巖溶隧道地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)研究

喬 鋒

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，山西 太原 030012）

0 引言

巖溶地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層、破碎帶、溶洞、暗河等地質(zhì)情況具有極大的不確定性，導(dǎo)致巖溶隧道在施工過程中極易產(chǎn)生涌水、突泥、溶洞填充物掉落、塌方、冒頂、基底隆起等施工災(zāi)害，給施工安全帶來了極大的威脅。因此，在巖溶隧道施工過程中，采用物探手段對(duì)巖溶隧道地質(zhì)情況進(jìn)行精準(zhǔn)化預(yù)報(bào)，進(jìn)而采取有針對(duì)性的處治措施，可極大地減小施工風(fēng)險(xiǎn)，提高施工效率。巖溶隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)主要是采用TSP或地質(zhì)雷達(dá)手段對(duì)隧道掌子面前方不良地質(zhì)條件的產(chǎn)狀、類型、體積、位置等基本特性進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)；在此基礎(chǔ)上，可有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行注漿加固、加強(qiáng)支護(hù)、增設(shè)套拱等防治措施。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖溶隧道的防治技術(shù)已開展了大量詳細(xì)而深入的研究，也取得了一系列的科研成果。陳中學(xué)[1]依托八臺(tái)山隧道的工程實(shí)例，利用TGP系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，并對(duì)其預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；呂言新[2]針對(duì)大瑤山富水巖溶隧道，提出防治水的原則及方案，并制定了圍巖注漿堵水的施工方案，有效解決了巖溶隧道施工涌水問題；林國濤[3]利用力學(xué)分析手段研究了巖溶隧道突泥的機(jī)理，并結(jié)合九條龍隧道工程實(shí)例，對(duì)其處治方案進(jìn)行研究；解東升[4]針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)巖溶隧道在施工過程中產(chǎn)生的涌水突泥地質(zhì)災(zāi)害，分析其主要影響因素及力學(xué)響應(yīng)機(jī)理，并研究其災(zāi)變的基本特性及處治對(duì)策。本文結(jié)合某巖溶隧道的工程實(shí)例，總結(jié)分析其工程特性，利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)其地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，并有針對(duì)性地提出處治措施，其研究成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某高速公路隧道為雙向四車道分離式隧道，左洞長3525 m，右洞長3470 m，屬特長公路隧道。隧址區(qū)位于巖溶地貌，其地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地下水系極為發(fā)育，溶洞分布較多，地表降雨量較大，年平均值達(dá)1000 mm左右，隧道最大埋深達(dá)到350 m。

隧址區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以西南向構(gòu)造為主，其構(gòu)造處于活躍期，具有多期復(fù)活性。隧址區(qū)內(nèi)斷層、褶皺極為發(fā)育，其褶皺主要為背斜。隧址區(qū)地表巖層主要為坡崩積塊石土（ Q4dl+el）、坡殘積紅黏土（ Q4dl+el）、粉質(zhì)黏土、碎石土等。隧道穿越的主要地層巖性為三疊系中統(tǒng)法郎組（ T2fb）、個(gè)舊組（ T2g），其中三疊系中統(tǒng)法郎組為中厚層泥巖、砂巖，其鈣質(zhì)含量較高；個(gè)舊組為塊狀灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r等。尤其在洞口段，其節(jié)理裂隙極為發(fā)育，巖體極為破碎，具體情況見圖1。

圖1 巖溶隧道洞口地質(zhì)情況

2 巖溶隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)

2.1 地質(zhì)雷達(dá)基本原理

地質(zhì)雷達(dá)是利用電磁波探測(cè)技術(shù)來預(yù)測(cè)地質(zhì)構(gòu)造、地層分布情況，地質(zhì)超前預(yù)報(bào)主要是利用一組中心頻率為100 MHz的高頻電磁波向圍巖體發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波遇到圍巖體界面，其電磁性發(fā)生變化，反射率不同，從而通過反射波、繞射波的基本特性，即可判讀出前方圍巖體的地質(zhì)構(gòu)造、圍巖完整性、溶洞大小、腔內(nèi)填充物、富水等工程地質(zhì)情況。由于雷達(dá)電磁波在圍巖體內(nèi)屬于雙程傳播，因此可通過記錄電磁波傳遞時(shí)間來判讀目標(biāo)體的位置，其基本公式為：

式中：Z為距離；t為電磁波行程時(shí)間。

雷達(dá)所接收到的反射電磁波的能量取決于相鄰圍巖體材料的介電常數(shù)差異，差值越大，其反射波的差異越明顯，其具體原理示意圖如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

2.2 巖溶位置情況預(yù)報(bào)

本項(xiàng)目巖溶分布較多，為保證施工安全，首先采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)巖溶位置進(jìn)行探測(cè)。鑒于掌子面平整度較差，此次探測(cè)采用點(diǎn)模式，即沿隧道掌子面橫向，在平整處等間距布設(shè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距一般為30 cm，整個(gè)掌子面可布設(shè)3排測(cè)點(diǎn)，所測(cè)得的典型位置雷達(dá)信號(hào)情況如圖3所示。

圖3 掌子面巖溶位置雷達(dá)信號(hào)圖

從圖3中可以看出，該段雷達(dá)信號(hào)的反射波分布不均勻，其距離掌子面3～10 m范圍內(nèi)的電磁反射波界面較多，但反射幅度差值較小，可初步推斷該段分布有節(jié)理裂隙；在距離掌子面15～25 m范圍內(nèi)，掌子面中間部位，存在明顯的雷達(dá)信號(hào)反射界面，為不規(guī)則形式的包圍體，通過初步推斷可認(rèn)定為溶洞。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果，通過掌子面開挖揭露出溶洞，其具體情況如圖4所示。從圖4中可以看出，掌子面巖質(zhì)主要為白云質(zhì)灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化，呈破碎狀態(tài)，掌子面右側(cè)發(fā)育有一小型溶洞，直徑約0.5 m，其內(nèi)充填有黏性土，對(duì)掌子面整體穩(wěn)定性極為不利。

圖4 巖溶位置實(shí)際情況

2.3 巖溶腔內(nèi)填充物情況預(yù)報(bào)

為進(jìn)一步預(yù)測(cè)溶洞腔內(nèi)填充物的類型，本文針對(duì)典型斷面采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，通過濾波、歸一化處理后，該段地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)圖反射波較強(qiáng)，分布有多處分界面，可初步判斷出該段圍巖特性差異較大。尤其在掌子面左側(cè)，存在一明顯的反射區(qū)域，為整體同相軸分布狀態(tài)，且同相軸變化方向與隧道軸向基本一致。

結(jié)合地質(zhì)勘察資料，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，該段隧道圍巖為灰?guī)r，溶洞較為發(fā)育，由于雷達(dá)信號(hào)圖中顯示的溶洞內(nèi)反射信號(hào)明顯減弱，其溶腔內(nèi)填充物含水量較大，可初步判讀其為軟塑性黏性土。通過掌子面開挖揭露，該處掌子面左側(cè)分布一溶洞，其直徑約2.5 m，腔內(nèi)填充物為軟黏土，與探測(cè)結(jié)果基本吻合，其具體情況如圖5所示。

圖5 巖溶腔內(nèi)填充物實(shí)際情況

3 巖溶隧道地質(zhì)災(zāi)害處治

3.1 圍巖預(yù)加固

根據(jù)上述地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果可知，本項(xiàng)目圍巖中小型溶洞分布較多，對(duì)掌子面圍巖穩(wěn)定性極為不利[5]。為保證施工安全，本項(xiàng)目采用超前小導(dǎo)管對(duì)掌子面圍巖進(jìn)行預(yù)加固。

注漿材料主要采用水泥-水玻璃漿液，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，其水灰比為 1∶1，水玻璃濃度為25 Be′。注漿小導(dǎo)管的長度可根據(jù)式（2）進(jìn)行確定：

式中：H為圍巖體厚度；φ為圍巖內(nèi)摩擦角。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本項(xiàng)目所采用的注漿小導(dǎo)管長度為5 m，其注漿半徑為5 cm，外傾角度為8°。為保證注漿施工質(zhì)量，注漿速度為15 L/min，其注漿終壓為1.5 MPa，且在注漿過程中，至少保持該壓力10 min方可結(jié)束該孔注漿。小導(dǎo)管注漿實(shí)際情況如圖6所示。

圖6 掌子面預(yù)注漿現(xiàn)場(chǎng)情況

采用小導(dǎo)管注漿后，通過掌子面開挖揭露，其圍巖內(nèi)分布有大量規(guī)則的漿脈，小型溶洞內(nèi)漿液充填飽滿，在施工過程中未發(fā)生掌子面坍塌、掉塊現(xiàn)象，掌子面整體穩(wěn)定性較好。

3.2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

對(duì)于大型溶洞，為保證施工安全，首先應(yīng)對(duì)溶洞腔內(nèi)填充物進(jìn)行清理，并回填混凝土，保證圍巖體的整體穩(wěn)定性。

本項(xiàng)目的原二次襯砌采用曲墻式C30鋼筋混凝土，其厚度為45 cm，隧道底板為C25混凝土，其厚度為60 cm。為避免溶洞的影響，本項(xiàng)目對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行增強(qiáng)，即采用厚度為65 cm的C35鋼筋混凝土，底板采用厚度為80 cm的C30鋼筋混凝土。在施工過程中，應(yīng)保證初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)，同時(shí)在溶洞地段增設(shè)沉降縫，避免其應(yīng)力集中，提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某巖溶隧道的工程實(shí)例，總結(jié)分析其工程特性，利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)其地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)，并有針對(duì)性地提出處治措施，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a）利用地質(zhì)雷達(dá)可準(zhǔn)確探測(cè)溶洞位置，結(jié)合地質(zhì)勘察資料，可準(zhǔn)確判讀溶洞腔體內(nèi)的填充物質(zhì)，為下一步掌子面開挖提供充分的技術(shù)支撐。

b）對(duì)于小型溶洞，采用小導(dǎo)管注漿，可在巖溶隧道圍巖內(nèi)形成大量規(guī)則的漿脈，溶洞腔內(nèi)漿液充填飽滿，在施工過程中未發(fā)生掌子面坍塌、掉塊現(xiàn)象，取得了良好的處治效果。

c）對(duì)于大型溶洞，通過優(yōu)化隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)方案，增加隧道二次襯砌及底板強(qiáng)度，同時(shí)增設(shè)沉降縫，避免了應(yīng)力集中，提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。