任 銳，白偉振，龔林金

(1.長安大學(xué) 陜西省公路橋梁與隧道重點實驗室，陜西 西安 710064；2.廣西翔路建設(shè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029)

0 引 言

在隧道等地下工程的建設(shè)中，巖溶地質(zhì)是遇到的較為突出的地質(zhì)問題。巖溶地區(qū)主要分布在中國的云、桂、川、貴等西南省區(qū)，在廣東、陜西、山西一帶也有分布。巖溶地區(qū)的地質(zhì)條件極為復(fù)雜，溶洞的大小不一、類型不同，使前期勘察難度增大；隧道實際開挖的圍巖特征與勘察資料相差較大，且掌子面后方圍巖不可預(yù)見，在一定程度上增加了隧道施工的難度。溶洞在施工過程中的出現(xiàn)可能會引起一些危害，如突水、突泥、坍塌，造成機械損害或者人員傷亡等。因此，在巖溶隧道施工過程中準確有效地探測出溶洞的具體位置以及溶洞的規(guī)模顯得尤為重要[1-3]。

在巖溶隧道的施工過程中，常見的超前地質(zhì)預(yù)報方法有：地質(zhì)法、鉆孔探測法、地震超前預(yù)報系統(tǒng)(TSP/TGP)法、水平聲波剖面 (HSP) 法、陸地聲納法、地質(zhì)雷達(GPR)法和紅外探水法等。其中，地質(zhì)雷達法與其他物探方法相比具有成本低、操作簡單、分辨率高、操作速度快、對施工干擾小等優(yōu)點。本文以河百高速班丘隧道為例，采用地質(zhì)雷達對溶洞進行探測分析，最終以實際開挖的情況驗證地質(zhì)雷達預(yù)報的準確性[4-9]。

1 工程概況

班丘隧道位于廣西壯族自治區(qū)東蘭縣境內(nèi)，是分離式隧道，右線起訖樁號為K84+195～K85+210，長1 015 m，屬長隧道。隧址區(qū)海拔高程為412～621 m，最大埋深106 m。隧址區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)覆蓋層，中生界三疊系下統(tǒng)(T1)頁巖夾薄層狀泥砂巖，上古生界二疊系上統(tǒng)(P2)石灰?guī)r。隧址出口位于拉愛谷地北緣板坡村，跨越巖溶強烈發(fā)育的溶蝕谷地及峰叢洼地。隧道圍巖主要由強中風(fēng)化石灰?guī)r組成，圍巖級別為Ⅳ級，出口段邊坡基巖裸露，自然坡度約40°，邊坡整體性較好，強風(fēng)化灰?guī)r巖體較破碎，可能存在局部掉塊現(xiàn)象。

隧址地區(qū)地下水類型可分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類裂隙水、碳酸鹽巖裂隙巖溶水。出口段由于碳酸鹽巖裂隙巖溶水賦存于二疊系石灰?guī)r溶蝕裂隙及巖溶洞穴中，受大氣降水補給，通過落水洞或巖溶裂隙滲入地下的巖溶通道內(nèi)，形成巖溶水，雨季水量很大，溶洞較為發(fā)育。

2 雷達探測溶洞的原理及方法

本次溶洞探測采用美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR-3000型地質(zhì)雷達，雷達由主機、天線(頻率為100 MHz)、電纜以及配套的數(shù)據(jù)處理軟件等組成。在雷達主機的控制下脈沖源產(chǎn)生周期性的毫秒微信號，信號經(jīng)電纜線傳輸?shù)嚼走_發(fā)射天線，發(fā)射天線將此信號轉(zhuǎn)換為高頻電磁波在有耗介質(zhì)中傳播。當電磁波在傳播路徑上遇到非均勻體(界面)時，一部分電磁波會折射到第二層均勻介質(zhì)中繼續(xù)傳播，而另一部分電磁波則在非均勻體(界面)發(fā)生反射，其反射系數(shù)取決于被測介質(zhì)的介電常數(shù)(不同介質(zhì)的介電常數(shù)如表1所示)[10]，反射波傳播到地面的接收天線，經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后被傳輸?shù)嚼走_主機予以儲存。將采集的圖樣經(jīng)雷達軟件處理后形成彩色電平圖、灰色電平圖或波形堆積圖。地質(zhì)雷達的基本原理如圖1所示[11]。

電磁波在被測介質(zhì)中反射能量的強弱由反射系數(shù)R所決定，反射系數(shù)R與被測介質(zhì)的介電常數(shù)εr有關(guān)，當電磁波由一種介質(zhì)界面到另一介質(zhì)界面時就會發(fā)生反射與折射，其電磁波的反射系數(shù)

圖1 地質(zhì)雷達基本原理

(1)

式中：εr1為第一種介質(zhì)的介電常數(shù)；εr2為第二種介質(zhì)的介電常數(shù)。

電磁波在同一種均勻介質(zhì)中的傳播速度是不變的，其傳播速度

(2)

式中：V為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；C為電磁波在大氣中的傳播速度，約為3.0×108m·s-1。

由于不同的介質(zhì)介電常數(shù)不同，本次檢測樁號為ZK85+101，在預(yù)報范圍內(nèi)主要巖石成分為石灰?guī)r和泥巖。由表1可知，石灰?guī)r的介電常數(shù)為7～9，泥巖的介電常數(shù)為7，故本次檢測介電常數(shù)選7。

本次檢測所選用的雷達天線頻率為100 MHz，該天線測試范圍為距掌子面前方5～30 m，取有效預(yù)報深度25 m作為探測深度對波形圖進行分析。雷達的測量模式有3種：Time、Point、Distance。在隧道點測時通常采用Point模式，測量地面較平整時多采用Distance模式，本次檢測采用Time模式。雷達的采樣數(shù)越多，分辨率就越好(分辨率采用16

位)，本次采樣數(shù)選1024，所采用的時間窗口為350 ns，雷達的掃描速度為16(每秒描掃數(shù))。根據(jù)掌子面的具體情況，在掌子面水平方向從左到右測2條線，豎直方向從上到下測2條線，成井字型分布。測線具體位置如圖2所示。

圖2 測線位置布置

3 雷達測試圖像分析

采集的波形圖經(jīng)過雷達軟件處理后的圖象如圖3所示。在波形圖的右側(cè)，電磁波信號出現(xiàn)異常，反射波振幅較強，這是因為檢測時該位置受到臺車的干擾，導(dǎo)致波形發(fā)生變化。

圖3 雷達波形

在掌子面前方0～6 m(YK85+156～YK85+150)內(nèi)，反射波振幅較強，推測該范圍內(nèi)巖體較為破碎。

在隧道掌子面前方6～12 m(K85+150～K85+144)范圍內(nèi)，電磁波信號出現(xiàn)異常，反射波振幅較強，并且頻率降低，表明巖體內(nèi)部的介電常數(shù)發(fā)生變化。根據(jù)地質(zhì)資料以及掌子面觀察，初步預(yù)測該段圍巖巖性為灰?guī)r，中級至強風(fēng)化，巖體稍破碎，呈塊狀或塊碎狀結(jié)構(gòu)，并推測可能存在黏性土填充及一定量的裂隙水。

在隧道掌子面前方12～20 m(K85+144～K85+136)范圍內(nèi)，電磁波信號出現(xiàn)異常，反射波振幅較強，同向軸彎曲，并且頻率降低，表明巖體內(nèi)部的介電常數(shù)發(fā)生變化。由于介電常數(shù)差異較大，雷達反射圖象較為清晰，初步推測在掌子面前方12 m處開始出現(xiàn)溶洞，溶洞寬約為6 m。

在隧道掌子面前方20～25 m(K85+136～K85+131)范圍內(nèi)，電磁波信號出現(xiàn)異常，可以考慮為波的衍射或者受到右邊干擾波的衍射。

4 溶洞探測驗證

實際施工中，在YK85+144拱腰處開始出現(xiàn)溶洞，溶洞走向沿拱腰向拱頂過渡發(fā)展。溶洞大部分夾雜有黃色泥土填充物，個別處無填充物，在開挖過程中部分填充物有脫落，在YK85+142處溶洞在拱腰位置豎直向上延伸。在施工至掌子面YK85+140時，掌子面上部有呈U型的黏土層并向隧道頂部延伸。在掌子面YK85+137的位置，發(fā)現(xiàn)掌子面拱頂溶洞部位有泥土掉落現(xiàn)象，隨后拱頂泥土開始塌落，并沿洞內(nèi)滑移，半小時左右突泥基本停止，突泥情況如圖4所示。隧道溶洞突泥發(fā)生后對洞頂進行觀察，發(fā)現(xiàn)原地面發(fā)生沉陷，陷坑大小約為15 m×12 m×6 m，如圖5所示。

圖4 隧道拱頂位置突泥

圖5 隧道洞頂原地面塌陷

5 隧道溶洞處理方案

5.1 常見的處理方案

隧道穿過巖溶地區(qū)時，應(yīng)查明溶洞分布范圍和類型、巖層的完整穩(wěn)定程度、填充物和地下水情況，以此確定合理的施工方法。巖溶地段隧道溶洞常用的處理方法有“引、堵、越、繞”4種?！耙笔峭ㄟ^暗管、涵洞、小橋等將水引流，排出洞外。“堵”用于已停止發(fā)育、跨徑較小、無水的溶洞，可根據(jù)溶洞與隧道相交的位置及其充填情況，采用混凝土、漿砌片石或干砌片石予以回填封閉；或加深邊墻基礎(chǔ)，加固隧道底部?！霸健笔钱斔淼酪粋?cè)遇到狹長而較深的溶洞，可加深該側(cè)的邊墻基礎(chǔ)通過或者采用筑拱、架橋跨過。“繞”是在巖溶區(qū)施工遇到溶洞處理耗時且困難時，可采取迂回導(dǎo)坑繞過溶洞，繼續(xù)進行隧道前方施工，以節(jié)省時間，加快施工進度。

5.2 本工程溶洞處理方案

(1)洞內(nèi)塌方段處理。首先利用洞渣對YK85+137掌子面拱頂溶洞突泥段落進行反壓回填，將反壓石渣整修成臺階式，并采用C25噴射混凝土封閉(圖6)。在洞內(nèi)掌子面塌腔邊緣加設(shè)四榀I20b工字鋼背拱鎖口，并在拱腰、拱腳處分別打設(shè)2根Φ42 mm鎖腳錨管，錨管長度為3.5 m。背拱拱架間距為50 cm，拱架平面垂直于隧道中線，傾斜度不大于2°。任何部位偏離鉛垂面不大于5 cm。各單元用螺栓連接，螺栓孔中心間距誤差不超過±0.5 cm。拱架平放時，平面翹曲應(yīng)小于2 cm。隧道YK85+144～YK85+137段溶洞段徑向采用Φ42 mm注漿小導(dǎo)管加固，按間距1 m×1 m布置，導(dǎo)管長度按6 m布設(shè)并灌注水泥漿。溶洞內(nèi)空腔部位采用泵送C25混凝土進行填充。

圖6 塌方段處理措施

(2)地表塌腔回填處理。在該段圍巖基本穩(wěn)定后，及時施作仰拱、拱墻防排水設(shè)施和二次襯砌，待混凝土強度達到設(shè)計要求且未移動臺車前，對塌腔進行回填處理(圖7)。回填料采用三七灰土，對稱分層回填并夯實，每層回填厚度控制在50 cm以內(nèi)。在接近表層位置設(shè)置50 cm厚的隔水黏土層，防止地表水下滲對圍巖土體及隧道結(jié)構(gòu)的破壞；然后回填表層土，表層土采用腐殖土，回填高度高于原地面0.5 m。塌方空腔回填結(jié)束后，在塌方地表周邊5 m范圍內(nèi)修筑0.6 m深、0.6 m寬的截水溝，防止地表水流入塌方空腔中的回填土體。

圖7 地表處理措施

5.3 溶洞處理效果

溶洞和地表處理時對隧道初期支護進行了監(jiān)控量測，監(jiān)控量測累積時間為72 d，最后通過K85+137斷面拱頂累積下沉?xí)r間曲線(圖8)、下沉速率曲線(圖9)和水平累積收斂時間曲線(圖10)、水平收斂速率曲線(圖11)可知：拱頂下沉累計值為17.78 mm，沉降速率為0.01 mm·d-1，拱頂下沉已基本穩(wěn)定；水平收斂累積值為12.62 mm，穩(wěn)定時收斂速率為0.01 mm·d-1，水平收斂已基本穩(wěn)定。監(jiān)控量測數(shù)據(jù)顯示，上述處理方法對充填型溶洞的處理效果符合安全要求，能夠保證隧道正常施工的穩(wěn)定性。

圖8 YK85+137拱頂累積下沉?xí)r間曲線

圖9 YK85+137拱頂下沉速率曲線

圖10 YK85+137水平累積收斂時間曲線

圖11 YK85+137水平收斂速率曲線

6 結(jié) 語

(1)本文采用地質(zhì)雷達預(yù)測廣西河百高速班丘隧道溶洞的位置，通過合理選擇雷達的設(shè)置參數(shù)、測量模式、測線布置等對掌子面前方進行探測，對波形圖進行處理分析，預(yù)報出溶洞的大致位置，最后以實際開挖的情況驗證了地質(zhì)雷達探測溶洞的準確性，并根據(jù)班丘隧道實際情況做出了溶洞處理方案。

(2)總結(jié)了地質(zhì)雷達探測溶洞過程中可能受到的干擾因素：由于施工現(xiàn)場條件限制，測試過程中可能會遇到鉆孔、鉆桿、施工臺架、隧道初支鋼拱架、掌子面平整度、測線時的移動速度、電纜線等的干擾；測量人員的地質(zhì)觀察經(jīng)驗等因素也會對測試效果產(chǎn)生一定的影響。

(3)針對地質(zhì)雷達探測溶洞過程中可能遇到的干擾因素提出以下建議：測試時間應(yīng)盡量選取在爆破出渣機械排險之后；在隧道施工作業(yè)環(huán)境下測量時，應(yīng)盡可能將干擾因素排除，遇到不可避免的干擾物(鉆桿、鉆孔、臺架)及時記錄位置，以便分析圖形時排除干擾；操作人員應(yīng)調(diào)試好合理的測量參數(shù)，充分保證測試圖形的清晰；對地質(zhì)情況和現(xiàn)場情況做好記錄；遇到復(fù)雜的地質(zhì)情況可多測幾條線，以保證測量的精度。