隧道基底巖溶地質(zhì)雷達探測與處理措施研究

朱洪鵬，王 澍

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430050）

我國西南地區(qū)巖溶地質(zhì)分布廣泛，公路隧道的修建不可避免會穿越巖溶地質(zhì)，嚴重影響了隧道施工的安全和質(zhì)量。當前在巖溶區(qū)的隧道修建中，巖溶探測使用較多的方法有地質(zhì)雷達法、CT層析成像法及高密度電法等[1-3]。其中地質(zhì)雷達法因其能速度快、成本低、大面積探測[4]，得到廣泛運用。以往相關研究多集中在地質(zhì)雷達在隧道開挖超前地質(zhì)預報中的運用[5-7]，關于地質(zhì)雷達在對隧道基底巖溶的探測以及一系列相關處理措施相對較少，且多缺乏鉆孔、開挖進行驗證。本文依托余慶至安龍高速公路某隧道工程，采用地質(zhì)雷達對隧道基底巖溶地層進行了探測，并結(jié)合巖溶形狀、大小及現(xiàn)場施工情況提出了的治理措施，以期為類似工程提供借鑒作用。

1 工程概況

余慶至安龍高速公路某隧道位于貴州省黔南州羅甸上翁井抹躍組境內(nèi)，隧道左線起訖樁號ZK64+905～ZK69+366，長 4461m，隧道最大埋深約428 m；隧道左線掌子面開挖至 ZK66+080，無仰拱整平層施工至ZK65+970時，隧道基底揭示有溶洞。為探明溶洞發(fā)育情況，消除懸空出坍塌風險，采用地質(zhì)雷達對影響區(qū)域內(nèi)隧道基底進行探測，并對隧道基底溶洞進行了治理。

根據(jù)鉆探揭露，洞內(nèi)揭露地層為二疊系上統(tǒng)（P2）灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層產(chǎn)狀約 52°∠18°～47°∠20°，未見明顯構(gòu)造發(fā)育。隧址區(qū)地表水系不發(fā)育，主要為大氣降水形成的暫時性地表面流及局部沖溝的季節(jié)性水流。根據(jù)隧道巖溶專題報告，K65+400～K68+500段處于巖溶地下水包氣帶，屬于季節(jié)性過境臨時涌水地段，地表發(fā)育有洼地，雨季積水，可入滲地下，產(chǎn)生涌水。現(xiàn)場鉆孔時發(fā)現(xiàn)，里程樁號ZK65+930.00左0.38m處，在降雨時發(fā)現(xiàn)有臨時小涌水現(xiàn)象，但鉆孔未揭露到地下水。

2 隧道基底溶洞探測

2.1 檢測設備原理

本工程地質(zhì)雷達預報選用中國科學院電子研究所研制的CAS-S100型中淺層地質(zhì)雷達，該地質(zhì)雷達采用了一體化設計，并采用WiFi無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸。地質(zhì)雷達通過天線向外界發(fā)射一定頻率脈沖波，其遇到巖石介質(zhì)中的電磁性分界面即發(fā)生反射和投射；反射的電磁波被接收天線接收，通過對反射波的幅度、相位及傳播時間等信息進行分析，達到對探測物識別的目的[8]。

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度不變，假設電磁波傳播時間為△T，即可據(jù)下式算出異常介質(zhì)的埋藏深度H。

2.2 參數(shù)設置

根據(jù)現(xiàn)場情況，在隧道底板上左、右線車道各取一道檢測線。地質(zhì)雷達具體參數(shù)設置如下：

1）雷達天線頻率取100MHz。

2）因隧道底板相對平整，測量模式選取Time測量模式。

3）雷達圖像中的掃描曲線由多條單獨數(shù)據(jù)點組成，采樣數(shù)據(jù)越多，分辨率越高，文件尺寸越大。本次掃描因探測巖層較厚，需提高檢測精度，采樣數(shù)據(jù)取1024。

4）掃描速度越大，伴隨著采集數(shù)據(jù)也越快，但精度會降低，為提高探測精度，本次掃描速度取16m/s。

2.3 雷達圖像分析

地質(zhì)雷達主要是通過對反射波的波形和強度分析，從而推斷地下介質(zhì)的分布。在探地雷達圖像剖面上，完整基巖的反射波的同相軸呈水平狀條紋分布，振幅與相位穩(wěn)定，溶洞處反射信號呈雙曲線，振幅相對較大，相位不穩(wěn)定。從反射強度上來分析，電磁波反射能量與兩個介質(zhì)的介電常數(shù)大小相關，當介電常數(shù)相同對應的反射系數(shù)為0，僅為投射，不同介質(zhì)時對應強反射，介質(zhì)兩側(cè)的電性差異較大，雷達反射圖像表現(xiàn)得更清晰。

選取 ZK65+930～ZK65+960右線、ZK65+970～ZK66+020左、右線車道雷達線測數(shù)據(jù)圖像進行分析，分別如圖1～3所示。

圖1 ZK65+930～ZK65+960右線車道底部雷達波形圖

由圖1可知，在ZK65+935隧道底部28m處斜向延伸至ZK65+960底部4m處，表現(xiàn)出地層不連續(xù)性，反射波組的波形、波幅沒規(guī)律，推測該范圍內(nèi)為溶洞。

圖2 ZK65+970～ZK66+020左線車道底部雷達波形圖

由圖2可知，反射界面分界點在ZK65+970隧道底部3m處斜向延伸至ZK66+020底部10m處，上下兩側(cè)電性差異較大，底部波形呈強反射，推測該范圍內(nèi)為溶洞。

圖3 ZK65+970～ZK66+000右線車道底部雷達波形圖

由圖3可知，反射界面分界點在ZK65+970隧道底部3m處斜向延伸至ZK66+000底部12m處繼續(xù)發(fā)展 （ZK66+000～ZK65+020范圍內(nèi)停放有設備，無法進行探測），上下兩側(cè)電性差異較大，底部波形呈強反射，推測該范圍內(nèi)為溶洞。

2.4 探測結(jié)果驗證

未驗證本工程地質(zhì)雷達探測效果，對隧道道床揭露的溶洞壁倒懸的圍巖體爆破、下挖，揭露出隧道基底巖溶。結(jié)合目測、地質(zhì)素描等手段對溶洞大小進行了描述，得出溶洞實際大小與地質(zhì)雷達掃描結(jié)果基本一致?？芍ㄟ^選用合理的雷達參數(shù)、布置測線、選用較低的掃描速度等手段可有效提高地質(zhì)雷達在隧道基底溶洞中探測的精度。現(xiàn)場開挖揭示的溶洞如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場開挖揭示的溶洞

3 隧道基底溶洞處理方案

3.1 處理方案的確定

隧道基底溶洞的處理方案主要集中在換填封堵、噴錨、漿砌回填、注漿加固、樁基處理、復合地基、筑梁或拱結(jié)構(gòu)跨越幾個方面。同時，需從以下幾個方面考慮選擇合理的方案：充分考慮現(xiàn)場機械設備使用狀況與人員的技能水平，盡量機械化施工，提高施工效率；因地制宜，結(jié)合溶洞的大小與形狀選擇合適的施工方案；在保證施工安全與質(zhì)量的基礎上適當考慮經(jīng)濟性。本工程具體方案如下：

1）對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的ZK65+945～ZK65+948段采用控制爆破揭露出隧道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)洞口。

2）由ZK65+945向溶洞小里程側(cè)回填部分洞渣與已經(jīng)存在的溶洞內(nèi)堆積物連通，形成可以使施工車輛進入的施工工作面，回填范圍為ZK65+945～ZK65+955段，回填縱坡滿足車輛進出溶洞即可。

3）ZK65+945～ZK65+960 段作為工作面，清危后對隧道范圍外10m及ZK65+970大里程方向的溶洞頂（倒懸）進行噴錨防護，噴射10cm厚C20混凝土（噴射混凝土應按施工要求初噴、復噴，初噴盡量覆蓋可以施工到的范圍），掛φ6.5鋼筋網(wǎng)25×25cm（拱部），L＝3mΦ20藥卷錨桿。錨桿縱橫向間距均為100cm，施工過程中應注意錨固角度與巖層面垂直增強懸吊作用，減少對巖體的切割剝離，起到懸吊作用，增強頂部及周邊巖體的整體性。建議采用機械化程度高的噴射混凝土機械手及鑿巖臺車置于較安全的已揭露溶洞范圍內(nèi)施工，確保安全。

4）加強對噴錨段溶洞壁的裂縫觀察，發(fā)現(xiàn)有開裂情況及時補強，溶洞內(nèi)有人員機械施工時必須暫停平塘端左右洞爆破施工。

隧道基底溶洞處理縱斷面示意圖如圖5所示，ZK65+950、ZK65+980處橫斷面示意圖如圖6、7所示。

圖5 隧道基底溶洞處理縱斷面示意圖

圖6 ZK65+950處橫斷面示意圖

圖7 ZK65+980處橫斷面示意圖

3.2 處理效果

對隧道基底溶洞處理后的隧道進行了加密監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示，拱頂沉降及周邊收斂均較小，隧道底板無明顯沉降，本工程針對隧道基底溶洞的處理措施效果明顯。

4 結(jié)論

1）采用地質(zhì)雷達對隧道基底溶洞進行探測時，選用合適的地質(zhì)雷達參數(shù)、測線、較低的掃描速度以及提高采樣數(shù)對提高雷達探測精度至關重要；后期鉆孔與隧道基底圍巖爆破下挖證明，本文中地質(zhì)雷達相關參數(shù)合理，能有效對隧道基底巖溶大小與形狀進行探測。

2）采用地質(zhì)雷達進行隧道基底巖溶進行探測，極易因施工現(xiàn)場機械、材料以及不平整的地面而中斷探測，為較準確探測出巖溶的規(guī)模、性質(zhì)，需配合其他探測方法進行驗證。

3）本工程對隧道基底溶洞處理措施施工效率高，效果明顯，可為其他相關工程提供借鑒。