隧道內(nèi)隱伏巖溶綜合探測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用

程 木 星， 程 江 河， 任 運(yùn) 盼

(1.中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 611830；2.中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000)

1 概 述

新建鐵路磨丁至萬(wàn)象線北起中老邊境口岸磨丁，終到老撾首都萬(wàn)象市，線路全長(zhǎng)414 km，新建隧道75座、196 km，其中巖溶隧道18座，長(zhǎng)約16 km。由中國(guó)水電十局承建的路段穿越萬(wàn)榮巖溶風(fēng)景區(qū)，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，地質(zhì)條件復(fù)雜，突水突泥、斷層破碎帶、煤系地層及瓦斯、溶蝕洼地、暗河等不良地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重，施工風(fēng)險(xiǎn)極大。因此，在隧道土建施工期和軌道架設(shè)之前，若能夠較準(zhǔn)確地確定巖溶發(fā)育的規(guī)模、與線路的空間關(guān)系、與斷層和地表淺層巖溶發(fā)育區(qū)的連通關(guān)系，對(duì)設(shè)計(jì)和施工能起到良好的指導(dǎo)作用，對(duì)于規(guī)避地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，確保營(yíng)運(yùn)安全具有重要的意義[1]。

中老鐵路為單線鐵路，隧道施工空間狹窄，各類施工機(jī)具設(shè)備活動(dòng)頻繁，電、磁、振動(dòng)干擾嚴(yán)重，巖溶探測(cè)實(shí)施難度較大，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用適宜的勘探方法進(jìn)行勘探。國(guó)內(nèi)在一般條件下采用的物探方法是沿線路進(jìn)行帶狀探查，確定異常發(fā)育區(qū)后進(jìn)行鉆探驗(yàn)證用以評(píng)價(jià)巖溶的發(fā)育程度和規(guī)模，但該探測(cè)方法較為單一，準(zhǔn)確性不高。為提高探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，水電十局中老鐵路項(xiàng)目部的技術(shù)人員結(jié)合隧道施工階段的具體特點(diǎn)，在隧道隱伏巖溶探測(cè)研究中應(yīng)用了風(fēng)槍探孔+釬探+物探+鉆探的綜合勘探模式，積累了較為豐富的經(jīng)驗(yàn)，為巖溶整治提供了詳實(shí)、科學(xué)、客觀的依據(jù)。

2 探測(cè)方法

隧道施工期需開(kāi)展探測(cè)工作的巖溶分為開(kāi)挖已揭露的巖溶和開(kāi)挖未揭露的巖溶(隱伏巖溶)兩類，細(xì)分為洞周探測(cè)和隧底探測(cè)兩部分。洞周包括隧道拱部及邊墻，隧底系指除洞周之外的隧道底部。巖溶探測(cè)需根據(jù)施工工序安排、有序進(jìn)行、適時(shí)調(diào)整。

2.1 風(fēng)槍探孔法

風(fēng)槍探孔法是利用風(fēng)槍鉆在隧道開(kāi)挖每循環(huán)中對(duì)洞周及隧底鉆小孔徑的淺孔以獲取地質(zhì)信息，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)情況，實(shí)用性強(qiáng)。隧道施工期，靠近掌子面附近的隧底巖溶物探受大型施工機(jī)具、鐵質(zhì)物體等環(huán)境條件的限制，電磁干擾嚴(yán)重，一些方法不具備施測(cè)條件，而另一些方法因受到干擾致使資料質(zhì)量變差，分辨率降低。風(fēng)槍探孔法不受這些環(huán)境因素影響，是隧道仰拱實(shí)施前進(jìn)行隧底隱伏巖溶探測(cè)行之有效的手段。

2.2 釬探法

釬探在隧底、洞周有充填物且充填物厚度小于3 m時(shí)使用，原則上孔間縱橫向間距不大于5 m，探測(cè)范圍須覆蓋巖溶充填物。釬探孔每孔的里程位置須準(zhǔn)確定位，并需詳細(xì)記錄每個(gè)孔巖溶充填物的厚度、成分、軟硬程度、含水程度等。

2.3 物探法

隧道仰拱澆筑后，采用地質(zhì)雷達(dá)法和地震映像法的綜合分析方法拉通探測(cè)。標(biāo)段測(cè)區(qū)上覆粉質(zhì)黏土、松軟土、粗(細(xì))圓礫土、卵石土；下伏基巖為砂巖、泥巖夾石英砂巖、煤層、灰?guī)r夾頁(yè)巖、板巖夾灰?guī)r。以溶洞、破碎帶、溶腔等形式出現(xiàn)的巖溶與上述地層存在明顯的物性差異，從而為巖溶物探工作提供了良好的地球物理特征。

(1)地質(zhì)雷達(dá)法。采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)隧道基底進(jìn)行探測(cè)時(shí)，由發(fā)射天線向隧底的巖層發(fā)射電磁波，當(dāng)電磁波傳至兩種不同介質(zhì)的分界面，如斷層、洞穴和巖層分界面等時(shí)，由于兩種介質(zhì)的介電常數(shù)存在差異而使電磁波在界面處會(huì)發(fā)生反射和折射等現(xiàn)象，入射波、反射波和折射波的傳播遵循反射定律和折射定律，反射波返回隧底表層被接收天線接收，形成雷達(dá)圖像[2]。

地質(zhì)雷達(dá)法是一種高效、直觀、連續(xù)無(wú)破壞性、分辨率高的物探方法，所提供的資料圖件為連續(xù)時(shí)間(深度)剖面圖，對(duì)溶洞的分布范圍、埋深、大小一目了然?？紤]到隧底基本為基巖，電磁波穿透深度較大，故其探測(cè)深度滿足勘探要求。

(2)地震映像法。地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種地球物理勘探方法，是以相同的偏移距逐步移動(dòng)測(cè)點(diǎn)接收地震信號(hào)對(duì)地下的地層或目標(biāo)體進(jìn)行連續(xù)掃描，探測(cè)地下介質(zhì)變化的地震方法。

地震映像法數(shù)據(jù)采集速度快，避免了動(dòng)、靜校正對(duì)地震波的拉仰、畸變影響，保留了多種地震波信息及全部動(dòng)力學(xué)特征；特別是在探測(cè)目標(biāo)體相對(duì)單一、以橫向地質(zhì)條件變化為主的情況下，地震映像法探測(cè)效果好，具有快速、高效、成果直觀，可利用多種地震波及其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征實(shí)現(xiàn)異常體較準(zhǔn)確的定位及性質(zhì)判別的優(yōu)點(diǎn)(圖1)。

圖1 萬(wàn)榮隧道地震映像法現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

在巖溶探測(cè)中，與鉆探法相比，物探不會(huì)損壞既有工程和構(gòu)筑物且探測(cè)費(fèi)用低，施測(cè)速度快；但物探屬于間接性探測(cè)方法，其結(jié)果時(shí)常存在多解性，而且每一種物探方法存在自身具有的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，應(yīng)針對(duì)隧底的具體條件，根據(jù)每一種物探方法的特點(diǎn)選擇兩種及兩種以上的方法進(jìn)行綜合物探。

地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)速度較快，但其探測(cè)深度小，當(dāng)存在低電阻的潮濕土層強(qiáng)烈吸收電磁波時(shí)，勘探深度只有約5 m。故要求地面必須平整，否則無(wú)法拖動(dòng)天線或干擾較大。地震映像法為彈性波類物探方法，不受隧底仰拱鋪設(shè)鋼筋的影響，能夠宏觀地探測(cè)隧底巖溶，是仰拱鋪設(shè)鋼筋地段比較有效的物探方法；但在另一方面，與地質(zhì)雷達(dá)的電磁波頻率相比，地質(zhì)地震映像法的地震波頻率較低，所獲得的資料精度沒(méi)有地質(zhì)雷達(dá)法高。

2.4 鉆探法

當(dāng)采用物探法出現(xiàn)異常時(shí)需采用鉆探法進(jìn)行驗(yàn)證控制，以進(jìn)一步查明異常體的深度、范圍、性質(zhì)。鉆孔的密度、深度應(yīng)以查明對(duì)工程有影響的巖溶或物探異常帶的空間分布特征為原則進(jìn)行控制。隧底鉆探的有效深度原則上不小于10 m,當(dāng)揭露巖溶等不良地質(zhì)情況時(shí)，鉆探深度應(yīng)穿越巖溶至穩(wěn)定基巖中不小于5 m。

2.5 風(fēng)槍探孔+釬探+物探+鉆探的綜合勘探模式

綜合考慮隧道隱伏巖溶探測(cè)的場(chǎng)地條件以及施工期間存在的電、磁、振動(dòng)等外界干擾，為了取得較好的勘探效果，隧道隱伏巖溶探測(cè)工作采用“風(fēng)槍探孔+釬探+物探+鉆探”的綜合勘探模式[3]。

(1)澆筑仰拱前，在每個(gè)斷面布置10個(gè)孔(洞周7孔，隧底3孔),孔深5 m,采用風(fēng)槍探孔及釬探對(duì)洞周及隧底隱伏巖溶進(jìn)行探測(cè)。

(2)澆筑仰拱后，根據(jù)隧道主體工程和鋪底進(jìn)展情況分段實(shí)施隧道基底巖溶物探。對(duì)于小于1 000 m的可溶巖段落，在該段仰拱施作完成后進(jìn)行物探；對(duì)于長(zhǎng)度大于1 000 m的可溶巖段落，仰拱每施作1 000 m開(kāi)展一次物探。

(3)物探施測(cè)后，對(duì)所發(fā)現(xiàn)的規(guī)模較大或埋深較淺的溶洞異常情況進(jìn)行鉆探驗(yàn)證。對(duì)物探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證后，根據(jù)驗(yàn)證資料對(duì)物探判釋結(jié)果進(jìn)行修正。

3 探測(cè)的實(shí)施

隧道基底隱伏巖溶的物探和鉆探由勘察設(shè)計(jì)單位成立的現(xiàn)場(chǎng)地勘項(xiàng)目部負(fù)責(zé)實(shí)施。隧底及洞周的地質(zhì)測(cè)繪、風(fēng)槍探孔、釬探等由隧道施工架子隊(duì)負(fù)責(zé)實(shí)施。在隧道施工期，架子隊(duì)?wèi)?yīng)為物探施測(cè)提供必要的條件，盡量消除電、磁、振動(dòng)等各種干擾以提高數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。開(kāi)展隧道隧底巖溶物探時(shí)，要求隧底平整、壓實(shí),無(wú)碎石和施工材料堆放，無(wú)積水、流水和泥漿等。進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)時(shí)，需將施工機(jī)械、車輛及鐵質(zhì)物體移至工作場(chǎng)地范圍之外以減少電磁干擾；進(jìn)行地震映像法探測(cè)時(shí)，工作場(chǎng)地附近應(yīng)停止人員走動(dòng)和施工機(jī)械的操作，以減少振動(dòng)噪聲干擾。

3.1 風(fēng)槍探孔

采用風(fēng)槍探孔對(duì)洞周及隧底隱伏巖溶進(jìn)行探測(cè)時(shí)，每個(gè)斷面布置10個(gè)探孔，分別位于拱頂、左右拱腳、左右邊墻中部、左右邊墻腳處、隧底中線及兩側(cè)處。探孔深度為5 m，斷面縱向間距為5 m，遇到巖溶異常時(shí)應(yīng)適當(dāng)加密、加深。探測(cè)工作斷面上拱墻部分的7個(gè)風(fēng)槍探孔結(jié)合隧道支護(hù)系統(tǒng)錨桿進(jìn)行，拱墻系統(tǒng)的錨桿原設(shè)計(jì)長(zhǎng)度一般為2.5～3 m,需將探測(cè)工作斷面上利用的7個(gè)拱墻系統(tǒng)錨桿孔加長(zhǎng)至5 m,考慮注漿；探測(cè)工作斷面上隧底的探測(cè)孔深度為5 m,不需注漿。

風(fēng)槍探孔記錄。尤其是有巖溶異常的探孔需要詳細(xì)記錄巖溶深度、充填物性質(zhì)、充水情況、巖石破碎程度等。風(fēng)槍探孔是隧底仰拱澆筑前隧道隱伏巖溶探測(cè)的重要手段，應(yīng)作為一項(xiàng)工序納入隧道施工中，由架子隊(duì)嚴(yán)格按有關(guān)要求實(shí)施。

3.2 地質(zhì)雷達(dá)法物探

在地質(zhì)雷達(dá)法資料采集中，為兼顧探測(cè)深度和精度的需要，使用了100 MHz的屏蔽天線，采用連續(xù)測(cè)量采集數(shù)據(jù)。探測(cè)時(shí)選擇合適的時(shí)間窗口和采樣間隔并根據(jù)數(shù)據(jù)采集中的干擾變化和效果及時(shí)調(diào)整工作參數(shù)。萬(wàn)榮隧道探測(cè)時(shí)，結(jié)合實(shí)際情況標(biāo)定相對(duì)介電常數(shù)，測(cè)量時(shí)窗選定為550 ns，采樣點(diǎn)數(shù)為512點(diǎn)/道，掃描速率約為60掃/s。在雷達(dá)探測(cè)過(guò)程中，每5 m進(jìn)行標(biāo)記，準(zhǔn)確標(biāo)記測(cè)量位置。記錄長(zhǎng)度不宜大于300 m。分段探測(cè)時(shí)，記錄中重復(fù)探測(cè)的長(zhǎng)度不得小于2 m。對(duì)發(fā)現(xiàn)有重點(diǎn)異常的區(qū)域應(yīng)重復(fù)觀測(cè)，重復(fù)性較差時(shí)應(yīng)查明原因。

地質(zhì)雷達(dá)法的資料解釋主要依據(jù)雷達(dá)深度剖面圖，通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)剖面上的電磁反射波組、強(qiáng)能量團(tuán)塊分布和雙曲線等特征，對(duì)隧道基底隱伏巖溶發(fā)育情況做出判斷[4]。

基底結(jié)構(gòu)密實(shí)(即正常情況下)的雷達(dá)圖像具有反射波同相軸連續(xù)并且平行、末出現(xiàn)明顯繞射波、頻率高等特征，圖2為萬(wàn)榮隧道DK295+011∽+035段完整灰?guī)r的圖像反映。

圖2 完整基巖地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

基底結(jié)構(gòu)不密實(shí)時(shí)電磁波的頻率變低，如果局部松散或有空洞時(shí)，電磁波反射波組雜亂，伴隨有很多弧形繞射波；當(dāng)基底內(nèi)松散且含水量較高時(shí)，電磁反射波組頻率比較低、出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。如圖3所示，DK294+805.5～+814.5段右1.8 m處地質(zhì)雷達(dá)剖面圖中下部在雷達(dá)中呈強(qiáng)反射波且呈雙曲線特征，物探解釋為空洞的反映。萬(wàn)榮隧道D294+975～0K295+000段地質(zhì)雷達(dá)剖面圖(圖4)中上部存在電磁波強(qiáng)反射波組且雜亂等特征，物探解釋為破碎帶反映。

3.3 地質(zhì)地震映像法探測(cè)

數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，震源點(diǎn)與檢波點(diǎn)相對(duì)位置保持不變，震源點(diǎn)與檢波點(diǎn)中點(diǎn)即為測(cè)點(diǎn)，震源點(diǎn)、檢波點(diǎn)均按照一定間隔同步向前移動(dòng)以獲得共偏移距地震映像時(shí)間剖面。根據(jù)共偏移距地震映像時(shí)間剖面的地震波運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征分析地下界面的起伏變化、局部異常體的位置、大致深度及性質(zhì)。

地質(zhì)地震映像法探測(cè)數(shù)據(jù)處理流程主要包括：原始數(shù)據(jù)→坐標(biāo)參數(shù)編輯→預(yù)處理→能量均衡→頻率濾波→時(shí)深轉(zhuǎn)換。其中，為保留多種地震波及其動(dòng)力學(xué)特征，必要時(shí)僅對(duì)地震映像剖面做頻率濾波、能量均衡處理。地質(zhì)地震映像法成果資料的解釋主要依據(jù)地震映像斷面圖，通過(guò)地震映像斷面地震波的旅行時(shí)、振幅、頻率、相位等特征分析地下界面的起伏變化、局部異常體的位置、性質(zhì)及大致深度。根據(jù)實(shí)測(cè)地震映像剖面特征，物探探測(cè)異常大致分為以下三類：

圖3 空洞地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

第一類異常：異常段相較于背景區(qū)地震波能量增強(qiáng)、頻率降低、旅行時(shí)增長(zhǎng)，沿橫向連續(xù)出現(xiàn)的低頻、強(qiáng)能量的兩組或多組同相軸均出現(xiàn)規(guī)律性下凹，呈現(xiàn)“V”字型特征，特別是隧道基底地震映像剖面首根沿橫向連續(xù)出現(xiàn)的低頻、強(qiáng)能量同相軸出現(xiàn)明顯的下凹，異常邊部表現(xiàn)為同相軸明顯的彎折或錯(cuò)斷，異常中心表現(xiàn)為明顯的頻率降低、振幅增強(qiáng)、波組間隔明顯增大。

第二類異常：異常段相較于背景區(qū)地能波能量增強(qiáng)、頻率降低、旅行時(shí)增長(zhǎng)，沿橫向連續(xù)出現(xiàn)的低頻、強(qiáng)能量的兩組或多組同相軸出現(xiàn)平緩的下凹，主要呈現(xiàn)弧形、“U”字型特征，異常邊部主要表現(xiàn)為同相軸局部不連續(xù)或錯(cuò)斷，異常內(nèi)部地震波能量、頻率變化不大、波組間隔自異常邊部至異常中心逐漸增大。

第三類異常：沿橫向連續(xù)出現(xiàn)的低頻、強(qiáng)能量的同相軸出現(xiàn)明顯中斷、錯(cuò)位、波組增多及波組間隔突變，相較于第一、第二類異常未出現(xiàn)明顯的同相軸下凹及頻率的明顯降低，主要表現(xiàn)為同相軸沿橫向不連續(xù)。

根據(jù)巖溶物探探測(cè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，第一類異常主要為溶洞的反映，巖溶發(fā)育程度明顯強(qiáng)于第二、第三類異常，且異常幅度與巖溶發(fā)育程度之間具有較為明顯的相關(guān)性，異常幅度越大，巖溶越發(fā)育；第二類異常、第三類異常主要為破碎帶的反映[5]。

圖4 破碎帶地質(zhì)雷達(dá)剖面圖

4 結(jié) 語(yǔ)

隧道基底隱伏巖溶探測(cè)成果以地質(zhì)雷達(dá)資料解釋為主，地震映像資料解釋為輔。探測(cè)出的溶蝕破碎發(fā)育區(qū)以及頂板厚度較小的無(wú)充填、半充填巖溶發(fā)育區(qū)沉降坍陷風(fēng)險(xiǎn)極大，需結(jié)合物探、鉆探取芯以及地質(zhì)資料對(duì)巖溶缺陷異常段進(jìn)行綜合分析并進(jìn)行安全評(píng)估處理。在巖溶探測(cè)方面，物探法加地質(zhì)法和多種方法的相互驗(yàn)證，是巖溶災(zāi)害源探測(cè)的發(fā)展方向之一。實(shí)踐證明：在隧道隱伏巖溶探測(cè)施工中采用風(fēng)槍探孔+釬探+物探+鉆探的綜合勘探模式，能夠較準(zhǔn)確地探明溶洞和破碎帶，從而證實(shí)了該模式在鐵路隧道隱伏巖溶探測(cè)中是有效且可行的，值得推廣應(yīng)用。