巖溶超前探測技術及其對隧道穩定性影響分析

羅愛軍

（山西路橋第七工程有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

巖溶地層在我國分布范圍廣泛，其面積約為340萬km2。隨著國家高速公路建設事業的不斷發展，高速公路逐漸向巖溶分布較多的西南、中西部地區邁進，巖溶隧道的建設規模越來越大。巖溶對隧道的影響機理復雜[1-3]，一方面由于溶洞內部的碎石、水、夾泥等填充物的影響而導致圍巖整體強度較低，圍巖穩定性較差，在施工過程中易產生突泥、涌水、掉塊、塌方等地質災害；另一方面溶洞的存在影響了隧道圍巖與支護結構間的相互作用關系，進而影響隧道整體力學狀況，易導致隧道支護結構開裂、滲漏水等病害。

目前，學者們圍繞巖溶隧道地質災害及施工技術開展了大量的研究工作，取得了一系列的研究成果。陽躍朋[4]結合六郎隧道的工程案例，利用地質雷達和TSP相結合的手段對其地質情況進行探測，并提出設計施工優化方案；解東升[5]在調研大量巖溶隧道地質災害的基礎上，總結分析巖溶形成的影響因素，并建立巖溶隧道突泥涌水災害預測技術體系；鐘世航[6]將地質雷達、瞬變電磁法、聲納法等手段相結合，研究巖溶綜合探測技術，并結合典型工程案例驗證其探測效果；林國濤[7]利用理論分析手段研究巖溶突泥涌水形成機理及處治技術，并結合工程案例對處治技術效果進行全面評價。本文在上述研究的基礎上，結合典型工程案例的具體特性，利用地質雷達手段探測其溶洞情況，并利用數值模擬手段研究不同工況下溶洞對隧道穩定性的影響。研究成果為巖溶隧道設計、施工及運營養護提供技術支撐。

1 工程概況

1.1 地形地貌

丁家灣隧道為雙向四車道分離式隧道，其左右洞長度分別為1 525 m、1 530 m。隧址區地貌單元屬喀斯特剝蝕、侵蝕中山區，由于長期的構造剝蝕溶蝕作用，山頂渾圓，多呈饅頭狀，山梁相對較平緩，但較狹窄，山脊連續，山坡以陡坡為主，坡度介于20°～40°之間，局部為陡坎、陡崖，坡度達60°以上，山體總體呈西北-東南走向，山勢東南部高、西北低，山坡基巖沖溝發育，且溝谷深切，溝岸陡峻，多呈“V”字型。隧道橫穿山梁，隧址區基巖大范圍裸露，微地貌表現為基巖山梁、山脊、斜坡、陡坎、沖溝等。隧址區范圍內植被較發育，以草叢及灌木為主。隧址區內地層以泥灰巖、灰巖、白云巖為主，溶洞發育較多，節理裂隙較發育，圍巖整體穩定性差。該隧道進口端地形地貌情況如圖1所示。

圖1 隧道洞口地形地貌情況

1.2 水文地質條件

隧址區地層由第四系全新統（Q4el+dl）粉質黏土及碎石、奧陶系中統下馬家組（O2x）泥灰巖、頁巖、灰巖、奧陶系下統亮甲山組（O1l）白云巖、寒武系上統鳳山組（∈3f）白云巖、寒武系上統長山組（∈3c）灰巖、寒武系上統崮山組（∈3g）灰巖、寒武系中統張夏組（∈2z）、寒武系中統徐莊組（∈2x）灰巖組成，巖層傾角4°左右，總體表現為傾向小里程的單斜構造。

隧址區地下水類型主要為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，主要接受大氣降水補給，其徑流受構造、巖層產狀、節理裂隙的發育程度控制，以垂向徑流為主，在遇到相對隔水層時轉為水平徑流。區內降水稀少，大部分大氣降水匯入各級沖溝中形成暫時性洪流，少量大氣降水則沿巖體節理裂隙下滲補給地下水。由于巖體節理裂隙發育-很發育，雨季期間大氣降水沿巖體節理裂隙下滲，在洞體內可能會形成暫時性裂隙水，造成洞體內產生點滴狀出水。

1.3 巖溶發育情況

隧址區地層以奧陶系白云巖及寒武系灰巖等碳酸鹽巖類巖石為主，為巖溶的發育提供了基本條件。根據地質勘察結果可知，隧址區內巖溶類型為裸露型，以近代巖溶為主，在碳酸鹽巖分布段落地表溶洞、溶坑及溶槽等喀斯特地貌形態較為發育，而部分鉆孔中局部溶隙、溶孔較發育。

1.4 隧道支護結構參數情況

該隧道采用新奧法理論進行設計施工，其支護結構采用復合式襯砌。初期支護結構采用噴射混凝土、型鋼、錨桿、鋼筋網片組成，在地質條件差的情況下輔以大管棚、超前小導管進行圍巖加固，其中Ⅴ級圍巖條件下型鋼采用I20a型，間距為65 cm；兩榀鋼拱架之間采用連接鋼筋增強其整體性，環向間距為0.6 m；系統錨桿采用Φ22早強藥卷錨桿，長度為4.0 m，環向間距為1.0 m；噴射C25混凝土，厚度為26 cm；襯砌采用C30模筑混凝土，其厚度為50 cm。隧道支護結構及其設計參數如圖2所示。

圖2 隧道支護結構設計圖

2 巖溶探測原理及結果分析

2.1 巖溶隧道地質雷達探測原理

地質雷達利用電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作，其發射天線T將高頻電磁波以寬帶短脈沖形式傳播進入巖體，被不同巖體界面反射，再由接收天線R接收。根據電磁波理論，當雷達脈沖在地下傳播過程中遇到不同電性介質交界面時，由于上下介質的電磁性質不同而產生反射，其反射波被接收后通過主機進行處理分析，進而得到電磁波反射時間的連續剖面。根據處理后的灰度圖或波形圖即可判斷出巖體內是否存在異常目標體，其探測原理如圖3所示。

圖3 地質雷達工作原理示意圖

根據不同頻率天線探測深度的情況，結合該項目的實際情況，該次溶洞探測設備采用美國GSSI公司生產的勞雷SIR-4000型地質雷達，并配備100 MHz天線、400 MHz天線、測量輪等輔助硬件設備，并配備RADAN7專用地質雷達數據處理分析軟件。

2.2 溶洞探測結果分析

根據隧道現場實際情況，該次溶洞探測采用“長短結合”的方式對掌子面前方的溶洞情況進行探測，即先利用100 MHz天線對掌子面前方30 m范圍內巖體進行探測，再根據其探測結果，對淺部可能存在溶洞的部位，利用400 MHz天線進行復測驗證，并確定其溶洞的準確尺寸。該次探測所得典型地質雷達波形情況如圖4所示，掌子面開挖后所揭露的溶洞情況如圖5所示。

圖4 地質雷達信號圖

根據圖4中的雷達信號情況，結合隧道地質勘察結果可以看出，掌子面圍巖以泥灰巖、灰巖為主，風化程度高，掌子面圍巖淺部0～1.0 m范圍內波形雜亂，圍巖破碎，節理裂隙較為發育，整體穩定性差；在測線水平距離1.0～2.0 m、深度0.25～0.75 m范圍內存在一明顯的“楔形體”強反射信號，預計該范圍內存在一小型溶洞。根據圖5中掌子面開挖所揭露出的現場情況可以看出，隧道掌子面存在一小型溶洞，其方向為右斜向上，該溶洞長約0.85 m、寬約0.35 m，與地質雷達探測結果較為吻合。

圖5 開挖揭露的溶洞現場情況

3 溶洞對隧道穩定性的影響分析

3.1 數值模型的建立

為深入研究不同工況下溶洞對隧道圍巖穩定性的影響規律，本文采用有限元分析軟件建立二維數值模擬，考慮隧道模型的邊界效應，該模型在上下左右各方向均取4倍隧道洞徑，其中模型左右兩側施加水平向約束，底部施加豎向約束，上部為自由表面以模擬實際地表情況。結合現場實際情況，本文主要模擬4種工況：工況1，距隧道頂部1 m處存在一直徑為2 m的溶洞；工況2，距隧道頂部2 m處存在一直徑為4 m的溶洞；工況3，距隧道右邊墻2 m處存在一直徑為2 m的溶洞；工況4，距隧道邊墻4 m處存在一直徑為4 m的溶洞。該模型的具體情況如圖6所示。

圖6 巖溶隧道數值模型網格劃分圖

3.2 數值模擬結果分析

利用上述數值模型，經計算后，得出該巖溶隧道在不同工況下（工況1～工況4）圍巖的豎向應力云圖，其具體情況如圖7～圖10所示。

圖7 工況1應力云圖

從圖7、圖8中可以看出，當隧道拱頂部位存在溶洞時，其豎向應力均為壓應力，且高應力區分布在兩側邊墻部位，而低應力區分布在隧道拱頂及底部。隨著溶洞直徑的增大，其最大及最小壓應力均增大，且低應力區的范圍逐漸增大。工況2的最大壓應力為3.25 MPa，較工況1的最大壓應力增加幅度達10.2%；而工況2的最小壓應力僅為0.41 MPa，較工況1的最小壓應力增幅達95.2%.可見，當隧道拱頂部位存在溶洞時，其對隧道拱頂及仰拱部位的應力分布及穩定性影響最為明顯，且隨著溶洞規模的增大，其壓應力分布范圍明顯增大。

圖8 工況2應力云圖

從圖9、圖10中可以看出，工況3、工況4的豎向應力分布規律基本相同，其均為壓應力，且低應力區主要分布于隧道拱頂及仰拱部位、溶洞上部及底部，而高應力區主要分布于隧道邊墻部位及溶洞兩側。隨著溶洞規模及與隧道距離的增大，其最大壓應力由3.12 MPa減小為2.98 MPa，降幅為4.5%；而最小壓應力由0.15 MPa增大至0.54 MPa，增幅達260%，且高應力區分布范圍明顯增大，尤其在隧道與溶洞之間的巖體中，產生明顯的高應力區，對隧道整體穩定性產生不利影響。

圖9 工況3應力云圖

圖10 工況4應力云圖

4 結語

a）結合隧道實際情況，采用地質雷達以“長短結合”的方式探測掌子面前方的溶洞情況，對于明顯的“楔形體”強反射信號可預測該位置存在一小型溶洞，經掌子面開挖揭露，其溶洞情況與地質雷達探測結果較為吻合。

b）當隧道拱頂部位存在溶洞時，高、低應力區分別分布在兩側邊墻、拱頂及仰拱部位；隨著溶洞直徑的增大，最小壓應力增幅較大，且低應力區的范圍逐漸增大，其對隧道拱頂及仰拱部位的應力分布及穩定性影響最為明顯。

c）當隧道邊墻部位存在溶洞時，高、低應力區主要分布于隧道邊墻部位及溶洞兩側、拱頂及仰拱部位、溶洞上部及底部，而高應力區主要分布于隧道邊墻部位及溶洞兩側；在隧道與溶洞之間的巖體中，產生明顯的高應力區，對隧道整體穩定性產生不利影響。