掌子面掘进前方产生地质灾害可能性预报,简称成灾预报。经常遇到的成灾预报内容有如下一些:①完整及碎裂结构岩体围岩类别预报;②块裂结构岩体塌方预报;③板裂结构岩体塌方、片邦预报;④突水超前预报(包括发生碎屑流);⑤岩爆预报;⑥瓦斯突出预报。
(1)完整和碎裂岩体成灾预报:是采用岩体质量评价的方法或称围岩分类的方法,通过对搜集到的资料分析预报前方围岩类别。有了这个资料,施工单位就有规范可参考了。
(2)块裂结构岩体塌方预报:我们是用结构面组合分析的方法,来作掌子面前方能否出现块体塌方预报。
(3)板裂结构岩体溃曲破坏—塌方、片邦预报:主要是鉴别出岩体结构类型及结构特征,岩性及地应力条件,按岩体结构力学公式作出判断。
(4)突水超前预报,这是比较困难的,如上面所做的分析,还是有办法做出预报的。这里最重要问题有两个,一个是防突层厚度,一个是突水规模。解决这两个问题都需要知道水头、岩体抗拉强度,特别是隧洞直径有重要控制作用。有一个难题是爆破影响深度很难估计。尽管难,做出粗略的估计还是可能的,可以利用风钻孔钻进与耗时曲线资料来判断,据此可以粗略地作出突水倾向性预报。我们的目的不在于看到它的发生情况,而是要采取适当措施防止它的发生。这就需要粗略地给出防突层厚度,这是非常必要的。有了这个资料,我们可以与风钻孔测试结果对比决定是否需要采取防突措施。防治突水措施不外两个方面,一个是“堵”,一个是“排”。“堵”是采用超前灌浆的办法防突,灌浆段长度应大于理论防突层厚度加两至三倍单次进尺深度。军都山采用超前灌浆30m防突层厚度留10~15m,该处地下水水头约200m。“排”可采用在掌子面打排水孔或超前掘进小断面平行导洞疏干地下水的办法。究竟采用哪种方法是有条件的,如果地下水补给是大气降水,则可以采取疏干的办法;如果是承压水、岩溶水、地下水补给源是大江、大河,疏干是不行的,则必须采取“堵”的办法,即采取固结灌浆或帷幕灌浆的办法来防治突水,强行通过。
岩爆和瓦斯是两个十分专门的课题,这里就不详谈了。
下面进一步讨论关于塌方预报问题。这是隧道施工中的一种主要工程地质灾害。根据军都山隧道2#斜井附近塌方资料分析,52%的塌方是发生在铁路隧道围岩分类的Ⅳ类围岩中,Ⅲ类围岩中塌方占37%,Ⅱ类围岩中塌方占11%。这不是一个怪事么!怎么会岩石越好塌方越多?不是的,而是这一地段好岩石地段多一些,坏岩石地段少一些的原因。Ⅳ类围岩中的塌方主要是块体塌方,其中83%是发生在断层交汇带处。从总体看,在军都山隧道施工中发生的块体塌方与围岩变形的比例大约对半开。因此,在预报中对围岩分类和块体塌方预报工作要一样重视。根据军都山隧道预报和施工开挖结果,我们编制了军都山隧道地质超前预报围岩分类表(表9 2)。表中列出了各类围岩的主要工程地质特征和风钻孔测试结果,包括声波速度、20 cm进尺的钻进时间、钻孔排水状况及成孔状况,同时也给出了毛洞稳定状态。应当说明,这个表内的岩体质量级序排列与水电工程、冶金工程系统用的不同。水电、冶金系统用的岩体质量的排序是岩体质量由好到坏的次序是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ,而铁道系统用的岩体质量排序是岩体质量由好到坏的次序是Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ,大家在参考此表时要特别注意。还应当注意这个表是从一个特定地区总结出来的,不一定到处都适用。
表9-2 军都山隧道超前地质预报围岩分类表
下面我们来讨论地下水问题。地下水研究有两个目的:一个是研究预报前方突水可能性;另一个是利用地下水发育特征预报断层。图9-10是一个典型资料,在有水地区地下水的涌水量随着距断层距离的缩短而增加,在断层带中涌水量最大,这个资料可以帮助我们预报前方是否会出现断层。而这个断层带也可能突水,但是突水地段并不一定都与掌子面渗水量大小有关。突水往往发生在前方有一个隔水层将前方的高压地下水挡住,一旦隔水层被揭露,就产生像溃坝一般的地下水涌出,同时还携带大量的岩石碎屑将隧道堵死而形成突水灾害。军都山隧道施工中曾遇到这种情况。实际上这次突水我们已经做出了预报,提出用超前灌浆进行超前防治。由于现场没有灌浆设备,施工单位又要抢进度,没有进行超前防治,故在掘开防突层时便产生了大规模的碎屑流大突水现象,将已掘进的隧道埋没了 100 多米长,只得停工处理。后来还是采用超前灌浆的办法通过了突水地段。这个例子表明,突水是可以预报的,也是可以超前防治。关键在于要认真对待地质超前预报结果,突水预报最重要的是两个资料,一个是高水头;另一个是大流量。水头大小可以用压水试验设备测量,水量比较难于求得,只能根据地质资料进行判断,主要是含水的破碎带宽度大小和破碎带物质组成状况。我见到一些关于描述突水的资料,青涵隧道的突水资料、成昆线突水资料、大瑶山隧道突水资料以及军都山隧道突水资料。从这些资料里我们获得了一个认识,这些隧道都是双轨隧道,从水头来讲,水头都是大于200 m,也就是说水压大于2MPa,就要产生突水。因此我们可以采取一个预报指标,即突水的水头压力定为2MPa,这样可能较安全一些。当然也可以利用前面讲的公式估算。这个数字比较难定,因为防突层厚度和强度比较难定。根据我们的经验,完整岩体抗拉强度一般可以选用3~5MPa。现在我们假定隧道直径为10m,防突层厚度取3m,岩体抗拉强度为5MPa,则不产生突水的极限水头利用公式(9 15)求得:
图9-10 靠近断层带附近地下水涌出量分布
地质工程学原理
如果防突层厚度为2m,则:
地质工程学原理
显然,防突层厚度是一个十分灵敏的数值,如果防突层厚度取3.5m,则不产生突水的极限水头用公式(9-15)计算为:
地质工程学原理
如果岩体抗拉强度为3MPa,防突层厚度为2m时,不产生突水的极限水头为48m;防突层厚度为3m时,不产生突水的极限水头为108m;防突层厚度为3.5m时,不产生突水的极限水头为147m。
上面分析结果表明,岩体抗拉强度对防止突水是一个十分敏感指标,且很难确定准确,因此,在有突水倾向性危险地区,最好将防突层厚度留大一些。提前采取防突措施,这样可以大大加快施工进度。