隧道內(nèi)隱伏巖溶綜合探測技術(shù)研究與應用

程 木 星， 程 江 河， 任 運 盼

(1.中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 611830；2.中國鐵路武漢局集團有限公司，湖北 武漢 430000)

1 概 述

新建鐵路磨丁至萬象線北起中老邊境口岸磨丁，終到老撾首都萬象市，線路全長414 km，新建隧道75座、196 km，其中巖溶隧道18座，長約16 km。由中國水電十局承建的路段穿越萬榮巖溶風景區(qū)，巖溶強烈發(fā)育，地質(zhì)條件復雜，突水突泥、斷層破碎帶、煤系地層及瓦斯、溶蝕洼地、暗河等不良地質(zhì)災害嚴重，施工風險極大。因此，在隧道土建施工期和軌道架設(shè)之前，若能夠較準確地確定巖溶發(fā)育的規(guī)模、與線路的空間關(guān)系、與斷層和地表淺層巖溶發(fā)育區(qū)的連通關(guān)系，對設(shè)計和施工能起到良好的指導作用，對于規(guī)避地質(zhì)災害風險，確保營運安全具有重要的意義[1]。

中老鐵路為單線鐵路，隧道施工空間狹窄，各類施工機具設(shè)備活動頻繁，電、磁、振動干擾嚴重，巖溶探測實施難度較大，因此，應根據(jù)實際情況采用適宜的勘探方法進行勘探。國內(nèi)在一般條件下采用的物探方法是沿線路進行帶狀探查，確定異常發(fā)育區(qū)后進行鉆探驗證用以評價巖溶的發(fā)育程度和規(guī)模，但該探測方法較為單一，準確性不高。為提高探測結(jié)果的準確性，水電十局中老鐵路項目部的技術(shù)人員結(jié)合隧道施工階段的具體特點，在隧道隱伏巖溶探測研究中應用了風槍探孔+釬探+物探+鉆探的綜合勘探模式，積累了較為豐富的經(jīng)驗，為巖溶整治提供了詳實、科學、客觀的依據(jù)。

2 探測方法

隧道施工期需開展探測工作的巖溶分為開挖已揭露的巖溶和開挖未揭露的巖溶(隱伏巖溶)兩類，細分為洞周探測和隧底探測兩部分。洞周包括隧道拱部及邊墻，隧底系指除洞周之外的隧道底部。巖溶探測需根據(jù)施工工序安排、有序進行、適時調(diào)整。

2.1 風槍探孔法

風槍探孔法是利用風槍鉆在隧道開挖每循環(huán)中對洞周及隧底鉆小孔徑的淺孔以獲取地質(zhì)信息，能及時發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)情況，實用性強。隧道施工期，靠近掌子面附近的隧底巖溶物探受大型施工機具、鐵質(zhì)物體等環(huán)境條件的限制，電磁干擾嚴重，一些方法不具備施測條件，而另一些方法因受到干擾致使資料質(zhì)量變差，分辨率降低。風槍探孔法不受這些環(huán)境因素影響，是隧道仰拱實施前進行隧底隱伏巖溶探測行之有效的手段。

2.2 釬探法

釬探在隧底、洞周有充填物且充填物厚度小于3 m時使用，原則上孔間縱橫向間距不大于5 m，探測范圍須覆蓋巖溶充填物。釬探孔每孔的里程位置須準確定位，并需詳細記錄每個孔巖溶充填物的厚度、成分、軟硬程度、含水程度等。

2.3 物探法

隧道仰拱澆筑后，采用地質(zhì)雷達法和地震映像法的綜合分析方法拉通探測。標段測區(qū)上覆粉質(zhì)黏土、松軟土、粗(細)圓礫土、卵石土；下伏基巖為砂巖、泥巖夾石英砂巖、煤層、灰?guī)r夾頁巖、板巖夾灰?guī)r。以溶洞、破碎帶、溶腔等形式出現(xiàn)的巖溶與上述地層存在明顯的物性差異，從而為巖溶物探工作提供了良好的地球物理特征。

(1)地質(zhì)雷達法。采用地質(zhì)雷達法對隧道基底進行探測時，由發(fā)射天線向隧底的巖層發(fā)射電磁波，當電磁波傳至兩種不同介質(zhì)的分界面，如斷層、洞穴和巖層分界面等時，由于兩種介質(zhì)的介電常數(shù)存在差異而使電磁波在界面處會發(fā)生反射和折射等現(xiàn)象，入射波、反射波和折射波的傳播遵循反射定律和折射定律，反射波返回隧底表層被接收天線接收，形成雷達圖像[2]。

地質(zhì)雷達法是一種高效、直觀、連續(xù)無破壞性、分辨率高的物探方法，所提供的資料圖件為連續(xù)時間(深度)剖面圖，對溶洞的分布范圍、埋深、大小一目了然。考慮到隧底基本為基巖，電磁波穿透深度較大，故其探測深度滿足勘探要求。

(2)地震映像法。地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技術(shù)發(fā)展起來的一種地球物理勘探方法，是以相同的偏移距逐步移動測點接收地震信號對地下的地層或目標體進行連續(xù)掃描，探測地下介質(zhì)變化的地震方法。

地震映像法數(shù)據(jù)采集速度快，避免了動、靜校正對地震波的拉仰、畸變影響，保留了多種地震波信息及全部動力學特征；特別是在探測目標體相對單一、以橫向地質(zhì)條件變化為主的情況下，地震映像法探測效果好，具有快速、高效、成果直觀，可利用多種地震波及其運動學、動力學特征實現(xiàn)異常體較準確的定位及性質(zhì)判別的優(yōu)點(圖1)。

圖1 萬榮隧道地震映像法現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集

在巖溶探測中，與鉆探法相比，物探不會損壞既有工程和構(gòu)筑物且探測費用低，施測速度快；但物探屬于間接性探測方法，其結(jié)果時常存在多解性，而且每一種物探方法存在自身具有的優(yōu)缺點，因此，應針對隧底的具體條件，根據(jù)每一種物探方法的特點選擇兩種及兩種以上的方法進行綜合物探。

地質(zhì)雷達法探測速度較快，但其探測深度小，當存在低電阻的潮濕土層強烈吸收電磁波時，勘探深度只有約5 m。故要求地面必須平整，否則無法拖動天線或干擾較大。地震映像法為彈性波類物探方法，不受隧底仰拱鋪設(shè)鋼筋的影響，能夠宏觀地探測隧底巖溶，是仰拱鋪設(shè)鋼筋地段比較有效的物探方法；但在另一方面，與地質(zhì)雷達的電磁波頻率相比，地質(zhì)地震映像法的地震波頻率較低，所獲得的資料精度沒有地質(zhì)雷達法高。

2.4 鉆探法

當采用物探法出現(xiàn)異常時需采用鉆探法進行驗證控制，以進一步查明異常體的深度、范圍、性質(zhì)。鉆孔的密度、深度應以查明對工程有影響的巖溶或物探異常帶的空間分布特征為原則進行控制。隧底鉆探的有效深度原則上不小于10 m,當揭露巖溶等不良地質(zhì)情況時，鉆探深度應穿越巖溶至穩(wěn)定基巖中不小于5 m。

2.5 風槍探孔+釬探+物探+鉆探的綜合勘探模式

綜合考慮隧道隱伏巖溶探測的場地條件以及施工期間存在的電、磁、振動等外界干擾，為了取得較好的勘探效果，隧道隱伏巖溶探測工作采用“風槍探孔+釬探+物探+鉆探”的綜合勘探模式[3]。

(1)澆筑仰拱前，在每個斷面布置10個孔(洞周7孔，隧底3孔),孔深5 m,采用風槍探孔及釬探對洞周及隧底隱伏巖溶進行探測。

(2)澆筑仰拱后，根據(jù)隧道主體工程和鋪底進展情況分段實施隧道基底巖溶物探。對于小于1 000 m的可溶巖段落，在該段仰拱施作完成后進行物探；對于長度大于1 000 m的可溶巖段落，仰拱每施作1 000 m開展一次物探。

(3)物探施測后，對所發(fā)現(xiàn)的規(guī)模較大或埋深較淺的溶洞異常情況進行鉆探驗證。對物探結(jié)果進行驗證后，根據(jù)驗證資料對物探判釋結(jié)果進行修正。

3 探測的實施

隧道基底隱伏巖溶的物探和鉆探由勘察設(shè)計單位成立的現(xiàn)場地勘項目部負責實施。隧底及洞周的地質(zhì)測繪、風槍探孔、釬探等由隧道施工架子隊負責實施。在隧道施工期，架子隊應為物探施測提供必要的條件，盡量消除電、磁、振動等各種干擾以提高數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。開展隧道隧底巖溶物探時，要求隧底平整、壓實,無碎石和施工材料堆放，無積水、流水和泥漿等。進行地質(zhì)雷達法探測時，需將施工機械、車輛及鐵質(zhì)物體移至工作場地范圍之外以減少電磁干擾；進行地震映像法探測時，工作場地附近應停止人員走動和施工機械的操作，以減少振動噪聲干擾。

3.1 風槍探孔

采用風槍探孔對洞周及隧底隱伏巖溶進行探測時，每個斷面布置10個探孔，分別位于拱頂、左右拱腳、左右邊墻中部、左右邊墻腳處、隧底中線及兩側(cè)處。探孔深度為5 m，斷面縱向間距為5 m，遇到巖溶異常時應適當加密、加深。探測工作斷面上拱墻部分的7個風槍探孔結(jié)合隧道支護系統(tǒng)錨桿進行，拱墻系統(tǒng)的錨桿原設(shè)計長度一般為2.5～3 m,需將探測工作斷面上利用的7個拱墻系統(tǒng)錨桿孔加長至5 m,考慮注漿；探測工作斷面上隧底的探測孔深度為5 m,不需注漿。

風槍探孔記錄。尤其是有巖溶異常的探孔需要詳細記錄巖溶深度、充填物性質(zhì)、充水情況、巖石破碎程度等。風槍探孔是隧底仰拱澆筑前隧道隱伏巖溶探測的重要手段，應作為一項工序納入隧道施工中，由架子隊嚴格按有關(guān)要求實施。

3.2 地質(zhì)雷達法物探

在地質(zhì)雷達法資料采集中，為兼顧探測深度和精度的需要，使用了100 MHz的屏蔽天線，采用連續(xù)測量采集數(shù)據(jù)。探測時選擇合適的時間窗口和采樣間隔并根據(jù)數(shù)據(jù)采集中的干擾變化和效果及時調(diào)整工作參數(shù)。萬榮隧道探測時，結(jié)合實際情況標定相對介電常數(shù)，測量時窗選定為550 ns，采樣點數(shù)為512點/道，掃描速率約為60掃/s。在雷達探測過程中，每5 m進行標記，準確標記測量位置。記錄長度不宜大于300 m。分段探測時，記錄中重復探測的長度不得小于2 m。對發(fā)現(xiàn)有重點異常的區(qū)域應重復觀測，重復性較差時應查明原因。

地質(zhì)雷達法的資料解釋主要依據(jù)雷達深度剖面圖，通過地質(zhì)雷達剖面上的電磁反射波組、強能量團塊分布和雙曲線等特征，對隧道基底隱伏巖溶發(fā)育情況做出判斷[4]。

基底結(jié)構(gòu)密實(即正常情況下)的雷達圖像具有反射波同相軸連續(xù)并且平行、末出現(xiàn)明顯繞射波、頻率高等特征，圖2為萬榮隧道DK295+011∽+035段完整灰?guī)r的圖像反映。

圖2 完整基巖地質(zhì)雷達剖面圖

基底結(jié)構(gòu)不密實時電磁波的頻率變低，如果局部松散或有空洞時，電磁波反射波組雜亂，伴隨有很多弧形繞射波；當基底內(nèi)松散且含水量較高時，電磁反射波組頻率比較低、出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。如圖3所示，DK294+805.5～+814.5段右1.8 m處地質(zhì)雷達剖面圖中下部在雷達中呈強反射波且呈雙曲線特征，物探解釋為空洞的反映。萬榮隧道D294+975～0K295+000段地質(zhì)雷達剖面圖(圖4)中上部存在電磁波強反射波組且雜亂等特征，物探解釋為破碎帶反映。

3.3 地質(zhì)地震映像法探測

數(shù)據(jù)采集過程中，震源點與檢波點相對位置保持不變，震源點與檢波點中點即為測點，震源點、檢波點均按照一定間隔同步向前移動以獲得共偏移距地震映像時間剖面。根據(jù)共偏移距地震映像時間剖面的地震波運動學、動力學特征分析地下界面的起伏變化、局部異常體的位置、大致深度及性質(zhì)。

地質(zhì)地震映像法探測數(shù)據(jù)處理流程主要包括：原始數(shù)據(jù)→坐標參數(shù)編輯→預處理→能量均衡→頻率濾波→時深轉(zhuǎn)換。其中，為保留多種地震波及其動力學特征，必要時僅對地震映像剖面做頻率濾波、能量均衡處理。地質(zhì)地震映像法成果資料的解釋主要依據(jù)地震映像斷面圖，通過地震映像斷面地震波的旅行時、振幅、頻率、相位等特征分析地下界面的起伏變化、局部異常體的位置、性質(zhì)及大致深度。根據(jù)實測地震映像剖面特征，物探探測異常大致分為以下三類：

圖3 空洞地質(zhì)雷達剖面圖

第一類異常：異常段相較于背景區(qū)地震波能量增強、頻率降低、旅行時增長，沿橫向連續(xù)出現(xiàn)的低頻、強能量的兩組或多組同相軸均出現(xiàn)規(guī)律性下凹，呈現(xiàn)“V”字型特征，特別是隧道基底地震映像剖面首根沿橫向連續(xù)出現(xiàn)的低頻、強能量同相軸出現(xiàn)明顯的下凹，異常邊部表現(xiàn)為同相軸明顯的彎折或錯斷，異常中心表現(xiàn)為明顯的頻率降低、振幅增強、波組間隔明顯增大。

第二類異常：異常段相較于背景區(qū)地能波能量增強、頻率降低、旅行時增長，沿橫向連續(xù)出現(xiàn)的低頻、強能量的兩組或多組同相軸出現(xiàn)平緩的下凹，主要呈現(xiàn)弧形、“U”字型特征，異常邊部主要表現(xiàn)為同相軸局部不連續(xù)或錯斷，異常內(nèi)部地震波能量、頻率變化不大、波組間隔自異常邊部至異常中心逐漸增大。

第三類異常：沿橫向連續(xù)出現(xiàn)的低頻、強能量的同相軸出現(xiàn)明顯中斷、錯位、波組增多及波組間隔突變，相較于第一、第二類異常未出現(xiàn)明顯的同相軸下凹及頻率的明顯降低，主要表現(xiàn)為同相軸沿橫向不連續(xù)。

根據(jù)巖溶物探探測實踐經(jīng)驗，第一類異常主要為溶洞的反映，巖溶發(fā)育程度明顯強于第二、第三類異常，且異常幅度與巖溶發(fā)育程度之間具有較為明顯的相關(guān)性，異常幅度越大，巖溶越發(fā)育；第二類異常、第三類異常主要為破碎帶的反映[5]。

圖4 破碎帶地質(zhì)雷達剖面圖

4 結(jié) 語

隧道基底隱伏巖溶探測成果以地質(zhì)雷達資料解釋為主，地震映像資料解釋為輔。探測出的溶蝕破碎發(fā)育區(qū)以及頂板厚度較小的無充填、半充填巖溶發(fā)育區(qū)沉降坍陷風險極大，需結(jié)合物探、鉆探取芯以及地質(zhì)資料對巖溶缺陷異常段進行綜合分析并進行安全評估處理。在巖溶探測方面，物探法加地質(zhì)法和多種方法的相互驗證，是巖溶災害源探測的發(fā)展方向之一。實踐證明：在隧道隱伏巖溶探測施工中采用風槍探孔+釬探+物探+鉆探的綜合勘探模式，能夠較準確地探明溶洞和破碎帶，從而證實了該模式在鐵路隧道隱伏巖溶探測中是有效且可行的，值得推廣應用。