高速铁路隧道基底岩溶探测及处理

景积仓

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，陕西西安 710043)

在可溶岩地区修建高速铁路隧道工程，若隧道基底存在隐蔽溶洞，会给铁路运营造成较大的安全风险。由于岩溶分布存在较大的不确定性和多变性，在地质勘察阶段，一般很难全面查明岩溶的发育程度和富水程度。因此，在施工阶段对基底隐蔽岩溶的探测和处理就显得尤为重要。已有许多学者进行了相关研究：朱紫祥等采用高密度电法对溶洞进行了勘查[1-3]；李大虎等采用探地雷达对墩下隐伏岩溶进行了探测[4]；李良泉等采用综合物探查明了某铁路隧道基底岩溶的分布情况[5]。也有部分学者对基底岩溶处理方法进行了研究：王唤龙等基于云桂铁路某隧道工程实例，采用桩加筏板基础处理高速铁路基底岩溶[6-7]；梁军等介绍了采用树根桩对隧道基底溶洞软基进行处治的设计方案、施工工艺和应用效果[8]；杨凡等介绍了在隧底架设底板支撑跨越溶洞的处理方案[9]；赵全超等采用暗沟、管道、涵洞、泄水洞、拱桥等方式处理隧道基底岩溶水[10]。

采用物探方法进行隧道基底岩溶探测时，由于物探的多解性，若不采用钻探进行验证，将无法确定隧道基底隐蔽岩溶的规模、位置和岩溶水情况。可采用物探和钻探相结合的综合勘察手段，对隧道基底以下一定深度的隐蔽溶洞进行探测，再依据综合探测结果，以确定隧道基底隐蔽岩溶的处理方案。

1 常用岩溶探测方法介绍

受隧道内空间限制，铁路隧道基底岩溶探测可采用的物探方法主要有：地质雷达法、地震映像法、高密度电法等；对物探异常地段，可用钻探进行验证。

1.1 地质雷达法

地质雷达法是一种向介质中发射特定频率电磁波，根据反射波的形态、振幅、相位等判断介质内差异的方法。该方法对于低阻类异常较为敏感。因此，地质雷达法可较好地完成溶洞、破碎带等异常带的探测工作。

优点：分辨率高、工作效率高、无损，配合100 MHz天线时，探测深度可达15～25 m。

缺点：当覆盖层较厚或覆盖层为低阻时效果欠佳，且有效探测深度会明显降低；仰拱有配筋时，钢筋对探测结果的准确性有一定影响。

解决方案：对于隧道基底围岩风化程度较高、基底围岩含有低阻层或仰拱有配筋时，可采用地震映像法或高密度电法进行复核；当作业现场存在电磁干扰时，应暂停产生电磁干扰的作业。

1.2 地震映像法(震法)

地震映像法又称高密度地震勘探和地震多波勘探，是基于反射波偏移距技术发展起来的一种常用浅地层勘探方法。可利用的信息包括：折射波、反射波、绕射波，以及有一定规律的面波、横波和转换波。地震映像法主要适用于洞穴、岩石中的溶洞、岩溶塌陷、基岩面起伏、断层等的探测。

优点：采集数据中包含波动学与动力学信息；探测深度较大。

缺点：工作效率低，抗干扰能力较弱，最优偏移距的确定较为困难。

解决方案：可采用多次叠加方法提高分辨率；正式探测前，先进行干扰波调查，再确定最优偏移距；与地质雷达法联合使用，可较准确地探明隧道基底下25～30 m深度范围内的岩溶发育情况。

1.3 高密度电法

高密度电法对地下不均匀体具有很强的识别能力，特别是溶洞类的地下异常体。

优点：对溶洞的大小、埋深等探测精度较高。

缺点：隧道基底为弱风化基岩时，现场施作困难；受空间限制，垂直隧道方向布线困难；隧道内探测深度较浅。

解决方案：与地质雷达法、震法联合使用。

1.4 钻探法

对综合物探方法探测的异常地段，可通过钻探确定隧道基底岩溶发育、溶洞充填及岩溶充水情况。

2 隧道基底岩溶连通性探测

隧道基底溶洞连通性探测是岩溶探测的难点，其结果对基底岩溶处理方案的选择影响较大。岩溶连通性试验一般采用在水中添加示踪元素的方式进行(应首先查明溶洞水的进出口)；若有用于探测的钻孔可利用，则可以在钻至溶洞后向孔内压烟，并在隧道地表寻找出烟口；该方法是一种逆作法，解决了寻找岩溶进出口困难的问题。

3 隧道基底岩溶探测方案

3.1 探测方案选择

一般采用地质雷达进行隧道岩溶贯通探测，采用震法进行复核探测。当隧道基底地层为风化基岩时，也可采用高密度电法进行复核探测，复核量应不小于地质雷达探测量的40%，以保证探测的可靠性。

3.2 测线布置

正线隧道中，探测测线沿线路方向按照3条(轨道中线和两侧)进行布置。为减少边墙钢架对探测精度的影响，两侧测线应距离钢架2 m以上(见图1、图2)。

图1 隧道测线布置正视(单位：m)

图2 隧道测线布置侧视(单位：m)

3.3 探测精度

根据线路所在地区岩溶发育程度确定，分两步开展工作。

初探：对可溶岩地段隧道基底进行全面探测，初步确定隧道基底岩溶发育程度。

详探：在初探的基础上，对隧道基底岩溶发育程度进行详细探测。在岩溶发育地段或者异常体范围较大的地段，应加密探测线，以提高探测精度，并采用震法等手段进行复核，必要时可布置横测线(见图3)。

图3 隧道横断面测线布置侧视(单位：m)

3.4 探测重点

一般为隧道基底一定深度范围内的隐蔽岩溶裂隙、溶洞等。岩溶发育一般地段，可探测至基底以下25～30 m；岩溶发育地段或岩溶规模较大时，探测深度应适当加深(>30 m)。

3.5 钻探验证

采用断面控制法能较好地探测到基底岩溶的空间分布形态，避免单一物探方法对基底隐蔽岩溶形态的误判或遗漏。可采用震法对地质雷达探测结果进行复核探测，既是对地质雷达探测异常地段的复查，也能起到对地质雷达可能遗漏的异常地段的补充探测，起到“查缺补漏”的作用。

4 高速铁路隧道基底隐蔽岩溶处理原则

岩溶处理方案与溶洞大小、岩溶水大小、基底隐蔽岩溶的位置等密切相关，一般应遵循以下处理原则。

(1)对于孤立的溶洞，一般可以采取基底注浆的方法进行处理。

(2)对于大型溶洞或者连通性较好且为岩溶水流通路径的小型溶洞，可采用基底注浆的方式进行处理；当溶洞内岩溶水发育、基底溶洞为岩溶水通道时，应通过施作泄水洞进行处理。

(3)隧道基底岩溶发育地段，应加强隧道的结构措施。

(4)采用注浆方式处理隧道基底隐蔽溶洞时，应对隧道基底进行复测；若复测存在异常，应进行基底二次注浆并再次复测。

5 应用实例

以西成客专房家湾隧道出口段基底岩溶处理为例。隧道出口DgK288+275～DgK289+708(长433 m)段为砂质白云岩，施工揭示，该段砂质白云岩中岩溶发育，并伴有岩溶水；该段在雨季曾发生过较大涌水，出现淹井现象，施工过程中已进行了相应的工程处理。

5.1 基底岩溶探测

地质雷达和震法探测发现(见图4)，DgK288+961～ DgK288+929右侧仰拱以下8～12 m深度范围内存在异常(宽3 m)；DgK289+428～ DgK289+418左侧仰拱以下7～12 m深度范围内存在异常(宽2 m)；DgK289+568～DgK289+540右侧仰拱以下10～15 m深度范围内存在异常(宽2 m)；DgK289+672～ DgK289+644右侧仰拱以下7～12 m深度范围内存在异常(宽2 m)。

图4 DgK289+568～DgK289+540段物探结果(单位：m)

为进一步查明房家湾隧道出口基底异常地段岩溶发育情况，对物探异常地段采用钻探进行了验证。

(1)DgK288+961～DgK288+929段

钻孔布置见图5。根据钻探结果，该段隧道基底以下岩体节理发育程度和发育深度不均匀。其中，FZ-2基底下13 m以上，FZ-4基底下12 m以上，FZ-4-1基底下15.2～20.7 m， FZ-5基底下14 m以上为节理发育-极发育，节理张开且被黏性土充填，局部可见小溶孔。其余地段节理相对较发育。综合分析认为，物探异常段落主要为节理发育地段，隧道基底以下30 m范围内未见溶洞。

图5 DgK288+961～+929段钻孔布置

(2)DgK289+428～DgK289+418段

钻孔布置见图6。根据钻探结果，该段隧道基底以下30 m深度范围内未发现溶洞。FZ-6钻孔处仰拱填充面以下4.4～6.0 m范围内为深灰色页岩，岩芯呈碎块状、碎片状；13～14.1 m范围内节理相对较发育；FZ-7钻孔处仰拱填充面以下1.9～3 m、4.5～6 m、7.5～8.1 m、24～24.5 m范围内岩体节理相对较发育。综合分析认为，物探异常段落主要为节理发育地段。

图6 DgK289+428～DgK289+418段钻孔布置

(3)DgK289+568～DgK289+540段

钻孔布置见图7。根据钻探结果，该段发育两层带状岩溶，分别位于隧道基底以下8～17 m及14～25 m范围内，宽6～7 m，岩溶带与隧道走向夹角约26°；溶洞为无充填-全充填，填充物为角砾及黏性土；溶洞内发育地下水；隧道基底至溶洞顶的岩体顶板厚8～14 m不等，顶板岩体局部发育节理。为探测溶洞的连通性，采用空压机向钻孔内压送烟雾，并在地表寻找出烟位置。根据试验结果， 隧道内DgK289+561处钻孔出风位置与地表DgK289+508左侧459.6 m处的空隙有连通。结合钻探资料分析，该段为一条宽6～7 m的裂隙性岩溶，且与地表连通性良好(见图8)。

图7 DgK289+568～DgK289+540段钻孔布置

图8 DgK289+561处基底溶洞与地表连通性示意

(4)DgK289+672～DgK289+644段

钻孔布置见图9，根据钻探结果，该段隧道基底以下13～19 m范围内发育一带状岩溶，岩溶带与隧道走向夹角约20°；溶洞为半充填-全充填，填充物为杂砂及黏性土；隧道基底至溶洞顶的岩体顶板厚9～13 m，顶板岩体局部发育节理。采用空压机向孔内压烟的方式进行连通性试验，经过24 h压烟试验，地表未发现出烟点，但该段在钻探过程中，孔内有轻微出风现象。分析认为，该岩溶带与地表连通性一般。

图9 DgK289+672～DgK289+644段钻孔布置

5.2 基底岩溶处理方案

(1)DgK288+961～DgK288+929、DgK289+428～DgK289+418段

隧道基底岩溶不发育，采用基底注浆即可达到隧道基底安全稳定、运营安全的要求。故在这两段采用了R51P微型桩注浆加固方案。

(2)DgK289+672～DgK289+644段

该段距离隧道洞口仅36 m，且洞口为第四系覆盖层，施工所揭示土石分界线位于DgK289+680附近，地下水不易汇集。该段隧道基底岩溶水不发育且排泄通道畅通，对该段隧道基底注浆不会造成基底岩溶水头升高，且能达到隧道基底安全稳定、运营安全的要求。故在该段设置φ200 mm钢管桩，并通过钢管桩注浆加固基底，加固深度为20 m，并嵌入基岩深度不小于1 m。

(3)DgK289+568～DgK289+540段

隧道基底为带状溶洞，且与地表连通性较好。由以上各段钻探资料及岩溶水发育情况可知，该段地下水水位高程为862～864 m，基底岩溶水发育，且隧道底岩溶位于岩溶通道内岩溶水的流通路径位置。因此，采用基底注浆加固会堵塞岩溶水通道，导致隧道周围水头升高，隧道二衬将承受水压。为确保工程长期运营安全，在线路左侧设置一处泄水洞，以避免隧道衬砌承受水压，如图10所示。

图10 泄水洞平面位置

(4)DgK289+672～DgK289+644段

采用了钢管桩注浆方案。为验证加固效果，采用地质雷达和震法进行复核，复核探测结果显示，注浆后基底以下未见异常。

6 结论

(1)高速铁路对变形要求和安全要求都较高，隧道基底隐蔽岩溶探测和处理是隧道工程安全的最后一道屏障，对隧道运营安全至关重要。对位于可溶岩地区的高速铁路隧道，在隧道施工开挖后，必须对隧道基底隐蔽岩溶进行探测。

(2)对于铁路隧道工程基底隐蔽岩溶探测，应综合采用地质雷达、震法、高密度电法等综合物探手段，各种方法相互补充、相互验证，初步确定隧道基底隐蔽岩溶的分布范围、埋深及溶洞大小。对物探探测的异常地段，应采用钻探进行验证。对钻探揭示的溶洞，应进行溶洞连通性试验，确定隧道基底隐蔽溶洞的走向、隧道基底隐蔽溶洞与地表降雨入渗区的关系。

(3)应依据隧道基底隐蔽岩溶的空间分布形态、岩溶水的大小、隧道基底隐蔽岩溶与地表的连通关系以及基底岩溶在岩溶通道中的位置等因素确定隧道基底隐蔽岩溶处理方案。当溶洞内岩溶水发育、基底溶洞为岩溶水流通通道时，应通过施作泄水洞进行处理，避免由于隧道基底隐蔽岩溶处理不当，造成隧道二衬承受水压，威胁运营安全。

(4)采用注浆方式处理基底隐蔽溶洞时，应进行基底复核探测，复核探测有异常时，应进行基底二次注浆并再次复核。