富水巖溶隧道暗河段洞內數字測繪技術

段成剛

（云南省交通運輸綜合行政執法局工程質量監督支隊，云南 昆明 650200）

近年來，隨著我國鐵路、公路、地鐵隧道和水電基礎設施的大規模建設，高水壓、富水和巖溶等復雜工況在隧道工程建設中日益常見。在隧道施工過程中，受短期暴雨、施工所產生的動荷載甚至地震等影響，施工范圍內軟弱圍巖的穩定性、強度等物理力學性能將下降，進而使得隧道易產生涌水突泥、巖溶塌陷等問題，對工程及施工人員安全造成威脅[1-2]。施工前的地質勘測及施工過程中的監測，有利于提高工程設計的合理性，同時能預測及監測工程施工過程中可能出現的問題，是保證工程正常安全施工關鍵措施。

目前，常采用伸縮桿、深埋測點的位移計和全站儀等方法對隧道及圍巖進行觀測，但傳統勘測方法存在效率低、勘測埋點成本大、受勘測地點環境影響大，測量精度難以保證和勘測人員安全性難以保證等問題，難以完全滿足當前工程勘測的需求。近年來，隨著科學技術的發展，攝影監測技術、三維激光掃描技術和雷達監測技術因其操作便利性、安全性和精確性已被用于工程勘測與監測中。但上述技術仍存在技術不成熟，勘測范圍有限、難以滿足大型復雜工程需求等問題。針對上述問題，許多學者對數字測繪技術進行了研究。楊志剛等[3]和周黎明等[4]通過理論模擬和工程實例分析發現，以地質素描為基礎，結合雷達掃描技術和數值模擬技術，可較好地預測隧道巖層的地質狀況，并對巖層穩定性進行判斷，提高隧道施工的安全性。劉倩等[5]提出了TSP超前預報系統與地質調查法集合的隧道施工超前地質預報技術，并通過工程實例對該技術進行驗證發現，該技術對地質情況的預報結果與實際工程開挖后地質情況相一致，顯著提高地質預測的精度，彌補了傳統單一地質預測技術所存在的不足。

本文基于某富水巖溶隧道暗河段洞內勘測項目，提出了一種安全、經濟、高效和精確的富水巖溶隧道暗河段洞內數字測繪技術，為富水巖溶隧道的勘測與預報提供了新的思路。

1 工程概況

1.1 背景介紹

工程位于云南省昭通市魯甸縣，屬雙向四車道高速公路隧道。隧道左右洞長度分別為10132m 和10055m，縱面采用-1.98%的單向字坡，進洞口采用端墻式洞門，出洞口采用端墻式洞門。隧道進出口及洞身段左右線凈距為30m，按分離式隧道設計。

隧道出口為自然坡體，坡度約25°～26°，坡向約為95°，坡面存在少量的碎石土、塊石土，鉆孔揭露土層厚度為4.50～23.60m，下伏基巖為強、中風化白云質灰巖，經地質調繪，未有開裂變形跡象，現狀穩定。

1.2 施工難點

本隧道工程項目位于富水巖溶地貌（如圖1 所示），隧道下穿強-中風化泥灰巖地層，隧道開挖過程對巖層影響較大，開挖時對洞內圍巖監測要求較高。

圖1 隧道地質縱剖面（部分）

本項目地表水系發達，水系補給主要來源于大氣降水及兩側山體孔隙潛水側向補給。該地降雨季節變化明顯，在暴雨季節易形成洪流及泥石流。且本項目多碳酸巖層和溶洞地貌，加劇了降雨與地下水對巖層的影響。為保證隧道施工的安全性，需在施工前對地質進行精準勘測，以預測工程施工過程中可能出現的問題；同時，需對施工過程中巖層穩定性進行實時監測，以避免短期暴雨造成巖層穩定性降低，對工程造成不利影響。

本項目位于兩大構造帶斜接復合部位，地質構造運動活躍，地震頻發。為防止地震對隧道施工的影響，需實時監測隧道施工所在地地質情況，以及時調整隧道施工方案。

2 技術原理及方法

2.1 富水巖溶隧道地質超前預報技術

在隧道開挖爆破后，綜合采用地質素描+三維激光掃描+地質雷達+TSP203 隧道地震探測的富水巖溶隧道地質超前預報技術對隧道進行勘測，并繪制可視得的隧道三維空間分布形態。其原理如下：

首先，在隧道作業每一開挖循環后，對隧道內圍巖特性進行觀察（包括巖性、地質構造、地下水、圍巖變形破壞情況和有害氣體及危害源存在情況等[6]），并繪制地質素描圖，以實現對隧道開挖的直觀、快速分析與判斷。

其次，采用移動三維激光掃描儀，在移動三維掃描儀前進過程中，激光束發射器持續向前進方向的隧道壁發射激光，激光束的能量被物體表面吸收或反射回來，激光接收器接收反射的激光信號，進而計算激光從發射到反射的時間與距離，獲得隧道斷面數據，并計算空間坐標。最后利用計算機對各空間點進行處理分析，繪制三維圖形模型，以更直觀地反映巖溶隧道地質特征。

同時，針對隧道施工環境復雜、傳統單一的地質預報系統難以滿足精確勘測需求的工程現狀，對于遠距離地質勘測，采用TSP 超前地質預報系統對地質環境進行預報。如圖2 所示，在隧道附近進行小藥量引爆，人為產生可控的震源，地震波以球面波形式沿隧道方向傳播，受傳播介質的不同，其被吸收或反射，反射波被檢波器2 所接收，對地震波數據進行處理后最終獲得巖層信息。

圖2 反射波法隧道超前預報原理圖

對于短距離地質勘測，則利用地質雷達法（GPR）進行精準勘測[7]。通過主機控制天線向目標體發射高頻電測波，受阻擋物體磁導率、介電常數等參數的影響，電磁波傳播變化，部分電磁波發生反射并被接收裝置接收，經計算機處理后獲得溶洞地質特征信息。

最后，針對物理探測判釋成果的多解性問題，采用鉆探法對其結果進行驗證。每次驗證前，需根據TSP 與地質雷達預報結果確定打探孔布置和數量，以在實現勘測驗證精準性的前提下降低施工成本，提高施工效率。

2.2 基于TSP 物探指標的圍巖質量預測技術

為保證隧道施工安全，采用一種基于TSP 物探指標的圍巖質量預測方法對圍巖質量進行預測。

首先利用傳統的TSP 物探技術，對圍巖質量進行監測。然后采用小波降噪對物探指標進行數據降噪處理，并采用MATLAB 軟件和灰色關聯理論，對隧道圍巖質量的影響因素進行排序及圍巖質量預測，以實現圍巖物理力學性質的精準預測。

3 施工技術要點

3.1 施工流程

富水巖溶隧道暗河段洞內數字測繪施工流程如圖3所示。在地質素描前，對區域地質信息進行調研，初步掌握區域地質特征。同時，通過TSP203 超前地質預報系統與地質雷達技術對富水溶巖地質進行預測，若其預測結果滿足施工要求，則直接利用地質素描技術和三維激光掃描技術實現巖溶隧道的數字測繪。反之，則通過地質鉆探技術，對巖溶隧道預測結果進行修正，并在此基礎上，繼續利用地質素描技術和三維激光掃描技術實現巖溶隧道的數字測繪。在隧道施工過程中，為提高工程施工安全性，需通過圍巖量測、開挖工作觀察、地質超前預報和地質超前預報數據處理等方式對隧道圍巖進行監測。

圖3 數字測繪施工流程圖

3.2 地質預測

為實現富水巖溶隧道的快速、精準監測，本文提出了地質雷達近距離（20～40m）較微觀近期預報與TSP203 隧道地震探測儀遠距離（200m）較宏觀長期預報相結合的地質預測技術。

對于遠距離地質勘測，采用TSP203 隧道地震探測儀遠距離預測技術。如圖4 所示，在開挖掌子面鉆孔以布置傳感器。傳感器間距應滿足相關地質勘測規范要求。鉆孔完畢后，逐個測量孔的深度和傾斜度。在傳感器埋入前，需清除孔底虛碴，并放入傳感器桿；待傳感器桿固定后，完成傳感器安裝。

圖4 TSP203 超前地質預報布置示意圖

完成傳感器布置后，對各工作部件核對檢查，同時停止工作面800m 范圍內的機械作業和作業人員作業，一方面避免作業對地質勘測造成干擾，另一方面避免爆破對人員及機械安全產生威脅。

對于短距離地質勘測，采用地質雷達法（GPR）。如圖5（a）和5（b）所示，在隧道掌子面上布置發射器與接收器，并控制發射器向掌子面前方發射電磁波，電磁波在傳播過程中，受介質性質的不同，被不同程度的吸收或反射，其反射波被接收器接收。通過數據處理與分析，根據電磁波頻率變化規律，判斷雷達勘測范圍內巖層完整情況以及裂隙水發育情況，進而指導隧道進一步施工。

圖5 地質雷達測線布置與原理圖

地質雷達和TSP203 隧道地震探測內外業可分組同步進行，外業組進行地質隧道測試及數據預處理，內業組在室內進行成果數據進一步處理，提高測量與數據處理效率。

由于物理探測結果存在多解性，需對地質預測結果進行核查。對于重點懷疑地段，應采用多種方法探測，進行綜合判釋。為提高勘測效率、節約成本，需根據地質預測結果對超前探孔布置數量進行確定。其中，根據不良地質性質及規模，可選擇在開挖斷面布設1～5 個探孔進行探測。

3.3 巖溶隧道數字測繪

在地質雷達和TSP203 隧道地震探測結果的基礎上，利用地質素描技術和三維激光掃描對富水巖溶隧道進行測繪。

其中，地質素描應在隧道開挖作業后立即進行，若發現圍巖條件惡化，應立即采取相應處理措施。觀察后及時繪制開挖工作面地質素描圖（包括：巖性、地質構造、地下水情況、圍巖變形破壞情況和有害氣體及危害源等）。

在三維激光掃描儀工作時，掃描儀保持水平前進方向不動，在垂直方向上進行360°掃描。激光器在前進過程中不斷向發射激光，進而獲取隧道斷面數據，并根據激光傳輸的記錄時間獲取每個激光點相對掃描儀中心的空間坐標。并將處理后的三維點云數據導入激光雷達隧道測量檢測軟件，最后通過點云提取出正射影像圖，生成三維影像[8]。

3.4 圍巖監測

為提高工程施工安全性，需實時監測圍巖動態信息，以及時對隧道施工過程中的不利狀況提出解決方案。其具體措施如下：

（1）量測斷面布置：當隧道埋深小于2～3 倍隧道開挖跨度或隧道位于偏壓較大的地段時，應設點觀測地表下沉。當隧道埋深大于2～3 倍隧道開挖跨度時，可不測地表下沉。

（2）開挖工作觀察：對開挖面進行定期觀察，其頻率可根據地層情況進行調整，觀察后應描繪地質素描圖。

（3）地質超前預報：采用超前探孔、地質雷達、地質超前預報儀和三維激光掃描進行地質超前預報。

（4）地質超前預報數據處理：采用小波降噪對多個TSP 物探指標進行數據降噪優化處理，并采用MATLAB 軟件和灰色關聯理論對隧道圍巖質量的影響因素進行關聯排序及圍巖質量預測，以實現圍巖物理力學性質的精準預測。

4 結論

針對富水巖溶隧道暗河段洞內數字測繪施工勘測效率低、成本大、受勘測地點環境影響大等問題，本文基于某富水溶巖隧道工程實例，對該類工程施工技術加以研究：

（1）通過地質素描+三維激光掃描+地質雷達+TSP203 隧道地震探測的富水巖溶隧道暗河段洞內數字測繪技術，對隧道進行勘測并繪制可視的隧道三維空間分布形態，可顯著提高工程設計階段的效率和設計精確性，縮短工期。

（2）采用了地質雷達近距離（20～40m）較微觀近期預報與TSP203 隧道地震探測儀遠距離（200m）較宏觀長期預報相結合的地質預測技術，通過二者的相互補充和印證，確定是否需要打探孔和探孔位置和數量，并探測預報孤石、斷層（風化）破碎機含水量等，對勘測結果進行修正，提高勘探精度。

（3）在工程勘測過程中，地質雷達和TSP203 隧道地震探測內外業可分組同步進行，外業組進行地質隧道測試及數據預處理，內業組在室內進行成果數據進一步處理，提高測量與數據處理效率。

（4）對于圍巖的監測，提出了一種基于TSP 物探指標的圍巖質量預測方法，利用小波降噪對物探指標進行數據降噪處理；并利用MATLAB 軟件和灰色關聯理論對隧道圍巖質量的影響因素進行排序及圍巖質量預測，以實現圍巖物理力學性質的精準預測。