公路隧道溶洞探測(cè)與處治技術(shù)

任 銳，白偉振，龔林金

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 陜西省公路橋梁與隧道重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2.廣西翔路建設(shè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029)

0 引 言

在隧道等地下工程的建設(shè)中，巖溶地質(zhì)是遇到的較為突出的地質(zhì)問(wèn)題。巖溶地區(qū)主要分布在中國(guó)的云、桂、川、貴等西南省區(qū)，在廣東、陜西、山西一帶也有分布。巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件極為復(fù)雜，溶洞的大小不一、類型不同，使前期勘察難度增大；隧道實(shí)際開(kāi)挖的圍巖特征與勘察資料相差較大，且掌子面后方圍巖不可預(yù)見(jiàn)，在一定程度上增加了隧道施工的難度。溶洞在施工過(guò)程中的出現(xiàn)可能會(huì)引起一些危害，如突水、突泥、坍塌，造成機(jī)械損害或者人員傷亡等。因此，在巖溶隧道施工過(guò)程中準(zhǔn)確有效地探測(cè)出溶洞的具體位置以及溶洞的規(guī)模顯得尤為重要[1-3]。

在巖溶隧道的施工過(guò)程中，常見(jiàn)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有：地質(zhì)法、鉆孔探測(cè)法、地震超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)(TSP/TGP)法、水平聲波剖面 (HSP) 法、陸地聲納法、地質(zhì)雷達(dá)(GPR)法和紅外探水法等。其中，地質(zhì)雷達(dá)法與其他物探方法相比具有成本低、操作簡(jiǎn)單、分辨率高、操作速度快、對(duì)施工干擾小等優(yōu)點(diǎn)。本文以河百高速班丘隧道為例，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)溶洞進(jìn)行探測(cè)分析，最終以實(shí)際開(kāi)挖的情況驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性[4-9]。

1 工程概況

班丘隧道位于廣西壯族自治區(qū)東蘭縣境內(nèi)，是分離式隧道，右線起訖樁號(hào)為K84+195～K85+210，長(zhǎng)1 015 m，屬長(zhǎng)隧道。隧址區(qū)海拔高程為412～621 m，最大埋深106 m。隧址區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)覆蓋層，中生界三疊系下統(tǒng)(T1)頁(yè)巖夾薄層狀泥砂巖，上古生界二疊系上統(tǒng)(P2)石灰?guī)r。隧址出口位于拉愛(ài)谷地北緣板坡村，跨越巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的溶蝕谷地及峰叢洼地。隧道圍巖主要由強(qiáng)中風(fēng)化石灰?guī)r組成，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，出口段邊坡基巖裸露，自然坡度約40°，邊坡整體性較好，強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r巖體較破碎，可能存在局部掉塊現(xiàn)象。

隧址地區(qū)地下水類型可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水。出口段由于碳酸鹽巖裂隙巖溶水賦存于二疊系石灰?guī)r溶蝕裂隙及巖溶洞穴中，受大氣降水補(bǔ)給，通過(guò)落水洞或巖溶裂隙滲入地下的巖溶通道內(nèi)，形成巖溶水，雨季水量很大，溶洞較為發(fā)育。

2 雷達(dá)探測(cè)溶洞的原理及方法

本次溶洞探測(cè)采用美國(guó)勞雷公司生產(chǎn)的SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)，雷達(dá)由主機(jī)、天線(頻率為100 MHz)、電纜以及配套的數(shù)據(jù)處理軟件等組成。在雷達(dá)主機(jī)的控制下脈沖源產(chǎn)生周期性的毫秒微信號(hào)，信號(hào)經(jīng)電纜線傳輸?shù)嚼走_(dá)發(fā)射天線，發(fā)射天線將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為高頻電磁波在有耗介質(zhì)中傳播。當(dāng)電磁波在傳播路徑上遇到非均勻體(界面)時(shí)，一部分電磁波會(huì)折射到第二層均勻介質(zhì)中繼續(xù)傳播，而另一部分電磁波則在非均勻體(界面)發(fā)生反射，其反射系數(shù)取決于被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)(不同介質(zhì)的介電常數(shù)如表1所示)[10]，反射波傳播到地面的接收天線，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換處理后被傳輸?shù)嚼走_(dá)主機(jī)予以儲(chǔ)存。將采集的圖樣經(jīng)雷達(dá)軟件處理后形成彩色電平圖、灰色電平圖或波形堆積圖。地質(zhì)雷達(dá)的基本原理如圖1所示[11]。

電磁波在被測(cè)介質(zhì)中反射能量的強(qiáng)弱由反射系數(shù)R所決定，反射系數(shù)R與被測(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)εr有關(guān)，當(dāng)電磁波由一種介質(zhì)界面到另一介質(zhì)界面時(shí)就會(huì)發(fā)生反射與折射，其電磁波的反射系數(shù)

圖1 地質(zhì)雷達(dá)基本原理

(1)

式中：εr1為第一種介質(zhì)的介電常數(shù)；εr2為第二種介質(zhì)的介電常數(shù)。

電磁波在同一種均勻介質(zhì)中的傳播速度是不變的，其傳播速度

(2)

式中：V為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；C為電磁波在大氣中的傳播速度，約為3.0×108m·s-1。

由于不同的介質(zhì)介電常數(shù)不同，本次檢測(cè)樁號(hào)為ZK85+101，在預(yù)報(bào)范圍內(nèi)主要巖石成分為石灰?guī)r和泥巖。由表1可知，石灰?guī)r的介電常數(shù)為7～9，泥巖的介電常數(shù)為7，故本次檢測(cè)介電常數(shù)選7。

本次檢測(cè)所選用的雷達(dá)天線頻率為100 MHz，該天線測(cè)試范圍為距掌子面前方5～30 m，取有效預(yù)報(bào)深度25 m作為探測(cè)深度對(duì)波形圖進(jìn)行分析。雷達(dá)的測(cè)量模式有3種：Time、Point、Distance。在隧道點(diǎn)測(cè)時(shí)通常采用Point模式，測(cè)量地面較平整時(shí)多采用Distance模式，本次檢測(cè)采用Time模式。雷達(dá)的采樣數(shù)越多，分辨率就越好(分辨率采用16

位)，本次采樣數(shù)選1024，所采用的時(shí)間窗口為350 ns，雷達(dá)的掃描速度為16(每秒描掃數(shù))。根據(jù)掌子面的具體情況，在掌子面水平方向從左到右測(cè)2條線，豎直方向從上到下測(cè)2條線，成井字型分布。測(cè)線具體位置如圖2所示。

圖2 測(cè)線位置布置

3 雷達(dá)測(cè)試圖像分析

采集的波形圖經(jīng)過(guò)雷達(dá)軟件處理后的圖象如圖3所示。在波形圖的右側(cè)，電磁波信號(hào)出現(xiàn)異常，反射波振幅較強(qiáng)，這是因?yàn)闄z測(cè)時(shí)該位置受到臺(tái)車的干擾，導(dǎo)致波形發(fā)生變化。

圖3 雷達(dá)波形

在掌子面前方0～6 m(YK85+156～YK85+150)內(nèi)，反射波振幅較強(qiáng)，推測(cè)該范圍內(nèi)巖體較為破碎。

在隧道掌子面前方6～12 m(K85+150～K85+144)范圍內(nèi)，電磁波信號(hào)出現(xiàn)異常，反射波振幅較強(qiáng)，并且頻率降低，表明巖體內(nèi)部的介電常數(shù)發(fā)生變化。根據(jù)地質(zhì)資料以及掌子面觀察，初步預(yù)測(cè)該段圍巖巖性為灰?guī)r，中級(jí)至強(qiáng)風(fēng)化，巖體稍破碎，呈塊狀或塊碎狀結(jié)構(gòu)，并推測(cè)可能存在黏性土填充及一定量的裂隙水。

在隧道掌子面前方12～20 m(K85+144～K85+136)范圍內(nèi)，電磁波信號(hào)出現(xiàn)異常，反射波振幅較強(qiáng)，同向軸彎曲，并且頻率降低，表明巖體內(nèi)部的介電常數(shù)發(fā)生變化。由于介電常數(shù)差異較大，雷達(dá)反射圖象較為清晰，初步推測(cè)在掌子面前方12 m處開(kāi)始出現(xiàn)溶洞，溶洞寬約為6 m。

在隧道掌子面前方20～25 m(K85+136～K85+131)范圍內(nèi)，電磁波信號(hào)出現(xiàn)異常，可以考慮為波的衍射或者受到右邊干擾波的衍射。

4 溶洞探測(cè)驗(yàn)證

實(shí)際施工中，在YK85+144拱腰處開(kāi)始出現(xiàn)溶洞，溶洞走向沿拱腰向拱頂過(guò)渡發(fā)展。溶洞大部分夾雜有黃色泥土填充物，個(gè)別處無(wú)填充物，在開(kāi)挖過(guò)程中部分填充物有脫落，在YK85+142處溶洞在拱腰位置豎直向上延伸。在施工至掌子面YK85+140時(shí)，掌子面上部有呈U型的黏土層并向隧道頂部延伸。在掌子面YK85+137的位置，發(fā)現(xiàn)掌子面拱頂溶洞部位有泥土掉落現(xiàn)象，隨后拱頂泥土開(kāi)始塌落，并沿洞內(nèi)滑移，半小時(shí)左右突泥基本停止，突泥情況如圖4所示。隧道溶洞突泥發(fā)生后對(duì)洞頂進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)原地面發(fā)生沉陷，陷坑大小約為15 m×12 m×6 m，如圖5所示。

圖4 隧道拱頂位置突泥

圖5 隧道洞頂原地面塌陷

5 隧道溶洞處理方案

5.1 常見(jiàn)的處理方案

隧道穿過(guò)巖溶地區(qū)時(shí)，應(yīng)查明溶洞分布范圍和類型、巖層的完整穩(wěn)定程度、填充物和地下水情況，以此確定合理的施工方法。巖溶地段隧道溶洞常用的處理方法有“引、堵、越、繞”4種。“引”是通過(guò)暗管、涵洞、小橋等將水引流，排出洞外?！岸隆庇糜谝淹Ｖ拱l(fā)育、跨徑較小、無(wú)水的溶洞，可根據(jù)溶洞與隧道相交的位置及其充填情況，采用混凝土、漿砌片石或干砌片石予以回填封閉；或加深邊墻基礎(chǔ)，加固隧道底部。“越”是當(dāng)隧道一側(cè)遇到狹長(zhǎng)而較深的溶洞，可加深該側(cè)的邊墻基礎(chǔ)通過(guò)或者采用筑拱、架橋跨過(guò)?！袄@”是在巖溶區(qū)施工遇到溶洞處理耗時(shí)且困難時(shí)，可采取迂回導(dǎo)坑繞過(guò)溶洞，繼續(xù)進(jìn)行隧道前方施工，以節(jié)省時(shí)間，加快施工進(jìn)度。

5.2 本工程溶洞處理方案

(1)洞內(nèi)塌方段處理。首先利用洞渣對(duì)YK85+137掌子面拱頂溶洞突泥段落進(jìn)行反壓回填，將反壓石渣整修成臺(tái)階式，并采用C25噴射混凝土封閉(圖6)。在洞內(nèi)掌子面塌腔邊緣加設(shè)四榀I20b工字鋼背拱鎖口，并在拱腰、拱腳處分別打設(shè)2根Φ42 mm鎖腳錨管，錨管長(zhǎng)度為3.5 m。背拱拱架間距為50 cm，拱架平面垂直于隧道中線，傾斜度不大于2°。任何部位偏離鉛垂面不大于5 cm。各單元用螺栓連接，螺栓孔中心間距誤差不超過(guò)±0.5 cm。拱架平放時(shí)，平面翹曲應(yīng)小于2 cm。隧道YK85+144～YK85+137段溶洞段徑向采用Φ42 mm注漿小導(dǎo)管加固，按間距1 m×1 m布置，導(dǎo)管長(zhǎng)度按6 m布設(shè)并灌注水泥漿。溶洞內(nèi)空腔部位采用泵送C25混凝土進(jìn)行填充。

圖6 塌方段處理措施

(2)地表塌腔回填處理。在該段圍巖基本穩(wěn)定后，及時(shí)施作仰拱、拱墻防排水設(shè)施和二次襯砌，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求且未移動(dòng)臺(tái)車前，對(duì)塌腔進(jìn)行回填處理(圖7)?；靥盍喜捎萌呋彝?，對(duì)稱分層回填并夯實(shí)，每層回填厚度控制在50 cm以內(nèi)。在接近表層位置設(shè)置50 cm厚的隔水黏土層，防止地表水下滲對(duì)圍巖土體及隧道結(jié)構(gòu)的破壞；然后回填表層土，表層土采用腐殖土，回填高度高于原地面0.5 m。塌方空腔回填結(jié)束后，在塌方地表周邊5 m范圍內(nèi)修筑0.6 m深、0.6 m寬的截水溝，防止地表水流入塌方空腔中的回填土體。

圖7 地表處理措施

5.3 溶洞處理效果

溶洞和地表處理時(shí)對(duì)隧道初期支護(hù)進(jìn)行了監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)控量測(cè)累積時(shí)間為72 d，最后通過(guò)K85+137斷面拱頂累積下沉?xí)r間曲線(圖8)、下沉速率曲線(圖9)和水平累積收斂時(shí)間曲線(圖10)、水平收斂速率曲線(圖11)可知：拱頂下沉累計(jì)值為17.78 mm，沉降速率為0.01 mm·d-1，拱頂下沉已基本穩(wěn)定；水平收斂累積值為12.62 mm，穩(wěn)定時(shí)收斂速率為0.01 mm·d-1，水平收斂已基本穩(wěn)定。監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)顯示，上述處理方法對(duì)充填型溶洞的處理效果符合安全要求，能夠保證隧道正常施工的穩(wěn)定性。

圖8 YK85+137拱頂累積下沉?xí)r間曲線

圖9 YK85+137拱頂下沉速率曲線

圖10 YK85+137水平累積收斂時(shí)間曲線

圖11 YK85+137水平收斂速率曲線

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)本文采用地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測(cè)廣西河百高速班丘隧道溶洞的位置，通過(guò)合理選擇雷達(dá)的設(shè)置參數(shù)、測(cè)量模式、測(cè)線布置等對(duì)掌子面前方進(jìn)行探測(cè)，對(duì)波形圖進(jìn)行處理分析，預(yù)報(bào)出溶洞的大致位置，最后以實(shí)際開(kāi)挖的情況驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)溶洞的準(zhǔn)確性，并根據(jù)班丘隧道實(shí)際情況做出了溶洞處理方案。

(2)總結(jié)了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)溶洞過(guò)程中可能受到的干擾因素：由于施工現(xiàn)場(chǎng)條件限制，測(cè)試過(guò)程中可能會(huì)遇到鉆孔、鉆桿、施工臺(tái)架、隧道初支鋼拱架、掌子面平整度、測(cè)線時(shí)的移動(dòng)速度、電纜線等的干擾；測(cè)量人員的地質(zhì)觀察經(jīng)驗(yàn)等因素也會(huì)對(duì)測(cè)試效果產(chǎn)生一定的影響。

(3)針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)溶洞過(guò)程中可能遇到的干擾因素提出以下建議：測(cè)試時(shí)間應(yīng)盡量選取在爆破出渣機(jī)械排險(xiǎn)之后；在隧道施工作業(yè)環(huán)境下測(cè)量時(shí)，應(yīng)盡可能將干擾因素排除，遇到不可避免的干擾物(鉆桿、鉆孔、臺(tái)架)及時(shí)記錄位置，以便分析圖形時(shí)排除干擾；操作人員應(yīng)調(diào)試好合理的測(cè)量參數(shù)，充分保證測(cè)試圖形的清晰；對(duì)地質(zhì)情況和現(xiàn)場(chǎng)情況做好記錄；遇到復(fù)雜的地質(zhì)情況可多測(cè)幾條線，以保證測(cè)量的精度。