彭 程

(中鐵十一局集團(tuán)公司 勘察設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430074)

1 引 言

隨著國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的重視，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)探測(cè)技術(shù)在工程設(shè)計(jì)施工中受到了越來(lái)越多的關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外主要的隧道巖溶水災(zāi)害預(yù)報(bào)方法有物探化探法、地質(zhì)法及鉆探法等[1-4]。而針對(duì)巖溶水的地球物理探測(cè)，主要采用高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、瞬變電磁法及三維高分辨地震法等方法技術(shù)，這些方法技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的探測(cè)效果[5]。喬鋒[6]利用地質(zhì)雷達(dá)手段對(duì)某高速公路隧道的巖溶位置及腔內(nèi)填充物進(jìn)行探測(cè)；李文文等[7]采用地震波CT、孔內(nèi)雷達(dá)等方法探明了巖溶空間的分布和規(guī)模；馬錦國(guó)[8]、李良泉[9]應(yīng)用綜合物探法全面系統(tǒng)地探明了鐵路基底巖溶；朱自強(qiáng)[10]、呂明等[11]采用大地電磁、高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、地震波法等綜合物探方法對(duì)隧道巖溶發(fā)育情況進(jìn)行勘察；晏軍[12]論述了巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的理論依據(jù)和方法選擇，并以九衢鐵路何家隧道為例驗(yàn)證了方法的適用性和準(zhǔn)確度。秦浩靖[13]綜合運(yùn)用TGP、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法等方法成功預(yù)報(bào)了平陽(yáng)隧道中的含水地質(zhì)體。

早期對(duì)宜城至?？刀胃咚俟分械母呒移核淼赖膸r溶地下水系統(tǒng)的調(diào)查表明，該隧道的多個(gè)里程段與巖溶地下暗河或管道系統(tǒng)相交，存在突涌水風(fēng)險(xiǎn)，需在超前探測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行防排水預(yù)案。因此本文以該隧道的Zk45+705～Zk45+845里程段為研究對(duì)象，采用超前地質(zhì)雷達(dá)和TGP地震波超前預(yù)報(bào)相結(jié)合的綜合物探法，探明了巖溶管道發(fā)育情況，為防排水預(yù)案提供了指導(dǎo)。

2 工區(qū)地質(zhì)

麻城至竹溪高速公路是湖北省“七縱五橫三環(huán)”主骨架公路網(wǎng)規(guī)劃中的第一橫，是橫貫湖北省中北部的一條東西向省際通道，其中宜城至保康段起于襄陽(yáng)市宜城市小河鎮(zhèn)，對(duì)接麻竹高速公路襄陽(yáng)東段。宜城至?？刀胃咚俟肺挥谛氯A夏系第三隆起帶與淮陽(yáng)山字型西翼反射弧東段的復(fù)合部位，廣泛出露二疊系—三疊系碳酸鹽巖地層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖溶極為發(fā)育，除了普遍發(fā)育的溶溝、溶槽、石牙、落水洞、巖溶洼地等地表巖溶形態(tài)外，還有少量的溶丘、峰叢及溶蝕溝谷等，地下巖溶形態(tài)則有地下暗河、巖溶洞穴及地下巖溶管道等。宜保高速高家坪隧道設(shè)計(jì)為分離式隧道，左線進(jìn)出口里程樁號(hào)為Zk44+636～Zk47+941，中心樁號(hào)為Zk46+293，全長(zhǎng)3 305 m；右線進(jìn)出口里程樁號(hào)為k44+634～k47+949，中心樁號(hào)為k46+294，全長(zhǎng)3 315 m，該隧道屬特長(zhǎng)隧道。工區(qū)復(fù)雜的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和巖溶發(fā)育條件，對(duì)高家坪特長(zhǎng)隧道的勘察、設(shè)計(jì)和施工等各方面都具有嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

3 綜合物探方法

3.1 超前地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)是采用電磁法進(jìn)行探測(cè)的技術(shù)，其原理為發(fā)射出的具有一定中心頻率的電磁脈沖波在巖石介質(zhì)中進(jìn)行傳播時(shí)，由于巖石介質(zhì)的電磁性差異導(dǎo)致分界面處發(fā)生反射及透射，反射回的電磁波信號(hào)由接收天線進(jìn)行接收[14]。在對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后即可得到地質(zhì)雷達(dá)剖面，通過(guò)與地質(zhì)資料相結(jié)合進(jìn)行異常特征解釋，從而推斷出巖石介質(zhì)的巖體結(jié)構(gòu)特征或含水信息等[15,16]。

采用瑞典MALA GEOSCIENCE公司生產(chǎn)的ROMAC/GPR地質(zhì)雷達(dá)對(duì)研究工區(qū)進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，配中心頻率為250 MHz的屏蔽天線。采用點(diǎn)測(cè)方式進(jìn)行采樣，點(diǎn)距為0.5 m；記錄時(shí)窗w=400 ns，32次疊加，采樣率為1024點(diǎn)/道。數(shù)據(jù)處理方法主要有背景去除、偏移、增益、濾波、變換、反褶積、道間均衡、子波相干加強(qiáng)等。

3.2 TGP 地震波超前預(yù)報(bào)

圖2 高家坪隧道Zk45+725～Zk45+755 掌子面中部地質(zhì)雷達(dá)波形Fig.2 Geological radar results of Gaojiaping tunnel face at Zk45+725～Zk45+755

TGP地震波超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道中的應(yīng)用主要利用的是地震波反射和繞射原理，目的是對(duì)隧道掌子面前方的地質(zhì)體進(jìn)行探測(cè)[17]。地震波在巖石介質(zhì)的傳播過(guò)程中，當(dāng)聲阻抗界面相對(duì)較大時(shí),產(chǎn)生反射波;當(dāng)聲阻抗界面較小時(shí),產(chǎn)生繞射波，這兩種波統(tǒng)稱為地震回波[18]。利用地震儀器采集到隧道圍巖界面的地震回波，通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，在結(jié)合前期地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，對(duì)界面位置、空間分布等進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[19,20]。

采用地震波法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，在距離掌子面5～10 m處,以1.2 m高度和1.5 m的間距將24個(gè)激發(fā)孔連續(xù)布置在構(gòu)造界面與隧道夾角小的一側(cè)洞壁，在隧道左右洞壁約20 m處各布置一個(gè)接收孔。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 地質(zhì)雷達(dá)法的應(yīng)用分析

研究工區(qū)Zk45+705～Zk45+845隧道段位于宜保高速公路高家坪隧道左線，根據(jù)前期巖溶水文地質(zhì)調(diào)查結(jié)果分析，該隧道段平面上可能與巖溶管道相交，存在巖溶突水突泥的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)Zk45+705～Zk45+755段隧道施工掌子面采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前探測(cè)，地質(zhì)雷達(dá)波形圖如圖1和圖2所示。從圖1高家坪隧道進(jìn)口左幅Zk45+705～Zk45+725 地質(zhì)雷達(dá)波形圖可以看出，該隧道段范圍內(nèi)反射波呈中低—中頻較弱反射，同相軸連續(xù)性較好，反射能量不均勻；從圖2高家坪隧道Zk45+725～Zk45+755 掌子面中部地質(zhì)雷達(dá)波形圖可以看出，該段隧道范圍內(nèi)右側(cè)反射波呈中高頻強(qiáng)反射，同相軸連續(xù)性較好，反射能量不均勻，左側(cè)反射波呈中—中高頻強(qiáng)反射，同相軸連續(xù)性較好，反射能量不均勻。

圖1 高家坪隧道進(jìn)口左幅Zk45+705～Zk45+725 地質(zhì)雷達(dá)波形Fig.1 Geological radar results of Gaojiaping tunnel left tube at Zk45+705～Zk45+725

地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果表明：Zk45+705前方20～30 m范圍內(nèi)(Zk45+725～Zk45+735)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，且可能發(fā)育有溶洞。據(jù)此建議采用超前水平鉆探或加長(zhǎng)炮孔等鉆探手段加強(qiáng)掌子面前方巖溶發(fā)育情況的探測(cè)，后期施工揭示了Zk45+725處發(fā)育一沿走向的大型溶洞(圖3)?？紤]到Zk45+725溶洞為干溶洞，且有鐘乳石發(fā)育，分析認(rèn)為其為早期巖溶管道，推測(cè)隧道底板下方還發(fā)育有充水巖溶管道。

圖3 高家坪隧道進(jìn)口左洞Zk45+725掌子面照片F(xiàn)ig.3 The face pictures of left tube of Gaojiaping tunnel at Zk45+725

4.2 TGP地震波超前預(yù)報(bào)應(yīng)用分析

為了進(jìn)一步探測(cè)隧道底板巖溶發(fā)育情況，采用TGP地震波法對(duì)Zk45+725～Zk45+845段進(jìn)行預(yù)報(bào)，TGP地震波法探測(cè)成果如圖4～圖6所示。圖4為縱、橫波繞射偏移成果圖，其表征隧道掌子面前方巖體中構(gòu)造面的存在、規(guī)模和性質(zhì)。圖中橫坐標(biāo)表示隧道里程，縱坐標(biāo)表示隧道掌子面前方巖體的厚度,單位均為m；右下角色標(biāo)表示反射波的極性，“0”處綠色為中點(diǎn)，0以上為正極性，表示巖體較好，0以下為負(fù)極性，表示巖體較差。從圖4中左側(cè)的縱波繞射偏移圖可看出，Zk45+725～Zk45+760段存在連續(xù)強(qiáng)反射，推斷圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎完整性較差。

圖5 反射界面俯視、側(cè)視圖Fig.5 Top view and bottom view of reflective surface注：藍(lán)色代表縱波；紅色代表橫波

圖6 比速度及反射符號(hào)分布Fig.6 Ratio velocity curve and the distribution of reflected signals注：圖(a)中藍(lán)色代表縱波速度，紅色代表橫波速度；圖(b)中藍(lán)色表示縱波速度界面分布情況，紅色表示橫波速度界面分布情況,紫色為藍(lán)色與紅色的疊加

圖5為反射界面俯視圖和側(cè)視圖，其中反射界面俯視圖反映了構(gòu)造走向，反射界面?zhèn)纫晥D反映了構(gòu)造傾向；圖6的比速度及反射符號(hào)分布圖則反映了縱波、橫波的波速變化及反射極性；反射符號(hào)分布圖中X坐標(biāo)軸上方線段表示正反射，表示反射構(gòu)造面巖體相對(duì)較好，X坐標(biāo)軸下方的線段為負(fù)反射，表示反射構(gòu)造面巖體相對(duì)較差。

根據(jù)TGP地震波法預(yù)報(bào)結(jié)果(圖4～圖6)以及現(xiàn)場(chǎng)巖溶發(fā)育情況分析可見,高家坪隧道進(jìn)口端左洞Zk45+725～Zk45+845 段可能巖溶發(fā)育主要集中在Zk45+725～Zk45+760 段，可分為以下2段：1)Zk45+725～Zk45+744段，該段溶洞主要分布于掌子面右側(cè)，沿洞軸線方向長(zhǎng)約為12 m，高約為8 m，水平方向以隧道右側(cè)洞壁為分界面,平行于掌子面方向延伸4 m 左右，右側(cè)延伸較長(zhǎng)；該段巖溶發(fā)育范圍隨著長(zhǎng)度、高度的增加逐漸減小，逐漸變?yōu)槿芪g裂隙。2)Zk45+744～Zk45+760段，該段巖溶延伸方向主要為垂直于洞軸線方向，長(zhǎng)度約為8 m，寬度與高度均較小，多在1 m 以下，且該段溶蝕裂隙較發(fā)育。

后期施工現(xiàn)場(chǎng)揭示多處巖溶現(xiàn)象，在Zk45+753的位置出現(xiàn)向下方連通的溶槽、落水洞，在Zk45+770的底板位置出現(xiàn)深約8 m的溶洞，并水平向前延伸約14 m，溶洞內(nèi)有3個(gè)落水洞，2個(gè)連接溶洞上方，1個(gè)向下延伸。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用地質(zhì)雷達(dá)和TGP地震波法相結(jié)合的綜合物探法對(duì)研究工區(qū)進(jìn)行了探測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果首先揭露了Zk45+725～Zk45+735里程段巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，可能含有溶洞，并推測(cè)該里程段隧道底板下方還發(fā)育有充水巖溶管道；為進(jìn)一步探測(cè)隧道底板巖溶發(fā)育情況，隨后采用TGP地震波法進(jìn)行探測(cè)，對(duì)Zk45+725～Zk45+744段和Zk45+744～Zkk45+760段分別進(jìn)行了巖溶發(fā)育情況分析，后期施工過(guò)程中也揭示了Zk45+753的位置出現(xiàn)向下方連通的溶槽、落水洞，Zk45+770的底板位置出現(xiàn)溶洞。結(jié)果表明，對(duì)研究工區(qū)復(fù)雜巖溶發(fā)育情況進(jìn)行探測(cè)時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)和TGP地震波法相結(jié)合的綜合物探法比單一方法，更具有有效性和準(zhǔn)確性。

根據(jù)對(duì)研究工區(qū)巖溶情況的探測(cè)分析可得出，工區(qū)巖溶發(fā)育程度較高，涌水量較大，可能有一定的水壓力，故可采取引排施工的處理方案，即在隧道底板設(shè)置排水涵道，連通溶洞兩側(cè)的涌水點(diǎn)和消水點(diǎn)，隧道段采取全封閉抗水壓襯砌。