高速鐵路隧道基底巖溶探測(cè)及處理

景積倉(cāng)

(陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，陜西西安 710043)

在可溶巖地區(qū)修建高速鐵路隧道工程，若隧道基底存在隱蔽溶洞，會(huì)給鐵路運(yùn)營(yíng)造成較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。由于巖溶分布存在較大的不確定性和多變性，在地質(zhì)勘察階段，一般很難全面查明巖溶的發(fā)育程度和富水程度。因此，在施工階段對(duì)基底隱蔽巖溶的探測(cè)和處理就顯得尤為重要。已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究：朱紫祥等采用高密度電法對(duì)溶洞進(jìn)行了勘查[1-3]；李大虎等采用探地雷達(dá)對(duì)墩下隱伏巖溶進(jìn)行了探測(cè)[4]；李良泉等采用綜合物探查明了某鐵路隧道基底巖溶的分布情況[5]。也有部分學(xué)者對(duì)基底巖溶處理方法進(jìn)行了研究：王喚龍等基于云桂鐵路某隧道工程實(shí)例，采用樁加筏板基礎(chǔ)處理高速鐵路基底巖溶[6-7]；梁軍等介紹了采用樹(shù)根樁對(duì)隧道基底溶洞軟基進(jìn)行處治的設(shè)計(jì)方案、施工工藝和應(yīng)用效果[8]；楊凡等介紹了在隧底架設(shè)底板支撐跨越溶洞的處理方案[9]；趙全超等采用暗溝、管道、涵洞、泄水洞、拱橋等方式處理隧道基底巖溶水[10]。

采用物探方法進(jìn)行隧道基底巖溶探測(cè)時(shí)，由于物探的多解性，若不采用鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，將無(wú)法確定隧道基底隱蔽巖溶的規(guī)模、位置和巖溶水情況?？刹捎梦锾胶豌@探相結(jié)合的綜合勘察手段，對(duì)隧道基底以下一定深度的隱蔽溶洞進(jìn)行探測(cè)，再依據(jù)綜合探測(cè)結(jié)果，以確定隧道基底隱蔽巖溶的處理方案。

1 常用巖溶探測(cè)方法介紹

受隧道內(nèi)空間限制，鐵路隧道基底巖溶探測(cè)可采用的物探方法主要有：地質(zhì)雷達(dá)法、地震映像法、高密度電法等；對(duì)物探異常地段，可用鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。

1.1 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)法是一種向介質(zhì)中發(fā)射特定頻率電磁波，根據(jù)反射波的形態(tài)、振幅、相位等判斷介質(zhì)內(nèi)差異的方法。該方法對(duì)于低阻類(lèi)異常較為敏感。因此，地質(zhì)雷達(dá)法可較好地完成溶洞、破碎帶等異常帶的探測(cè)工作。

優(yōu)點(diǎn)：分辨率高、工作效率高、無(wú)損，配合100 MHz天線時(shí)，探測(cè)深度可達(dá)15～25 m。

缺點(diǎn)：當(dāng)覆蓋層較厚或覆蓋層為低阻時(shí)效果欠佳，且有效探測(cè)深度會(huì)明顯降低；仰拱有配筋時(shí)，鋼筋對(duì)探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性有一定影響。

解決方案：對(duì)于隧道基底圍巖風(fēng)化程度較高、基底圍巖含有低阻層或仰拱有配筋時(shí)，可采用地震映像法或高密度電法進(jìn)行復(fù)核；當(dāng)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)存在電磁干擾時(shí)，應(yīng)暫停產(chǎn)生電磁干擾的作業(yè)。

1.2 地震映像法(震法)

地震映像法又稱(chēng)高密度地震勘探和地震多波勘探，是基于反射波偏移距技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種常用淺地層勘探方法?？衫玫男畔ǎ赫凵洳?、反射波、繞射波，以及有一定規(guī)律的面波、橫波和轉(zhuǎn)換波。地震映像法主要適用于洞穴、巖石中的溶洞、巖溶塌陷、基巖面起伏、斷層等的探測(cè)。

優(yōu)點(diǎn)：采集數(shù)據(jù)中包含波動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)信息；探測(cè)深度較大。

缺點(diǎn)：工作效率低，抗干擾能力較弱，最優(yōu)偏移距的確定較為困難。

解決方案：可采用多次疊加方法提高分辨率；正式探測(cè)前，先進(jìn)行干擾波調(diào)查，再確定最優(yōu)偏移距；與地質(zhì)雷達(dá)法聯(lián)合使用，可較準(zhǔn)確地探明隧道基底下25～30 m深度范圍內(nèi)的巖溶發(fā)育情況。

1.3 高密度電法

高密度電法對(duì)地下不均勻體具有很強(qiáng)的識(shí)別能力，特別是溶洞類(lèi)的地下異常體。

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)溶洞的大小、埋深等探測(cè)精度較高。

缺點(diǎn)：隧道基底為弱風(fēng)化基巖時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施作困難；受空間限制，垂直隧道方向布線困難；隧道內(nèi)探測(cè)深度較淺。

解決方案：與地質(zhì)雷達(dá)法、震法聯(lián)合使用。

1.4 鉆探法

對(duì)綜合物探方法探測(cè)的異常地段，可通過(guò)鉆探確定隧道基底巖溶發(fā)育、溶洞充填及巖溶充水情況。

2 隧道基底巖溶連通性探測(cè)

隧道基底溶洞連通性探測(cè)是巖溶探測(cè)的難點(diǎn)，其結(jié)果對(duì)基底巖溶處理方案的選擇影響較大。巖溶連通性試驗(yàn)一般采用在水中添加示蹤元素的方式進(jìn)行(應(yīng)首先查明溶洞水的進(jìn)出口)；若有用于探測(cè)的鉆孔可利用，則可以在鉆至溶洞后向孔內(nèi)壓煙，并在隧道地表尋找出煙口；該方法是一種逆作法，解決了尋找?guī)r溶進(jìn)出口困難的問(wèn)題。

3 隧道基底巖溶探測(cè)方案

3.1 探測(cè)方案選擇

一般采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道巖溶貫通探測(cè)，采用震法進(jìn)行復(fù)核探測(cè)。當(dāng)隧道基底地層為風(fēng)化基巖時(shí)，也可采用高密度電法進(jìn)行復(fù)核探測(cè)，復(fù)核量應(yīng)不小于地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)量的40%，以保證探測(cè)的可靠性。

3.2 測(cè)線布置

正線隧道中，探測(cè)測(cè)線沿線路方向按照3條(軌道中線和兩側(cè))進(jìn)行布置。為減少邊墻鋼架對(duì)探測(cè)精度的影響，兩側(cè)測(cè)線應(yīng)距離鋼架2 m以上(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 隧道測(cè)線布置正視(單位：m)

圖2 隧道測(cè)線布置側(cè)視(單位：m)

3.3 探測(cè)精度

根據(jù)線路所在地區(qū)巖溶發(fā)育程度確定，分兩步開(kāi)展工作。

初探：對(duì)可溶巖地段隧道基底進(jìn)行全面探測(cè)，初步確定隧道基底巖溶發(fā)育程度。

詳探：在初探的基礎(chǔ)上，對(duì)隧道基底巖溶發(fā)育程度進(jìn)行詳細(xì)探測(cè)。在巖溶發(fā)育地段或者異常體范圍較大的地段，應(yīng)加密探測(cè)線，以提高探測(cè)精度，并采用震法等手段進(jìn)行復(fù)核，必要時(shí)可布置橫測(cè)線(見(jiàn)圖3)。

圖3 隧道橫斷面測(cè)線布置側(cè)視(單位：m)

3.4 探測(cè)重點(diǎn)

一般為隧道基底一定深度范圍內(nèi)的隱蔽巖溶裂隙、溶洞等。巖溶發(fā)育一般地段，可探測(cè)至基底以下25～30 m；巖溶發(fā)育地段或巖溶規(guī)模較大時(shí)，探測(cè)深度應(yīng)適當(dāng)加深(>30 m)。

3.5 鉆探驗(yàn)證

采用斷面控制法能較好地探測(cè)到基底巖溶的空間分布形態(tài)，避免單一物探方法對(duì)基底隱蔽巖溶形態(tài)的誤判或遺漏?？刹捎谜鸱▽?duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行復(fù)核探測(cè)，既是對(duì)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)異常地段的復(fù)查，也能起到對(duì)地質(zhì)雷達(dá)可能遺漏的異常地段的補(bǔ)充探測(cè)，起到“查缺補(bǔ)漏”的作用。

4 高速鐵路隧道基底隱蔽巖溶處理原則

巖溶處理方案與溶洞大小、巖溶水大小、基底隱蔽巖溶的位置等密切相關(guān)，一般應(yīng)遵循以下處理原則。

(1)對(duì)于孤立的溶洞，一般可以采取基底注漿的方法進(jìn)行處理。

(2)對(duì)于大型溶洞或者連通性較好且為巖溶水流通路徑的小型溶洞，可采用基底注漿的方式進(jìn)行處理；當(dāng)溶洞內(nèi)巖溶水發(fā)育、基底溶洞為巖溶水通道時(shí)，應(yīng)通過(guò)施作泄水洞進(jìn)行處理。

(3)隧道基底巖溶發(fā)育地段，應(yīng)加強(qiáng)隧道的結(jié)構(gòu)措施。

(4)采用注漿方式處理隧道基底隱蔽溶洞時(shí)，應(yīng)對(duì)隧道基底進(jìn)行復(fù)測(cè)；若復(fù)測(cè)存在異常，應(yīng)進(jìn)行基底二次注漿并再次復(fù)測(cè)。

5 應(yīng)用實(shí)例

以西成客專(zhuān)房家灣隧道出口段基底巖溶處理為例。隧道出口DgK288+275～DgK289+708(長(zhǎng)433 m)段為砂質(zhì)白云巖，施工揭示，該段砂質(zhì)白云巖中巖溶發(fā)育，并伴有巖溶水；該段在雨季曾發(fā)生過(guò)較大涌水，出現(xiàn)淹井現(xiàn)象，施工過(guò)程中已進(jìn)行了相應(yīng)的工程處理。

5.1 基底巖溶探測(cè)

地質(zhì)雷達(dá)和震法探測(cè)發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)圖4)，DgK288+961～ DgK288+929右側(cè)仰拱以下8～12 m深度范圍內(nèi)存在異常(寬3 m)；DgK289+428～ DgK289+418左側(cè)仰拱以下7～12 m深度范圍內(nèi)存在異常(寬2 m)；DgK289+568～DgK289+540右側(cè)仰拱以下10～15 m深度范圍內(nèi)存在異常(寬2 m)；DgK289+672～ DgK289+644右側(cè)仰拱以下7～12 m深度范圍內(nèi)存在異常(寬2 m)。

圖4 DgK289+568～DgK289+540段物探結(jié)果(單位：m)

為進(jìn)一步查明房家灣隧道出口基底異常地段巖溶發(fā)育情況，對(duì)物探異常地段采用鉆探進(jìn)行了驗(yàn)證。

(1)DgK288+961～DgK288+929段

鉆孔布置見(jiàn)圖5。根據(jù)鉆探結(jié)果，該段隧道基底以下巖體節(jié)理發(fā)育程度和發(fā)育深度不均勻。其中，F(xiàn)Z-2基底下13 m以上，F(xiàn)Z-4基底下12 m以上，F(xiàn)Z-4-1基底下15.2～20.7 m， FZ-5基底下14 m以上為節(jié)理發(fā)育-極發(fā)育，節(jié)理張開(kāi)且被黏性土充填，局部可見(jiàn)小溶孔。其余地段節(jié)理相對(duì)較發(fā)育。綜合分析認(rèn)為，物探異常段落主要為節(jié)理發(fā)育地段，隧道基底以下30 m范圍內(nèi)未見(jiàn)溶洞。

圖5 DgK288+961～+929段鉆孔布置

(2)DgK289+428～DgK289+418段

鉆孔布置見(jiàn)圖6。根據(jù)鉆探結(jié)果，該段隧道基底以下30 m深度范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)溶洞。FZ-6鉆孔處仰拱填充面以下4.4～6.0 m范圍內(nèi)為深灰色頁(yè)巖，巖芯呈碎塊狀、碎片狀；13～14.1 m范圍內(nèi)節(jié)理相對(duì)較發(fā)育；FZ-7鉆孔處仰拱填充面以下1.9～3 m、4.5～6 m、7.5～8.1 m、24～24.5 m范圍內(nèi)巖體節(jié)理相對(duì)較發(fā)育。綜合分析認(rèn)為，物探異常段落主要為節(jié)理發(fā)育地段。

圖6 DgK289+428～DgK289+418段鉆孔布置

(3)DgK289+568～DgK289+540段

鉆孔布置見(jiàn)圖7。根據(jù)鉆探結(jié)果，該段發(fā)育兩層帶狀巖溶，分別位于隧道基底以下8～17 m及14～25 m范圍內(nèi)，寬6～7 m，巖溶帶與隧道走向夾角約26°；溶洞為無(wú)充填-全充填，填充物為角礫及黏性土；溶洞內(nèi)發(fā)育地下水；隧道基底至溶洞頂?shù)膸r體頂板厚8～14 m不等，頂板巖體局部發(fā)育節(jié)理。為探測(cè)溶洞的連通性，采用空壓機(jī)向鉆孔內(nèi)壓送煙霧，并在地表尋找出煙位置。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果， 隧道內(nèi)DgK289+561處鉆孔出風(fēng)位置與地表DgK289+508左側(cè)459.6 m處的空隙有連通。結(jié)合鉆探資料分析，該段為一條寬6～7 m的裂隙性巖溶，且與地表連通性良好(見(jiàn)圖8)。

圖7 DgK289+568～DgK289+540段鉆孔布置

圖8 DgK289+561處基底溶洞與地表連通性示意

(4)DgK289+672～DgK289+644段

鉆孔布置見(jiàn)圖9，根據(jù)鉆探結(jié)果，該段隧道基底以下13～19 m范圍內(nèi)發(fā)育一帶狀巖溶，巖溶帶與隧道走向夾角約20°；溶洞為半充填-全充填，填充物為雜砂及黏性土；隧道基底至溶洞頂?shù)膸r體頂板厚9～13 m，頂板巖體局部發(fā)育節(jié)理。采用空壓機(jī)向孔內(nèi)壓煙的方式進(jìn)行連通性試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)24 h壓煙試驗(yàn)，地表未發(fā)現(xiàn)出煙點(diǎn)，但該段在鉆探過(guò)程中，孔內(nèi)有輕微出風(fēng)現(xiàn)象。分析認(rèn)為，該巖溶帶與地表連通性一般。

圖9 DgK289+672～DgK289+644段鉆孔布置

5.2 基底巖溶處理方案

(1)DgK288+961～DgK288+929、DgK289+428～DgK289+418段

隧道基底巖溶不發(fā)育，采用基底注漿即可達(dá)到隧道基底安全穩(wěn)定、運(yùn)營(yíng)安全的要求。故在這兩段采用了R51P微型樁注漿加固方案。

(2)DgK289+672～DgK289+644段

該段距離隧道洞口僅36 m，且洞口為第四系覆蓋層，施工所揭示土石分界線位于DgK289+680附近，地下水不易匯集。該段隧道基底巖溶水不發(fā)育且排泄通道暢通，對(duì)該段隧道基底注漿不會(huì)造成基底巖溶水頭升高，且能達(dá)到隧道基底安全穩(wěn)定、運(yùn)營(yíng)安全的要求。故在該段設(shè)置φ200 mm鋼管樁，并通過(guò)鋼管樁注漿加固基底，加固深度為20 m，并嵌入基巖深度不小于1 m。

(3)DgK289+568～DgK289+540段

隧道基底為帶狀溶洞，且與地表連通性較好。由以上各段鉆探資料及巖溶水發(fā)育情況可知，該段地下水水位高程為862～864 m，基底巖溶水發(fā)育，且隧道底巖溶位于巖溶通道內(nèi)巖溶水的流通路徑位置。因此，采用基底注漿加固會(huì)堵塞巖溶水通道，導(dǎo)致隧道周?chē)^升高，隧道二襯將承受水壓。為確保工程長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)安全，在線路左側(cè)設(shè)置一處泄水洞，以避免隧道襯砌承受水壓，如圖10所示。

圖10 泄水洞平面位置

(4)DgK289+672～DgK289+644段

采用了鋼管樁注漿方案。為驗(yàn)證加固效果，采用地質(zhì)雷達(dá)和震法進(jìn)行復(fù)核，復(fù)核探測(cè)結(jié)果顯示，注漿后基底以下未見(jiàn)異常。

6 結(jié)論

(1)高速鐵路對(duì)變形要求和安全要求都較高，隧道基底隱蔽巖溶探測(cè)和處理是隧道工程安全的最后一道屏障，對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)安全至關(guān)重要。對(duì)位于可溶巖地區(qū)的高速鐵路隧道，在隧道施工開(kāi)挖后，必須對(duì)隧道基底隱蔽巖溶進(jìn)行探測(cè)。

(2)對(duì)于鐵路隧道工程基底隱蔽巖溶探測(cè)，應(yīng)綜合采用地質(zhì)雷達(dá)、震法、高密度電法等綜合物探手段，各種方法相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證，初步確定隧道基底隱蔽巖溶的分布范圍、埋深及溶洞大小。對(duì)物探探測(cè)的異常地段，應(yīng)采用鉆探進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)鉆探揭示的溶洞，應(yīng)進(jìn)行溶洞連通性試驗(yàn)，確定隧道基底隱蔽溶洞的走向、隧道基底隱蔽溶洞與地表降雨入滲區(qū)的關(guān)系。

(3)應(yīng)依據(jù)隧道基底隱蔽巖溶的空間分布形態(tài)、巖溶水的大小、隧道基底隱蔽巖溶與地表的連通關(guān)系以及基底巖溶在巖溶通道中的位置等因素確定隧道基底隱蔽巖溶處理方案。當(dāng)溶洞內(nèi)巖溶水發(fā)育、基底溶洞為巖溶水流通通道時(shí)，應(yīng)通過(guò)施作泄水洞進(jìn)行處理，避免由于隧道基底隱蔽巖溶處理不當(dāng)，造成隧道二襯承受水壓，威脅運(yùn)營(yíng)安全。

(4)采用注漿方式處理基底隱蔽溶洞時(shí)，應(yīng)進(jìn)行基底復(fù)核探測(cè)，復(fù)核探測(cè)有異常時(shí)，應(yīng)進(jìn)行基底二次注漿并再次復(fù)核。