隧道地面塌陷區(qū)綜合物探技術(shù)的研究分析

房俊超

(中鐵十二局集團(tuán)第三工程有限公司，山西 太原 030024)

隨著我國(guó)鐵路大規(guī)模建設(shè)及電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，隧道工程中的物探技術(shù)也隨之提高和拓寬，許多新技術(shù)、新方法如探地雷達(dá)技術(shù)、面波勘探技術(shù)、高密度電法、高密度地震影像法技術(shù)等都在實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果，在隧道斷層、軟弱破碎帶、溶洞、涌水涌泥等問(wèn)題勘察中發(fā)揮著愈來(lái)愈重要的作用。論文以沈丹客專(zhuān)于家?guī)X隧道工程為例，針對(duì)工程地面塌陷問(wèn)題開(kāi)展綜合物探技術(shù)研究，清晰揭示了不良地質(zhì)體，有效查明了地面的塌陷原因。

1.沈丹客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)于家?guī)X隧道工程概況

沈丹客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)于家?guī)X隧道穿越遼東低山區(qū)，隧道起訖里程為DK110+560－DK115+235，全長(zhǎng)4675m。洞身最大埋深約276m，最小埋深約25m，沿線(xiàn)地形起伏較大。隧道范圍內(nèi)丘間溝谷內(nèi)表層多為第四系上更新統(tǒng)坡殘積 (Q3d1+e1)粗角礫土覆蓋，隧道洞身通過(guò)地層主要為元古代遼河群里爾峪組 (Ptlhlr)大理巖、大石橋組 (Ptlhlr)大理巖及蓋縣組 (Ptlhlr)板巖等地層。

2.地面塌陷及隧道施工概況

2.1地面塌陷概況

2013年7月19日－7月24日間，本地發(fā)生數(shù)次較強(qiáng)降雨，于家?guī)X隧道線(xiàn)路上方及附近地面陸續(xù)發(fā)生塌陷現(xiàn)象。地面塌陷主要出現(xiàn)在DK114+300－DK114+700隧道兩側(cè)的村莊及耕地內(nèi)，距隧道中線(xiàn)垂直距離最遠(yuǎn)達(dá)69.3m。各地面塌陷坑均發(fā)生在隧道開(kāi)挖過(guò)后一定時(shí)期內(nèi)，并集中出現(xiàn)在較強(qiáng)降雨期間。大部分塌陷分布在低注地段的沖溝附近，個(gè)別塌陷發(fā)生在溝谷一側(cè)的緩坡地帶。據(jù)調(diào)查和村民反映，居民房屋區(qū)未見(jiàn)塌陷及房屋裂縫。典型塌陷坑主要塌陷特征如圖1和圖2所示:

2．2隧道施工概況

地面塌陷區(qū)分布與隧道線(xiàn)路距離較近，因此，對(duì)隧道施工中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2012年5月及7月，于家?guī)X隧道掌子面分別施工至里程DK114+552和DK114+535時(shí)，掌子面右側(cè)均出現(xiàn)溶洞，第一次洞寬2m，洞高4.5m，洞深3.9m。充填松散狀泥砂及少量塊石，直徑為0.1－0.4m，最大塊徑0.6m，有少量的渾濁的地下水沿洞壁流出。第二次溶洞寬約4.5m，面向掌子面深約3m，高約5.5m。對(duì)出現(xiàn)的溶洞采用了引排水、混凝土回填、注漿等處理措施，但由于持續(xù)降雨，水量比較大，且此段為淺埋段，受地面降水補(bǔ)給影響較大，溶洞塌腔體內(nèi)充填物及洞頂松散體繼續(xù)塌落涌出，至2012年6月18日塌落才基本穩(wěn)定，溶洞頂塌方高度約15m，并有大量出水。如圖3圖4所示:

3．綜合物探技術(shù)勘察的應(yīng)用分析

為了查明草祁公路與于家?guī)X隧道交叉處及附近公路路基的安全隱患區(qū)域，同時(shí)查明房屋周邊是否會(huì)產(chǎn)生巖溶坍陷，危及房屋安全，開(kāi)展了于家?guī)X隧道附近地面塌陷探查的物探工作。

3．1物探工作布置

根據(jù)該區(qū)域地形、巖性及地下水補(bǔ)給充足等特點(diǎn)，采用高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法、地震映像法及激發(fā)極化法開(kāi)展了綜合物探勘察工作。野外使用AGI高密度電法儀和SIR－20地質(zhì)雷達(dá) (100MHz天線(xiàn))、NZ－72地震儀、GDD激電儀開(kāi)展采集工作。高密度電極裝置類(lèi)型為反向斯倫貝謝及偶極裝置，電極距為2m，每個(gè)排列108－144根電極，設(shè)計(jì)勘探深度40m左右，供電時(shí)間1.2s。地質(zhì)雷達(dá)采樣長(zhǎng)度300ns，10m一個(gè)標(biāo)記。地震映像法采用60Hz檢波器，點(diǎn)距1m，偏移距1m0激發(fā)極化法采用偶極一偶極裝置開(kāi)展工作，方波形式供電，供電時(shí)長(zhǎng)2m，信號(hào)供電周期8s，供電電流大于0.5A。

3．2綜合物探勘察成果

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形、地面特征及已知資料對(duì)各測(cè)線(xiàn)進(jìn)行分析，從物探剖面上共發(fā)現(xiàn)高密度電法異常6處、探地雷達(dá)法異常17處、地震映像法異常29處、激發(fā)極化法異常6處。根據(jù)物探成果，物探異常主要分布在溝谷低注地帶，沿沖溝兩側(cè)條形區(qū)域和在已發(fā)生塌陷的區(qū)域內(nèi)分布頻次相對(duì)較高，尤其在DK114+570附近草祁公路與隧道交叉地段及DK114+600處隧道中線(xiàn)東側(cè)高家堡村7戶(hù)居民院落附近物探異常較為明顯。物探異常主要解釋為溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)和塌陷區(qū)異常。

根據(jù)物探成果，在異常區(qū)域布置了鉆探，通過(guò)鉆探揭示物探異常處鉆孔巖心多為塊狀和短柱狀，說(shuō)明巖溶裂隙相對(duì)較發(fā)育，而揭示出溶洞的13－ZBD－505和13－ZBD－506等兩鉆孔均在溝谷低注地帶，屬物探異常明顯且塌陷坑出現(xiàn)頻次較高的區(qū)域，這也證實(shí)了地面塌陷多發(fā)育在溝谷內(nèi)溶蝕裂隙及溶洞較為發(fā)育的地段。

4．隧道工程地面塌陷原因分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、綜合物探勘察及鉆探成果，初步分析了塌陷原因，分析表明:

(1)隧道開(kāi)挖之前，此地從未發(fā)生過(guò)地面塌陷，而隧道開(kāi)挖以后，地面塌陷才成群地發(fā)生，這說(shuō)明地面塌陷的發(fā)生確與隧道施工存在一定的聯(lián)系。

(2)地下水位較高，地面水主要沿河床以溪流的形式向下游排泄，地下潛流發(fā)育較弱，對(duì)土體的潛蝕作用也相對(duì)較弱，很難形成較大規(guī)模的土洞和地面塌陷。

當(dāng)隧道開(kāi)挖以后，地下水向隧道內(nèi)排泄，導(dǎo)致地下潛水位降低，在巖溶裂隙、溶洞發(fā)育地段，形成較為集中的排水通道，并使地下水與地面徑流聯(lián)通，形成地下潛流。隨著時(shí)間的推移和隧道的不斷排水，地下潛流在流經(jīng)的土石分界處將土體逐漸沖蝕帶走而形成土洞。在集中降雨期間，地面徑流和地下潛流突然增強(qiáng)，對(duì)土體的沖蝕作用明顯加劇，土洞迅速擴(kuò)大。加之降雨對(duì)土體的軟化作用，從而導(dǎo)致地面塌陷在較強(qiáng)降雨期間成群發(fā)生。因此，可以推斷，隧道施工開(kāi)挖改變了地下水的流動(dòng)及其水動(dòng)力條件，汛期集中降雨加劇了地下水運(yùn)動(dòng)，故誘發(fā)了地面塌陷。

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