岩溶隧道地质灾害防治技术研究

乔 锋

（山西省交通建设工程监理有限责任公司，山西 太原 030012）

0 引言

岩溶地区地质构造复杂，断层、破碎带、溶洞、暗河等地质情况具有极大的不确定性，导致岩溶隧道在施工过程中极易产生涌水、突泥、溶洞填充物掉落、塌方、冒顶、基底隆起等施工灾害，给施工安全带来了极大的威胁。因此，在岩溶隧道施工过程中，采用物探手段对岩溶隧道地质情况进行精准化预报，进而采取有针对性的处治措施，可极大地减小施工风险，提高施工效率。岩溶隧道地质预报主要是采用TSP或地质雷达手段对隧道掌子面前方不良地质条件的产状、类型、体积、位置等基本特性进行详细探测；在此基础上，可有针对性地对其进行注浆加固、加强支护、增设套拱等防治措施。

目前，国内外学者针对岩溶隧道的防治技术已开展了大量详细而深入的研究，也取得了一系列的科研成果。陈中学[1]依托八台山隧道的工程实例，利用TGP系统对其进行地质预报，并对其预报结果进行对比分析；吕言新[2]针对大瑶山富水岩溶隧道，提出防治水的原则及方案，并制定了围岩注浆堵水的施工方案，有效解决了岩溶隧道施工涌水问题；林国涛[3]利用力学分析手段研究了岩溶隧道突泥的机理，并结合九条龙隧道工程实例，对其处治方案进行研究；解东升[4]针对高风险岩溶隧道在施工过程中产生的涌水突泥地质灾害，分析其主要影响因素及力学响应机理，并研究其灾变的基本特性及处治对策。本文结合某岩溶隧道的工程实例，总结分析其工程特性，利用地质雷达对其地质情况进行详细探测，并有针对性地提出处治措施，其研究成果可为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

某高速公路隧道为双向四车道分离式隧道，左洞长3525 m，右洞长3470 m，属特长公路隧道。隧址区位于岩溶地貌，其地质构造复杂，地下水系极为发育，溶洞分布较多，地表降雨量较大，年平均值达1000 mm左右，隧道最大埋深达到350 m。

隧址区内地质构造以西南向构造为主，其构造处于活跃期，具有多期复活性。隧址区内断层、褶皱极为发育，其褶皱主要为背斜。隧址区地表岩层主要为坡崩积块石土（ Q4dl+el）、坡残积红黏土（ Q4dl+el）、粉质黏土、碎石土等。隧道穿越的主要地层岩性为三叠系中统法郎组（ T2fb）、个旧组（ T2g），其中三叠系中统法郎组为中厚层泥岩、砂岩，其钙质含量较高；个旧组为块状灰岩、钙质泥岩、泥灰岩等。尤其在洞口段，其节理裂隙极为发育，岩体极为破碎，具体情况见图1。

图1 岩溶隧道洞口地质情况

2 岩溶隧道地质预报

2.1 地质雷达基本原理

地质雷达是利用电磁波探测技术来预测地质构造、地层分布情况，地质超前预报主要是利用一组中心频率为100 MHz的高频电磁波向围岩体发射电磁波，当电磁波遇到围岩体界面，其电磁性发生变化，反射率不同，从而通过反射波、绕射波的基本特性，即可判读出前方围岩体的地质构造、围岩完整性、溶洞大小、腔内填充物、富水等工程地质情况。由于雷达电磁波在围岩体内属于双程传播，因此可通过记录电磁波传递时间来判读目标体的位置，其基本公式为：

式中：Z为距离；t为电磁波行程时间。

雷达所接收到的反射电磁波的能量取决于相邻围岩体材料的介电常数差异，差值越大，其反射波的差异越明显，其具体原理示意图如图2所示。

图2 地质雷达工作原理示意图

2.2 岩溶位置情况预报

本项目岩溶分布较多，为保证施工安全，首先采用地质雷达对岩溶位置进行探测。鉴于掌子面平整度较差，此次探测采用点模式，即沿隧道掌子面横向，在平整处等间距布设测点，测点间距一般为30 cm，整个掌子面可布设3排测点，所测得的典型位置雷达信号情况如图3所示。

图3 掌子面岩溶位置雷达信号图

从图3中可以看出，该段雷达信号的反射波分布不均匀，其距离掌子面3～10 m范围内的电磁反射波界面较多，但反射幅度差值较小，可初步推断该段分布有节理裂隙；在距离掌子面15～25 m范围内，掌子面中间部位，存在明显的雷达信号反射界面，为不规则形式的包围体，通过初步推断可认定为溶洞。

根据地质雷达预报结果，通过掌子面开挖揭露出溶洞，其具体情况如图4所示。从图4中可以看出，掌子面岩质主要为白云质灰岩，强风化，呈破碎状态，掌子面右侧发育有一小型溶洞，直径约0.5 m，其内充填有黏性土，对掌子面整体稳定性极为不利。

图4 岩溶位置实际情况

2.3 岩溶腔内填充物情况预报

为进一步预测溶洞腔内填充物的类型，本文针对典型断面采用地质雷达进行探测，通过滤波、归一化处理后，该段地质雷达信号图反射波较强，分布有多处分界面，可初步判断出该段围岩特性差异较大。尤其在掌子面左侧，存在一明显的反射区域，为整体同相轴分布状态，且同相轴变化方向与隧道轴向基本一致。

结合地质勘察资料，根据地质雷达探测结果，该段隧道围岩为灰岩，溶洞较为发育，由于雷达信号图中显示的溶洞内反射信号明显减弱，其溶腔内填充物含水量较大，可初步判读其为软塑性黏性土。通过掌子面开挖揭露，该处掌子面左侧分布一溶洞，其直径约2.5 m，腔内填充物为软黏土，与探测结果基本吻合，其具体情况如图5所示。

图5 岩溶腔内填充物实际情况

3 岩溶隧道地质灾害处治

3.1 围岩预加固

根据上述地质雷达探测结果可知，本项目围岩中小型溶洞分布较多，对掌子面围岩稳定性极为不利[5]。为保证施工安全，本项目采用超前小导管对掌子面围岩进行预加固。

注浆材料主要采用水泥-水玻璃浆液，根据现场试验结果，其水灰比为 1∶1，水玻璃浓度为25 Be′。注浆小导管的长度可根据式（2）进行确定：

式中：H为围岩体厚度；φ为围岩内摩擦角。结合现场实际情况，本项目所采用的注浆小导管长度为5 m，其注浆半径为5 cm，外倾角度为8°。为保证注浆施工质量，注浆速度为15 L/min，其注浆终压为1.5 MPa，且在注浆过程中，至少保持该压力10 min方可结束该孔注浆。小导管注浆实际情况如图6所示。

图6 掌子面预注浆现场情况

采用小导管注浆后，通过掌子面开挖揭露，其围岩内分布有大量规则的浆脉，小型溶洞内浆液充填饱满，在施工过程中未发生掌子面坍塌、掉块现象，掌子面整体稳定性较好。

3.2 隧道支护结构优化

对于大型溶洞，为保证施工安全，首先应对溶洞腔内填充物进行清理，并回填混凝土，保证围岩体的整体稳定性。

本项目的原二次衬砌采用曲墙式C30钢筋混凝土，其厚度为45 cm，隧道底板为C25混凝土，其厚度为60 cm。为避免溶洞的影响，本项目对隧道支护结构进行增强，即采用厚度为65 cm的C35钢筋混凝土，底板采用厚度为80 cm的C30钢筋混凝土。在施工过程中，应保证初期支护及时封闭成环，同时在溶洞地段增设沉降缝，避免其应力集中，提高隧道支护结构整体稳定性。

4 结论

本文结合某岩溶隧道的工程实例，总结分析其工程特性，利用地质雷达对其地质情况进行详细探测，并有针对性地提出处治措施，得出以下几点结论：

a）利用地质雷达可准确探测溶洞位置，结合地质勘察资料，可准确判读溶洞腔体内的填充物质，为下一步掌子面开挖提供充分的技术支撑。

b）对于小型溶洞，采用小导管注浆，可在岩溶隧道围岩内形成大量规则的浆脉，溶洞腔内浆液充填饱满，在施工过程中未发生掌子面坍塌、掉块现象，取得了良好的处治效果。

c）对于大型溶洞，通过优化隧道支护结构方案，增加隧道二次衬砌及底板强度，同时增设沉降缝，避免了应力集中，提高隧道支护结构整体稳定性。