隧道內(nèi)隱伏巖溶綜合探測技術(shù)研究與應(yīng)用

程 木 星， 程 江 河， 任 運(yùn) 盼

(1.中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 611830；2.中國鐵路武漢局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000)

1 概 述

新建鐵路磨丁至萬象線北起中老邊境口岸磨丁，終到老撾首都萬象市，線路全長414 km，新建隧道75座、196 km，其中巖溶隧道18座，長約16 km。由中國水電十局承建的路段穿越萬榮巖溶風(fēng)景區(qū)，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，突水突泥、斷層破碎帶、煤系地層及瓦斯、溶蝕洼地、暗河等不良地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重，施工風(fēng)險(xiǎn)極大。因此，在隧道土建施工期和軌道架設(shè)之前，若能夠較準(zhǔn)確地確定巖溶發(fā)育的規(guī)模、與線路的空間關(guān)系、與斷層和地表淺層巖溶發(fā)育區(qū)的連通關(guān)系，對設(shè)計(jì)和施工能起到良好的指導(dǎo)作用，對于規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，確保營運(yùn)安全具有重要的意義[1]。

中老鐵路為單線鐵路，隧道施工空間狹窄，各類施工機(jī)具設(shè)備活動(dòng)頻繁，電、磁、振動(dòng)干擾嚴(yán)重，巖溶探測實(shí)施難度較大，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用適宜的勘探方法進(jìn)行勘探。國內(nèi)在一般條件下采用的物探方法是沿線路進(jìn)行帶狀探查，確定異常發(fā)育區(qū)后進(jìn)行鉆探驗(yàn)證用以評價(jià)巖溶的發(fā)育程度和規(guī)模，但該探測方法較為單一，準(zhǔn)確性不高。為提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，水電十局中老鐵路項(xiàng)目部的技術(shù)人員結(jié)合隧道施工階段的具體特點(diǎn)，在隧道隱伏巖溶探測研究中應(yīng)用了風(fēng)槍探孔+釬探+物探+鉆探的綜合勘探模式，積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，為巖溶整治提供了詳實(shí)、科學(xué)、客觀的依據(jù)。

2 探測方法

隧道施工期需開展探測工作的巖溶分為開挖已揭露的巖溶和開挖未揭露的巖溶(隱伏巖溶)兩類，細(xì)分為洞周探測和隧底探測兩部分。洞周包括隧道拱部及邊墻，隧底系指除洞周之外的隧道底部。巖溶探測需根據(jù)施工工序安排、有序進(jìn)行、適時(shí)調(diào)整。

2.1 風(fēng)槍探孔法

風(fēng)槍探孔法是利用風(fēng)槍鉆在隧道開挖每循環(huán)中對洞周及隧底鉆小孔徑的淺孔以獲取地質(zhì)信息，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)情況，實(shí)用性強(qiáng)。隧道施工期，靠近掌子面附近的隧底巖溶物探受大型施工機(jī)具、鐵質(zhì)物體等環(huán)境條件的限制，電磁干擾嚴(yán)重，一些方法不具備施測條件，而另一些方法因受到干擾致使資料質(zhì)量變差，分辨率降低。風(fēng)槍探孔法不受這些環(huán)境因素影響，是隧道仰拱實(shí)施前進(jìn)行隧底隱伏巖溶探測行之有效的手段。

2.2 釬探法

釬探在隧底、洞周有充填物且充填物厚度小于3 m時(shí)使用，原則上孔間縱橫向間距不大于5 m，探測范圍須覆蓋巖溶充填物。釬探孔每孔的里程位置須準(zhǔn)確定位，并需詳細(xì)記錄每個(gè)孔巖溶充填物的厚度、成分、軟硬程度、含水程度等。

2.3 物探法

隧道仰拱澆筑后，采用地質(zhì)雷達(dá)法和地震映像法的綜合分析方法拉通探測。標(biāo)段測區(qū)上覆粉質(zhì)黏土、松軟土、粗(細(xì))圓礫土、卵石土；下伏基巖為砂巖、泥巖夾石英砂巖、煤層、灰?guī)r夾頁巖、板巖夾灰?guī)r。以溶洞、破碎帶、溶腔等形式出現(xiàn)的巖溶與上述地層存在明顯的物性差異，從而為巖溶物探工作提供了良好的地球物理特征。

(1)地質(zhì)雷達(dá)法。采用地質(zhì)雷達(dá)法對隧道基底進(jìn)行探測時(shí)，由發(fā)射天線向隧底的巖層發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波傳至兩種不同介質(zhì)的分界面，如斷層、洞穴和巖層分界面等時(shí)，由于兩種介質(zhì)的介電常數(shù)存在差異而使電磁波在界面處會(huì)發(fā)生反射和折射等現(xiàn)象，入射波、反射波和折射波的傳播遵循反射定律和折射定律，反射波返回隧底表層被接收天線接收，形成雷達(dá)圖像[2]。

地質(zhì)雷達(dá)法是一種高效、直觀、連續(xù)無破壞性、分辨率高的物探方法，所提供的資料圖件為連續(xù)時(shí)間(深度)剖面圖，對溶洞的分布范圍、埋深、大小一目了然。考慮到隧底基本為基巖，電磁波穿透深度較大，故其探測深度滿足勘探要求。

(2)地震映像法。地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的一種地球物理勘探方法，是以相同的偏移距逐步移動(dòng)測點(diǎn)接收地震信號(hào)對地下的地層或目標(biāo)體進(jìn)行連續(xù)掃描，探測地下介質(zhì)變化的地震方法。

地震映像法數(shù)據(jù)采集速度快，避免了動(dòng)、靜校正對地震波的拉仰、畸變影響，保留了多種地震波信息及全部動(dòng)力學(xué)特征；特別是在探測目標(biāo)體相對單一、以橫向地質(zhì)條件變化為主的情況下，地震映像法探測效果好，具有快速、高效、成果直觀，可利用多種地震波及其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征實(shí)現(xiàn)異常體較準(zhǔn)確的定位及性質(zhì)判別的優(yōu)點(diǎn)(圖1)。

圖1 萬榮隧道地震映像法現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

在巖溶探測中，與鉆探法相比，物探不會(huì)損壞既有工程和構(gòu)筑物且探測費(fèi)用低，施測速度快；但物探屬于間接性探測方法，其結(jié)果時(shí)常存在多解性，而且每一種物探方法存在自身具有的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，應(yīng)針對隧底的具體條件，根據(jù)每一種物探方法的特點(diǎn)選擇兩種及兩種以上的方法進(jìn)行綜合物探。

地質(zhì)雷達(dá)法探測速度較快，但其探測深度小，當(dāng)存在低電阻的潮濕土層強(qiáng)烈吸收電磁波時(shí)，勘探深度只有約5 m。故要求地面必須平整，否則無法拖動(dòng)天線或干擾較大。地震映像法為彈性波類物探方法，不受隧底仰拱鋪設(shè)鋼筋的影響，能夠宏觀地探測隧底巖溶，是仰拱鋪設(shè)鋼筋地段比較有效的物探方法；但在另一方面，與地質(zhì)雷達(dá)的電磁波頻率相比，地質(zhì)地震映像法的地震波頻率較低，所獲得的資料精度沒有地質(zhì)雷達(dá)法高。

2.4 鉆探法

當(dāng)采用物探法出現(xiàn)異常時(shí)需采用鉆探法進(jìn)行驗(yàn)證控制，以進(jìn)一步查明異常體的深度、范圍、性質(zhì)。鉆孔的密度、深度應(yīng)以查明對工程有影響的巖溶或物探異常帶的空間分布特征為原則進(jìn)行控制。隧底鉆探的有效深度原則上不小于10 m,當(dāng)揭露巖溶等不良地質(zhì)情況時(shí)，鉆探深度應(yīng)穿越巖溶至穩(wěn)定基巖中不小于5 m。

2.5 風(fēng)槍探孔+釬探+物探+鉆探的綜合勘探模式

綜合考慮隧道隱伏巖溶探測的場地條件以及施工期間存在的電、磁、振動(dòng)等外界干擾，為了取得較好的勘探效果，隧道隱伏巖溶探測工作采用“風(fēng)槍探孔+釬探+物探+鉆探”的綜合勘探模式[3]。

(1)澆筑仰拱前，在每個(gè)斷面布置10個(gè)孔(洞周7孔，隧底3孔),孔深5 m,采用風(fēng)槍探孔及釬探對洞周及隧底隱伏巖溶進(jìn)行探測。

(2)澆筑仰拱后，根據(jù)隧道主體工程和鋪底進(jìn)展情況分段實(shí)施隧道基底巖溶物探。對于小于1 000 m的可溶巖段落，在該段仰拱施作完成后進(jìn)行物探；對于長度大于1 000 m的可溶巖段落，仰拱每施作1 000 m開展一次物探。

(3)物探施測后，對所發(fā)現(xiàn)的規(guī)模較大或埋深較淺的溶洞異常情況進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。對物探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證后，根據(jù)驗(yàn)證資料對物探判釋結(jié)果進(jìn)行修正。

3 探測的實(shí)施

隧道基底隱伏巖溶的物探和鉆探由勘察設(shè)計(jì)單位成立的現(xiàn)場地勘項(xiàng)目部負(fù)責(zé)實(shí)施。隧底及洞周的地質(zhì)測繪、風(fēng)槍探孔、釬探等由隧道施工架子隊(duì)負(fù)責(zé)實(shí)施。在隧道施工期，架子隊(duì)?wèi)?yīng)為物探施測提供必要的條件，盡量消除電、磁、振動(dòng)等各種干擾以提高數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。開展隧道隧底巖溶物探時(shí)，要求隧底平整、壓實(shí),無碎石和施工材料堆放，無積水、流水和泥漿等。進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)法探測時(shí)，需將施工機(jī)械、車輛及鐵質(zhì)物體移至工作場地范圍之外以減少電磁干擾；進(jìn)行地震映像法探測時(shí)，工作場地附近應(yīng)停止人員走動(dòng)和施工機(jī)械的操作，以減少振動(dòng)噪聲干擾。

3.1 風(fēng)槍探孔

采用風(fēng)槍探孔對洞周及隧底隱伏巖溶進(jìn)行探測時(shí)，每個(gè)斷面布置10個(gè)探孔，分別位于拱頂、左右拱腳、左右邊墻中部、左右邊墻腳處、隧底中線及兩側(cè)處。探孔深度為5 m，斷面縱向間距為5 m，遇到巖溶異常時(shí)應(yīng)適當(dāng)加密、加深。探測工作斷面上拱墻部分的7個(gè)風(fēng)槍探孔結(jié)合隧道支護(hù)系統(tǒng)錨桿進(jìn)行，拱墻系統(tǒng)的錨桿原設(shè)計(jì)長度一般為2.5～3 m,需將探測工作斷面上利用的7個(gè)拱墻系統(tǒng)錨桿孔加長至5 m,考慮注漿；探測工作斷面上隧底的探測孔深度為5 m,不需注漿。

風(fēng)槍探孔記錄。尤其是有巖溶異常的探孔需要詳細(xì)記錄巖溶深度、充填物性質(zhì)、充水情況、巖石破碎程度等。風(fēng)槍探孔是隧底仰拱澆筑前隧道隱伏巖溶探測的重要手段，應(yīng)作為一項(xiàng)工序納入隧道施工中，由架子隊(duì)嚴(yán)格按有關(guān)要求實(shí)施。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法物探

在地質(zhì)雷達(dá)法資料采集中，為兼顧探測深度和精度的需要，使用了100 MHz的屏蔽天線，采用連續(xù)測量采集數(shù)據(jù)。探測時(shí)選擇合適的時(shí)間窗口和采樣間隔并根據(jù)數(shù)據(jù)采集中的干擾變化和效果及時(shí)調(diào)整工作參數(shù)。萬榮隧道探測時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況標(biāo)定相對介電常數(shù)，測量時(shí)窗選定為550 ns，采樣點(diǎn)數(shù)為512點(diǎn)/道，掃描速率約為60掃/s。在雷達(dá)探測過程中，每5 m進(jìn)行標(biāo)記，準(zhǔn)確標(biāo)記測量位置。記錄長度不宜大于300 m。分段探測時(shí)，記錄中重復(fù)探測的長度不得小于2 m。對發(fā)現(xiàn)有重點(diǎn)異常的區(qū)域應(yīng)重復(fù)觀測，重復(fù)性較差時(shí)應(yīng)查明原因。

地質(zhì)雷達(dá)法的資料解釋主要依據(jù)雷達(dá)深度剖面圖，通過地質(zhì)雷達(dá)剖面上的電磁反射波組、強(qiáng)能量團(tuán)塊分布和雙曲線等特征，對隧道基底隱伏巖溶發(fā)育情況做出判斷[4]。

基底結(jié)構(gòu)密實(shí)(即正常情況下)的雷達(dá)圖像具有反射波同相軸連續(xù)并且平行、末出現(xiàn)明顯繞射波、頻率高等特征，圖2為萬榮隧道DK295+011∽+035段完整灰?guī)r的圖像反映。

圖2 完整基巖地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

基底結(jié)構(gòu)不密實(shí)時(shí)電磁波的頻率變低，如果局部松散或有空洞時(shí)，電磁波反射波組雜亂，伴隨有很多弧形繞射波；當(dāng)基底內(nèi)松散且含水量較高時(shí)，電磁反射波組頻率比較低、出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。如圖3所示，DK294+805.5～+814.5段右1.8 m處地質(zhì)雷達(dá)剖面圖中下部在雷達(dá)中呈強(qiáng)反射波且呈雙曲線特征，物探解釋為空洞的反映。萬榮隧道D294+975～0K295+000段地質(zhì)雷達(dá)剖面圖(圖4)中上部存在電磁波強(qiáng)反射波組且雜亂等特征，物探解釋為破碎帶反映。

3.3 地質(zhì)地震映像法探測

數(shù)據(jù)采集過程中，震源點(diǎn)與檢波點(diǎn)相對位置保持不變，震源點(diǎn)與檢波點(diǎn)中點(diǎn)即為測點(diǎn)，震源點(diǎn)、檢波點(diǎn)均按照一定間隔同步向前移動(dòng)以獲得共偏移距地震映像時(shí)間剖面。根據(jù)共偏移距地震映像時(shí)間剖面的地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征分析地下界面的起伏變化、局部異常體的位置、大致深度及性質(zhì)。

地質(zhì)地震映像法探測數(shù)據(jù)處理流程主要包括：原始數(shù)據(jù)→坐標(biāo)參數(shù)編輯→預(yù)處理→能量均衡→頻率濾波→時(shí)深轉(zhuǎn)換。其中，為保留多種地震波及其動(dòng)力學(xué)特征，必要時(shí)僅對地震映像剖面做頻率濾波、能量均衡處理。地質(zhì)地震映像法成果資料的解釋主要依據(jù)地震映像斷面圖，通過地震映像斷面地震波的旅行時(shí)、振幅、頻率、相位等特征分析地下界面的起伏變化、局部異常體的位置、性質(zhì)及大致深度。根據(jù)實(shí)測地震映像剖面特征，物探探測異常大致分為以下三類：

圖3 空洞地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

第一類異常：異常段相較于背景區(qū)地震波能量增強(qiáng)、頻率降低、旅行時(shí)增長，沿橫向連續(xù)出現(xiàn)的低頻、強(qiáng)能量的兩組或多組同相軸均出現(xiàn)規(guī)律性下凹，呈現(xiàn)“V”字型特征，特別是隧道基底地震映像剖面首根沿橫向連續(xù)出現(xiàn)的低頻、強(qiáng)能量同相軸出現(xiàn)明顯的下凹，異常邊部表現(xiàn)為同相軸明顯的彎折或錯(cuò)斷，異常中心表現(xiàn)為明顯的頻率降低、振幅增強(qiáng)、波組間隔明顯增大。

第二類異常：異常段相較于背景區(qū)地能波能量增強(qiáng)、頻率降低、旅行時(shí)增長，沿橫向連續(xù)出現(xiàn)的低頻、強(qiáng)能量的兩組或多組同相軸出現(xiàn)平緩的下凹，主要呈現(xiàn)弧形、“U”字型特征，異常邊部主要表現(xiàn)為同相軸局部不連續(xù)或錯(cuò)斷，異常內(nèi)部地震波能量、頻率變化不大、波組間隔自異常邊部至異常中心逐漸增大。

第三類異常：沿橫向連續(xù)出現(xiàn)的低頻、強(qiáng)能量的同相軸出現(xiàn)明顯中斷、錯(cuò)位、波組增多及波組間隔突變，相較于第一、第二類異常未出現(xiàn)明顯的同相軸下凹及頻率的明顯降低，主要表現(xiàn)為同相軸沿橫向不連續(xù)。

根據(jù)巖溶物探探測實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，第一類異常主要為溶洞的反映，巖溶發(fā)育程度明顯強(qiáng)于第二、第三類異常，且異常幅度與巖溶發(fā)育程度之間具有較為明顯的相關(guān)性，異常幅度越大，巖溶越發(fā)育；第二類異常、第三類異常主要為破碎帶的反映[5]。

圖4 破碎帶地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

4 結(jié) 語

隧道基底隱伏巖溶探測成果以地質(zhì)雷達(dá)資料解釋為主，地震映像資料解釋為輔。探測出的溶蝕破碎發(fā)育區(qū)以及頂板厚度較小的無充填、半充填巖溶發(fā)育區(qū)沉降坍陷風(fēng)險(xiǎn)極大，需結(jié)合物探、鉆探取芯以及地質(zhì)資料對巖溶缺陷異常段進(jìn)行綜合分析并進(jìn)行安全評估處理。在巖溶探測方面，物探法加地質(zhì)法和多種方法的相互驗(yàn)證，是巖溶災(zāi)害源探測的發(fā)展方向之一。實(shí)踐證明：在隧道隱伏巖溶探測施工中采用風(fēng)槍探孔+釬探+物探+鉆探的綜合勘探模式，能夠較準(zhǔn)確地探明溶洞和破碎帶，從而證實(shí)了該模式在鐵路隧道隱伏巖溶探測中是有效且可行的，值得推廣應(yīng)用。