巖溶超前探測技術(shù)及其對隧道穩(wěn)定性影響分析

羅愛軍

（山西路橋第七工程有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

巖溶地層在我國分布范圍廣泛，其面積約為340萬km2。隨著國家高速公路建設(shè)事業(yè)的不斷發(fā)展，高速公路逐漸向巖溶分布較多的西南、中西部地區(qū)邁進(jìn)，巖溶隧道的建設(shè)規(guī)模越來越大。巖溶對隧道的影響機(jī)理復(fù)雜[1-3]，一方面由于溶洞內(nèi)部的碎石、水、夾泥等填充物的影響而導(dǎo)致圍巖整體強(qiáng)度較低，圍巖穩(wěn)定性較差，在施工過程中易產(chǎn)生突泥、涌水、掉塊、塌方等地質(zhì)災(zāi)害；另一方面溶洞的存在影響了隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)間的相互作用關(guān)系，進(jìn)而影響隧道整體力學(xué)狀況，易導(dǎo)致隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)開裂、滲漏水等病害。

目前，學(xué)者們圍繞巖溶隧道地質(zhì)災(zāi)害及施工技術(shù)開展了大量的研究工作，取得了一系列的研究成果。陽躍朋[4]結(jié)合六郎隧道的工程案例，利用地質(zhì)雷達(dá)和TSP相結(jié)合的手段對其地質(zhì)情況進(jìn)行探測，并提出設(shè)計(jì)施工優(yōu)化方案；解東升[5]在調(diào)研大量巖溶隧道地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)上，總結(jié)分析巖溶形成的影響因素，并建立巖溶隧道突泥涌水災(zāi)害預(yù)測技術(shù)體系；鐘世航[6]將地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁法、聲納法等手段相結(jié)合，研究巖溶綜合探測技術(shù)，并結(jié)合典型工程案例驗(yàn)證其探測效果；林國濤[7]利用理論分析手段研究巖溶突泥涌水形成機(jī)理及處治技術(shù)，并結(jié)合工程案例對處治技術(shù)效果進(jìn)行全面評價(jià)。本文在上述研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合典型工程案例的具體特性，利用地質(zhì)雷達(dá)手段探測其溶洞情況，并利用數(shù)值模擬手段研究不同工況下溶洞對隧道穩(wěn)定性的影響。研究成果為巖溶隧道設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營養(yǎng)護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

1.1 地形地貌

丁家灣隧道為雙向四車道分離式隧道，其左右洞長度分別為1 525 m、1 530 m。隧址區(qū)地貌單元屬喀斯特剝蝕、侵蝕中山區(qū)，由于長期的構(gòu)造剝蝕溶蝕作用，山頂渾圓，多呈饅頭狀，山梁相對較平緩，但較狹窄，山脊連續(xù)，山坡以陡坡為主，坡度介于20°～40°之間，局部為陡坎、陡崖，坡度達(dá)60°以上，山體總體呈西北-東南走向，山勢東南部高、西北低，山坡基巖沖溝發(fā)育，且溝谷深切，溝岸陡峻，多呈“V”字型。隧道橫穿山梁，隧址區(qū)基巖大范圍裸露，微地貌表現(xiàn)為基巖山梁、山脊、斜坡、陡坎、沖溝等。隧址區(qū)范圍內(nèi)植被較發(fā)育，以草叢及灌木為主。隧址區(qū)內(nèi)地層以泥灰?guī)r、灰?guī)r、白云巖為主，溶洞發(fā)育較多，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖整體穩(wěn)定性差。該隧道進(jìn)口端地形地貌情況如圖1所示。

圖1 隧道洞口地形地貌情況

1.2 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)地層由第四系全新統(tǒng)（Q4el+dl）粉質(zhì)黏土及碎石、奧陶系中統(tǒng)下馬家組（O2x）泥灰?guī)r、頁巖、灰?guī)r、奧陶系下統(tǒng)亮甲山組（O1l）白云巖、寒武系上統(tǒng)鳳山組（∈3f）白云巖、寒武系上統(tǒng)長山組（∈3c）灰?guī)r、寒武系上統(tǒng)崮山組（∈3g）灰?guī)r、寒武系中統(tǒng)張夏組（∈2z）、寒武系中統(tǒng)徐莊組（∈2x）灰?guī)r組成，巖層傾角4°左右，總體表現(xiàn)為傾向小里程的單斜構(gòu)造。

隧址區(qū)地下水類型主要為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，主要接受大氣降水補(bǔ)給，其徑流受構(gòu)造、巖層產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙的發(fā)育程度控制，以垂向徑流為主，在遇到相對隔水層時(shí)轉(zhuǎn)為水平徑流。區(qū)內(nèi)降水稀少，大部分大氣降水匯入各級沖溝中形成暫時(shí)性洪流，少量大氣降水則沿巖體節(jié)理裂隙下滲補(bǔ)給地下水。由于巖體節(jié)理裂隙發(fā)育-很發(fā)育，雨季期間大氣降水沿巖體節(jié)理裂隙下滲，在洞體內(nèi)可能會(huì)形成暫時(shí)性裂隙水，造成洞體內(nèi)產(chǎn)生點(diǎn)滴狀出水。

1.3 巖溶發(fā)育情況

隧址區(qū)地層以奧陶系白云巖及寒武系灰?guī)r等碳酸鹽巖類巖石為主，為巖溶的發(fā)育提供了基本條件。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果可知，隧址區(qū)內(nèi)巖溶類型為裸露型，以近代巖溶為主，在碳酸鹽巖分布段落地表溶洞、溶坑及溶槽等喀斯特地貌形態(tài)較為發(fā)育，而部分鉆孔中局部溶隙、溶孔較發(fā)育。

1.4 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)情況

該隧道采用新奧法理論進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，其支護(hù)結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌。初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用噴射混凝土、型鋼、錨桿、鋼筋網(wǎng)片組成，在地質(zhì)條件差的情況下輔以大管棚、超前小導(dǎo)管進(jìn)行圍巖加固，其中Ⅴ級圍巖條件下型鋼采用I20a型，間距為65 cm；兩榀鋼拱架之間采用連接鋼筋增強(qiáng)其整體性，環(huán)向間距為0.6 m；系統(tǒng)錨桿采用Φ22早強(qiáng)藥卷錨桿，長度為4.0 m，環(huán)向間距為1.0 m；噴射C25混凝土，厚度為26 cm；襯砌采用C30模筑混凝土，其厚度為50 cm。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)參數(shù)如圖2所示。

圖2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 巖溶探測原理及結(jié)果分析

2.1 巖溶隧道地質(zhì)雷達(dá)探測原理

地質(zhì)雷達(dá)利用電磁波脈沖在地下傳播的原理進(jìn)行工作，其發(fā)射天線T將高頻電磁波以寬帶短脈沖形式傳播進(jìn)入巖體，被不同巖體界面反射，再由接收天線R接收。根據(jù)電磁波理論，當(dāng)雷達(dá)脈沖在地下傳播過程中遇到不同電性介質(zhì)交界面時(shí)，由于上下介質(zhì)的電磁性質(zhì)不同而產(chǎn)生反射，其反射波被接收后通過主機(jī)進(jìn)行處理分析，進(jìn)而得到電磁波反射時(shí)間的連續(xù)剖面。根據(jù)處理后的灰度圖或波形圖即可判斷出巖體內(nèi)是否存在異常目標(biāo)體，其探測原理如圖3所示。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

根據(jù)不同頻率天線探測深度的情況，結(jié)合該項(xiàng)目的實(shí)際情況，該次溶洞探測設(shè)備采用美國GSSI公司生產(chǎn)的勞雷SIR-4000型地質(zhì)雷達(dá)，并配備100 MHz天線、400 MHz天線、測量輪等輔助硬件設(shè)備，并配備RADAN7專用地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理分析軟件。

2.2 溶洞探測結(jié)果分析

根據(jù)隧道現(xiàn)場實(shí)際情況，該次溶洞探測采用“長短結(jié)合”的方式對掌子面前方的溶洞情況進(jìn)行探測，即先利用100 MHz天線對掌子面前方30 m范圍內(nèi)巖體進(jìn)行探測，再根據(jù)其探測結(jié)果，對淺部可能存在溶洞的部位，利用400 MHz天線進(jìn)行復(fù)測驗(yàn)證，并確定其溶洞的準(zhǔn)確尺寸。該次探測所得典型地質(zhì)雷達(dá)波形情況如圖4所示，掌子面開挖后所揭露的溶洞情況如圖5所示。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)圖

根據(jù)圖4中的雷達(dá)信號(hào)情況，結(jié)合隧道地質(zhì)勘察結(jié)果可以看出，掌子面圍巖以泥灰?guī)r、灰?guī)r為主，風(fēng)化程度高，掌子面圍巖淺部0～1.0 m范圍內(nèi)波形雜亂，圍巖破碎，節(jié)理裂隙較為發(fā)育，整體穩(wěn)定性差；在測線水平距離1.0～2.0 m、深度0.25～0.75 m范圍內(nèi)存在一明顯的“楔形體”強(qiáng)反射信號(hào)，預(yù)計(jì)該范圍內(nèi)存在一小型溶洞。根據(jù)圖5中掌子面開挖所揭露出的現(xiàn)場情況可以看出，隧道掌子面存在一小型溶洞，其方向?yàn)橛倚毕蛏?，該溶洞長約0.85 m、寬約0.35 m，與地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果較為吻合。

圖5 開挖揭露的溶洞現(xiàn)場情況

3 溶洞對隧道穩(wěn)定性的影響分析

3.1 數(shù)值模型的建立

為深入研究不同工況下溶洞對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律，本文采用有限元分析軟件建立二維數(shù)值模擬，考慮隧道模型的邊界效應(yīng)，該模型在上下左右各方向均取4倍隧道洞徑，其中模型左右兩側(cè)施加水平向約束，底部施加豎向約束，上部為自由表面以模擬實(shí)際地表情況。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，本文主要模擬4種工況：工況1，距隧道頂部1 m處存在一直徑為2 m的溶洞；工況2，距隧道頂部2 m處存在一直徑為4 m的溶洞；工況3，距隧道右邊墻2 m處存在一直徑為2 m的溶洞；工況4，距隧道邊墻4 m處存在一直徑為4 m的溶洞。該模型的具體情況如圖6所示。

圖6 巖溶隧道數(shù)值模型網(wǎng)格劃分圖

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

利用上述數(shù)值模型，經(jīng)計(jì)算后，得出該巖溶隧道在不同工況下（工況1～工況4）圍巖的豎向應(yīng)力云圖，其具體情況如圖7～圖10所示。

圖7 工況1應(yīng)力云圖

從圖7、圖8中可以看出，當(dāng)隧道拱頂部位存在溶洞時(shí)，其豎向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，且高應(yīng)力區(qū)分布在兩側(cè)邊墻部位，而低應(yīng)力區(qū)分布在隧道拱頂及底部。隨著溶洞直徑的增大，其最大及最小壓應(yīng)力均增大，且低應(yīng)力區(qū)的范圍逐漸增大。工況2的最大壓應(yīng)力為3.25 MPa，較工況1的最大壓應(yīng)力增加幅度達(dá)10.2%；而工況2的最小壓應(yīng)力僅為0.41 MPa，較工況1的最小壓應(yīng)力增幅達(dá)95.2%.可見，當(dāng)隧道拱頂部位存在溶洞時(shí)，其對隧道拱頂及仰拱部位的應(yīng)力分布及穩(wěn)定性影響最為明顯，且隨著溶洞規(guī)模的增大，其壓應(yīng)力分布范圍明顯增大。

圖8 工況2應(yīng)力云圖

從圖9、圖10中可以看出，工況3、工況4的豎向應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，其均為壓應(yīng)力，且低應(yīng)力區(qū)主要分布于隧道拱頂及仰拱部位、溶洞上部及底部，而高應(yīng)力區(qū)主要分布于隧道邊墻部位及溶洞兩側(cè)。隨著溶洞規(guī)模及與隧道距離的增大，其最大壓應(yīng)力由3.12 MPa減小為2.98 MPa，降幅為4.5%；而最小壓應(yīng)力由0.15 MPa增大至0.54 MPa，增幅達(dá)260%，且高應(yīng)力區(qū)分布范圍明顯增大，尤其在隧道與溶洞之間的巖體中，產(chǎn)生明顯的高應(yīng)力區(qū)，對隧道整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

圖9 工況3應(yīng)力云圖

圖10 工況4應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

a）結(jié)合隧道實(shí)際情況，采用地質(zhì)雷達(dá)以“長短結(jié)合”的方式探測掌子面前方的溶洞情況，對于明顯的“楔形體”強(qiáng)反射信號(hào)可預(yù)測該位置存在一小型溶洞，經(jīng)掌子面開挖揭露，其溶洞情況與地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果較為吻合。

b）當(dāng)隧道拱頂部位存在溶洞時(shí)，高、低應(yīng)力區(qū)分別分布在兩側(cè)邊墻、拱頂及仰拱部位；隨著溶洞直徑的增大，最小壓應(yīng)力增幅較大，且低應(yīng)力區(qū)的范圍逐漸增大，其對隧道拱頂及仰拱部位的應(yīng)力分布及穩(wěn)定性影響最為明顯。

c）當(dāng)隧道邊墻部位存在溶洞時(shí)，高、低應(yīng)力區(qū)主要分布于隧道邊墻部位及溶洞兩側(cè)、拱頂及仰拱部位、溶洞上部及底部，而高應(yīng)力區(qū)主要分布于隧道邊墻部位及溶洞兩側(cè)；在隧道與溶洞之間的巖體中，產(chǎn)生明顯的高應(yīng)力區(qū)，對隧道整體穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。