岩溶隧道施工探讨

岩溶隧道施工探讨

根据含水层的空隙性质,隧道工程地下水可分为三类:孔隙水、裂隙水、岩溶水

孔隙水:主要赋存在松散沉积物颗粒间孔隙中的地下水。在堆积平原和山间盆地内的第四纪地层中分布广泛。是工农业和生活用水的重要供水水源。

裂隙水:存在于岩石裂隙中的地下水。与孔隙水相比较,它分布不均匀,往往无统一的水力联系。是丘陵、山区供水的重要水源。

岩溶水:赋存于可溶性岩层的溶蚀裂隙和洞穴中的地下水,又称喀斯特水。其最明显特点是分布极不均匀。在可溶性岩层裸露于地表的补给区,入渗补给有两种方式:灌式补给、渗入式补给。

一、岩溶水形成及特征
岩溶又称为喀斯特,它是在以碳酸盐岩为主的可溶性岩石分布区,由水流与可溶性岩石相互作用的过程以及由此产生的各种地质现象的总和。

在地表典型的岩溶地貌有石林、孤峰、落水洞、波立谷等,地下则形成溶孔、溶洞、暗河等。

在岩溶孔隙中保存和运动的地下水便是岩溶水,岩溶水不仅是一种具有特殊性质的地下水,而且也是一种活跃的地质营力,在它的运动过程作用,改造自身的赋存环境,形成独特的分布和运动特征。

0 岩溶水的分布、运动特征
由于岩溶空隙发育的不均匀,裂隙宽度大小不一,连通程度各不相同,层流与紊流并存在一些细小的裂隙中,水流因阻力大而流动缓慢,流态为层流;而在一些连通性和开启性好的裂隙中,水流阻力小,流速大且水量集中,多呈紊流状态。如石灰岩其原生孔隙很小,透水性能差,但经溶蚀后形成不同形状的溶隙,有溶蚀漏斗、溶洞等,不同空隙空间的大小和透水性可以相差几个数量级,一些巨大的地下管道和溶洞,可成为地下暗河,加上岩溶发育在空间上的差异性,造成岩溶水的分布极为不均匀。

同时,岩溶空间主要是在裂隙空间的基础上发展形成的,裂隙空间的方向性和其透水性能各向异性的特点在岩溶介质中得到继承和加剧,因此,透水性能各向异性是岩溶介质的另一个显著特点。有时在同一水力系统的不同过水断面上,渗透系数、水力坡度、渗透流速都各不相同,层流与紊流并存。

另一方面还表现为岩溶水的水位与流量过程呈现强烈的季节变化,其水位变幅可达几十米,流量变幅达几十倍。

0 岩溶水的富水特征
岩溶含水层的水量往往比较丰富。岩溶含水层的富水程度与岩溶发育程度密切相关。一般来说岩石可溶性好、地下水径流通畅,而交替强烈的地段是岩溶发育良好的地段,也是岩溶水富集的地段。在以下一些地段往往富存有丰富的岩溶水:厚层纯灰岩分布区;可溶性岩石的构造破碎部位;可溶性岩石与非可溶性岩石或可溶性极强与可溶性弱的岩层交界面附近;硫化矿床氧化带;地表水体附近及其他岩溶水排泄部位。

二、出现岩溶压力水的特征
隧道施工过程中,出现岩溶水,特别是压力大的岩溶水,对作业人员及设备产生不可挽回的损失。发生岩溶水的原因,掌子面突水的征兆,各种突水的特征,在什么情况下需要进行探水,探水作业安全注意事项,突水时怎么避灾等。这其中关于突水的征兆和关于发生突水时自救和互救的知识是必须掌握的。隧道掌子面或其它地点发生透水前都有一定征兆,归纳起来有以下九种。
1.挂红。因岩溶水中含有铁的氧化物,在水压作用下,通过岩层裂隙时,附着在裂隙表面,出现暗红色水锈。

2.挂汗。当掌子面接近岩溶水区时,水在自身压力作用下,通过围岩裂隙而在岩壁上凝结成许多水珠;但空气中的水分遇到低温围岩也会挂汗。所以遇到挂汗时需辨别真伪。辨别方法是剥去表面层,观察新暴露岩层有无潮气,如果岩层潮湿则是突水预兆。

3.空气变冷。掌子面接近大量积水时,气温骤然降低、岩壁发凉,人一进去就有凉爽阴冷感,时间越长越感阴冷。

4.出现雾气。当隧道内温度很高时,岩溶水渗到掌子面后引起蒸发而形成雾气。

5.水叫。岩溶的高压积水,向围岩裂缝强烈挤压与两壁磨擦而发生嘶嘶叫声。这说明掌子面距岩溶水区已很近,则突水即将发生。

6.拱顶淋水增大。原有裂隙淋水突然增大,应视作突水前兆。

7.拱底来压,底板鼓起。在地下水压作用下,拱顶和底板弯曲变形,有时还伴有潮湿、渗水现象。

8.辨别水的味道。岩溶水多为“死水”,水色发红、酸度大、味发涩;裂隙(断层)水多为“活水”,水色发黄、甜而无涩;岩溶水呈黄色或灰色,一般带臭味。

9.裂隙出现渗水。如果出水清,则离岩溶水区尚远;若出水浑浊,则离岩溶水区较近。

以上预兆不一定会同时出现,有时会出现一个预兆,有时会出现多个预兆,有时征兆不明显甚至无预兆。因此要留心观察、认真辨别。掌子面或者其它地点发现突水征兆时,必须停止作业,立即报告现场值班管理人员,发出警报,撤出所有受水威胁地点的人员。

三、岩溶水勘查措施
01
地表调查
对隧道通过断层段或有异常的地段进行地表调查,首先了解隧道埋深、断层宽度及走向等,调查相应地段的地表植被情况、地貌情况以及汇水情况等,根据调查的结果,隧道内施工就采取相应措施。

02
掌子面素描
对掌子面的地质素描,可准确勾画出掌子面地质情况,比如渗水情况、裂隙走向、岩性变化等。通过最近几个断面的地质素描可能推断前方地质的发展趋势,为下一步施工提供准确资料,提前做好应急预案及防范措施。

03
隧道地震波法
隧道地震波法(TSP),是通过小药量爆破所产生的地震波信号沿隧道方向以球面波的形式传播,在不同岩层中地震波以不同的速度传播,在其界面处被反射,并被高精度的接收器接收。通过计算机软件分析前方围岩性质、节理裂隙分布、软弱岩层及含水状况等,最终显示屏上显示各种围岩构造界面与隧道轴线相交呈现的角度及距掌子面的距离,并可以初步测定岩石的弹性模量、密度、泊松比等参数以供参考。每一次TSP可以探测120m,两次之搭接10m,每110m做一次TSP,对探测报告进行分析,根据分析结果指导施工。

04
地质雷达法
地质雷达系统包括硬件(主机、天线、传输电缆等)和软件(现场数据采集、预处理、后处理等)两大部分。它利用电磁波信号在物体内部传播时电磁波的运动特点进行探测,发射天线将高频电磁波以宽频带短脉冲形式送入掌子面前方,在电磁波向掌子面前方传播的过程中,当遇到存在电性差异的目标体(如空洞、裂隙、岩溶等)时,电磁波便发生反射,由接收天线接收,并由主机记录。在雷达资料中便会出现明显的特征反射,根据接收到的特征反射,由地质雷达图像判断其地质特征。地质雷达探测有效距离为30m,两次之间搭接5m,每25m做一次地质雷达检测,根据数据分析前方地质情况。

05
加深炮孔法
掌子面每次掘进开挖时,都要施工加深炮孔,一般周边均匀布打5孔,长度为6m,外插角为21度,把开挖后的掌子面前方3m及周围轮廓2m围岩情况了解大致清楚。

06
超前地质钻
对于物探查出来的异常区,有时难以确定为何种构造,就需要结合钻探手段做进一步的查证。用超前地质钻验证物探的异常区,探明异常区的范围及地质情况。在施作超前钻探时,若出现卡钻,应及时分析原因,判断是碎破带引起的卡钻或由岩溶水压力挤压围岩引走卡钻。若是后者卡钻,则务必重度注意,通反复洗孔反钻,不得更换位置钻孔。

07
超前辅助道坑预报
利用设置的平导或泄水洞发挥超前地质预报作用,超前探明前方水文地质情况,降低正洞涌水突泥风险。

四、岩盘安全厚度
 
1
      超前地质预报揭示前方有大型富水溶腔时,应保证安全岩盘距离,临界距离一般为5m,特殊情况下,可施作掌子面封堵墙,有针对性的实施和加强超前钻探、加密加深炮孔,详细探明溶腔边界,不得大断面爆破开挖,接近溶腔的过程中,应进一步采用风枪钻钻探查明溶腔边界,保证安全距离。

2
     误揭大型富水溶腔,尚未形成大规模涌水突泥时,应在保证安全的前提下,及时施作封堵墙,加固溃口,控制泥水有序涌出,防止溃口扩大,造成大规模涌水突泥等灾害。

五、岩溶水释能减压
01
到达临界距离后,停止掘进,应采用大直径钻孔汇泄水、小口径精确爆破打开溶腔等方式,引导、控制泥沙有序涌出,待溶腔内水、砂、石、泥等排泄后,险情排除以后,进一步查明溶腔规模,采安全可靠措施进行溶腔整治。

02
安装孔口管进行排水,排水过程中对水压、水量进行观测,孔口管的流量表及压力表读数,可计算水头高度及溶腔容量。及时分析地下水与洞外大气降水的关系,查明水量、水压和地下特点,不可盲目开挖掘进。水量减小时,分析是否发生淤积堵管,并原位进行补充钻探、清孔。

03

       在压力岩溶水的掌子面打钻时,压力挤压围岩往往会卡钻,这种情况下容易误判,应用功率更大的钻机打孔。当确定水压及水量明显降低后,经参建各方充分论证评估并制定可靠的应急方案后,方可进行掌子面施工。

04
极端情况下,误揭大型富水溶腔,形成大规模涌水突泥时,现场采取应急逃生方案,把灾害得到有效控制后,再研究突泥涌水整治方案。

六、预防及救援措施
01
      及时施作集水廊道,横通道按不大于500m设计,原则上平导或泄水洞按超前正洞不小于200m、不大于一个横通道间距施工,如泄水洞发生涌水突泥,可利用横通道及正洞就近逃生,降低风险。同时,在超前辅助坑道每200m设计逃生仓,逃生仓在坑道顶向上延伸,便于逃生。

02
      编制应急预案,并组织演练,配齐应急设备物资。在探明异常区后,施工减薄岩盘厚度时,防止出现意外,应在点炮时有逃生交通工具,交通工具在启动状态,点完成炮后人员立刻乘坐交通工具外逃。如XX隧道平导长1700m突水证明,涌水从掌子面出来需要10min,乘车外逃只需要6min。

03

     在高危区施工人员,要提高警觉“耳听六路眼观八方”,更不得戴耳机作业。一旦有异常,逃生第一。

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