巖溶隧道地質災害防治技術研究

喬 鋒

（山西省交通建設工程監理有限責任公司，山西 太原 030012）

0 引言

巖溶地區地質構造復雜，斷層、破碎帶、溶洞、暗河等地質情況具有極大的不確定性，導致巖溶隧道在施工過程中極易產生涌水、突泥、溶洞填充物掉落、塌方、冒頂、基底隆起等施工災害，給施工安全帶來了極大的威脅。因此，在巖溶隧道施工過程中，采用物探手段對巖溶隧道地質情況進行精準化預報，進而采取有針對性的處治措施，可極大地減小施工風險，提高施工效率。巖溶隧道地質預報主要是采用TSP或地質雷達手段對隧道掌子面前方不良地質條件的產狀、類型、體積、位置等基本特性進行詳細探測；在此基礎上，可有針對性地對其進行注漿加固、加強支護、增設套拱等防治措施。

目前，國內外學者針對巖溶隧道的防治技術已開展了大量詳細而深入的研究，也取得了一系列的科研成果。陳中學[1]依托八臺山隧道的工程實例，利用TGP系統對其進行地質預報，并對其預報結果進行對比分析；呂言新[2]針對大瑤山富水巖溶隧道，提出防治水的原則及方案，并制定了圍巖注漿堵水的施工方案，有效解決了巖溶隧道施工涌水問題；林國濤[3]利用力學分析手段研究了巖溶隧道突泥的機理，并結合九條龍隧道工程實例，對其處治方案進行研究；解東升[4]針對高風險巖溶隧道在施工過程中產生的涌水突泥地質災害，分析其主要影響因素及力學響應機理，并研究其災變的基本特性及處治對策。本文結合某巖溶隧道的工程實例，總結分析其工程特性，利用地質雷達對其地質情況進行詳細探測，并有針對性地提出處治措施，其研究成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

某高速公路隧道為雙向四車道分離式隧道，左洞長3525 m，右洞長3470 m，屬特長公路隧道。隧址區位于巖溶地貌，其地質構造復雜，地下水系極為發育，溶洞分布較多，地表降雨量較大，年平均值達1000 mm左右，隧道最大埋深達到350 m。

隧址區內地質構造以西南向構造為主，其構造處于活躍期，具有多期復活性。隧址區內斷層、褶皺極為發育，其褶皺主要為背斜。隧址區地表巖層主要為坡崩積塊石土（ Q4dl+el）、坡殘積紅黏土（ Q4dl+el）、粉質黏土、碎石土等。隧道穿越的主要地層巖性為三疊系中統法郎組（ T2fb）、個舊組（ T2g），其中三疊系中統法郎組為中厚層泥巖、砂巖，其鈣質含量較高；個舊組為塊狀灰巖、鈣質泥巖、泥灰巖等。尤其在洞口段，其節理裂隙極為發育，巖體極為破碎，具體情況見圖1。

圖1 巖溶隧道洞口地質情況

2 巖溶隧道地質預報

2.1 地質雷達基本原理

地質雷達是利用電磁波探測技術來預測地質構造、地層分布情況，地質超前預報主要是利用一組中心頻率為100 MHz的高頻電磁波向圍巖體發射電磁波，當電磁波遇到圍巖體界面，其電磁性發生變化，反射率不同，從而通過反射波、繞射波的基本特性，即可判讀出前方圍巖體的地質構造、圍巖完整性、溶洞大小、腔內填充物、富水等工程地質情況。由于雷達電磁波在圍巖體內屬于雙程傳播，因此可通過記錄電磁波傳遞時間來判讀目標體的位置，其基本公式為：

式中：Z為距離；t為電磁波行程時間。

雷達所接收到的反射電磁波的能量取決于相鄰圍巖體材料的介電常數差異，差值越大，其反射波的差異越明顯，其具體原理示意圖如圖2所示。

圖2 地質雷達工作原理示意圖

2.2 巖溶位置情況預報

本項目巖溶分布較多，為保證施工安全，首先采用地質雷達對巖溶位置進行探測。鑒于掌子面平整度較差，此次探測采用點模式，即沿隧道掌子面橫向，在平整處等間距布設測點，測點間距一般為30 cm，整個掌子面可布設3排測點，所測得的典型位置雷達信號情況如圖3所示。

圖3 掌子面巖溶位置雷達信號圖

從圖3中可以看出，該段雷達信號的反射波分布不均勻，其距離掌子面3～10 m范圍內的電磁反射波界面較多，但反射幅度差值較小，可初步推斷該段分布有節理裂隙；在距離掌子面15～25 m范圍內，掌子面中間部位，存在明顯的雷達信號反射界面，為不規則形式的包圍體，通過初步推斷可認定為溶洞。

根據地質雷達預報結果，通過掌子面開挖揭露出溶洞，其具體情況如圖4所示。從圖4中可以看出，掌子面巖質主要為白云質灰巖，強風化，呈破碎狀態，掌子面右側發育有一小型溶洞，直徑約0.5 m，其內充填有黏性土，對掌子面整體穩定性極為不利。

圖4 巖溶位置實際情況

2.3 巖溶腔內填充物情況預報

為進一步預測溶洞腔內填充物的類型，本文針對典型斷面采用地質雷達進行探測，通過濾波、歸一化處理后，該段地質雷達信號圖反射波較強，分布有多處分界面，可初步判斷出該段圍巖特性差異較大。尤其在掌子面左側，存在一明顯的反射區域，為整體同相軸分布狀態，且同相軸變化方向與隧道軸向基本一致。

結合地質勘察資料，根據地質雷達探測結果，該段隧道圍巖為灰巖，溶洞較為發育，由于雷達信號圖中顯示的溶洞內反射信號明顯減弱，其溶腔內填充物含水量較大，可初步判讀其為軟塑性黏性土。通過掌子面開挖揭露，該處掌子面左側分布一溶洞，其直徑約2.5 m，腔內填充物為軟黏土，與探測結果基本吻合，其具體情況如圖5所示。

圖5 巖溶腔內填充物實際情況

3 巖溶隧道地質災害處治

3.1 圍巖預加固

根據上述地質雷達探測結果可知，本項目圍巖中小型溶洞分布較多，對掌子面圍巖穩定性極為不利[5]。為保證施工安全，本項目采用超前小導管對掌子面圍巖進行預加固。

注漿材料主要采用水泥-水玻璃漿液，根據現場試驗結果，其水灰比為 1∶1，水玻璃濃度為25 Be′。注漿小導管的長度可根據式（2）進行確定：

式中：H為圍巖體厚度；φ為圍巖內摩擦角。結合現場實際情況，本項目所采用的注漿小導管長度為5 m，其注漿半徑為5 cm，外傾角度為8°。為保證注漿施工質量，注漿速度為15 L/min，其注漿終壓為1.5 MPa，且在注漿過程中，至少保持該壓力10 min方可結束該孔注漿。小導管注漿實際情況如圖6所示。

圖6 掌子面預注漿現場情況

采用小導管注漿后，通過掌子面開挖揭露，其圍巖內分布有大量規則的漿脈，小型溶洞內漿液充填飽滿，在施工過程中未發生掌子面坍塌、掉塊現象，掌子面整體穩定性較好。

3.2 隧道支護結構優化

對于大型溶洞，為保證施工安全，首先應對溶洞腔內填充物進行清理，并回填混凝土，保證圍巖體的整體穩定性。

本項目的原二次襯砌采用曲墻式C30鋼筋混凝土，其厚度為45 cm，隧道底板為C25混凝土，其厚度為60 cm。為避免溶洞的影響，本項目對隧道支護結構進行增強，即采用厚度為65 cm的C35鋼筋混凝土，底板采用厚度為80 cm的C30鋼筋混凝土。在施工過程中，應保證初期支護及時封閉成環，同時在溶洞地段增設沉降縫，避免其應力集中，提高隧道支護結構整體穩定性。

4 結論

本文結合某巖溶隧道的工程實例，總結分析其工程特性，利用地質雷達對其地質情況進行詳細探測，并有針對性地提出處治措施，得出以下幾點結論：

a）利用地質雷達可準確探測溶洞位置，結合地質勘察資料，可準確判讀溶洞腔體內的填充物質，為下一步掌子面開挖提供充分的技術支撐。

b）對于小型溶洞，采用小導管注漿，可在巖溶隧道圍巖內形成大量規則的漿脈，溶洞腔內漿液充填飽滿，在施工過程中未發生掌子面坍塌、掉塊現象，取得了良好的處治效果。

c）對于大型溶洞，通過優化隧道支護結構方案，增加隧道二次襯砌及底板強度，同時增設沉降縫，避免了應力集中，提高隧道支護結構整體穩定性。