隧道涌水段不良地質(zhì)探測及圍巖變形規(guī)律研究

方建華，甘鵬路，林廷松

(1.中鐵隧道集團有限公司杭州分公司，浙江杭州 310030;2.浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，浙江杭州 310058;3.杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，浙江杭州 310005)

0 引言

隧道發(fā)生涌水事故后，土體變形復(fù)雜，威脅到隧道整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。為了解決這一問題，需要對涌水段的不良地質(zhì)進行探測以及分析圍巖變形。目前，地質(zhì)雷達主要被用來探測隧道掌子面前方地質(zhì)情況［1－3］。肖宏躍等［4］建立了典型地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)雷達特征圖像的對應(yīng)關(guān)系。王亮等［5］從理論研究角度提出了巖溶洞穴的雷達圖像特征。何現(xiàn)啟等［6］利用含水量與介電參數(shù)之間的關(guān)系研究地質(zhì)雷達在探水方面的應(yīng)用。在圍巖變形方面，不少學(xué)者從監(jiān)測、模型試驗方面進行分析研究［7－8］。張青龍等［9］根據(jù)監(jiān)測資料對富水軟巖的變性特征進行了分析。尹文平［10］提出了富水條件下隧道變形控制技術(shù)。然而，針對隧道涌水事故，很少有相關(guān)地質(zhì)探測與變形監(jiān)測的分析與討論。本文以大奎隧道涌水段為工程背景，將地質(zhì)雷達探測和事故段圍巖變形監(jiān)測相結(jié)合，分析富水條件下地質(zhì)情況與圍巖變形。

1 涌水事故概況

大奎隧道位于湖南炎陵至汝城高速公路第12合同段處。隧道進口段為分離式隧道，出口400 m左右為小凈距隧道。隧道右線全長2 828 m，進口里程為YK50+140，出口里程為YK52+968，縱坡采用1.7%和1.9%2種坡度。左線全長3 192 m，進口里程為ZK49+780，出口里程為 ZK52+972，縱坡采用3%，1.7%和9%3種坡度。大奎隧道所在區(qū)域位于構(gòu)造剝蝕中低山區(qū)地貌區(qū)。山體地形切割強烈，山坡陡峻，局部為陡崖。隧道區(qū)巖層主要為表層松散覆蓋層，中下部是強－中風(fēng)化巖夾頁巖。隧道區(qū)域內(nèi)地下水按含水介質(zhì)及埋藏條件可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水2大類。地下水對混凝土無腐蝕性。

施工隊在開挖至大奎山隧道右線出口附近區(qū)域時，出現(xiàn)了嚴(yán)重的涌水事故。2010年9月12日施工至YK52+812進洞左側(cè)邊墻時，底板出現(xiàn)股狀涌水，水量很大，采用抽水能力為320 m3/h的污水泵進行排水;9月25日上午，在YK52+799右側(cè)下臺階鉆設(shè)拱腳鎖腳鋼管時出現(xiàn)50 m3/h左右的涌水，中午在施作YK52+814靠左側(cè)底板又出現(xiàn)約220 m3/h的涌水。圖1為涌水將洞內(nèi)淹沒的情景，圖2為右線出口涌水點的照片。

2 地質(zhì)雷達工作原理

地質(zhì)雷達與探空雷達技術(shù)相似，都是利用高頻電磁脈沖波的反射來探測目標(biāo)體，通過對電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的研究與波場特點的分析，查明介質(zhì)結(jié)構(gòu)、屬性、幾何形態(tài)及其空間分布特征。

地質(zhì)雷達由地面上的發(fā)射天線T將高頻電磁波(主頻為106～109Hz)以寬頻帶短脈沖形式送入地下，經(jīng)地下目標(biāo)體或不同電磁性質(zhì)的介質(zhì)分界面反射后返回地面，被另一接收天線R接收，而其余電磁能量則穿過界面繼續(xù)向下傳播，在更深的界面上繼續(xù)反射和折射，直至電磁能量被地下介質(zhì)全部吸收。

回波走時，電磁波行程所需時間

式中:x為兩天線的間距;z為反射點A的法線深度;v為電磁波在地下介質(zhì)中的波速。

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速v為已知時，可根據(jù)天線間距(已知值)x和雷達記錄的回波走時t，由式(1)求出反射體的埋深。反射體或目標(biāo)體的埋深及其變化是描述其空間分布最重要的參數(shù)之一，因此也是地質(zhì)雷達方法必須獲得的基本數(shù)據(jù)。

雷達所記錄的回波走時t是從雷達剖面上讀取的。圖3為一地質(zhì)模型及其對應(yīng)的雷達記錄(即雷達剖面)示意圖。設(shè)發(fā)射天線T與接收天線R的中點為記錄點，則測線上各測點的接收天線所接收的反射波均記錄在各自記錄點的下方，從而形成雷達剖面。在雷達剖面上，各點的反射均以波的形式被記錄下來。波形的正、負(fù)峰分別以黑、白色表示，或以灰色、彩色表示。這樣，同相軸、等灰度或等色線即可直觀地表示地下反射界面的形態(tài)及深度變化。

圖3 地質(zhì)雷達工作原理示意圖Fig.3 Working principle of ground penetrating radar

3 地質(zhì)雷達探測過程與結(jié)果

工程采用美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR－3000地質(zhì)雷達對大奎隧道涌水段進行探測，SIR－3000為便攜式單通道地質(zhì)雷達，用途廣泛。SIR－3000地質(zhì)雷達探測系統(tǒng)實體圖見圖4。

圖4 GSSI公司SIR－3000地質(zhì)雷達探測系統(tǒng)示意圖Fig.4 Detection system of SIR －3000 GPR

3.1 YK52+812涌水段富水區(qū)域探測

涌水事故發(fā)生后，截至10月3日，污水泵排水總量約達到2.3萬m3，且該區(qū)段前方中短距離內(nèi)的具體地質(zhì)與水文情況不明。為探明巖層富水區(qū)域，針對大奎隧道右線YK52+812涌水段采用地質(zhì)雷達進行了中短距離地質(zhì)預(yù)報。

本次地質(zhì)探測范圍為YK52+799至前方16.5 m。探測共布置4條測線，如圖5所示。測線1為沿掌子面核心土水平向探測，里程樁號約為YK52+802;測線2為沿掌子面超前環(huán)形導(dǎo)坑環(huán)向探測，里程樁號約為YK52+799;測線3為沿底板橫向探測，里程樁號約為YK52+807;測線4為沿底板縱向探測。探測采用點測法進行，每10 cm采集一道數(shù)據(jù)。由于隧道內(nèi)布設(shè)有電纜線、預(yù)留構(gòu)件等，可能對地質(zhì)雷達探測結(jié)果造成一定的干擾。

通過與SIR－3000配套的數(shù)據(jù)處理軟件，對采集原始數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析和處理，得到大奎隧道右線出口地質(zhì)預(yù)報最終成果圖，如圖6所示。

圖5 地質(zhì)雷達探測測線布置示意圖Fig.5 Layout of measuring lines of GPR

巖石的相對介電常數(shù)為4～6，而水的介電常數(shù)卻高達81，因此電磁波遇到富水巖體會發(fā)生強烈發(fā)射。富水帶地質(zhì)雷達圖像波形一般表現(xiàn)為:在含水層表面發(fā)生強振幅發(fā)射，反射強烈，波形多為黑色水平圖像。另外，由于介電常數(shù)的增大，電磁波衰減增大，頻率明顯下降，雷達波周期變大。

從圖6可以看出:1)YK52+802處核心土中心正前方2.5 m存在一個反射面，該范圍內(nèi)相對富水，核心土左側(cè)1.0 ～1.5 m 前方 5.0，7.6，11.2，13.5 m 處均出現(xiàn)黑色水平點，認(rèn)為此部分巖體含水量較大，因距離開挖面較遠，對隧道穩(wěn)定性影響較小，不作考慮;2)K52+799處拱圈左側(cè) 2.0 ～3.0 m 前方 1.5 ～3.0 m圍巖相對富水;3)YK52+807～+802底板左下方約2.5 m位置存在明顯的反射界面;4)YK52+807斷面內(nèi)底板偏左下方0～2.5 m相對富水。

由于測線3處存在明顯反射面，并且測線4也顯示下方2.5 m區(qū)域內(nèi)富水，綜合考慮初步認(rèn)為隧道掌子面附近底板左下方約2.5 m(順?biāo)淼篱_往方向)可能有承壓水層。通過對掌子面附近底板靠左側(cè)施工5 m加長鉆孔，發(fā)現(xiàn)地下水出露跡象，驗證了地質(zhì)雷達探測的結(jié)果，可采取提前注漿堵水措施處理。

3.2 YK52+802地下暗道探測

2012年9月30日上午，大奎隧道右線出口YK52+802～+794發(fā)生無征兆的局部塌方。在塌方治理過程中，發(fā)現(xiàn)YK52+802左側(cè)拱腰初襯背后暗藏一地下通道，通道直徑為1～2 m，目測深不可見頂，而且內(nèi)部存在彎曲。

圖7為大奎山隧道右線出口YK52+802初襯背后地下暗道的實測照片。

圖7 大奎山隧道右線出口YK52+802地下暗道實拍照片F(xiàn)ig.7 Underground cavity at YK52+802 of right tube of Dakuishan tunnel

為了探明該地下暗道的規(guī)模與分布情況，針對暗道的具體情況進行了地質(zhì)雷達探測。圖8為測線布置示意圖，測線布置的基本原則為盡可能地覆蓋上述地下暗道可能存在的范圍。

圖8 初襯背后空洞探測測線布置示意圖Fig.8 Layout of measuring lines of GPR to detect cavity behind primary lining

測線9沿開挖方向布置，能反映襯砌后暗道縱向分布情況。圖9為測線9的地質(zhì)雷達探測剖面圖。因為空氣的相對介電常數(shù)為1，電磁波在巖體與空氣交界面上會發(fā)生發(fā)射，反射波波幅較高，波形雜亂，在地質(zhì)雷達圖像上的形態(tài)一般表現(xiàn)為雙曲線同相軸反射波面。圖9可以驗證襯砌后暗道確實存在，襯砌后1.3 m深度處出現(xiàn)第1道反射面，2.5 m深度處出現(xiàn)第2道反射面，初步認(rèn)為洞穴寬度平均為1.2 m。在0～4 m的探測范圍內(nèi)，同相軸曲率很小，基本呈直線，說明暗道貫穿探測范圍，長度延伸范圍較廣。該暗道的形成可能與YK52+814等出水點的過量抽取地下水有關(guān)，含水砂土層排水流失后形成了空腔。在掌子面YK52+794中心靠左側(cè)50 m范圍內(nèi)沿縱向分散施工5～10 m超長鉆孔，揭露暗道分布情況，基本與地質(zhì)雷達探測結(jié)果相符。

圖9 第9號測線探測剖面Fig.9 Prediction profile of measuring line No.9

4 大奎隧道右線出口涌水段變形監(jiān)測

發(fā)生涌水事故后，由于沒有及時進行注漿堵水，過度抽取地下水導(dǎo)致了含水砂土層排水流失、固結(jié)沉降、仰拱基底受長期浸泡侵蝕，承載力下降，導(dǎo)致隧道洞身圍巖穩(wěn)定程度降低，出現(xiàn)大變形。對大奎隧道右線出口YK52+810～+853區(qū)間進行監(jiān)測，分析巖體變形隨時間的變化規(guī)律，具體見圖10。

圖10 2012年大奎隧道拱頂沉降曲線Fig.10 Curves of crown settlement of Dakuishan tunnel in 2012

圖10記錄了隧道底板出現(xiàn)涌水現(xiàn)象開始(9月12日)，之后2個月內(nèi)前方4個監(jiān)測里程斷面拱頂沉降隨時間發(fā)展的變化規(guī)律。從圖10可以看出:由于大量抽取巖層涌出的地下水，大奎隧道右線出口YK52+853、YK52+828、YK52+818和 YK52+810 位置處拱頂沉降以平均2～3 mm/d的速度迅速增長，最小沉降約為47 mm，最大沉降約為112 mm，均高于規(guī)范限值。雖然YK52+853～+810已經(jīng)施作仰拱，但拱頂沉降速率仍在逐漸增大，且于10月13日～10月19日達到峰值。此時，4個斷面水平收斂測點均由于變形過大被損毀。

為了避免隧道出現(xiàn)大范圍坍塌，結(jié)合地質(zhì)雷達探測結(jié)果，對涌水段圍巖采取加固措施:從YK52+802處的空洞由拱頂向下部分采用泵送C20混凝土進行填充密實;對拱頂向上部分采取注漿軟管伸入到土洞頂部進行注漿填充密實;對涌水段后方 YK52+853～+810拱頂沉降、周邊收斂較大段，進行全斷面徑向注漿加固。拆除原有鋼支撐，重新架立鋼拱架。

后續(xù)監(jiān)測顯示，在對涌水段進行治理后，4個監(jiān)測斷面拱頂沉降速率均在緩慢減小，沉降在1個月后已基本趨于穩(wěn)定，最大沉降約為162 mm，發(fā)生在YK52+828處，最小沉降約為75 mm，發(fā)生在YK52+818處。圍巖變形得到較好地控制，基本不再下沉。

5 結(jié)論與討論

以大奎隧道涌水事故為背景，研究了事故調(diào)查階段采用的探測與監(jiān)測方案，得出以下結(jié)論:

1)地質(zhì)雷達作為一種先進的無損探測技術(shù)，在事故發(fā)生后準(zhǔn)確探測出前方地層相對富水區(qū)域及潛藏的承壓水層和空洞，為之后注漿、支撐、反壓等治理方案成功實施提供了可靠信息。

2)在監(jiān)測方面，通過對涌水段隧道斷面進行實時跟蹤監(jiān)測，揭示了涌水段巖體變形加速增長的現(xiàn)象，沉降值過大。事故發(fā)生前后的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)揮了重要的預(yù)警作用。

3)結(jié)合探測與監(jiān)測結(jié)果，采取加固措施后，巖體最終穩(wěn)定，變形不再增長。

4)地質(zhì)雷達探測與變形監(jiān)測協(xié)同作用的方案能提供及時、準(zhǔn)確的信息，為涌水事故處理提供合理建議，指導(dǎo)后續(xù)施工方案變更。今后可結(jié)合類似工程，整理、歸類典型地質(zhì)圖像剖面，為工程事故探測提供參考。

［1］ 崔芳，高永濤，吳順川.基于地質(zhì)雷達的隧道掌子面前方地質(zhì)預(yù)報研究［J］.中國礦業(yè)，2011(3):115－118.(CUI Fang，GAO Yongtao，WU Shunchuan.Research on the geological forecast of work face in tunnel with ground penetrating radar［J］.China Mining Magazine，2011(3):115－118.(in Chinese))

［2］ 黃金山，林從謀，黃俊賢，等.基于地質(zhì)雷達的隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)及其應(yīng)用［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報，2011(1):47 －52.(HUANG Jinshan，LIN Congmou，HUANG Junxian，et al.Advance geological forecast technology and application research in tunnel construction based on the geological radar［J］.Journal of Shandong University of Science and Technology，2011(1):47－52.(in Chinese))

［3］ 何勇華.采用探地雷達對隧道掌子面前方地質(zhì)狀況進行超前預(yù)報［J］.金屬礦山，2010(1):99－102.(HE Yonghua.Forecast on the geological conditions of work face in tunnel with ground penetrating radar［J］.Metal Mine，2010(1):99 －102.(in Chinese))

［4］ 肖宏躍，雷宛，楊威.地質(zhì)雷達特征圖像與典型地質(zhì)現(xiàn)象的對應(yīng)關(guān)系［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2008(4):57－61.(XIAO Hongyue，LEI Wan，YANG Wei.Correspondence between geological characteristics of radar images and typical geological phenomenon［J］.Coal Geology ＆ Exploration，2008(4):57－61.(in Chinese))

［5］ 王亮，李正文，王緒本.地質(zhì)雷達探測巖溶洞穴物理模擬研究［J］.地球物理學(xué)進展，2008(2):280－283.(WANG Liang，LI Zhengwen，WANG Xuben.A study of geological radar to cavern detection and physical analogue［J］.Progress in Geophysics，2008(2):280 － 283.(in Chinese))

［6］ 何現(xiàn)啟，朱自強，柳群義，等.隧道富水區(qū)雷達超前預(yù)報研究［J］.山東大學(xué)學(xué)報，2009(2):68－70.(HE Xianqi，ZHU Ziqiang，LIU Qunyi，et al.Geology prediction using GPR in water-rich region［J］.Journal of Shandong University，2009(2):68－70.(in Chinese))

［7］ 劉鵬，劉維.富水地層重疊隧道施工結(jié)構(gòu)及地層變形分析［J］.隧道建設(shè)，2012，32(6):323－327.(LIU Peng，LIU Wei.Analysis on deformation of tunnel structure and ground induced by construction of overlapping tunnels in water-rich strata［J］.Tunnel Construction，2012，32(6):323－327.(in Chinese))

［8］ 魏星，沈樂，陶志平，等.富水軟巖隧道突泥塌方及地層沉降的模型試驗［J］.巖土力學(xué)，2012(8):2291－2296.(WEI Xing，SHEN Le，TAO Zhiping，et al.Model test studies of collapse and settlement of tunnel in saturated soft rocks［J］.Rock and Soil Mechanics，2012(8):2291 －2296.(in Chinese))

［9］ 張青龍，李寧，曲星，等.富水軟巖隧洞變形特征及變形機制分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011(11):2196－2202.(ZHANG Qinglong，LI Ning，QU Xing，et al.Analysis of deformation characteristics and mechanism of waterrich soft rock tunnel［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011(11):2196 －2202.(in Chinese))

［10］ 尹文平.深圳富水軟弱地層地鐵暗挖施工引起的地表沉降及變形控制技術(shù)研究［D］.北京:北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2010:1－103.(YIN Wenping.Study on the settlement of ground surface and the technology of control deformation in Shenzhen Metro construction［D］.Beijing:Sohool of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，2010:1－103.(in Chinese))