隧道基底岩溶地质雷达探测与处理措施研究

朱洪鹏，王 澍

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430050）

我国西南地区岩溶地质分布广泛，公路隧道的修建不可避免会穿越岩溶地质，严重影响了隧道施工的安全和质量。当前在岩溶区的隧道修建中，岩溶探测使用较多的方法有地质雷达法、CT层析成像法及高密度电法等[1-3]。其中地质雷达法因其能速度快、成本低、大面积探测[4]，得到广泛运用。以往相关研究多集中在地质雷达在隧道开挖超前地质预报中的运用[5-7]，关于地质雷达在对隧道基底岩溶的探测以及一系列相关处理措施相对较少，且多缺乏钻孔、开挖进行验证。本文依托余庆至安龙高速公路某隧道工程，采用地质雷达对隧道基底岩溶地层进行了探测，并结合岩溶形状、大小及现场施工情况提出了的治理措施，以期为类似工程提供借鉴作用。

1 工程概况

余庆至安龙高速公路某隧道位于贵州省黔南州罗甸上翁井抹跃组境内，隧道左线起讫桩号ZK64+905～ZK69+366，长 4461m，隧道最大埋深约428 m；隧道左线掌子面开挖至 ZK66+080，无仰拱整平层施工至ZK65+970时，隧道基底揭示有溶洞。为探明溶洞发育情况，消除悬空出坍塌风险，采用地质雷达对影响区域内隧道基底进行探测，并对隧道基底溶洞进行了治理。

根据钻探揭露，洞内揭露地层为二叠系上统（P2）灰岩，节理裂隙发育，岩层产状约 52°∠18°～47°∠20°，未见明显构造发育。隧址区地表水系不发育，主要为大气降水形成的暂时性地表面流及局部冲沟的季节性水流。根据隧道岩溶专题报告，K65+400～K68+500段处于岩溶地下水包气带，属于季节性过境临时涌水地段，地表发育有洼地，雨季积水，可入渗地下，产生涌水。现场钻孔时发现，里程桩号ZK65+930.00左0.38m处，在降雨时发现有临时小涌水现象，但钻孔未揭露到地下水。

2 隧道基底溶洞探测

2.1 检测设备原理

本工程地质雷达预报选用中国科学院电子研究所研制的CAS-S100型中浅层地质雷达，该地质雷达采用了一体化设计，并采用WiFi无线方式进行数据传输。地质雷达通过天线向外界发射一定频率脉冲波，其遇到岩石介质中的电磁性分界面即发生反射和投射；反射的电磁波被接收天线接收，通过对反射波的幅度、相位及传播时间等信息进行分析，达到对探测物识别的目的[8]。

电磁波在特定介质中的传播速度不变，假设电磁波传播时间为△T，即可据下式算出异常介质的埋藏深度H。

2.2 参数设置

根据现场情况，在隧道底板上左、右线车道各取一道检测线。地质雷达具体参数设置如下：

1）雷达天线频率取100MHz。

2）因隧道底板相对平整，测量模式选取Time测量模式。

3）雷达图像中的扫描曲线由多条单独数据点组成，采样数据越多，分辨率越高，文件尺寸越大。本次扫描因探测岩层较厚，需提高检测精度，采样数据取1024。

4）扫描速度越大，伴随着采集数据也越快，但精度会降低，为提高探测精度，本次扫描速度取16m/s。

2.3 雷达图像分析

地质雷达主要是通过对反射波的波形和强度分析，从而推断地下介质的分布。在探地雷达图像剖面上，完整基岩的反射波的同相轴呈水平状条纹分布，振幅与相位稳定，溶洞处反射信号呈双曲线，振幅相对较大，相位不稳定。从反射强度上来分析，电磁波反射能量与两个介质的介电常数大小相关，当介电常数相同对应的反射系数为0，仅为投射，不同介质时对应强反射，介质两侧的电性差异较大，雷达反射图像表现得更清晰。

选取 ZK65+930～ZK65+960右线、ZK65+970～ZK66+020左、右线车道雷达线测数据图像进行分析，分别如图1～3所示。

图1 ZK65+930～ZK65+960右线车道底部雷达波形图

由图1可知，在ZK65+935隧道底部28m处斜向延伸至ZK65+960底部4m处，表现出地层不连续性，反射波组的波形、波幅没规律，推测该范围内为溶洞。

图2 ZK65+970～ZK66+020左线车道底部雷达波形图

由图2可知，反射界面分界点在ZK65+970隧道底部3m处斜向延伸至ZK66+020底部10m处，上下两侧电性差异较大，底部波形呈强反射，推测该范围内为溶洞。

图3 ZK65+970～ZK66+000右线车道底部雷达波形图

由图3可知，反射界面分界点在ZK65+970隧道底部3m处斜向延伸至ZK66+000底部12m处继续发展 （ZK66+000～ZK65+020范围内停放有设备，无法进行探测），上下两侧电性差异较大，底部波形呈强反射，推测该范围内为溶洞。

2.4 探测结果验证

未验证本工程地质雷达探测效果，对隧道道床揭露的溶洞壁倒悬的围岩体爆破、下挖，揭露出隧道基底岩溶。结合目测、地质素描等手段对溶洞大小进行了描述，得出溶洞实际大小与地质雷达扫描结果基本一致。可知通过选用合理的雷达参数、布置测线、选用较低的扫描速度等手段可有效提高地质雷达在隧道基底溶洞中探测的精度。现场开挖揭示的溶洞如图4所示。

图4 现场开挖揭示的溶洞

3 隧道基底溶洞处理方案

3.1 处理方案的确定

隧道基底溶洞的处理方案主要集中在换填封堵、喷锚、浆砌回填、注浆加固、桩基处理、复合地基、筑梁或拱结构跨越几个方面。同时，需从以下几个方面考虑选择合理的方案：充分考虑现场机械设备使用状况与人员的技能水平，尽量机械化施工，提高施工效率；因地制宜，结合溶洞的大小与形状选择合适的施工方案；在保证施工安全与质量的基础上适当考虑经济性。本工程具体方案如下：

1）对结构稳定性差的ZK65+945～ZK65+948段采用控制爆破揭露出隧道结构范围内洞口。

2）由ZK65+945向溶洞小里程侧回填部分洞渣与已经存在的溶洞内堆积物连通，形成可以使施工车辆进入的施工工作面，回填范围为ZK65+945～ZK65+955段，回填纵坡满足车辆进出溶洞即可。

3）ZK65+945～ZK65+960 段作为工作面，清危后对隧道范围外10m及ZK65+970大里程方向的溶洞顶（倒悬）进行喷锚防护，喷射10cm厚C20混凝土（喷射混凝土应按施工要求初喷、复喷，初喷尽量覆盖可以施工到的范围），挂φ6.5钢筋网25×25cm（拱部），L＝3mΦ20药卷锚杆。锚杆纵横向间距均为100cm，施工过程中应注意锚固角度与岩层面垂直增强悬吊作用，减少对岩体的切割剥离，起到悬吊作用，增强顶部及周边岩体的整体性。建议采用机械化程度高的喷射混凝土机械手及凿岩台车置于较安全的已揭露溶洞范围内施工，确保安全。

4）加强对喷锚段溶洞壁的裂缝观察，发现有开裂情况及时补强，溶洞内有人员机械施工时必须暂停平塘端左右洞爆破施工。

隧道基底溶洞处理纵断面示意图如图5所示，ZK65+950、ZK65+980处横断面示意图如图6、7所示。

图5 隧道基底溶洞处理纵断面示意图

图6 ZK65+950处横断面示意图

图7 ZK65+980处横断面示意图

3.2 处理效果

对隧道基底溶洞处理后的隧道进行了加密监测，监测结果显示，拱顶沉降及周边收敛均较小，隧道底板无明显沉降，本工程针对隧道基底溶洞的处理措施效果明显。

4 结论

1）采用地质雷达对隧道基底溶洞进行探测时，选用合适的地质雷达参数、测线、较低的扫描速度以及提高采样数对提高雷达探测精度至关重要；后期钻孔与隧道基底围岩爆破下挖证明，本文中地质雷达相关参数合理，能有效对隧道基底岩溶大小与形状进行探测。

2）采用地质雷达进行隧道基底岩溶进行探测，极易因施工现场机械、材料以及不平整的地面而中断探测，为较准确探测出岩溶的规模、性质，需配合其他探测方法进行验证。

3）本工程对隧道基底溶洞处理措施施工效率高，效果明显，可为其他相关工程提供借鉴。