综合探测技术在隧道抢险工程中的应用

楚小刚，张忠平，董　嘉（中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州　730000）

综合探测技术在隧道抢险工程中的应用

楚小刚，张忠平，董嘉
（中铁西北科学研究院有限公司，甘肃 兰州730000）

一黄土地区军用隧道受公园春灌管道破裂冒水的影响，多处出现底板破裂、涌泥现象，危急部队行车安全。为合理设计整治方案，根除隧道病害，采用地质雷达法、高密度电法、瑞雷面波法等综合物探手段，并辅以必要的地质钻探、监控、试验等方法，通过综合分析，取得了隧道病害段岩土参数，为病害判识提供技术支撑。该军用隧道已竣工40余年，勘察结果与实际地质条件吻合较好。

综合探测；隧道工程；病害调查；地质雷达；高密度点法；瑞雷面波

1　工程概况

一军用黄土隧道修建于20世纪70年代初期，隧道为单线小断面公路隧道，隧道边墙为浆砌块石，起拱线以上为模铸混凝土筑成，隧道围岩为湿陷性黄土。2015年3月，隧道受公园春灌管道破裂冒水冲刷影响，导致隧道底板多处破裂，裂缝部位出现涌泥、涌水现象，严重影响了隧道的安全运营。

因该隧道探测属抢险项目，常规的钻探、监测等手段难以适用，为此，项目采用了综合探测技术对水害情况进行了调查。考虑到单一物探手段多解性和局限性的固有特征，为准确探测隧道结构周围可能存在的空洞、不密实带、富水（泥浆）区域，项目采用地质雷达法、高密度电法、瑞雷面波法综合物探技术对隧道病害段进行紧急探测。

2　探测方法及测点布置

1）地质雷达法

地质雷达法是采用高频电磁波对地下介质、不可见目标体进行探测，以确定介质内部结构形态或目标体位置的电磁技术。本次检测采用剖面法，固定发射天线（T）和接收天线（R）间距，沿测线同步移动测量，探测结果可用地质雷达时间剖面图表示。

本次对隧道上行线 YK0+000—YK0+200段及下行线ZK0+000—ZK0+200段拱顶，左、右拱腰，左、右边墙共6个部位进行了二次衬砌质量无损检测。探测范围选取隧道病害较严重的200 m范围内，面向大里程方向按7条纵向测线布置，在病害严重区域增设环向测线。

2）高密度电法

高密度电法是综合物探方法中对隧底渗水区检测的有效方法之一，以隧底土体的导电性差异为物理基础，观测和研究地下稳定电流场的分布规律。

在隧道右线病害严重段（YK0+80—YK0+161）仰拱处，从右至左纵向布置3条测线进行高密度电法检测，测线布置见图1。其中测线1穿过病害最严重的地段，目的是查明渗入到隧底下方土层水的深度分布情况；测线2，3作为辅助，查明渗入水的宽度分布情况。3条测线长度均为81 m，电极距为1.5 m，本次探测共采用55个电极。

图1　高密度电法测线布置

3）瑞雷面波法

当瑞雷面波的探测深度与地下空洞、软弱层、掩埋体的深度相当时，频散曲线会出现异常跳跃现象。利用在隧道病害段和非病害段探测瑞雷面波的波速差异可以判断隧底病害。本次在病害段和非病害段各选取3个测点进行对比试验，其中，病害段里程为 YK0+ 118的测点布置见图2。

图2　YK0+118测点布置

3　数据分析

考虑3种探测手段的优缺点，地质雷达法重点探测隧道拱部、边墙位置的病害；高密度电法和瑞雷面波法主要探测仰拱及隧底位置病害。通过探测，隧道在距离进口100～160 m病害较严重，3种探测手段结果基本吻合，相互得以验证。

1）地质雷达法

现场测试采用SIR-3000型探地雷达，所用天线为400M地面耦合式一体化屏蔽天线。隧道衬砌病害地质雷达图像见图3，标识部位为衬砌空洞部位。通过本次检测，发现2处空洞、13处不密实、4处衬砌背后脱空。

图3　隧道衬砌病害地质雷达图像

2）高密度电法

采集的数据经初步处理生成预处理文件，再利用数据处理解释软件对数据进行多次地形改正，并结合线路地区地球物理特征、经验修正和反演迭代形成高密度电法二维层析成像位图文件。

测线1，2，3的电阻率分布见图4。由图4可知，3条测线电阻率分布的几何形态非常相似，电阻率分布范围为0～9 000 Ω，电阻率异常区主要出现在YK0+ 100—YK0+160上部区域（图3中所圈区域），其特征为低阻区域（电阻率值为0～500 Ω），最大深度约为15 m。对比图4可知，低阻区域在测线1的电阻率分布图中分布范围最大，而测线2次之、测线3最小。推断水害是由隧道右侧侵入，逐渐向左侧进行渗透。

图4　测线1，2，3的电阻率分布（单位：Ω）

3）瑞雷面波法

图5　面波频散曲线

面波频散曲线见图5。非病害段探测数据表明，面波频散曲线上隧道仰拱层2 m内表现为低速，速度V=250～350 m/s；面波频散曲线上2～5 m层区，V= 280～410 m/s；面波频散曲线上5 m外层区，V=350～625 m/s。而在病害段中土体受水害影响会出现松散、不密实等现象，导致土体密度降低，面波波速降低。本次在距洞口118 m处瑞雷面波检测的频散曲线结果表明，在各层区波速均有不同程度减低。

4　整治对策

1）病害原因主要是因春灌管道破裂冒水所致，对现有灌溉管道进行迁移、改线，对坡体地表陷穴、落水洞进行夯填、封堵。

2）对隧道病害段设置钢拱架进行加固。重点是提高仰拱的刚度和强度，对隧底注浆形成固结圈。其次是对拱周围岩注浆，形成强拱圈。最后对深部贯通的裂缝、落水洞及隧道周围、顶部空洞注浆加固。

3）根据洞内宽度情况，增加隧底排水设施。

5　结论

1）采用地质雷达法探测发现隧道有5处空洞、13处不密实、4处衬砌背后脱空。空洞集中在距离洞口115～155 m，深度距二衬表面约35～100 cm。根据高密度电法探测可推断水害是由隧道右侧（背对进口方向）侵入，逐渐向左侧进行渗透。

2）瑞雷面波法探测结果表明隧底土体含水量较高，影响隧道结构稳定性，这与高密度电法和地质雷达法检测结果基本一致。

3）该军用隧道竣工已超过40余年，经综合验证，勘察结果与实际地质条件吻合较好。

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（责任审编郑冰）

Application of Comprehensive Detection Technology in Case of Rescue in Tunnel

CHU Xiaogang，ZHANG Zhongping，DONG Jia
（Northwest Research Institute Co.，Ltd.of China Railway Engineering Corporation，Lanzhou Gansu 730000，China）

Since water emitting of spring irrigation pipes，floor rupture and multiple gushing mud occurred in a military tunnel in loess area.It is critical to the safety of the troop traffic.T he methods of GPR（Ground Penetrating Radar），high density resistivity and Rayleigh wave were used for geological drilling，monitoring and test in this paper.T hrough comprehensive analysis，the parameters of the tunnel diseases were obtained，which could provide the technical support for disease identification.T he military tunnel has been completed for more than 40 years.It is proved to be in agreement with the actual geological conditions.

Comprehensive detection；T unnel engineering；Disease investigation；GPR；High density resistivity；Rayleigh wave

U452.1

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.23

1003-1995（2016）08-0093-03

2016-03-07；

2016-05-23

楚小刚（1979— ），男，高级工程师。