施工期隧道隱伏巖溶綜合探測分析

基金項目：

廣西重點研發(fā)計劃項目“復雜地質條件下隧道結構性能演變與健康狀態(tài)評估關鍵技術研究”（編號：2023AB14033）；2023年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“巖溶缺陷對隧道穩(wěn)定性的影響及處治技術研究”（編號：2023KY1171）

作者簡介：

羅偉斌（1986—），博士，高級工程師，主要從事橋隧工程數字智能化無損檢測及巖土工程試驗檢測研究工作。

摘要：文章采用傳統(tǒng)地質調查法、遙感地質調查法、地質雷達法、三維激光掃描法在巖溶區(qū)隧道進行多種方法的隧道隱伏巖溶綜合探測調查，為設計支護方案變更提供基礎資料。結果表明：采用地質調查、地質雷達法、三維激光掃描法的隧道隱伏巖溶綜合探測調查可以很好地查明隧道隱伏巖溶的規(guī)模大小、發(fā)育規(guī)律、充填情況等信息；綜合探測調查法在巖溶區(qū)隧道施工隱伏巖體探測中是實用的和有效的，可為類似工程提供參考借鑒。

關鍵詞：隱伏巖溶；地質調查法；地質雷達法；三維激光掃描法

中圖分類號：U451+.1文獻標識碼：A 24 077 4

0 引言

巖溶地貌在我國西南地區(qū)廣泛存在。在巖溶區(qū)建設隧道的過程中往往會遇到隱伏巖溶、軟弱夾層等不良地質體，容易產生突水、突泥及塌方等地質災害，給隧道施工安全及質量造成極大影響［1-2］。巖溶發(fā)育具有很強的隨機性、復雜性，為了更準確地探測、查明隧道前方及其周邊巖溶發(fā)育情況，推斷巖溶、軟弱夾層等不良地質體危害程度，為調整施工開挖方法及支護參數等設計變更提供基礎依據［3］，開展隧道隱伏巖溶綜合探測調查工作是目前最有效的方法。隧道隱伏巖溶綜合探測調查法是以地質調查法為基礎，以物探方法、三維激光掃描法為主進行探測調查掌子面前方及隧道周邊一定范圍內工程地質與水文地質情況［4-5］。本文采用地質調查法、地質雷達法、三維激光掃描法的綜合方法進行隧道隱伏巖溶探測調查，綜合分析探討其效果，并與開挖揭露結果進行比對分析。

1 隧道隱伏巖溶綜合探測調查方法

1.1 地質調查法

地質調查法是以隧道工程前期地質勘察設計資料為基礎，通過補充地表地質調查及在隧道開挖斷面進行地質調查，將隧道掌子面開挖所揭露的地質構造、圍巖完整破碎、風化程度、不良地質及含水量等情況記錄整理制作成圖件，通過趨勢分析及常規(guī)地質理論等分析，進而判定隧道掌子面附近圍巖的完整性和穩(wěn)定性以及推斷掌子面前方一定范圍內圍巖地質情況［6］。

巖溶區(qū)隧道地表往往植被豐富、地形陡峭險峻，人員無法直接親臨實地觀察調查。人員觀察調查無法做到全覆蓋，容易出現漏缺等情況，而近年來興起的無人機遙感技術可以彌補這一短板。無人機遙感技術［7］是利用先進的無人機駕駛飛行器技術、遙感傳感器技術、遙測遙控技術、通信技術和POS定位定姿技術實現獲取目標區(qū)域綜合信息的一種新興解決方案。無人機遙感技術通過對目標區(qū)域進行航空測量，利用地面處理系統(tǒng)對數據進行處理，最終制作出目標區(qū)域的正射影像圖（DOM）、數字高程模型（DEM）、數字地表模型（DSM）及數字線畫圖（DLG）等成果。無人機遙感技術可以用于輔助地表地質調查，直觀地展示巖溶在地表的空間位置以及相應地表補充落水洞及排泄水口位置。

1.2 地質雷達法

地質雷達法探測原理是通過在隧道探測工作面按一定點距移動雷達天線，發(fā)射天線向工作面前方圍巖發(fā)射電磁波，在圍巖內介電參數具有較大差異的位置，電磁波就會產生反射現象；反射回來的電磁波信號由接收天線接收并記錄信號波形及傳播信息，通過對雷達數據處理得到含有雷達信號時間、振幅及相位等信息的圖件，對雷達圖件進行同相軸、頻率等方面內容分析，并結合地質資料推斷工作面前方圍巖完整破碎程度、裂隙發(fā)育程度，巖溶、軟弱夾層等不良地質的位置等地質情況［8］。

1.3 三維激光掃描法

三維激光掃描技術［9］是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面大量密集的點的三維坐標、反射率和紋理等信息，快速復建出被測目標的三維模型及線、面、體等各種圖件數據。通過對隧道溶洞的空間進行測量，可快速測得物體的輪廓集合數據，并加以建構、編輯，修改生成通用輸出格式的曲面數字化模型，直觀地展示溶洞規(guī)模及形狀。

2 應用實例

2.1 工程概況

擬建某隧道為雙洞分離式越嶺高速公路長隧道。隧道進洞口走向約為252SymbolpB。左線起止樁號為ZK288+853～ZK290+439，右線起止樁號為YK288+885～YK290+437。隧道區(qū)屬巖溶峰叢洼地地貌，山體連綿起伏，地形起伏較大，洼地稍發(fā)育。隧道區(qū)地層主要有：第四系殘坡積層含角礫黏土，由石炭系上統(tǒng)灰?guī)r、白云質灰?guī)r等基巖組成。隧道區(qū)內有一條北西至南東走向逆斷層在ZK289+250 m左右與線位相交，延伸長度約為14 km，走向為290°～310°，傾向北東，傾角為70°。受該構造影響，在斷層左右影響帶附近地表可見廊道狀溶洞殘留、串珠狀巖溶洼地、消水洞及塌陷漏斗，現該斷層運動均趨于穩(wěn)定，調查未發(fā)現新構造活動跡象，區(qū)域穩(wěn)定性較好。地下水類型為孔隙水、裂隙水及巖溶水，主要接受大氣降雨補給。隧道洞身常年高于最高洪水位20 m以上，處于垂直入滲帶。隧道洞身穿越段主要為中風化白云質灰?guī)r，為巖溶區(qū)隧道。巖溶及軟弱夾層為隧道區(qū)最主要的不良地質，充填型巖溶充填物多為黏土或碎石土。充填型巖溶、非充填型巖溶及軟弱夾層與相鄰段圍巖在破碎程度、巖石物性、裂隙發(fā)育程度等方面存在明顯差異，對應的圍巖波速、介電常數等物性參數存在明顯差異，為使用物探方法進行探測提供了物性基礎。

本次應用實例為該隧道右洞進口段，采用上下臺階法開挖，上臺階開挖至YK288+908樁號時掌子面底部揭露一個溶洞口，從溶洞口偶有冷風吹出，目測可見部分溶洞主要為縱向、豎向延伸發(fā)育，推斷該溶洞情況十分復雜。為了查明該隱伏巖溶發(fā)育情況，采用洞內地質調查法、地表遙感地質調查法、地質雷達法及三維激光掃描法綜合探測調查。

2.2 地質調查法結果分析

為了查明該隱伏巖溶發(fā)育特征、地下水發(fā)育規(guī)律等情況，開展了洞內掌子面及洞身上方地表地質調查。

YK288+908處的掌子面地質素描圖見圖1。由圖1可知，YK288+908掌子面巖性為灰?guī)r，層面產狀為345°/NE∠20°，裂隙發(fā)育，風化不均勻，中厚層狀，巖質較硬，巖體較破碎-破碎。右下方發(fā)育有走向為245°/SE∠28°的逆斷層，充填灰黃色風化方解石，擦痕不明顯，上盤為深灰色灰?guī)r，層理構造明顯，呈擠壓彎曲狀，層厚為5～18 cm，發(fā)育有一組優(yōu)勢裂隙，產狀為走向245°/NW∠75°～85°，間距為20～50 cm，連續(xù)發(fā)育，充填方解石；下盤巖性為棕褐色角礫巖、灰色灰?guī)r，巖性不均勻，構造混亂，角礫大小不均勻，裂隙發(fā)育不規(guī)則，充填方解石。地質調查時掌子面附近圍巖左側供腰滲水、滴水，圍巖整體穩(wěn)定性差，易發(fā)生局部塌方。

地表調查發(fā)現該隧道進口右洞上方山坡發(fā)育有多個巖溶天窗和溶槽（見圖2），主要在兩山體之間的“馬鞍”中下部發(fā)育展布。

巖溶天窗主體呈串珠狀由上至下逐級發(fā)育，溶槽總體呈一個方向發(fā)育。其中，最大天窗發(fā)育于隧道右洞YK289+025～YK289+040段上方，天窗平面上呈橢圓狀，長短軸約為10×5 m，深度為5～15 m，沿走向30°方向側壁由高約15 m變化為5 m，側壁鉛直狀，較高的側壁發(fā)育水平向溶洞或洞穴，洞徑為0.5～1.5 m，底部多為碎石及黏土，所處地形屬于直立狀負地形。降雨時，“馬鞍”上部地表水匯集于該天窗，在巖溶天窗附近有近直立的巖溶裂隙、溶洞等巖溶現象。區(qū)內地下水主要受降雨形成地表水多直接或沿裂隙下滲匯集至巖溶天窗和地下巖溶管道補給，對隧道右線成洞及排水影響較大。由此推斷：區(qū)內地下水在接受補給后，以落水洞、天窗等地下巖溶管道作為主要徑流通道，向深部區(qū)域溶蝕基準面排泄，具有水流匯集時間較長、消散的時間較短、水量隨降雨變動較大的特點。調查時正值雨季，上坡坡面隨處可見水流，但天窗底部均未見水流。

溶槽主要發(fā)育于隧道進口右洞上方及右側山坡上，主體走向為300°∠90°，發(fā)育規(guī)模及規(guī)律主要受層面（產狀345°/NE∠20°）與走向300°/NE∠90°的裂隙共同控制。其中，最大一處溶槽發(fā)育于右洞YK289+025～YK289+065段上方及右側，呈長條形，長約40 m，寬約1.2 m，深切高度為2～6 m，往往與天窗、落水洞聯(lián)通。調查時正值雨季，溶槽底部可見水流。當地年平均降雨量較大，雨季地表水多沿溶槽匯集至巖溶天窗和地下巖溶管道內形成溶洞水，總體水量較小，這與隧道開挖時揭示的少水情況基本一致。因此推斷：區(qū)內地下水在接受降雨地表水匯水補給，匯集于溶槽、天窗及鄰近落水洞，以落水洞、溶槽等地下巖溶管道作為主要徑流通道，向深部區(qū)域溶蝕基準面及洞口洼地方向排泄，對該段隧道施工影響大，尤其雨季地下水涌水量增大、水位上升等會引發(fā)大的涌水或突水、突泥地質災害。

2.3 地質雷達法結果分析

為了探測已開挖上臺階YK288+889～YK288+899段（該部分從已揭露溶洞口不可見）底板及隧道基底隱伏巖溶發(fā)育情況，在YK288+889～YK288+899段上臺階底板均勻布置5條縱測線，測線編號分別為L1～L5，地質雷達探測結果見圖3。由圖3可知：L1～L5測線結果具有很好的一致性，自大樁號往小樁號方向在3～13 m深度范圍內存在明顯反射同相軸，信號整體反射強，衰減慢，呈中低頻，同相軸連續(xù)，同相軸自大樁號往小樁號方向由淺向深呈傾斜彎曲狀，存在多次反射，波形不一致；YK288+895～YK288+899段在強反射同相軸之后無強反射信號。推斷YK288+889～YK288+899段上臺階底板隱伏巖溶強發(fā)育，存在大型半充填型溶洞；該段上臺階底板厚度為2.5～13 m，上臺階底板巖性為灰白色中風化灰?guī)r，中厚層狀構造，巖質較硬，裂隙發(fā)育，巖體較破碎-破碎，溶蝕強發(fā)育；上臺階底板下部存在大型巖溶空腔，溶洞空腔上邊界（頂板）自大樁號向小樁號方向由淺向深延伸，溶洞底部為淤泥質黏性土、含角礫黏性土。該段隧道縱向中軸線綜合地質推斷結果見圖4。

2.4 三維激光掃描法結果分析

為了詳細測量該隱伏巖溶空腔規(guī)模大小、發(fā)育規(guī)律，通過對已揭露的溶洞口進行三維激光掃描及巖溶洞穴內部調查，三維激光掃描結果見下頁圖5～8。結合洞內揭露情況及圖5～8綜合分析如下：該隧道右洞進口掌子面上臺階開挖至YK288+908時，隧道上臺階底板為一大型巖溶洞穴，屬于半填充型溶洞，主要在洼地邊緣沿山體與洼地交界處發(fā)育展布，溶洞主體沿隧道縱向發(fā)育，主體從大樁號向小樁號（即向洞口方向）縱向剖面溶洞底部地形呈上陡下緩，長度約為60 m，寬度為11～18 m，上臺階以下深10～20 m，上臺階以上高度gt;5 m。在YK288+893～YK288+908段分布于上臺階底板下方，在YK288+908～YK288+928往大樁號方向段分布于上臺階底板及基底，在YK288+928往大樁號段分布于上臺階及拱頂，局部段溶洞寬度大于隧道寬度。溶洞內充填物主要為淤泥質黏性土、含角礫黏性土及塊狀灰?guī)r。黏性土為黃褐色，以軟塑為主，局部可塑；淤泥質黏性土主要分布于地勢較緩的洞口處。溶洞底部發(fā)育一條走向為240°的深切溶槽，寬度為0.8～3.5 m，深度gt;5 m，未見地下水流動；在YK288+908～YK288+912段洞內石鐘乳發(fā)育，有滴水。

2.5 綜合探測分析結果

根據現場掌子面、已揭露溶洞的地質調查、地表地質調查、三維激光掃描、無人機遙感測量、地質雷達探測綜合分析得出：

（1）該隧道右洞洞口段隱伏溶洞為廳堂式、半充填型溶洞，整體走向約為240°，與右洞軸線方向小角度相交。溶洞主體由大樁號至小樁號（即進口方向）縱向剖面溶洞底部地形呈上陡下緩，長度約為60 m，寬度為11～18 m，上臺階以下深10～20 m，上臺階以上高度gt;5 m。在YK288+893～YK288+908段分布于上臺階底板下方，在YK288+908～YK288+928往大樁號方向段分布于上臺階底板及基底，在YK288+928往大樁號段分布于上臺階及拱頂，局部段溶洞寬度大于隧道寬度。

（2）該隱伏溶洞充填物主要為淤泥質黏性土、含角礫黏性土及塊狀灰?guī)r。黏性土為黃褐色，以軟塑為主、局部可塑，淤泥質黏性土主要分布于地勢較緩的洞口處；溶洞底部發(fā)育一條走向為240°的深切溶槽，寬度為0.8～3.5 m，深度gt;5 m，調查時未見地下水流動。

（3）該隧道右洞洞口段地下水在接受降雨地表水匯水補給，匯集于溶槽、天窗及鄰近落水洞，以落水洞、溶槽等地下巖溶管道作為主要徑流通道，向深部區(qū)域溶蝕基準面及洞口洼地方向排泄，對該段隧道施工影響大，尤其在雨季地下水涌水量增大、水位上升等會引發(fā)大的涌水或突水、突泥地質災害。

（4） YK288+889～YK288+899段上臺階底板隱伏巖溶強發(fā)育，存在大型半充填型溶洞。該段上臺階底板厚度為2.5～13 m，上臺階底板下部存在大型巖溶空腔，溶洞空腔上邊界（頂板）自大樁號向小樁號方向由淺向深延伸，溶洞底部為淤泥質黏性土、含角礫黏性土。

（5）該隧道洞口段溶洞主要受地質構造及地層巖性控制，隧道隱伏巖溶強發(fā)育，推斷溶洞、溶槽及巖溶管道呈多層、水平、垂直發(fā)育。

3 結語

（1）采用地質調查法、地質雷達法、三維激光掃描法的綜合方法進行隧道隱伏巖溶探測調查，可以很好地查明隱伏巖溶的規(guī)模大小、充填情況、發(fā)育規(guī)律等特征，準確地為設計支護方案變更提供依據。

（2）隱伏巖溶具有隨機性、復雜性，在設計支護方案變更前應根據隱伏巖溶探測調查結果在支護結構關鍵受力點位進行鉆探驗證，確保隧道工程質量和施工安全。

參考文獻

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