高速鐵路隧道基底巖溶探測及處理

景積倉

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，陜西西安 710043)

在可溶巖地區修建高速鐵路隧道工程，若隧道基底存在隱蔽溶洞，會給鐵路運營造成較大的安全風險。由于巖溶分布存在較大的不確定性和多變性，在地質勘察階段，一般很難全面查明巖溶的發育程度和富水程度。因此，在施工階段對基底隱蔽巖溶的探測和處理就顯得尤為重要。已有許多學者進行了相關研究：朱紫祥等采用高密度電法對溶洞進行了勘查[1-3]；李大虎等采用探地雷達對墩下隱伏巖溶進行了探測[4]；李良泉等采用綜合物探查明了某鐵路隧道基底巖溶的分布情況[5]。也有部分學者對基底巖溶處理方法進行了研究：王喚龍等基于云桂鐵路某隧道工程實例，采用樁加筏板基礎處理高速鐵路基底巖溶[6-7]；梁軍等介紹了采用樹根樁對隧道基底溶洞軟基進行處治的設計方案、施工工藝和應用效果[8]；楊凡等介紹了在隧底架設底板支撐跨越溶洞的處理方案[9]；趙全超等采用暗溝、管道、涵洞、泄水洞、拱橋等方式處理隧道基底巖溶水[10]。

采用物探方法進行隧道基底巖溶探測時，由于物探的多解性，若不采用鉆探進行驗證，將無法確定隧道基底隱蔽巖溶的規模、位置和巖溶水情況。可采用物探和鉆探相結合的綜合勘察手段，對隧道基底以下一定深度的隱蔽溶洞進行探測，再依據綜合探測結果，以確定隧道基底隱蔽巖溶的處理方案。

1 常用巖溶探測方法介紹

受隧道內空間限制，鐵路隧道基底巖溶探測可采用的物探方法主要有：地質雷達法、地震映像法、高密度電法等；對物探異常地段，可用鉆探進行驗證。

1.1 地質雷達法

地質雷達法是一種向介質中發射特定頻率電磁波，根據反射波的形態、振幅、相位等判斷介質內差異的方法。該方法對于低阻類異常較為敏感。因此，地質雷達法可較好地完成溶洞、破碎帶等異常帶的探測工作。

優點：分辨率高、工作效率高、無損，配合100 MHz天線時，探測深度可達15～25 m。

缺點：當覆蓋層較厚或覆蓋層為低阻時效果欠佳，且有效探測深度會明顯降低；仰拱有配筋時，鋼筋對探測結果的準確性有一定影響。

解決方案：對于隧道基底圍巖風化程度較高、基底圍巖含有低阻層或仰拱有配筋時，可采用地震映像法或高密度電法進行復核；當作業現場存在電磁干擾時，應暫停產生電磁干擾的作業。

1.2 地震映像法(震法)

地震映像法又稱高密度地震勘探和地震多波勘探，是基于反射波偏移距技術發展起來的一種常用淺地層勘探方法?？衫玫男畔ǎ赫凵洳ā⒎瓷洳?、繞射波，以及有一定規律的面波、橫波和轉換波。地震映像法主要適用于洞穴、巖石中的溶洞、巖溶塌陷、基巖面起伏、斷層等的探測。

優點：采集數據中包含波動學與動力學信息；探測深度較大。

缺點：工作效率低，抗干擾能力較弱，最優偏移距的確定較為困難。

解決方案：可采用多次疊加方法提高分辨率；正式探測前，先進行干擾波調查，再確定最優偏移距；與地質雷達法聯合使用，可較準確地探明隧道基底下25～30 m深度范圍內的巖溶發育情況。

1.3 高密度電法

高密度電法對地下不均勻體具有很強的識別能力，特別是溶洞類的地下異常體。

優點：對溶洞的大小、埋深等探測精度較高。

缺點：隧道基底為弱風化基巖時，現場施作困難；受空間限制，垂直隧道方向布線困難；隧道內探測深度較淺。

解決方案：與地質雷達法、震法聯合使用。

1.4 鉆探法

對綜合物探方法探測的異常地段，可通過鉆探確定隧道基底巖溶發育、溶洞充填及巖溶充水情況。

2 隧道基底巖溶連通性探測

隧道基底溶洞連通性探測是巖溶探測的難點，其結果對基底巖溶處理方案的選擇影響較大。巖溶連通性試驗一般采用在水中添加示蹤元素的方式進行(應首先查明溶洞水的進出口)；若有用于探測的鉆孔可利用，則可以在鉆至溶洞后向孔內壓煙，并在隧道地表尋找出煙口；該方法是一種逆作法，解決了尋找巖溶進出口困難的問題。

3 隧道基底巖溶探測方案

3.1 探測方案選擇

一般采用地質雷達進行隧道巖溶貫通探測，采用震法進行復核探測。當隧道基底地層為風化基巖時，也可采用高密度電法進行復核探測，復核量應不小于地質雷達探測量的40%，以保證探測的可靠性。

3.2 測線布置

正線隧道中，探測測線沿線路方向按照3條(軌道中線和兩側)進行布置。為減少邊墻鋼架對探測精度的影響，兩側測線應距離鋼架2 m以上(見圖1、圖2)。

圖1 隧道測線布置正視(單位：m)

圖2 隧道測線布置側視(單位：m)

3.3 探測精度

根據線路所在地區巖溶發育程度確定，分兩步開展工作。

初探：對可溶巖地段隧道基底進行全面探測，初步確定隧道基底巖溶發育程度。

詳探：在初探的基礎上，對隧道基底巖溶發育程度進行詳細探測。在巖溶發育地段或者異常體范圍較大的地段，應加密探測線，以提高探測精度，并采用震法等手段進行復核，必要時可布置橫測線(見圖3)。

圖3 隧道橫斷面測線布置側視(單位：m)

3.4 探測重點

一般為隧道基底一定深度范圍內的隱蔽巖溶裂隙、溶洞等。巖溶發育一般地段，可探測至基底以下25～30 m；巖溶發育地段或巖溶規模較大時，探測深度應適當加深(>30 m)。

3.5 鉆探驗證

采用斷面控制法能較好地探測到基底巖溶的空間分布形態，避免單一物探方法對基底隱蔽巖溶形態的誤判或遺漏?？刹捎谜鸱▽Φ刭|雷達探測結果進行復核探測，既是對地質雷達探測異常地段的復查，也能起到對地質雷達可能遺漏的異常地段的補充探測，起到“查缺補漏”的作用。

4 高速鐵路隧道基底隱蔽巖溶處理原則

巖溶處理方案與溶洞大小、巖溶水大小、基底隱蔽巖溶的位置等密切相關，一般應遵循以下處理原則。

(1)對于孤立的溶洞，一般可以采取基底注漿的方法進行處理。

(2)對于大型溶洞或者連通性較好且為巖溶水流通路徑的小型溶洞，可采用基底注漿的方式進行處理；當溶洞內巖溶水發育、基底溶洞為巖溶水通道時，應通過施作泄水洞進行處理。

(3)隧道基底巖溶發育地段，應加強隧道的結構措施。

(4)采用注漿方式處理隧道基底隱蔽溶洞時，應對隧道基底進行復測；若復測存在異常，應進行基底二次注漿并再次復測。

5 應用實例

以西成客專房家灣隧道出口段基底巖溶處理為例。隧道出口DgK288+275～DgK289+708(長433 m)段為砂質白云巖，施工揭示，該段砂質白云巖中巖溶發育，并伴有巖溶水；該段在雨季曾發生過較大涌水，出現淹井現象，施工過程中已進行了相應的工程處理。

5.1 基底巖溶探測

地質雷達和震法探測發現(見圖4)，DgK288+961～ DgK288+929右側仰拱以下8～12 m深度范圍內存在異常(寬3 m)；DgK289+428～ DgK289+418左側仰拱以下7～12 m深度范圍內存在異常(寬2 m)；DgK289+568～DgK289+540右側仰拱以下10～15 m深度范圍內存在異常(寬2 m)；DgK289+672～ DgK289+644右側仰拱以下7～12 m深度范圍內存在異常(寬2 m)。

圖4 DgK289+568～DgK289+540段物探結果(單位：m)

為進一步查明房家灣隧道出口基底異常地段巖溶發育情況，對物探異常地段采用鉆探進行了驗證。

(1)DgK288+961～DgK288+929段

鉆孔布置見圖5。根據鉆探結果，該段隧道基底以下巖體節理發育程度和發育深度不均勻。其中，FZ-2基底下13 m以上，FZ-4基底下12 m以上，FZ-4-1基底下15.2～20.7 m， FZ-5基底下14 m以上為節理發育-極發育，節理張開且被黏性土充填，局部可見小溶孔。其余地段節理相對較發育。綜合分析認為，物探異常段落主要為節理發育地段，隧道基底以下30 m范圍內未見溶洞。

圖5 DgK288+961～+929段鉆孔布置

(2)DgK289+428～DgK289+418段

鉆孔布置見圖6。根據鉆探結果，該段隧道基底以下30 m深度范圍內未發現溶洞。FZ-6鉆孔處仰拱填充面以下4.4～6.0 m范圍內為深灰色頁巖，巖芯呈碎塊狀、碎片狀；13～14.1 m范圍內節理相對較發育；FZ-7鉆孔處仰拱填充面以下1.9～3 m、4.5～6 m、7.5～8.1 m、24～24.5 m范圍內巖體節理相對較發育。綜合分析認為，物探異常段落主要為節理發育地段。

圖6 DgK289+428～DgK289+418段鉆孔布置

(3)DgK289+568～DgK289+540段

鉆孔布置見圖7。根據鉆探結果，該段發育兩層帶狀巖溶，分別位于隧道基底以下8～17 m及14～25 m范圍內，寬6～7 m，巖溶帶與隧道走向夾角約26°；溶洞為無充填-全充填，填充物為角礫及黏性土；溶洞內發育地下水；隧道基底至溶洞頂的巖體頂板厚8～14 m不等，頂板巖體局部發育節理。為探測溶洞的連通性，采用空壓機向鉆孔內壓送煙霧，并在地表尋找出煙位置。根據試驗結果， 隧道內DgK289+561處鉆孔出風位置與地表DgK289+508左側459.6 m處的空隙有連通。結合鉆探資料分析，該段為一條寬6～7 m的裂隙性巖溶，且與地表連通性良好(見圖8)。

圖7 DgK289+568～DgK289+540段鉆孔布置

圖8 DgK289+561處基底溶洞與地表連通性示意

(4)DgK289+672～DgK289+644段

鉆孔布置見圖9，根據鉆探結果，該段隧道基底以下13～19 m范圍內發育一帶狀巖溶，巖溶帶與隧道走向夾角約20°；溶洞為半充填-全充填，填充物為雜砂及黏性土；隧道基底至溶洞頂的巖體頂板厚9～13 m，頂板巖體局部發育節理。采用空壓機向孔內壓煙的方式進行連通性試驗，經過24 h壓煙試驗，地表未發現出煙點，但該段在鉆探過程中，孔內有輕微出風現象。分析認為，該巖溶帶與地表連通性一般。

圖9 DgK289+672～DgK289+644段鉆孔布置

5.2 基底巖溶處理方案

(1)DgK288+961～DgK288+929、DgK289+428～DgK289+418段

隧道基底巖溶不發育，采用基底注漿即可達到隧道基底安全穩定、運營安全的要求。故在這兩段采用了R51P微型樁注漿加固方案。

(2)DgK289+672～DgK289+644段

該段距離隧道洞口僅36 m，且洞口為第四系覆蓋層，施工所揭示土石分界線位于DgK289+680附近，地下水不易匯集。該段隧道基底巖溶水不發育且排泄通道暢通，對該段隧道基底注漿不會造成基底巖溶水頭升高，且能達到隧道基底安全穩定、運營安全的要求。故在該段設置φ200 mm鋼管樁，并通過鋼管樁注漿加固基底，加固深度為20 m，并嵌入基巖深度不小于1 m。

(3)DgK289+568～DgK289+540段

隧道基底為帶狀溶洞，且與地表連通性較好。由以上各段鉆探資料及巖溶水發育情況可知，該段地下水水位高程為862～864 m，基底巖溶水發育，且隧道底巖溶位于巖溶通道內巖溶水的流通路徑位置。因此，采用基底注漿加固會堵塞巖溶水通道，導致隧道周圍水頭升高，隧道二襯將承受水壓。為確保工程長期運營安全，在線路左側設置一處泄水洞，以避免隧道襯砌承受水壓，如圖10所示。

圖10 泄水洞平面位置

(4)DgK289+672～DgK289+644段

采用了鋼管樁注漿方案。為驗證加固效果，采用地質雷達和震法進行復核，復核探測結果顯示，注漿后基底以下未見異常。

6 結論

(1)高速鐵路對變形要求和安全要求都較高，隧道基底隱蔽巖溶探測和處理是隧道工程安全的最后一道屏障，對隧道運營安全至關重要。對位于可溶巖地區的高速鐵路隧道，在隧道施工開挖后，必須對隧道基底隱蔽巖溶進行探測。

(2)對于鐵路隧道工程基底隱蔽巖溶探測，應綜合采用地質雷達、震法、高密度電法等綜合物探手段，各種方法相互補充、相互驗證，初步確定隧道基底隱蔽巖溶的分布范圍、埋深及溶洞大小。對物探探測的異常地段，應采用鉆探進行驗證。對鉆探揭示的溶洞，應進行溶洞連通性試驗，確定隧道基底隱蔽溶洞的走向、隧道基底隱蔽溶洞與地表降雨入滲區的關系。

(3)應依據隧道基底隱蔽巖溶的空間分布形態、巖溶水的大小、隧道基底隱蔽巖溶與地表的連通關系以及基底巖溶在巖溶通道中的位置等因素確定隧道基底隱蔽巖溶處理方案。當溶洞內巖溶水發育、基底溶洞為巖溶水流通通道時，應通過施作泄水洞進行處理，避免由于隧道基底隱蔽巖溶處理不當，造成隧道二襯承受水壓，威脅運營安全。

(4)采用注漿方式處理基底隱蔽溶洞時，應進行基底復核探測，復核探測有異常時，應進行基底二次注漿并再次復核。