竖向充泥型溶洞超前预报技术及防灾对策——以叙大铁路仙人洞隧道为例

摘要

随着我国经济实力的快速发展，基础设施建设逐渐由中西部地区向西南山区推进，使得隧道穿越岩溶地区的现象日益增多。隧道在岩溶区开挖工程中容易产生塌陷、涌水、突泥等地质灾害，严重影响隧道的施工进程和施工人员的安全。位于川南地区叙永至大村铁路的仙人洞隧道在施工过程中，亦出现了大量竖向充泥型溶洞。造成了隧道拱顶坍塌，掌子面突泥等灾害。对施工安全造成了重大威胁。
　　本文以叙大铁路仙人洞隧道典型洞段为实例，通过对地质雷达法的基本原理和使用方法的深入研究，结合现场超前预报技术的实际应用效果。采用有限差分法对不同含水率的书竖向充泥型溶洞进行了正演模拟研究，并结合FLAC3D数值模拟技术，模拟了三种支护措施对各含水率情况下充泥型溶洞的支护效果。主要获得的研究成果如下:
　　(1)对竖向充泥型溶洞的岩溶不良地质体进行现场采样，测量不同含水率时岩溶不良地质体介电常数的变化，总结得出岩溶充泥的介电常数总体上随其含水率的上升而增加，在含水率38％～46％阶段上升趋势较为平稳，其他含水率阶段上升较快，并做出其含水率与介电常数的关系图。为岩溶不良地质体在各含水率情况下的正演模拟研究提供了帮助。
　　(2)采用GPRMAX雷达正演软件对不同含水率的岩溶充泥进行正演模拟研究，分析它们之间的波形差异。在岩溶充泥含水率较小时，能量衰减较小，并伴有能量较强的多次波。随着含水率的增加，能量衰减变大，多次波减弱，直至含水率约51％时，出现毛刺状波形。在现场隧道施工中，便可根据雷达波形图大致判断岩溶充泥的含水率。
　　(3)通过对各含水率的岩溶充泥进行直剪试验，测量其力学参数（粘聚力c、内摩擦角ψ）。试验结果为FLAC3D数值模拟的参数选取提供帮助。
　　(4)利用FLAC3D对比分析了隧道在三种支护措施（超前小导管、管棚、超前小导管+管棚）下开挖通过不同含水率的竖向充泥型溶洞时的围岩变形特征。对比支护效果发现，超前小导管+管棚联合支护效果＞单独管棚支护效果＞超前小导管支护效果。
　　(5)当岩溶充泥的含水率小于36％时，三种支护措施下隧道位移均较小。当岩溶充泥的含水率小于45％时，使用管棚支护可使其最大位移量小于10cm。当岩溶充泥的含水率为51％时，只有通过小导管与管棚的联合支护方可有效控制隧道的变形。
　　(6)结合FLAC3D模拟和地质雷达正演的研究结果，总结出了一套基于岩溶充泥含水率变化，通过地质雷达波形差异特征判断隧道稳定性的新型竖向充泥型溶洞的预报技术，并对所预报的地质情况提供相应的支护对策。