公路巖溶隧道精細勘察模式及在沾會高速灰?guī)r地區(qū)的應(yīng)用

趙 虎，王 軍，王玲輝

(1.成都理工大學(xué)地球物理學(xué)院，成都 610059；2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，成都 610041；3.四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，成都 610041；4.中石化西南分公司勘探開發(fā)研究院，成都 610059)

在高速公路隧道建設(shè)中,巖溶地區(qū)施工時往往會出現(xiàn)突水突泥以及圍巖塌方等情況，會顯著增加施工難度并存在安全隱患,若未合理避讓或正確治理,也危害后期公路的安全運營。因此對巖溶隧道的勘察至關(guān)重要，但是因為隧道巖溶發(fā)育具有隱伏性、無規(guī)律性等特征，巖溶區(qū)隧道勘察時又受限于地形、埋深以及交通條件等限制，隧道洞身位置的巖溶發(fā)育情況更加難以準確判斷，這也造成了巖溶隧道的勘察工作成為勘察難題[1-6]。

目前，對溶洞探測精度較高的勘察方法是物探跨孔CT(computed tomography)成像法，但由于CT方法要借助鉆孔進行孔間投射，而隧道鉆孔數(shù)量有限且距離較遠，故該方法在巖溶隧道勘察難以推廣[7-9]。有學(xué)者嘗試對巖溶隧道的調(diào)查模式進行過總結(jié)，也有技術(shù)人員對巖溶隧道勘察中的物探方法進行效果進行論證，但都未就綜合勘察手段進行深入研究[10-14]，目前對巖溶隧道探測精度較高的手段一般為施工階段超前預(yù)報，因此，在對隧道巖溶的精細勘察設(shè)計上需要深入研究，以便能精確的對隧道巖溶發(fā)育情況、規(guī)模及對隧道的影響進行判斷[15-20]。

1 精細勘察模式制定

1.1 精細勘察模式制定原則

為查明隧道巖溶發(fā)育情況，需要根據(jù)巖溶發(fā)育特點，建立科學(xué)的精細勘察模式，才能達到精確勘察的目的。精細勘察模式制定總體原則為從宏觀到細節(jié)、從整體到局部、分層遞進、精度漸高。確定建立原則后再根據(jù)原則選用具體勘察方法，以達到精細勘察的目的。

1.2 精細勘察模式工作流程

根據(jù)勘察模式建立原則，確定具體實施方案如下：首先采用地質(zhì)調(diào)繪進行宏觀把控，再進行隧道貫通物探對巖溶發(fā)育情況進行詳查，然后在物探異常區(qū)布設(shè)鉆孔，通過孔內(nèi)三維掃描對溶洞形態(tài)進行精確成像，通過孔內(nèi)水文地質(zhì)實驗分析巖溶發(fā)育特征，既從宏觀上把握了巖溶發(fā)育情況，又從細節(jié)上對大型溶洞的規(guī)模及影響進行了分析，可以達到對隧道進行精細勘察的研究目的，精細勘察模式工作流程如圖1所示。為驗證勘察模式的應(yīng)用效果，選取云南沾會高速德澤隧道為研究對象進行實踐。

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

2.1 項目簡介及地形地貌

沾益—會澤高速公路地處云南省東北部，曲靖市公路網(wǎng)規(guī)劃重要組成部分，也是連通G56杭瑞高速以及G85渝昆高速的通道，在國家高速公路網(wǎng)乃至區(qū)域公路網(wǎng)中具有重要的作用(圖2)。

圖2 研究區(qū)地理位置示意圖Fig.2 Geographical location map of the study area

研究的德澤隧道為沾會—會澤高速公路重要控制性工點之一，為左、右線分幅隧道，其中左線隧道進口里程為ZK19+410 m，出口里程為ZK20+300 m，總長度890 m，最大埋深105 m；右線隧道進口里程為K19+408，出口里程為K20+300，總長度892 m，最大埋深99 m。

隧址區(qū)地處云貴高原，位于牛欄江強烈下切形成的河間地塊，屬構(gòu)造侵蝕、溶蝕中山地貌，河流侵蝕堆積地貌僅沿牛欄江谷底呈帶狀展布。山嶺海拔高程一般在2 050～2 150 m，牛欄江河床海拔約1 658 m，相對高差為400～500 m。隧道進口位于牛欄江左岸邊坡中上部，邊坡呈折線狀，多為基巖裸露，橫坡變化為35°～40°，局部可見高約1～2 m的陡坎；出口位于陡緩相間的斜坡中部緩坡地帶，橫坡坡度約18°～20°，出露為崩坡積的含碎石黏土及碎石層，厚度不大，多為臺階狀旱地。

2.2 地層巖性及構(gòu)造

研究區(qū)主要穿越地層為古生界泥盆系上統(tǒng)宰格組泥晶灰?guī)r、灰?guī)r。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，德澤隧道位于沾益“山”字形構(gòu)造西翼與新華夏系構(gòu)造和經(jīng)向構(gòu)造的復(fù)合地帶。構(gòu)造線主要沿北北東向分布，少量沿北東分布，在項目止點附近受經(jīng)向構(gòu)造影響，而沾益“山”字形構(gòu)造的西翼隱約其間，故區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為復(fù)雜，研究對象主要受白石巖-小河水大向斜及F1斷層影響(圖3)。

圖3 研究區(qū)構(gòu)造簡圖Fig.3 Structural sketch of the study area

2.3 水文地質(zhì)情況

研究區(qū)水系為牛欄江水系，為南北流向，是金沙江右岸主要支流之一。云南昆明境內(nèi)為牛欄江發(fā)源地，其主流全長423 km，河床高度變化達1 660 m，受水面積13 320 km2，多年平均流量為121 m3/s。河流穿越云南省十余個縣域。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)巖性及賦水特征，研究區(qū)內(nèi)地下水類型可分為三類：松散堆積層孔隙水、構(gòu)造裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水，主要受大氣降水補給。

3 精細勘察方案實施及成果分析

根據(jù)建立的精細勘察模式，對研究區(qū)進行按勘察模式工作流程逐步進行精細勘察工作，并對應(yīng)用成果進行詳細分析。

3.1 場地巖溶發(fā)育情況

場區(qū)位于河間地塊巖溶地貌，區(qū)由于牛欄江切割深度較大，路線設(shè)計高程較高，從宏觀上(區(qū)域上)測區(qū)處于垂直滲流帶，巖溶發(fā)育，地下水以垂直運動為主，地表巖溶形態(tài)以石芽、溶隙、溶溝、溶槽、漏斗、落水洞等垂直發(fā)育的巖溶為主(圖4、圖5)，隧道洞身圍巖段可能以垂向溶蝕管道及孔洞為主，可能有部分充填或無充填。

圖4 隧道進口石芽地貌Fig.4 Stone bud landform at tunnel entrance

圖5 隧道洞頂溶蝕漏斗Fig.5 Tunnel top corrosion funnel

3.2 地質(zhì)調(diào)繪

地質(zhì)調(diào)繪工作是巖溶勘察的基本及首要手段，也是宏觀判斷場區(qū)巖溶發(fā)育情況及特征最簡單有效的辦法，主要是通過對原有資料的搜集及調(diào)查訪問得出研究區(qū)地層巖性、產(chǎn)狀、構(gòu)造、水文地質(zhì)情況等，進而分析出巖溶發(fā)育特征及可能對隧道的影響。

通過大量調(diào)查走訪，研究區(qū)溶蝕形態(tài)主要有溶溝、溶孔、溶隙、漏斗、溶槽、溶洞等。

分析認為影響研究區(qū)域巖溶發(fā)育的原因主要有以下方面。

3.2.1 地形地貌影響

研究區(qū)區(qū)處于牛欄江左岸的河間地塊，兩側(cè)受牛欄江和打車溝夾持，東側(cè)牛欄江為該區(qū)段的侵蝕基準面和地下水排泄基準面，切割較深，高差較大，地表植被不發(fā)育，坡表紅黏土厚度較大，地表水入滲量大，加上地形較緩，降雨順斜坡坡表排泄至洼地后就地下滲，基本無地表徑流，形成了良好的巖溶發(fā)育地形地貌條件。

3.2.2 地層巖性影響

隧址區(qū)邊坡中上部出露的可溶性泥盆系上統(tǒng)宰格組(D3zg)地層，該地層巖性主要為灰?guī)r及泥晶灰?guī)r,厚度較大，易被水溶蝕，地表一般形成石芽坡地，地下易形成溶洞、暗河等，容易形成溶蝕通道；坡腳為非可溶巖，在可溶巖與非可溶巖界面附近形成巖溶出口，以溶洞或暗河的形式排入牛欄江。

3.2.3 沿層面及節(jié)理裂隙面巖溶發(fā)育

層面是地下水徑流的主要通道，在地下水長期活動下，沿層面易產(chǎn)生水平溶洞、溶溝和溶槽，順節(jié)理、裂隙走向多見巖溶漏斗展布。

3.2.4 地質(zhì)構(gòu)造的影響

區(qū)域上的白石巖-小河水大向斜在隧道洞身通過，向斜核部與路線交于K19+547 m附近，向斜軸部走向北東向，構(gòu)造上有利于地下水的入滲，溶蝕現(xiàn)象極發(fā)育。

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查情況，可初步判斷研究區(qū)巖溶極發(fā)育，尤其在向斜核部與路線交于K19+547 m附近可能發(fā)育溶洞，單具體隧道穿過段落巖溶發(fā)育情況需要物探、鉆探進行進一步詳查。

3.3 隧道貫通物探

目前，公路工程在探測巖溶中通常采用的物探技術(shù)有電法、彈性波及電磁波層析成像法等，地震折射等方法，但由于勘察深度有限，并不適用于隧道勘察，針對埋深較深的隧道勘察中應(yīng)用最多的是音頻大地電磁法，本隧道也采取了音頻大地電磁法進行左右線貫通物探工作。

物探工作進行之前，首先通過現(xiàn)場試驗及相關(guān)區(qū)域參數(shù)類比要得到研究區(qū)地球物理特征，得出電阻率參數(shù)(表1)，最后結(jié)合電阻率參數(shù)對物探成果(圖6)進行解釋。

表1 研究區(qū)電阻率參數(shù)Table 1 Area resistivity parameter

圖6 德澤隧道物探成果Fig.6 Geophysical exploration results of Deze Tunnel

根據(jù)物探成果得到以下結(jié)論。

(1)左右線剖面整體電阻率分布都不均勻，視電阻率在100～2 000 Ω·m變化，背景值較低，表明隧道巖體總體較為破碎、巖溶強烈發(fā)育。

(2)左右線比較來看，右線巖溶更加發(fā)育，有4段(K19+550 m附近、K19+710 m附近、K20+040 m附近、K20+250 m附近)巖體溶蝕嚴重，右線僅有1處(ZK19+680 m附近)，且隧道右線受構(gòu)造影響更嚴重，向斜核部在右線物探剖面有清晰反應(yīng)(圖6)。

3.4 地質(zhì)鉆探

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪及物探剖面綜合分析，在物探異常處布設(shè)鉆孔5個，對右線4處及左線1處推測巖溶發(fā)育區(qū)進行詳查，鉆孔樁號及驗證情況如表2所示。

對比結(jié)果(表2)表明，物探成果成功的對巖溶發(fā)育區(qū)進行了揭示，通過物探對巖溶發(fā)育區(qū)進行宏觀控制行之有效，物探成果能較好的為鉆孔布設(shè)提供指導(dǎo)性意見，但巖溶發(fā)育具體規(guī)模就充填情況需要鉆孔進行詳查。

3.5 三維激光掃描

通過K19 714L10 m鉆孔揭示在里程K19+714 m，孔深14.80～53.00 m存在一大型溶洞，但溶洞的形態(tài)及影響范圍僅靠鉆探及物探無法確定，為查明溶洞的形態(tài)及可能對隧道造成的影響，使用三維激光掃描儀在鉆孔內(nèi)對溶洞進行了全方位掃描成像，取得成像信息，得到三維成像結(jié)果，直觀映射了溶洞內(nèi)部的真實體積、形態(tài)等況(圖7)。

3.6 水文地質(zhì)實驗

為了分析隧道圍巖的透水性、富水性，對隧道涌水段落及可能涌水量預(yù)測，在鉆孔K19+778.09L13.82 m，孔深63.40～81.00 m段泥晶灰?guī)r內(nèi)進行了壓水試驗，經(jīng)計算滲透系數(shù)K為0.003 1 m/d，參照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)附錄F預(yù)測，泥晶灰?guī)r呈微～弱透水性，由于場地巖體受溶蝕裂隙及管道影響嚴重，巖體破碎程度差異較差，其滲透系數(shù)差異較大。

3.7 綜合分析

根據(jù)綜合勘察手段成果進行分析，預(yù)測隧道集中涌水災(zāi)害段落及評價如下。

隧道集中涌水段災(zāi)害類型及涌水災(zāi)害特點，在隧道洞身K19+450～K19+580 m段、K19+689～K19+767 m段、K19+990～K20+040 m段為物探解釋的低阻異常帶，且鉆孔驗證溶蝕管道發(fā)育，管道內(nèi)溶蝕強烈，可能在局部段落存在大型溶蝕管道，多為豎向管道，部分溶蝕孔洞充填黏土等，隧道開挖時可能產(chǎn)生突泥等現(xiàn)象。在K19+860～K19+960 m段物探揭示隧道底板以下30 m附近巖溶強烈發(fā)育，可能存在大型巖溶管道，建議施工中加強底板以下巖溶孔洞的探測和預(yù)報，確保隧道底板安全。同時對于隧道左線，根據(jù)物探資料，ZK19+380～ZK19+472、ZK19+661～ZK19+692、ZK20+114～ZK20+160、ZK20+190～ZK20+300 m這些段落溶蝕裂隙或發(fā)育巖溶管道。

表2 物探成果與鉆探成果對比分析Table 2 A comparative analysis of geophysical anomalies and drilling results

圖7 三維激光掃描成果Fig.7 3-D Laser Scanning Achievements

圖8 德澤隧道綜合地質(zhì)剖面圖Fig.8 Comprehensive geological profile of Deze Tunnel

根據(jù)溶洞三維成像結(jié)果，運算得出溶洞體積為320 m3，溶洞頂部至底部高差41 m，溶洞橫向尺寸變化為2.5～8.5 m，為豎行管道狀溶洞，為溶洞災(zāi)害的預(yù)防及預(yù)測其對隧道開挖產(chǎn)生的影響提供了詳實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。從結(jié)果來看，三維激光掃描對能對鉆孔進行有效精確的補充，成像結(jié)果清晰直觀，是溶洞精確勘察的先進手段。

根據(jù)綜合分析，得出隧道巖溶發(fā)育情況(表3)，繪制出綜合地質(zhì)剖面圖(圖8)，由于對隧道巖溶發(fā)育情況的準確勘察，該隧道提前141 d貫通，開挖過程中揭示的隧道巖性情況、構(gòu)造情況以及巖溶發(fā)育情況與勘察情況基本一致，變更量極少，表明研究勘察模式實現(xiàn)了巖溶精細勘察的目的。

表3 隧道巖溶發(fā)育情況Table 3 Table of karst development in tunnels

4 結(jié)論

(1)由于巖溶隧道中溶蝕現(xiàn)象發(fā)育的隱伏性、多樣性、無規(guī)律性等特點，僅靠單一的勘察手段難以有效查明巖溶發(fā)育及對隧道的影響情況，通過地調(diào)、物探、鉆探、三維掃描等綜合勘察手段能有效查明巖溶發(fā)育情況，值得進行推廣應(yīng)用。

(2)在高速公路巖溶勘探中引入三維激光掃描，取得良好的應(yīng)用效果，為高速公路巖溶、采空區(qū)勘察中提供了一種新的精細勘察方法。

(3)巖溶隧道應(yīng)該通過地調(diào)先行，物探普查、鉆孔驗證、三維掃描確定大型溶洞形態(tài)等環(huán)節(jié)逐層推進，通過科學(xué)手段有效解決巖溶發(fā)育問題。

(4)在巖溶隧道綜合勘察過程中，對每個環(huán)節(jié)的成果資料應(yīng)充分分析后再針對性進行下一步工作，使綜合勘察工作層層深入，各種勘察方法要相互相印證，相互補充，使勘察資料更加準確。