隧道涌水段不良地质探测及围岩变形规律研究

方建华，甘鹏路，林廷松

(1.中铁隧道集团有限公司杭州分公司，浙江杭州 310030;2.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，浙江杭州 310058;3.杭州市建设工程质量安全监督总站，浙江杭州 310005)

0 引言

隧道发生涌水事故后，土体变形复杂，威胁到隧道整体结构稳定。为了解决这一问题，需要对涌水段的不良地质进行探测以及分析围岩变形。目前，地质雷达主要被用来探测隧道掌子面前方地质情况［1－3］。肖宏跃等［4］建立了典型地质现象与地质雷达特征图像的对应关系。王亮等［5］从理论研究角度提出了岩溶洞穴的雷达图像特征。何现启等［6］利用含水量与介电参数之间的关系研究地质雷达在探水方面的应用。在围岩变形方面，不少学者从监测、模型试验方面进行分析研究［7－8］。张青龙等［9］根据监测资料对富水软岩的变性特征进行了分析。尹文平［10］提出了富水条件下隧道变形控制技术。然而，针对隧道涌水事故，很少有相关地质探测与变形监测的分析与讨论。本文以大奎隧道涌水段为工程背景，将地质雷达探测和事故段围岩变形监测相结合，分析富水条件下地质情况与围岩变形。

1 涌水事故概况

大奎隧道位于湖南炎陵至汝城高速公路第12合同段处。隧道进口段为分离式隧道，出口400 m左右为小净距隧道。隧道右线全长2 828 m，进口里程为YK50+140，出口里程为YK52+968，纵坡采用1.7%和1.9%2种坡度。左线全长3 192 m，进口里程为ZK49+780，出口里程为 ZK52+972，纵坡采用3%，1.7%和9%3种坡度。大奎隧道所在区域位于构造剥蚀中低山区地貌区。山体地形切割强烈，山坡陡峻，局部为陡崖。隧道区岩层主要为表层松散覆盖层，中下部是强－中风化岩夹页岩。隧道区域内地下水按含水介质及埋藏条件可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水2大类。地下水对混凝土无腐蚀性。

施工队在开挖至大奎山隧道右线出口附近区域时，出现了严重的涌水事故。2010年9月12日施工至YK52+812进洞左侧边墙时，底板出现股状涌水，水量很大，采用抽水能力为320 m3/h的污水泵进行排水;9月25日上午，在YK52+799右侧下台阶钻设拱脚锁脚钢管时出现50 m3/h左右的涌水，中午在施作YK52+814靠左侧底板又出现约220 m3/h的涌水。图1为涌水将洞内淹没的情景，图2为右线出口涌水点的照片。

2 地质雷达工作原理

地质雷达与探空雷达技术相似，都是利用高频电磁脉冲波的反射来探测目标体，通过对电磁波在地下介质中传播规律的研究与波场特点的分析，查明介质结构、属性、几何形态及其空间分布特征。

地质雷达由地面上的发射天线T将高频电磁波(主频为106～109Hz)以宽频带短脉冲形式送入地下，经地下目标体或不同电磁性质的介质分界面反射后返回地面，被另一接收天线R接收，而其余电磁能量则穿过界面继续向下传播，在更深的界面上继续反射和折射，直至电磁能量被地下介质全部吸收。

回波走时，电磁波行程所需时间

式中:x为两天线的间距;z为反射点A的法线深度;v为电磁波在地下介质中的波速。

当地下介质的波速v为已知时，可根据天线间距(已知值)x和雷达记录的回波走时t，由式(1)求出反射体的埋深。反射体或目标体的埋深及其变化是描述其空间分布最重要的参数之一，因此也是地质雷达方法必须获得的基本数据。

雷达所记录的回波走时t是从雷达剖面上读取的。图3为一地质模型及其对应的雷达记录(即雷达剖面)示意图。设发射天线T与接收天线R的中点为记录点，则测线上各测点的接收天线所接收的反射波均记录在各自记录点的下方，从而形成雷达剖面。在雷达剖面上，各点的反射均以波的形式被记录下来。波形的正、负峰分别以黑、白色表示，或以灰色、彩色表示。这样，同相轴、等灰度或等色线即可直观地表示地下反射界面的形态及深度变化。

图3 地质雷达工作原理示意图Fig.3 Working principle of ground penetrating radar

3 地质雷达探测过程与结果

工程采用美国GSSI公司生产的SIR－3000地质雷达对大奎隧道涌水段进行探测，SIR－3000为便携式单通道地质雷达，用途广泛。SIR－3000地质雷达探测系统实体图见图4。

图4 GSSI公司SIR－3000地质雷达探测系统示意图Fig.4 Detection system of SIR －3000 GPR

3.1 YK52+812涌水段富水区域探测

涌水事故发生后，截至10月3日，污水泵排水总量约达到2.3万m3，且该区段前方中短距离内的具体地质与水文情况不明。为探明岩层富水区域，针对大奎隧道右线YK52+812涌水段采用地质雷达进行了中短距离地质预报。

本次地质探测范围为YK52+799至前方16.5 m。探测共布置4条测线，如图5所示。测线1为沿掌子面核心土水平向探测，里程桩号约为YK52+802;测线2为沿掌子面超前环形导坑环向探测，里程桩号约为YK52+799;测线3为沿底板横向探测，里程桩号约为YK52+807;测线4为沿底板纵向探测。探测采用点测法进行，每10 cm采集一道数据。由于隧道内布设有电缆线、预留构件等，可能对地质雷达探测结果造成一定的干扰。

通过与SIR－3000配套的数据处理软件，对采集原始数据进行相关分析和处理，得到大奎隧道右线出口地质预报最终成果图，如图6所示。

图5 地质雷达探测测线布置示意图Fig.5 Layout of measuring lines of GPR

岩石的相对介电常数为4～6，而水的介电常数却高达81，因此电磁波遇到富水岩体会发生强烈发射。富水带地质雷达图像波形一般表现为:在含水层表面发生强振幅发射，反射强烈，波形多为黑色水平图像。另外，由于介电常数的增大，电磁波衰减增大，频率明显下降，雷达波周期变大。

从图6可以看出:1)YK52+802处核心土中心正前方2.5 m存在一个反射面，该范围内相对富水，核心土左侧1.0 ～1.5 m 前方 5.0，7.6，11.2，13.5 m 处均出现黑色水平点，认为此部分岩体含水量较大，因距离开挖面较远，对隧道稳定性影响较小，不作考虑;2)K52+799处拱圈左侧 2.0 ～3.0 m 前方 1.5 ～3.0 m围岩相对富水;3)YK52+807～+802底板左下方约2.5 m位置存在明显的反射界面;4)YK52+807断面内底板偏左下方0～2.5 m相对富水。

由于测线3处存在明显反射面，并且测线4也显示下方2.5 m区域内富水，综合考虑初步认为隧道掌子面附近底板左下方约2.5 m(顺隧道开往方向)可能有承压水层。通过对掌子面附近底板靠左侧施工5 m加长钻孔，发现地下水出露迹象，验证了地质雷达探测的结果，可采取提前注浆堵水措施处理。

3.2 YK52+802地下暗道探测

2012年9月30日上午，大奎隧道右线出口YK52+802～+794发生无征兆的局部塌方。在塌方治理过程中，发现YK52+802左侧拱腰初衬背后暗藏一地下通道，通道直径为1～2 m，目测深不可见顶，而且内部存在弯曲。

图7为大奎山隧道右线出口YK52+802初衬背后地下暗道的实测照片。

图7 大奎山隧道右线出口YK52+802地下暗道实拍照片Fig.7 Underground cavity at YK52+802 of right tube of Dakuishan tunnel

为了探明该地下暗道的规模与分布情况，针对暗道的具体情况进行了地质雷达探测。图8为测线布置示意图，测线布置的基本原则为尽可能地覆盖上述地下暗道可能存在的范围。

图8 初衬背后空洞探测测线布置示意图Fig.8 Layout of measuring lines of GPR to detect cavity behind primary lining

测线9沿开挖方向布置，能反映衬砌后暗道纵向分布情况。图9为测线9的地质雷达探测剖面图。因为空气的相对介电常数为1，电磁波在岩体与空气交界面上会发生发射，反射波波幅较高，波形杂乱，在地质雷达图像上的形态一般表现为双曲线同相轴反射波面。图9可以验证衬砌后暗道确实存在，衬砌后1.3 m深度处出现第1道反射面，2.5 m深度处出现第2道反射面，初步认为洞穴宽度平均为1.2 m。在0～4 m的探测范围内，同相轴曲率很小，基本呈直线，说明暗道贯穿探测范围，长度延伸范围较广。该暗道的形成可能与YK52+814等出水点的过量抽取地下水有关，含水砂土层排水流失后形成了空腔。在掌子面YK52+794中心靠左侧50 m范围内沿纵向分散施工5～10 m超长钻孔，揭露暗道分布情况，基本与地质雷达探测结果相符。

图9 第9号测线探测剖面Fig.9 Prediction profile of measuring line No.9

4 大奎隧道右线出口涌水段变形监测

发生涌水事故后，由于没有及时进行注浆堵水，过度抽取地下水导致了含水砂土层排水流失、固结沉降、仰拱基底受长期浸泡侵蚀，承载力下降，导致隧道洞身围岩稳定程度降低，出现大变形。对大奎隧道右线出口YK52+810～+853区间进行监测，分析岩体变形随时间的变化规律，具体见图10。

图10 2012年大奎隧道拱顶沉降曲线Fig.10 Curves of crown settlement of Dakuishan tunnel in 2012

图10记录了隧道底板出现涌水现象开始(9月12日)，之后2个月内前方4个监测里程断面拱顶沉降随时间发展的变化规律。从图10可以看出:由于大量抽取岩层涌出的地下水，大奎隧道右线出口YK52+853、YK52+828、YK52+818和 YK52+810 位置处拱顶沉降以平均2～3 mm/d的速度迅速增长，最小沉降约为47 mm，最大沉降约为112 mm，均高于规范限值。虽然YK52+853～+810已经施作仰拱，但拱顶沉降速率仍在逐渐增大，且于10月13日～10月19日达到峰值。此时，4个断面水平收敛测点均由于变形过大被损毁。

为了避免隧道出现大范围坍塌，结合地质雷达探测结果，对涌水段围岩采取加固措施:从YK52+802处的空洞由拱顶向下部分采用泵送C20混凝土进行填充密实;对拱顶向上部分采取注浆软管伸入到土洞顶部进行注浆填充密实;对涌水段后方 YK52+853～+810拱顶沉降、周边收敛较大段，进行全断面径向注浆加固。拆除原有钢支撑，重新架立钢拱架。

后续监测显示，在对涌水段进行治理后，4个监测断面拱顶沉降速率均在缓慢减小，沉降在1个月后已基本趋于稳定，最大沉降约为162 mm，发生在YK52+828处，最小沉降约为75 mm，发生在YK52+818处。围岩变形得到较好地控制，基本不再下沉。

5 结论与讨论

以大奎隧道涌水事故为背景，研究了事故调查阶段采用的探测与监测方案，得出以下结论:

1)地质雷达作为一种先进的无损探测技术，在事故发生后准确探测出前方地层相对富水区域及潜藏的承压水层和空洞，为之后注浆、支撑、反压等治理方案成功实施提供了可靠信息。

2)在监测方面，通过对涌水段隧道断面进行实时跟踪监测，揭示了涌水段岩体变形加速增长的现象，沉降值过大。事故发生前后的监测数据发挥了重要的预警作用。

3)结合探测与监测结果，采取加固措施后，岩体最终稳定，变形不再增长。

4)地质雷达探测与变形监测协同作用的方案能提供及时、准确的信息，为涌水事故处理提供合理建议，指导后续施工方案变更。今后可结合类似工程，整理、归类典型地质图像剖面，为工程事故探测提供参考。

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