富水巖溶隧道暗河段洞內(nèi)數(shù)字測繪技術(shù)

段成剛

（云南省交通運輸綜合行政執(zhí)法局工程質(zhì)量監(jiān)督支隊，云南 昆明 650200）

近年來，隨著我國鐵路、公路、地鐵隧道和水電基礎設施的大規(guī)模建設，高水壓、富水和巖溶等復雜工況在隧道工程建設中日益常見。在隧道施工過程中，受短期暴雨、施工所產(chǎn)生的動荷載甚至地震等影響，施工范圍內(nèi)軟弱圍巖的穩(wěn)定性、強度等物理力學性能將下降，進而使得隧道易產(chǎn)生涌水突泥、巖溶塌陷等問題，對工程及施工人員安全造成威脅[1-2]。施工前的地質(zhì)勘測及施工過程中的監(jiān)測，有利于提高工程設計的合理性，同時能預測及監(jiān)測工程施工過程中可能出現(xiàn)的問題，是保證工程正常安全施工關(guān)鍵措施。

目前，常采用伸縮桿、深埋測點的位移計和全站儀等方法對隧道及圍巖進行觀測，但傳統(tǒng)勘測方法存在效率低、勘測埋點成本大、受勘測地點環(huán)境影響大，測量精度難以保證和勘測人員安全性難以保證等問題，難以完全滿足當前工程勘測的需求。近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，攝影監(jiān)測技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)和雷達監(jiān)測技術(shù)因其操作便利性、安全性和精確性已被用于工程勘測與監(jiān)測中。但上述技術(shù)仍存在技術(shù)不成熟，勘測范圍有限、難以滿足大型復雜工程需求等問題。針對上述問題，許多學者對數(shù)字測繪技術(shù)進行了研究。楊志剛等[3]和周黎明等[4]通過理論模擬和工程實例分析發(fā)現(xiàn)，以地質(zhì)素描為基礎，結(jié)合雷達掃描技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)，可較好地預測隧道巖層的地質(zhì)狀況，并對巖層穩(wěn)定性進行判斷，提高隧道施工的安全性。劉倩等[5]提出了TSP超前預報系統(tǒng)與地質(zhì)調(diào)查法集合的隧道施工超前地質(zhì)預報技術(shù)，并通過工程實例對該技術(shù)進行驗證發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)對地質(zhì)情況的預報結(jié)果與實際工程開挖后地質(zhì)情況相一致，顯著提高地質(zhì)預測的精度，彌補了傳統(tǒng)單一地質(zhì)預測技術(shù)所存在的不足。

本文基于某富水巖溶隧道暗河段洞內(nèi)勘測項目，提出了一種安全、經(jīng)濟、高效和精確的富水巖溶隧道暗河段洞內(nèi)數(shù)字測繪技術(shù)，為富水巖溶隧道的勘測與預報提供了新的思路。

1 工程概況

1.1 背景介紹

工程位于云南省昭通市魯?shù)榭h，屬雙向四車道高速公路隧道。隧道左右洞長度分別為10132m 和10055m，縱面采用-1.98%的單向字坡，進洞口采用端墻式洞門，出洞口采用端墻式洞門。隧道進出口及洞身段左右線凈距為30m，按分離式隧道設計。

隧道出口為自然坡體，坡度約25°～26°，坡向約為95°，坡面存在少量的碎石土、塊石土，鉆孔揭露土層厚度為4.50～23.60m，下伏基巖為強、中風化白云質(zhì)灰?guī)r，經(jīng)地質(zhì)調(diào)繪，未有開裂變形跡象，現(xiàn)狀穩(wěn)定。

1.2 施工難點

本隧道工程項目位于富水巖溶地貌（如圖1 所示），隧道下穿強-中風化泥灰?guī)r地層，隧道開挖過程對巖層影響較大，開挖時對洞內(nèi)圍巖監(jiān)測要求較高。

圖1 隧道地質(zhì)縱剖面（部分）

本項目地表水系發(fā)達，水系補給主要來源于大氣降水及兩側(cè)山體孔隙潛水側(cè)向補給。該地降雨季節(jié)變化明顯，在暴雨季節(jié)易形成洪流及泥石流。且本項目多碳酸巖層和溶洞地貌，加劇了降雨與地下水對巖層的影響。為保證隧道施工的安全性，需在施工前對地質(zhì)進行精準勘測，以預測工程施工過程中可能出現(xiàn)的問題；同時，需對施工過程中巖層穩(wěn)定性進行實時監(jiān)測，以避免短期暴雨造成巖層穩(wěn)定性降低，對工程造成不利影響。

本項目位于兩大構(gòu)造帶斜接復合部位，地質(zhì)構(gòu)造運動活躍，地震頻發(fā)。為防止地震對隧道施工的影響，需實時監(jiān)測隧道施工所在地地質(zhì)情況，以及時調(diào)整隧道施工方案。

2 技術(shù)原理及方法

2.1 富水巖溶隧道地質(zhì)超前預報技術(shù)

在隧道開挖爆破后，綜合采用地質(zhì)素描+三維激光掃描+地質(zhì)雷達+TSP203 隧道地震探測的富水巖溶隧道地質(zhì)超前預報技術(shù)對隧道進行勘測，并繪制可視得的隧道三維空間分布形態(tài)。其原理如下：

首先，在隧道作業(yè)每一開挖循環(huán)后，對隧道內(nèi)圍巖特性進行觀察（包括巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、圍巖變形破壞情況和有害氣體及危害源存在情況等[6]），并繪制地質(zhì)素描圖，以實現(xiàn)對隧道開挖的直觀、快速分析與判斷。

其次，采用移動三維激光掃描儀，在移動三維掃描儀前進過程中，激光束發(fā)射器持續(xù)向前進方向的隧道壁發(fā)射激光，激光束的能量被物體表面吸收或反射回來，激光接收器接收反射的激光信號，進而計算激光從發(fā)射到反射的時間與距離，獲得隧道斷面數(shù)據(jù)，并計算空間坐標。最后利用計算機對各空間點進行處理分析，繪制三維圖形模型，以更直觀地反映巖溶隧道地質(zhì)特征。

同時，針對隧道施工環(huán)境復雜、傳統(tǒng)單一的地質(zhì)預報系統(tǒng)難以滿足精確勘測需求的工程現(xiàn)狀，對于遠距離地質(zhì)勘測，采用TSP 超前地質(zhì)預報系統(tǒng)對地質(zhì)環(huán)境進行預報。如圖2 所示，在隧道附近進行小藥量引爆，人為產(chǎn)生可控的震源，地震波以球面波形式沿隧道方向傳播，受傳播介質(zhì)的不同，其被吸收或反射，反射波被檢波器2 所接收，對地震波數(shù)據(jù)進行處理后最終獲得巖層信息。

圖2 反射波法隧道超前預報原理圖

對于短距離地質(zhì)勘測，則利用地質(zhì)雷達法（GPR）進行精準勘測[7]。通過主機控制天線向目標體發(fā)射高頻電測波，受阻擋物體磁導率、介電常數(shù)等參數(shù)的影響，電磁波傳播變化，部分電磁波發(fā)生反射并被接收裝置接收，經(jīng)計算機處理后獲得溶洞地質(zhì)特征信息。

最后，針對物理探測判釋成果的多解性問題，采用鉆探法對其結(jié)果進行驗證。每次驗證前，需根據(jù)TSP 與地質(zhì)雷達預報結(jié)果確定打探孔布置和數(shù)量，以在實現(xiàn)勘測驗證精準性的前提下降低施工成本，提高施工效率。

2.2 基于TSP 物探指標的圍巖質(zhì)量預測技術(shù)

為保證隧道施工安全，采用一種基于TSP 物探指標的圍巖質(zhì)量預測方法對圍巖質(zhì)量進行預測。

首先利用傳統(tǒng)的TSP 物探技術(shù)，對圍巖質(zhì)量進行監(jiān)測。然后采用小波降噪對物探指標進行數(shù)據(jù)降噪處理，并采用MATLAB 軟件和灰色關(guān)聯(lián)理論，對隧道圍巖質(zhì)量的影響因素進行排序及圍巖質(zhì)量預測，以實現(xiàn)圍巖物理力學性質(zhì)的精準預測。

3 施工技術(shù)要點

3.1 施工流程

富水巖溶隧道暗河段洞內(nèi)數(shù)字測繪施工流程如圖3所示。在地質(zhì)素描前，對區(qū)域地質(zhì)信息進行調(diào)研，初步掌握區(qū)域地質(zhì)特征。同時，通過TSP203 超前地質(zhì)預報系統(tǒng)與地質(zhì)雷達技術(shù)對富水溶巖地質(zhì)進行預測，若其預測結(jié)果滿足施工要求，則直接利用地質(zhì)素描技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)巖溶隧道的數(shù)字測繪。反之，則通過地質(zhì)鉆探技術(shù)，對巖溶隧道預測結(jié)果進行修正，并在此基礎上，繼續(xù)利用地質(zhì)素描技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)實現(xiàn)巖溶隧道的數(shù)字測繪。在隧道施工過程中，為提高工程施工安全性，需通過圍巖量測、開挖工作觀察、地質(zhì)超前預報和地質(zhì)超前預報數(shù)據(jù)處理等方式對隧道圍巖進行監(jiān)測。

圖3 數(shù)字測繪施工流程圖

3.2 地質(zhì)預測

為實現(xiàn)富水巖溶隧道的快速、精準監(jiān)測，本文提出了地質(zhì)雷達近距離（20～40m）較微觀近期預報與TSP203 隧道地震探測儀遠距離（200m）較宏觀長期預報相結(jié)合的地質(zhì)預測技術(shù)。

對于遠距離地質(zhì)勘測，采用TSP203 隧道地震探測儀遠距離預測技術(shù)。如圖4 所示，在開挖掌子面鉆孔以布置傳感器。傳感器間距應滿足相關(guān)地質(zhì)勘測規(guī)范要求。鉆孔完畢后，逐個測量孔的深度和傾斜度。在傳感器埋入前，需清除孔底虛碴，并放入傳感器桿；待傳感器桿固定后，完成傳感器安裝。

圖4 TSP203 超前地質(zhì)預報布置示意圖

完成傳感器布置后，對各工作部件核對檢查，同時停止工作面800m 范圍內(nèi)的機械作業(yè)和作業(yè)人員作業(yè)，一方面避免作業(yè)對地質(zhì)勘測造成干擾，另一方面避免爆破對人員及機械安全產(chǎn)生威脅。

對于短距離地質(zhì)勘測，采用地質(zhì)雷達法（GPR）。如圖5（a）和5（b）所示，在隧道掌子面上布置發(fā)射器與接收器，并控制發(fā)射器向掌子面前方發(fā)射電磁波，電磁波在傳播過程中，受介質(zhì)性質(zhì)的不同，被不同程度的吸收或反射，其反射波被接收器接收。通過數(shù)據(jù)處理與分析，根據(jù)電磁波頻率變化規(guī)律，判斷雷達勘測范圍內(nèi)巖層完整情況以及裂隙水發(fā)育情況，進而指導隧道進一步施工。

圖5 地質(zhì)雷達測線布置與原理圖

地質(zhì)雷達和TSP203 隧道地震探測內(nèi)外業(yè)可分組同步進行，外業(yè)組進行地質(zhì)隧道測試及數(shù)據(jù)預處理，內(nèi)業(yè)組在室內(nèi)進行成果數(shù)據(jù)進一步處理，提高測量與數(shù)據(jù)處理效率。

由于物理探測結(jié)果存在多解性，需對地質(zhì)預測結(jié)果進行核查。對于重點懷疑地段，應采用多種方法探測，進行綜合判釋。為提高勘測效率、節(jié)約成本，需根據(jù)地質(zhì)預測結(jié)果對超前探孔布置數(shù)量進行確定。其中，根據(jù)不良地質(zhì)性質(zhì)及規(guī)模，可選擇在開挖斷面布設1～5 個探孔進行探測。

3.3 巖溶隧道數(shù)字測繪

在地質(zhì)雷達和TSP203 隧道地震探測結(jié)果的基礎上，利用地質(zhì)素描技術(shù)和三維激光掃描對富水巖溶隧道進行測繪。

其中，地質(zhì)素描應在隧道開挖作業(yè)后立即進行，若發(fā)現(xiàn)圍巖條件惡化，應立即采取相應處理措施。觀察后及時繪制開挖工作面地質(zhì)素描圖（包括：巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水情況、圍巖變形破壞情況和有害氣體及危害源等）。

在三維激光掃描儀工作時，掃描儀保持水平前進方向不動，在垂直方向上進行360°掃描。激光器在前進過程中不斷向發(fā)射激光，進而獲取隧道斷面數(shù)據(jù)，并根據(jù)激光傳輸?shù)挠涗洉r間獲取每個激光點相對掃描儀中心的空間坐標。并將處理后的三維點云數(shù)據(jù)導入激光雷達隧道測量檢測軟件，最后通過點云提取出正射影像圖，生成三維影像[8]。

3.4 圍巖監(jiān)測

為提高工程施工安全性，需實時監(jiān)測圍巖動態(tài)信息，以及時對隧道施工過程中的不利狀況提出解決方案。其具體措施如下：

（1）量測斷面布置：當隧道埋深小于2～3 倍隧道開挖跨度或隧道位于偏壓較大的地段時，應設點觀測地表下沉。當隧道埋深大于2～3 倍隧道開挖跨度時，可不測地表下沉。

（2）開挖工作觀察：對開挖面進行定期觀察，其頻率可根據(jù)地層情況進行調(diào)整，觀察后應描繪地質(zhì)素描圖。

（3）地質(zhì)超前預報：采用超前探孔、地質(zhì)雷達、地質(zhì)超前預報儀和三維激光掃描進行地質(zhì)超前預報。

（4）地質(zhì)超前預報數(shù)據(jù)處理：采用小波降噪對多個TSP 物探指標進行數(shù)據(jù)降噪優(yōu)化處理，并采用MATLAB 軟件和灰色關(guān)聯(lián)理論對隧道圍巖質(zhì)量的影響因素進行關(guān)聯(lián)排序及圍巖質(zhì)量預測，以實現(xiàn)圍巖物理力學性質(zhì)的精準預測。

4 結(jié)論

針對富水巖溶隧道暗河段洞內(nèi)數(shù)字測繪施工勘測效率低、成本大、受勘測地點環(huán)境影響大等問題，本文基于某富水溶巖隧道工程實例，對該類工程施工技術(shù)加以研究：

（1）通過地質(zhì)素描+三維激光掃描+地質(zhì)雷達+TSP203 隧道地震探測的富水巖溶隧道暗河段洞內(nèi)數(shù)字測繪技術(shù)，對隧道進行勘測并繪制可視的隧道三維空間分布形態(tài)，可顯著提高工程設計階段的效率和設計精確性，縮短工期。

（2）采用了地質(zhì)雷達近距離（20～40m）較微觀近期預報與TSP203 隧道地震探測儀遠距離（200m）較宏觀長期預報相結(jié)合的地質(zhì)預測技術(shù)，通過二者的相互補充和印證，確定是否需要打探孔和探孔位置和數(shù)量，并探測預報孤石、斷層（風化）破碎機含水量等，對勘測結(jié)果進行修正，提高勘探精度。

（3）在工程勘測過程中，地質(zhì)雷達和TSP203 隧道地震探測內(nèi)外業(yè)可分組同步進行，外業(yè)組進行地質(zhì)隧道測試及數(shù)據(jù)預處理，內(nèi)業(yè)組在室內(nèi)進行成果數(shù)據(jù)進一步處理，提高測量與數(shù)據(jù)處理效率。

（4）對于圍巖的監(jiān)測，提出了一種基于TSP 物探指標的圍巖質(zhì)量預測方法，利用小波降噪對物探指標進行數(shù)據(jù)降噪處理；并利用MATLAB 軟件和灰色關(guān)聯(lián)理論對隧道圍巖質(zhì)量的影響因素進行排序及圍巖質(zhì)量預測，以實現(xiàn)圍巖物理力學性質(zhì)的精準預測。