公路巖溶隧道精細勘察模式及在沾會高速灰巖地區的應用

趙 虎，王 軍，王玲輝

(1.成都理工大學地球物理學院，成都 610059；2.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，成都 610041；3.四川公路工程咨詢監理有限公司，成都 610041；4.中石化西南分公司勘探開發研究院，成都 610059)

在高速公路隧道建設中,巖溶地區施工時往往會出現突水突泥以及圍巖塌方等情況，會顯著增加施工難度并存在安全隱患,若未合理避讓或正確治理,也危害后期公路的安全運營。因此對巖溶隧道的勘察至關重要，但是因為隧道巖溶發育具有隱伏性、無規律性等特征，巖溶區隧道勘察時又受限于地形、埋深以及交通條件等限制，隧道洞身位置的巖溶發育情況更加難以準確判斷，這也造成了巖溶隧道的勘察工作成為勘察難題[1-6]。

目前，對溶洞探測精度較高的勘察方法是物探跨孔CT(computed tomography)成像法，但由于CT方法要借助鉆孔進行孔間投射，而隧道鉆孔數量有限且距離較遠，故該方法在巖溶隧道勘察難以推廣[7-9]。有學者嘗試對巖溶隧道的調查模式進行過總結，也有技術人員對巖溶隧道勘察中的物探方法進行效果進行論證，但都未就綜合勘察手段進行深入研究[10-14]，目前對巖溶隧道探測精度較高的手段一般為施工階段超前預報，因此，在對隧道巖溶的精細勘察設計上需要深入研究，以便能精確的對隧道巖溶發育情況、規模及對隧道的影響進行判斷[15-20]。

1 精細勘察模式制定

1.1 精細勘察模式制定原則

為查明隧道巖溶發育情況，需要根據巖溶發育特點，建立科學的精細勘察模式，才能達到精確勘察的目的。精細勘察模式制定總體原則為從宏觀到細節、從整體到局部、分層遞進、精度漸高。確定建立原則后再根據原則選用具體勘察方法，以達到精細勘察的目的。

1.2 精細勘察模式工作流程

根據勘察模式建立原則，確定具體實施方案如下：首先采用地質調繪進行宏觀把控，再進行隧道貫通物探對巖溶發育情況進行詳查，然后在物探異常區布設鉆孔，通過孔內三維掃描對溶洞形態進行精確成像，通過孔內水文地質實驗分析巖溶發育特征，既從宏觀上把握了巖溶發育情況，又從細節上對大型溶洞的規模及影響進行了分析，可以達到對隧道進行精細勘察的研究目的，精細勘察模式工作流程如圖1所示。為驗證勘察模式的應用效果，選取云南沾會高速德澤隧道為研究對象進行實踐。

2 研究區地質背景

2.1 項目簡介及地形地貌

沾益—會澤高速公路地處云南省東北部，曲靖市公路網規劃重要組成部分，也是連通G56杭瑞高速以及G85渝昆高速的通道，在國家高速公路網乃至區域公路網中具有重要的作用(圖2)。

圖2 研究區地理位置示意圖Fig.2 Geographical location map of the study area

研究的德澤隧道為沾會—會澤高速公路重要控制性工點之一，為左、右線分幅隧道，其中左線隧道進口里程為ZK19+410 m，出口里程為ZK20+300 m，總長度890 m，最大埋深105 m；右線隧道進口里程為K19+408，出口里程為K20+300，總長度892 m，最大埋深99 m。

隧址區地處云貴高原，位于牛欄江強烈下切形成的河間地塊，屬構造侵蝕、溶蝕中山地貌，河流侵蝕堆積地貌僅沿牛欄江谷底呈帶狀展布。山嶺海拔高程一般在2 050～2 150 m，牛欄江河床海拔約1 658 m，相對高差為400～500 m。隧道進口位于牛欄江左岸邊坡中上部，邊坡呈折線狀，多為基巖裸露，橫坡變化為35°～40°，局部可見高約1～2 m的陡坎；出口位于陡緩相間的斜坡中部緩坡地帶，橫坡坡度約18°～20°，出露為崩坡積的含碎石黏土及碎石層，厚度不大，多為臺階狀旱地。

2.2 地層巖性及構造

研究區主要穿越地層為古生界泥盆系上統宰格組泥晶灰巖、灰巖。

根據區域地質資料，德澤隧道位于沾益“山”字形構造西翼與新華夏系構造和經向構造的復合地帶。構造線主要沿北北東向分布，少量沿北東分布，在項目止點附近受經向構造影響，而沾益“山”字形構造的西翼隱約其間，故區內構造較為復雜，研究對象主要受白石巖-小河水大向斜及F1斷層影響(圖3)。

圖3 研究區構造簡圖Fig.3 Structural sketch of the study area

2.3 水文地質情況

研究區水系為牛欄江水系，為南北流向，是金沙江右岸主要支流之一。云南昆明境內為牛欄江發源地，其主流全長423 km，河床高度變化達1 660 m，受水面積13 320 km2，多年平均流量為121 m3/s。河流穿越云南省十余個縣域。

根據區域內巖性及賦水特征，研究區內地下水類型可分為三類：松散堆積層孔隙水、構造裂隙水、碳酸鹽巖巖溶水，主要受大氣降水補給。

3 精細勘察方案實施及成果分析

根據建立的精細勘察模式，對研究區進行按勘察模式工作流程逐步進行精細勘察工作，并對應用成果進行詳細分析。

3.1 場地巖溶發育情況

場區位于河間地塊巖溶地貌，區由于牛欄江切割深度較大，路線設計高程較高，從宏觀上(區域上)測區處于垂直滲流帶，巖溶發育，地下水以垂直運動為主，地表巖溶形態以石芽、溶隙、溶溝、溶槽、漏斗、落水洞等垂直發育的巖溶為主(圖4、圖5)，隧道洞身圍巖段可能以垂向溶蝕管道及孔洞為主，可能有部分充填或無充填。

圖4 隧道進口石芽地貌Fig.4 Stone bud landform at tunnel entrance

圖5 隧道洞頂溶蝕漏斗Fig.5 Tunnel top corrosion funnel

3.2 地質調繪

地質調繪工作是巖溶勘察的基本及首要手段，也是宏觀判斷場區巖溶發育情況及特征最簡單有效的辦法，主要是通過對原有資料的搜集及調查訪問得出研究區地層巖性、產狀、構造、水文地質情況等，進而分析出巖溶發育特征及可能對隧道的影響。

通過大量調查走訪，研究區溶蝕形態主要有溶溝、溶孔、溶隙、漏斗、溶槽、溶洞等。

分析認為影響研究區域巖溶發育的原因主要有以下方面。

3.2.1 地形地貌影響

研究區區處于牛欄江左岸的河間地塊，兩側受牛欄江和打車溝夾持，東側牛欄江為該區段的侵蝕基準面和地下水排泄基準面，切割較深，高差較大，地表植被不發育，坡表紅黏土厚度較大，地表水入滲量大，加上地形較緩，降雨順斜坡坡表排泄至洼地后就地下滲，基本無地表徑流，形成了良好的巖溶發育地形地貌條件。

3.2.2 地層巖性影響

隧址區邊坡中上部出露的可溶性泥盆系上統宰格組(D3zg)地層，該地層巖性主要為灰巖及泥晶灰巖,厚度較大，易被水溶蝕，地表一般形成石芽坡地，地下易形成溶洞、暗河等，容易形成溶蝕通道；坡腳為非可溶巖，在可溶巖與非可溶巖界面附近形成巖溶出口，以溶洞或暗河的形式排入牛欄江。

3.2.3 沿層面及節理裂隙面巖溶發育

層面是地下水徑流的主要通道，在地下水長期活動下，沿層面易產生水平溶洞、溶溝和溶槽，順節理、裂隙走向多見巖溶漏斗展布。

3.2.4 地質構造的影響

區域上的白石巖-小河水大向斜在隧道洞身通過，向斜核部與路線交于K19+547 m附近，向斜軸部走向北東向，構造上有利于地下水的入滲，溶蝕現象極發育。

根據地質調查情況，可初步判斷研究區巖溶極發育，尤其在向斜核部與路線交于K19+547 m附近可能發育溶洞，單具體隧道穿過段落巖溶發育情況需要物探、鉆探進行進一步詳查。

3.3 隧道貫通物探

目前，公路工程在探測巖溶中通常采用的物探技術有電法、彈性波及電磁波層析成像法等，地震折射等方法，但由于勘察深度有限，并不適用于隧道勘察，針對埋深較深的隧道勘察中應用最多的是音頻大地電磁法，本隧道也采取了音頻大地電磁法進行左右線貫通物探工作。

物探工作進行之前，首先通過現場試驗及相關區域參數類比要得到研究區地球物理特征，得出電阻率參數(表1)，最后結合電阻率參數對物探成果(圖6)進行解釋。

表1 研究區電阻率參數Table 1 Area resistivity parameter

圖6 德澤隧道物探成果Fig.6 Geophysical exploration results of Deze Tunnel

根據物探成果得到以下結論。

(1)左右線剖面整體電阻率分布都不均勻，視電阻率在100～2 000 Ω·m變化，背景值較低，表明隧道巖體總體較為破碎、巖溶強烈發育。

(2)左右線比較來看，右線巖溶更加發育，有4段(K19+550 m附近、K19+710 m附近、K20+040 m附近、K20+250 m附近)巖體溶蝕嚴重，右線僅有1處(ZK19+680 m附近)，且隧道右線受構造影響更嚴重，向斜核部在右線物探剖面有清晰反應(圖6)。

3.4 地質鉆探

根據地質調繪及物探剖面綜合分析，在物探異常處布設鉆孔5個，對右線4處及左線1處推測巖溶發育區進行詳查，鉆孔樁號及驗證情況如表2所示。

對比結果(表2)表明，物探成果成功的對巖溶發育區進行了揭示，通過物探對巖溶發育區進行宏觀控制行之有效，物探成果能較好的為鉆孔布設提供指導性意見，但巖溶發育具體規模就充填情況需要鉆孔進行詳查。

3.5 三維激光掃描

通過K19 714L10 m鉆孔揭示在里程K19+714 m，孔深14.80～53.00 m存在一大型溶洞，但溶洞的形態及影響范圍僅靠鉆探及物探無法確定，為查明溶洞的形態及可能對隧道造成的影響，使用三維激光掃描儀在鉆孔內對溶洞進行了全方位掃描成像，取得成像信息，得到三維成像結果，直觀映射了溶洞內部的真實體積、形態等況(圖7)。

3.6 水文地質實驗

為了分析隧道圍巖的透水性、富水性，對隧道涌水段落及可能涌水量預測，在鉆孔K19+778.09L13.82 m，孔深63.40～81.00 m段泥晶灰巖內進行了壓水試驗，經計算滲透系數K為0.003 1 m/d，參照《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487—2008)附錄F預測，泥晶灰巖呈微～弱透水性，由于場地巖體受溶蝕裂隙及管道影響嚴重，巖體破碎程度差異較差，其滲透系數差異較大。

3.7 綜合分析

根據綜合勘察手段成果進行分析，預測隧道集中涌水災害段落及評價如下。

隧道集中涌水段災害類型及涌水災害特點，在隧道洞身K19+450～K19+580 m段、K19+689～K19+767 m段、K19+990～K20+040 m段為物探解釋的低阻異常帶，且鉆孔驗證溶蝕管道發育，管道內溶蝕強烈，可能在局部段落存在大型溶蝕管道，多為豎向管道，部分溶蝕孔洞充填黏土等，隧道開挖時可能產生突泥等現象。在K19+860～K19+960 m段物探揭示隧道底板以下30 m附近巖溶強烈發育，可能存在大型巖溶管道，建議施工中加強底板以下巖溶孔洞的探測和預報，確保隧道底板安全。同時對于隧道左線，根據物探資料，ZK19+380～ZK19+472、ZK19+661～ZK19+692、ZK20+114～ZK20+160、ZK20+190～ZK20+300 m這些段落溶蝕裂隙或發育巖溶管道。

表2 物探成果與鉆探成果對比分析Table 2 A comparative analysis of geophysical anomalies and drilling results

圖7 三維激光掃描成果Fig.7 3-D Laser Scanning Achievements

圖8 德澤隧道綜合地質剖面圖Fig.8 Comprehensive geological profile of Deze Tunnel

根據溶洞三維成像結果，運算得出溶洞體積為320 m3，溶洞頂部至底部高差41 m，溶洞橫向尺寸變化為2.5～8.5 m，為豎行管道狀溶洞，為溶洞災害的預防及預測其對隧道開挖產生的影響提供了詳實的數據基礎。從結果來看，三維激光掃描對能對鉆孔進行有效精確的補充，成像結果清晰直觀，是溶洞精確勘察的先進手段。

根據綜合分析，得出隧道巖溶發育情況(表3)，繪制出綜合地質剖面圖(圖8)，由于對隧道巖溶發育情況的準確勘察，該隧道提前141 d貫通，開挖過程中揭示的隧道巖性情況、構造情況以及巖溶發育情況與勘察情況基本一致，變更量極少，表明研究勘察模式實現了巖溶精細勘察的目的。

表3 隧道巖溶發育情況Table 3 Table of karst development in tunnels

4 結論

(1)由于巖溶隧道中溶蝕現象發育的隱伏性、多樣性、無規律性等特點，僅靠單一的勘察手段難以有效查明巖溶發育及對隧道的影響情況，通過地調、物探、鉆探、三維掃描等綜合勘察手段能有效查明巖溶發育情況，值得進行推廣應用。

(2)在高速公路巖溶勘探中引入三維激光掃描，取得良好的應用效果，為高速公路巖溶、采空區勘察中提供了一種新的精細勘察方法。

(3)巖溶隧道應該通過地調先行，物探普查、鉆孔驗證、三維掃描確定大型溶洞形態等環節逐層推進，通過科學手段有效解決巖溶發育問題。

(4)在巖溶隧道綜合勘察過程中，對每個環節的成果資料應充分分析后再針對性進行下一步工作，使綜合勘察工作層層深入，各種勘察方法要相互相印證，相互補充，使勘察資料更加準確。