基于無人機和物探調繪技術的公路隧道涌水病害處治研究

摘要 早期煤礦開采形成了大量的采空區，部分采空區與斷裂帶連通后，地表水通過斷裂帶及采空區持續滲入至既有公路的隧道周邊，從既有隧道的襯砌薄弱處滲出，導致隧道襯砌滴漏甚至出現涌水病害。為深入研究采空區及斷裂帶共同影響下公路隧道滲水病害處治的關鍵技術，文章以龍巖市江山隧道滲水處治工程為背景，利用無人機進行測繪調查，結合遙感地質與地球物理勘探技術，重點研究既有隧道受采空區和斷裂帶共同作用下地表水下滲至隧道周邊的路徑調查，并根據滲水路徑調查進行多種處治方案的比選，提出了隧道涌水病害處治方案，對后續采空區及斷裂帶影響下類似隧道涌水的處治項目具有參考意義。

關鍵詞 采空區；斷裂帶；無人機；滲水路徑；方案比選

中圖分類號 U457 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0064-03

0 引言

龍巖市江山鎮早期煤礦資源豐富，煤礦開采形成了大量的采空區，受路線走廊帶的限制，既有公路隧道不可避免地會穿越煤礦采空區。采空區將多個斷裂帶連通后，地表水持續補給至隧道周邊，從隧道薄弱處滲出，導致隧道襯砌出現滴漏甚至涌水病害。因此，利用無人機測繪和地球物理勘探技術調查采空區和斷裂帶的聯系及滲水路徑的關鍵技術研究具有重大意義。

目前國內外利用無人機及物探技術調繪滲水路徑進行了諸多研究，薛建志等[1]利用三維激光掃描技術實現了采空區形態、規模、位置的精確探查；郭建等[2]利用調查、地表變形監測、地表物探、鉆探、井內物探等多種手段查明了深層采空區的分布、規模等地質特征；張馳等[3]采用無人機機載三維掃描測量系統對采空區進行了掃描測量；楊玉龍等[4]通過地質雷達等檢測手段和建立力學模型研究了采空區影響下的隧道病害處治；何光安等[5]從巖石的碎脹和壓實特性出發，得出了采空區滲流參數的分布圖；智國軍等[6]通過滲流試驗揭露了采空區多孔介質滲透率的分布規律。該文以龍巖江山隧道滲水處治工程為依托，利用無人機測繪和地球物理勘探技術調查地表水滲水路徑，通過增設排水洞等多方案比選后提出了經濟合理的處治方案，可為后期公路隧道的涌水缺陷處治提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該研究描述的隧道位于福建省龍巖市新羅區江山鎮，江山隧道是龍巖市新羅區的一座單洞雙向兩車道的公路隧道，設計里程K3+000～K4+502，長1 502 m，隧道進出口洞門為端墻式，于2007年12月建成通車。隧道主斷面按山嶺重丘二級路標準設計，采用復合式襯砌，隧道路面寬度為2 m×3.75 m，隧道凈高5.0 m，設計行車速度為40 km/h。根據施工期間資料，該隧道共穿越7條節理密集斷裂帶，共發現8個采空區，其中出現大涌水的采空區有6個。

1.2 隧道滲水情況

該研究涉及的隧道自建成至今，出現過多次不同程度的滲漏水病害。根據現場調查情況，隧道洞內滲水嚴重，主要表現如下：墻面和墻角突水，路面滲水唧泥、泛漿，施工縫滲水（局部為線性滴漏狀態），二襯表面潮濕、面滲、滲水等。

2 水文地質調繪方案要點

如上所述，該研究所述隧道位于喜馬拉雅早期構造形成的侵蝕低丘區，屬于低山地貌，地形切割強烈，坡度較大，溝谷發育，區內植被發育。隧道洞身受橫穿江山向斜的影響，地層在褶皺過程中曾產生不同程度的順層滑動，加之構造活動的強烈影響，巖體整體比較破碎。該隧道地形復雜，植被密集，且覆蓋范圍比較大，通過對隧道周邊匯水及滲水路徑的調查，發現存在以下難點：

（1）隧道周邊匯水區域多，需要調繪面積大，約2 km2，單純人工調繪時間長，覆蓋面可能不足。

（2）如前所述，該隧道周邊存在多條節理密集斷裂帶，周邊地形地貌復雜，植被密集，地表滲水點較為隱蔽，許多地方人力無法到達，調繪難度大。

（3）隧道周邊為既有煤礦礦區，目前能收集到部分國營煤礦的采空資料，經了解早年存在私采問題，但無私采煤礦資料，且礦區關閉多年，許多巷道進出口已經封填，常規測繪和勘察手段難以查找。

2.1 地形地物調繪方案

如上述調繪要點及難點需求，根據江山隧道周邊地物及地形情況，此次測繪利用大疆“御3”無人機搭載高分辨率數碼相機，對隧道周邊地形進行測繪，測繪技術要點如下：

（1）精度要求。

像控點相對于起算點的點位中誤差，應小于0.1 m；高程中誤差應小于0.1 m。

（2）區域網布點要求。

1）航線方向跨度為12條基線，旁向跨度為2條航線；區域網布點時在每個區域網內加布至少5個檢核點，檢核點和像控點距離一般應在3條基線以上，檢核點應選擇在影像清晰、目標明確的地方；該點不參與加密平差，只用于檢核；在不規則區域網布點時，應在凹凸拐角處加布平高點。

2）特殊情況的布點。

（a）航攝區域接合處的布點。在航攝區域接合處，控制點應布設在航線重疊接合處，鄰區盡量公用，如不能滿足公用要求，則應分別布點。

（b）像主點和標準點落水的布點。當像主點或標準點位處于水域內，或被云影、陰影等覆蓋，或無明顯地物時，均視為點位落水。當落水范圍的大小和位置尚不影響立體模型的連接時，可按正常航線布點，否則應按全野外布點方法進行布設。

（c）困難地區布點。在部分山地及森林茂密區域布設像控點困難，當航向出現連續12條（含）以上或旁向連續3條（含）以上基線無法在相片標準點位找到合適的目標時，可以適當放寬基線跨度要求，也可以考慮在相片非標準點位布設像控點。

2.2 水文地質勘探方案

此次勘探主要采用物探結合地質鉆孔的技術進行。（1）此次鉆孔共布設6個，分別在滲水集中區域、采空區相交區域和斷裂帶密集區域，所有鉆孔均進行抽水試驗，取芯鉆進后擴孔口徑為219 mm，泵室段直徑為168 mm，終孔口徑不小于128 mm。成井后進行地下水抽水試驗，抽水試驗應采用3次降深。（2）此次物探擬采用的方法包括高精度磁法剖面、磁法剖面測網布設、視電阻率聯合剖面、音頻大地電磁等，設置高精度磁法剖面2 km2；磁法剖面測網布設2 km2；視電阻率聯合剖面100點；音頻大地電磁50點。

3 隧道涌水處治方案

3.1 隧道涌水缺陷成因分析

地質水文調繪及勘探顯示，江山隧道科技園側最大涌水量的日出水量達64 966 m3/d；日流量連續15 d保持在45 000 m3/d以上；連續暴雨過完30 d后，近期平均也基本保持在28 000 m3/d左右，且K4+240位置附近出水量達到總出水量的3/5。如此大的涌水量，分析其原因主要如下：

（1）連續暴雨，現場無人機調繪顯示地表截排水系統不暢導致豐富的地表水通過原有煤礦采空區巷道口、斷裂構造帶及其影響帶滲入圍巖裂隙和采空區內后滲入至隧道周邊，當隧道排水系統不足以排出周邊圍巖水時將從隧道薄弱處滲出。

（2）物探及鉆孔勘察顯示，回龍煤礦采空區的最低標高為561.6 m，江山隧道路面標高為541.4～558.95 m，

煤礦采空區普遍高于隧道標高。當采空區富水時，采空區的水將通過巷道和斷裂構造帶及其影響帶流向隧道

周邊。

（3）施工資料顯示，隧道在K4+240位置周邊存在較大的采空區，且該采空區與周邊采空區通過巷道連通；K3+382～K3+391段節理密集圍巖破碎，施工期間多次塌方，大量涌水。

3.2 隧道涌水缺陷處治方案

（1）洞內處治方案。

既有江山隧道防排水設施主要為復合土工防水布、TR縱向軟式管盲溝，中央排水管和排水邊溝，隧道圍巖周邊的水主要通過排水溝和中央排水管排出隧道。現場調查發現，既有左側排水溝內有一根直徑為300 mm的自來水管占用左側排水溝的排水面積，右側排水溝兼電纜溝功能，導致電纜長時間浸泡在水中，影響電纜的使用壽命，且電纜和垃圾雜物堆積占用排水溝的排水面積。此次處治方案將配合自來水管設計及管養部門將自來水管遷改至蓋板上，以恢復左側排水溝的排水功能。針對右側邊溝的電纜采用襯砌橋架敷設，以恢復右側排水功能的同時保護電纜。

（2）增設引水隧洞方案。

根據水文地質調繪，結合施工期間隧道周邊地質情況，該研究考慮江山隧道在K4+240附近與采空區相交，且該區域出水量占整個隧道出水量的3/5，擬在隧道側邊增設內徑2.0 m的引水隧洞，引水隧洞的內徑將考慮排水需求和管內施工設備和人員的進入。引水隧洞緊鄰既有隧道且既有隧道襯砌安全儲備較小，擬采用頂管措施進行，以減小對舊洞的影響，在隧道洞外區域采用明挖方式進行施工。此次方案考慮兩個引水洞平面方案，具體方案情況如下：

1）方案一：在江山隧道江山側出口右側布設內徑為2.0 m的引水洞，引水洞的引水點位于江山隧道K4+240附近采空區，引水洞終點位置標高為552 m，該位置江山隧道的路面標高為555.9 m。引水洞出水口位于江山隧道右側河道邊緣，引水洞出口標高為551.1 m，出水口位置的河道標高為549.4 m，引水洞縱坡為0.5%。該方案在洞外采用明挖方式布設長度約100 m的排水管，利用頂管掘進技術穿越山體直至江山隧道K4+240附近的采空區域，頂管掘進長度約242 m。當頂管掘進至采空區附近時，頂管襯砌結合地質情況與采空區采用鏤空處治，并在鏤空區域布設環向引水管，將圍巖及采空區的水引至引水洞處。

2）方案二：在江山隧道江山側出口左側布設內徑為2.0 m的引水洞，引水洞的引水點位于江山隧道K4+240附近采空區，引水洞終點的位置標高為552 m，該位置江山隧道的路面標高為555.9 m。引水洞出水口位于江山隧道左側河道邊緣，引水洞出口標高為550.29 m，出水口位置的河道標高為550 m，引水洞縱坡為0.3%。該方案在洞外采用明挖方式布設長度約30 m的排水管，利用頂管掘進技術穿越山體直至江山隧道K4+240附近的采空區域，頂管掘進長度約270 m。當頂管掘進至采空區附近時，頂管襯砌結合地質情況與采空區采用鏤空處治，并在鏤空區域布設環向引水管，將圍巖及采空區的水引至引水洞處，同步可以結合采空區域布置擴挖集水井的工藝進行處治。

3）方案比選：如上所述兩個方案，方案一引水點位于采空區正下方，能夠有效地排出采空區的積水；方案二位于采空區的斜下方，需要對引水點處擴挖集水井等措施對采空區的積水進行排除；同時方案一的頂管掘進長度較方案二短，且方案一的費用較低；此外，方案一的排水口處于河道下游，整體排水縱坡較方案二大，排水較方案二順暢。綜上所述，此次設計推薦方案一。

（3）增設水平排水孔方案。

在施工期間，K3+382附近出現多次塌方并出現大涌水，且該區域現狀多處襯砌滲水，圍巖破碎節理密集。此次方案考慮在隧道左右兩側通過水平鉆孔的方式增設內徑為20 cm的引水孔。引水孔在洞口通過水平鉆孔方式施工，然后安裝打孔波紋管，波紋管周邊用土工布包裹。

（4）洞外截排水方案。

1）在江山隧道左側原有采礦區的主入口區域，經了解礦區封閉時采用碎塊石回填，后期在2023年表面回填土后進行了綠化處理。現場調查了解，暴雨后地表水進入該回填區域大部分下滲。為了減少下滲，此次處理針對該區域頂端設置頂寬1.2 m、底寬0.6 m、高0.6 m的梯形截水溝，在雨季能夠引導大部分地表水直接排至河道，減少地表水下滲至煤礦采空區域。

2）江山隧道右側調查顯示，一處沖溝處存在一處采礦區的巷道口，該巷道口的出口為一道涵洞，目前已經被礦渣堵塞。涵洞出口沖溝也被礦渣堵塞嚴重。現場調查了解，連續暴雨地表水經上游沖溝流到堵塞涵洞后倒灌礦區巷道，地表水通過該巷道進入采空區。為了減少地表水通過該巷道進入煤礦采空區，此次處理針對該沖溝進行疏浚，清理堆積礦渣，然后對沖溝進行鋪砌處理，使得地表水能夠通過該沖溝及時排洪至河道，減少地表水倒灌進巷道。

3）在江山隧道距科技園洞口側約200 m處原有采礦區的棄渣區域，該區域原狀為山體沖溝，主要為排出地表水，現場調查了解現狀已經被礦渣完全堆積堵塞，暴雨后地表水無法及時排出。為了順利排出地表水，此次處理針對該區域頂端設置頂寬1.2 m、底寬0.6 m、高0.6 m的梯形截水溝，在雨季能夠引導大部分地表水直接排至下方沖溝，減少地表水下滲至隧道周邊圍巖。

4 結語

該研究所依托的工程案例通過無人機調繪發現地表滲水路徑，利用物探及鉆孔地質調繪技術核查采空區的分布及標高，有效地描繪出隧道周邊地表水的下滲路徑，通過地表截排、洞側增設引水隧洞和水平排水孔的處治措施，解決了江山隧道的涌水缺陷。該文研究采用的處治方案解決了困擾江山隧道多年的涌水問題，以期為類似工程提供參考，故提出以下建議：

（1）無人機調繪前應盡可能詳盡地搜集隧道周邊的地質水文和采空區資料，可以進行針對性的調查和航拍。

（2）物探及鉆孔布置應充分考慮施工期間斷裂帶和采空區的分布。

（3）物探及鉆孔布置應考慮水量及水流路徑的影響，同時考慮區域降雨等影響因素，為后續排水隧洞內徑的設計提供依據。

參考文獻

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