公路隧道溶洞探测与处治技术

任 锐，白伟振，龚林金

(1.长安大学 陕西省公路桥梁与隧道重点实验室，陕西 西安 710064；2.广西翔路建设有限责任公司，广西 南宁 530029)

0 引 言

在隧道等地下工程的建设中，岩溶地质是遇到的较为突出的地质问题。岩溶地区主要分布在中国的云、桂、川、贵等西南省区，在广东、陕西、山西一带也有分布。岩溶地区的地质条件极为复杂，溶洞的大小不一、类型不同，使前期勘察难度增大；隧道实际开挖的围岩特征与勘察资料相差较大，且掌子面后方围岩不可预见，在一定程度上增加了隧道施工的难度。溶洞在施工过程中的出现可能会引起一些危害，如突水、突泥、坍塌，造成机械损害或者人员伤亡等。因此，在岩溶隧道施工过程中准确有效地探测出溶洞的具体位置以及溶洞的规模显得尤为重要[1-3]。

在岩溶隧道的施工过程中，常见的超前地质预报方法有：地质法、钻孔探测法、地震超前预报系统(TSP/TGP)法、水平声波剖面 (HSP) 法、陆地声纳法、地质雷达(GPR)法和红外探水法等。其中，地质雷达法与其他物探方法相比具有成本低、操作简单、分辨率高、操作速度快、对施工干扰小等优点。本文以河百高速班丘隧道为例，采用地质雷达对溶洞进行探测分析，最终以实际开挖的情况验证地质雷达预报的准确性[4-9]。

1 工程概况

班丘隧道位于广西壮族自治区东兰县境内，是分离式隧道，右线起讫桩号为K84+195～K85+210，长1 015 m，属长隧道。隧址区海拔高程为412～621 m，最大埋深106 m。隧址区地层为第四系全新统覆盖层，中生界三叠系下统(T1)页岩夹薄层状泥砂岩，上古生界二叠系上统(P2)石灰岩。隧址出口位于拉爱谷地北缘板坡村，跨越岩溶强烈发育的溶蚀谷地及峰丛洼地。隧道围岩主要由强中风化石灰岩组成，围岩级别为Ⅳ级，出口段边坡基岩裸露，自然坡度约40°，边坡整体性较好，强风化灰岩岩体较破碎，可能存在局部掉块现象。

隧址地区地下水类型可分为松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水。出口段由于碳酸盐岩裂隙岩溶水赋存于二叠系石灰岩溶蚀裂隙及岩溶洞穴中，受大气降水补给，通过落水洞或岩溶裂隙渗入地下的岩溶通道内，形成岩溶水，雨季水量很大，溶洞较为发育。

2 雷达探测溶洞的原理及方法

本次溶洞探测采用美国劳雷公司生产的SIR-3000型地质雷达，雷达由主机、天线(频率为100 MHz)、电缆以及配套的数据处理软件等组成。在雷达主机的控制下脉冲源产生周期性的毫秒微信号，信号经电缆线传输到雷达发射天线，发射天线将此信号转换为高频电磁波在有耗介质中传播。当电磁波在传播路径上遇到非均匀体(界面)时，一部分电磁波会折射到第二层均匀介质中继续传播，而另一部分电磁波则在非均匀体(界面)发生反射，其反射系数取决于被测介质的介电常数(不同介质的介电常数如表1所示)[10]，反射波传播到地面的接收天线，经过转换处理后被传输到雷达主机予以储存。将采集的图样经雷达软件处理后形成彩色电平图、灰色电平图或波形堆积图。地质雷达的基本原理如图1所示[11]。

电磁波在被测介质中反射能量的强弱由反射系数R所决定，反射系数R与被测介质的介电常数εr有关，当电磁波由一种介质界面到另一介质界面时就会发生反射与折射，其电磁波的反射系数

图1 地质雷达基本原理

(1)

式中：εr1为第一种介质的介电常数；εr2为第二种介质的介电常数。

电磁波在同一种均匀介质中的传播速度是不变的，其传播速度

(2)

式中：V为电磁波在介质中的传播速度；C为电磁波在大气中的传播速度，约为3.0×108m·s-1。

由于不同的介质介电常数不同，本次检测桩号为ZK85+101，在预报范围内主要岩石成分为石灰岩和泥岩。由表1可知，石灰岩的介电常数为7～9，泥岩的介电常数为7，故本次检测介电常数选7。

本次检测所选用的雷达天线频率为100 MHz，该天线测试范围为距掌子面前方5～30 m，取有效预报深度25 m作为探测深度对波形图进行分析。雷达的测量模式有3种：Time、Point、Distance。在隧道点测时通常采用Point模式，测量地面较平整时多采用Distance模式，本次检测采用Time模式。雷达的采样数越多，分辨率就越好(分辨率采用16

位)，本次采样数选1024，所采用的时间窗口为350 ns，雷达的扫描速度为16(每秒描扫数)。根据掌子面的具体情况，在掌子面水平方向从左到右测2条线，竖直方向从上到下测2条线，成井字型分布。测线具体位置如图2所示。

图2 测线位置布置

3 雷达测试图像分析

采集的波形图经过雷达软件处理后的图象如图3所示。在波形图的右侧，电磁波信号出现异常，反射波振幅较强，这是因为检测时该位置受到台车的干扰，导致波形发生变化。

图3 雷达波形

在掌子面前方0～6 m(YK85+156～YK85+150)内，反射波振幅较强，推测该范围内岩体较为破碎。

在隧道掌子面前方6～12 m(K85+150～K85+144)范围内，电磁波信号出现异常，反射波振幅较强，并且频率降低，表明岩体内部的介电常数发生变化。根据地质资料以及掌子面观察，初步预测该段围岩岩性为灰岩，中级至强风化，岩体稍破碎，呈块状或块碎状结构，并推测可能存在黏性土填充及一定量的裂隙水。

在隧道掌子面前方12～20 m(K85+144～K85+136)范围内，电磁波信号出现异常，反射波振幅较强，同向轴弯曲，并且频率降低，表明岩体内部的介电常数发生变化。由于介电常数差异较大，雷达反射图象较为清晰，初步推测在掌子面前方12 m处开始出现溶洞，溶洞宽约为6 m。

在隧道掌子面前方20～25 m(K85+136～K85+131)范围内，电磁波信号出现异常，可以考虑为波的衍射或者受到右边干扰波的衍射。

4 溶洞探测验证

实际施工中，在YK85+144拱腰处开始出现溶洞，溶洞走向沿拱腰向拱顶过渡发展。溶洞大部分夹杂有黄色泥土填充物，个别处无填充物，在开挖过程中部分填充物有脱落，在YK85+142处溶洞在拱腰位置竖直向上延伸。在施工至掌子面YK85+140时，掌子面上部有呈U型的黏土层并向隧道顶部延伸。在掌子面YK85+137的位置，发现掌子面拱顶溶洞部位有泥土掉落现象，随后拱顶泥土开始塌落，并沿洞内滑移，半小时左右突泥基本停止，突泥情况如图4所示。隧道溶洞突泥发生后对洞顶进行观察，发现原地面发生沉陷，陷坑大小约为15 m×12 m×6 m，如图5所示。

图4 隧道拱顶位置突泥

图5 隧道洞顶原地面塌陷

5 隧道溶洞处理方案

5.1 常见的处理方案

隧道穿过岩溶地区时，应查明溶洞分布范围和类型、岩层的完整稳定程度、填充物和地下水情况，以此确定合理的施工方法。岩溶地段隧道溶洞常用的处理方法有“引、堵、越、绕”4种。“引”是通过暗管、涵洞、小桥等将水引流，排出洞外。“堵”用于已停止发育、跨径较小、无水的溶洞，可根据溶洞与隧道相交的位置及其充填情况，采用混凝土、浆砌片石或干砌片石予以回填封闭；或加深边墙基础，加固隧道底部。“越”是当隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞，可加深该侧的边墙基础通过或者采用筑拱、架桥跨过。“绕”是在岩溶区施工遇到溶洞处理耗时且困难时，可采取迂回导坑绕过溶洞，继续进行隧道前方施工，以节省时间，加快施工进度。

5.2 本工程溶洞处理方案

(1)洞内塌方段处理。首先利用洞渣对YK85+137掌子面拱顶溶洞突泥段落进行反压回填，将反压石渣整修成台阶式，并采用C25喷射混凝土封闭(图6)。在洞内掌子面塌腔边缘加设四榀I20b工字钢背拱锁口，并在拱腰、拱脚处分别打设2根Φ42 mm锁脚锚管，锚管长度为3.5 m。背拱拱架间距为50 cm，拱架平面垂直于隧道中线，倾斜度不大于2°。任何部位偏离铅垂面不大于5 cm。各单元用螺栓连接，螺栓孔中心间距误差不超过±0.5 cm。拱架平放时，平面翘曲应小于2 cm。隧道YK85+144～YK85+137段溶洞段径向采用Φ42 mm注浆小导管加固，按间距1 m×1 m布置，导管长度按6 m布设并灌注水泥浆。溶洞内空腔部位采用泵送C25混凝土进行填充。

图6 塌方段处理措施

(2)地表塌腔回填处理。在该段围岩基本稳定后，及时施作仰拱、拱墙防排水设施和二次衬砌，待混凝土强度达到设计要求且未移动台车前，对塌腔进行回填处理(图7)。回填料采用三七灰土，对称分层回填并夯实，每层回填厚度控制在50 cm以内。在接近表层位置设置50 cm厚的隔水黏土层，防止地表水下渗对围岩土体及隧道结构的破坏；然后回填表层土，表层土采用腐殖土，回填高度高于原地面0.5 m。塌方空腔回填结束后，在塌方地表周边5 m范围内修筑0.6 m深、0.6 m宽的截水沟，防止地表水流入塌方空腔中的回填土体。

图7 地表处理措施

5.3 溶洞处理效果

溶洞和地表处理时对隧道初期支护进行了监控量测，监控量测累积时间为72 d，最后通过K85+137断面拱顶累积下沉时间曲线(图8)、下沉速率曲线(图9)和水平累积收敛时间曲线(图10)、水平收敛速率曲线(图11)可知：拱顶下沉累计值为17.78 mm，沉降速率为0.01 mm·d-1，拱顶下沉已基本稳定；水平收敛累积值为12.62 mm，稳定时收敛速率为0.01 mm·d-1，水平收敛已基本稳定。监控量测数据显示，上述处理方法对充填型溶洞的处理效果符合安全要求，能够保证隧道正常施工的稳定性。

图8 YK85+137拱顶累积下沉时间曲线

图9 YK85+137拱顶下沉速率曲线

图10 YK85+137水平累积收敛时间曲线

图11 YK85+137水平收敛速率曲线

6 结 语

(1)本文采用地质雷达预测广西河百高速班丘隧道溶洞的位置，通过合理选择雷达的设置参数、测量模式、测线布置等对掌子面前方进行探测，对波形图进行处理分析，预报出溶洞的大致位置，最后以实际开挖的情况验证了地质雷达探测溶洞的准确性，并根据班丘隧道实际情况做出了溶洞处理方案。

(2)总结了地质雷达探测溶洞过程中可能受到的干扰因素：由于施工现场条件限制，测试过程中可能会遇到钻孔、钻杆、施工台架、隧道初支钢拱架、掌子面平整度、测线时的移动速度、电缆线等的干扰；测量人员的地质观察经验等因素也会对测试效果产生一定的影响。

(3)针对地质雷达探测溶洞过程中可能遇到的干扰因素提出以下建议：测试时间应尽量选取在爆破出渣机械排险之后；在隧道施工作业环境下测量时，应尽可能将干扰因素排除，遇到不可避免的干扰物(钻杆、钻孔、台架)及时记录位置，以便分析图形时排除干扰；操作人员应调试好合理的测量参数，充分保证测试图形的清晰；对地质情况和现场情况做好记录；遇到复杂的地质情况可多测几条线，以保证测量的精度。