧道设计、施工中的重要作用。
　　目前，隧道超前探测预报技术发展迅速，世界各地尤其针对各种不良地质开发出了多种超前探测方法，预测的准确率也有了很大的提高。目前,隧道内综合超前地质预报常用的方法,大体而言可以分为三类,包括地质方法、钻探和物探方法。主要为掌子面地质编录、超前钻孔、TSP掌子面探测、地质雷达掌子面探测等。
　　某隧道浅埋岩溶段采用了TSP-203超前地质预报系统对浅埋岩溶段进行了测试。通过测试预测和探测开挖工作面前方的地质和水文情况，获取围岩类别、断层带和破碎带位置、性质、规模、富水情况等信息进行反馈，并对探测到的地质情况进行综合分析，做出判断，提出地质预报成果，作为指导施工和优化设计参数的依据。浅埋段测试位置设在左线ZK40+584，接收器位置设在掌子面ZK40+584，对ZK40+533～ZK40+420即掌子面前方113m进行超前预报；预报设计炮点为24个，接收器1个，采样间隔为62.5μs，记录时间长度为451.125ms，采样数为7218个。采集的TSP数据，通过TSPwin软件处理，获得P波、SH波、SV波的时间剖面、深度偏移剖面和反射层提取积岩石物性参数等成果。
　　1.2超前地质预报效果评价
　　通过实际开挖的地质情况与ZK40+533～ZK40+420段超前地质预报结果进行对比分析，超前地质预报对开挖段的岩性、富水情况、岩体结构、节理发育情况较为准确，与实际开挖揭露的地质情况相符；对溶洞位置的预测有一定的偏差，但偏差距离不大；通过超前地质预报有效的减少了灾害发生的概率，与未进行超前预报的右线YK40+533～YK40+420段相比较，右线在该段发生两次大的岩溶地质灾害，而左线未发生地质灾害。
　　2浅埋岩溶段超前支护技术研究
　　2.1浅埋岩溶隧道超前支护措施
　　对于浅埋岩溶隧道采用超前支护措施，应根据隧道所处的工程地质和水文地质条件、隧道长度、施工机械等因素综合考虑决定。《公路隧道设计规范》对超前支护措施（辅助工程措施）及其适用条件有如下规定：
　　①管棚法
　　管棚是将钢管（导管）安插在已钻好的孔中，沿隧道开挖轮廓外排列形成钢管棚，管内注浆，并与强有力的型钢钢架组合成预支护系统，以支撑和加固自稳能力极低的围岩，适用于极破碎的地层、塌方体、岩堆等地段，对防止软弱围岩下沉、松弛和坍塌等有显著效果。其特点是支护能力强大，适用于含水的沙土质地层或破碎带，以及浅埋隧道或地面有重要建筑物地段。管棚法在国内外应用都很广泛，如日本新泻县公路隧洞穿过软弱的砾石夹粘土和沙层时，采用管棚灌浆护顶法施工，以防止人口稠密的居民区发生沉陷，管棚长度已达71.5m。国内工程塌方处理较多采用管棚法施工，取得了良好的效果。
　　管棚随隧道开挖面形状和导管的布置方式而异，沿隧道开挖轮廓线纵向设置，其长度为10～45m，应视地质情况选用。为保证开挖后管棚钢管仍有足够的超前长度，纵向两组管棚搭接长度应大于3.0m。管棚钻孔环向间距应视管棚用途而定，如果考虑防塌与防水，一般应为30～50cm。
　　②超前导管法
　　超前小导管是沿隧道纵向在拱上部开挖轮廓线外一定范围内向前上方倾斜一定角度，或者沿隧道横向在拱脚附近向下方倾斜一定角度的密排注浆花管。注浆花管的外露端通常支于开挖面后方的格栅钢架上，共同组成预支护系统。
　　注浆小导管既能加固洞壁一定范围内的围岩，又能支托围岩，其支护刚度和预支护效果均大于超前锚杆，适用于自稳时间很短的砂土层、砂卵（砾）石层、断层破碎带、软弱围岩浅埋段等地段的隧道。
　　小导管前部钻有注浆孔，呈梅花形布置，前端成锥形，尾部长度不小于30cm，作为不钻注浆孔的预留止浆段。压注水泥砂浆的水灰比一般为0.5～1.0。当围岩破碎，岩体止浆效果不好时，亦可采用水泥－水玻璃注浆，将浆液凝结时间控制在数分钟内。注浆压力宜为0.5～1.0MPa，必要时在孔内设止浆塞。
　　③超前钻孔注浆预加固地层法(帷幕注浆法)
　　超前钻孔注浆预加固地层是把具有充填和凝胶性能的浆液材料，通过配套的注浆机具设备压入所需加固的地层中，经过凝胶硬化作用后充填和堵塞地层中的缝隙，减小注浆区地层渗水系数及隧道开挖时的渗漏水量，并能固结软弱松散岩体，使围岩强度和自稳能力得到提高。
　　超前围岩预注浆又称长孔注浆，它是加固地层、封堵水源的一种方法。适用于软弱围岩及断层破碎带、自稳性差的含水地质地段。超前围岩预注浆注浆孔深一般在15～30cm。注浆孔可在的地表面或开挖面正面分层布置，在纵向呈伞形辐射状。要求注浆孔间距按各个注浆孔的扩散半径相互重叠原则确定。8～16m的浅孔可采用钻孔台车钻孔注浆；当孔深超过16m时，则应采用重型风钻或钻机钻孔。注浆孔径75～110mm；注浆孔间距按1.5～1.6倍浆液扩散半径决定，一般为2～3m，浆液扩散半径为1～2m，注浆范围为开挖轮廓线以外1～3m。
　　注浆段长应根据工程地质、水文地质和钻孔机械及注浆设备等条件确定。一般情况下，设计段长度可取30～50m，对于破碎岩层或涌水量大的地段，可适当取段一些，每次在注浆段长度范围内保留5～10m左右不开挖，作为下一段注浆的止水（浆）岩盘。
　　④超前锚杆
　　超前锚杆又称斜锚杆，一般适用于浅埋松散破碎的地层，是沿隧道纵向在拱上部开挖轮廓线外一定范围内向前上方倾斜一定外插脚，或者沿隧道横向在拱脚附近向下方倾斜一定外插脚的密排砂浆锚杆。前者称拱部超前锚杆，后者称边墙超前锚杆。拱部超前锚杆用以支托拱上部临空的围岩，起插班作用。边墙超前锚杆用在先拱后墙法开挖边墙的过程中，将起拱线附近岩体所承受的较大拱部荷载传递至深部围岩，从而提高施工中的围岩稳定性。
　　⑤地面砂浆锚杆法
　　地面砂浆锚杆是对地层预加固的一种方法，它适用于浅埋、洞口地段和某些偏压地段。为使预加固有较好的效果，锚固砂浆在达到设计强度的70%以上时，才能进行下方速调的开挖。地表注浆加固法是对于隧道埋深小于50m，围岩稳定性较差，开挖过程可能引起塌方的不良地段，它通过从地面向下钻孔注浆，对围岩进行预先加固。
　　⑥墙式遮挡法
　　墙式遮挡法一般用于浅埋隧道，且隧道上方两侧（或一侧）地表有建筑物。此时可在隧道两侧（或一侧）从地表向下打入板桩，形成遮挡壁，以限制因隧道开挖造成围岩松弛的范围传到遮挡以外，从而保证了地表建筑物的安全。
　　2.2某隧道浅埋岩溶段超前支护优化设计
　　某隧道浅埋段地质条件极为复杂，一方面隧道围岩受地质构造影响严重，围岩自稳能力极差，加上地下水的复合作用，开挖过程极易出现坍塌；而且隧道埋深较浅，小的塌方可能诱发变成冒顶塌方。另一方面而地表又为大片水田和居民区，在前期的施工中发生溶洞突泥涌水后，地表已经出现了沉陷、房屋开裂、水田漏水等现象，所以在浅埋段的施工必须采取“以堵为主，适量排放”的堵水原则。因此浅埋段的施工中必须要解决“破碎围岩加固”以控制水平收敛和拱顶下沉量和“堵水”以保证施工安全保障地表环境这两大问题。原设计根据地勘资料和工程类比在这段采用了超前小导管和中空注浆锚杆的组合。从实际已经揭露的围岩情况，通过TSP超前地质预报，结合涌水量的监测数据，围岩位移监测数据，进行综合分析：原设计支护参数偏弱，不能达到“限量排放”的预期效果，因此需要根据现场实际情况对设计进行优化调整。
　　优化后超前小导管由原来的每环35根增加到每环49根，长度为5.5m，管径由φ42改为φ51，环向间距40cm，系统注浆锚杆改为4m长φ42注浆小导管，采用18工字钢支撑，间距0.5～0.75m，根据围岩情况适当加密。加强支护措施后，超前导管的搭接长度增加，相当同一断面采用三层超前小导管注浆，在开挖前形成了第一层注浆加固圈，系统锚杆也改为注浆效果更好的小导管，并加长了50cm，扩大了注浆范围，加强了二次注浆的效果，全断面形成第二层注浆加固圈，以达到堵水的目的。
　　结束语
　　浅埋岩溶地质灾害不仅对隧道施工安全危害性较大，特别是对于地表生态环境破坏较为严重，且破坏后恢复较为困难。因此，建议在设计上对浅埋岩溶隧道尽量采用强支护、强防水措施，尽量避免灾害的发生。
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