隧道内隐伏岩溶综合探测技术研究与应用

程 木 星， 程 江 河， 任 运 盼

(1.中国水利水电第十工程局有限公司，四川 成都 611830；2.中国铁路武汉局集团有限公司，湖北 武汉 430000)

1 概 述

新建铁路磨丁至万象线北起中老边境口岸磨丁，终到老挝首都万象市，线路全长414 km，新建隧道75座、196 km，其中岩溶隧道18座，长约16 km。由中国水电十局承建的路段穿越万荣岩溶风景区，岩溶强烈发育，地质条件复杂，突水突泥、断层破碎带、煤系地层及瓦斯、溶蚀洼地、暗河等不良地质灾害严重，施工风险极大。因此，在隧道土建施工期和轨道架设之前，若能够较准确地确定岩溶发育的规模、与线路的空间关系、与断层和地表浅层岩溶发育区的连通关系，对设计和施工能起到良好的指导作用，对于规避地质灾害风险，确保营运安全具有重要的意义[1]。

中老铁路为单线铁路，隧道施工空间狭窄，各类施工机具设备活动频繁，电、磁、振动干扰严重，岩溶探测实施难度较大，因此，应根据实际情况采用适宜的勘探方法进行勘探。国内在一般条件下采用的物探方法是沿线路进行带状探查，确定异常发育区后进行钻探验证用以评价岩溶的发育程度和规模，但该探测方法较为单一，准确性不高。为提高探测结果的准确性，水电十局中老铁路项目部的技术人员结合隧道施工阶段的具体特点，在隧道隐伏岩溶探测研究中应用了风枪探孔+钎探+物探+钻探的综合勘探模式，积累了较为丰富的经验，为岩溶整治提供了详实、科学、客观的依据。

2 探测方法

隧道施工期需开展探测工作的岩溶分为开挖已揭露的岩溶和开挖未揭露的岩溶(隐伏岩溶)两类，细分为洞周探测和隧底探测两部分。洞周包括隧道拱部及边墙，隧底系指除洞周之外的隧道底部。岩溶探测需根据施工工序安排、有序进行、适时调整。

2.1 风枪探孔法

风枪探孔法是利用风枪钻在隧道开挖每循环中对洞周及隧底钻小孔径的浅孔以获取地质信息，能及时发现不良地质情况，实用性强。隧道施工期，靠近掌子面附近的隧底岩溶物探受大型施工机具、铁质物体等环境条件的限制，电磁干扰严重，一些方法不具备施测条件，而另一些方法因受到干扰致使资料质量变差，分辨率降低。风枪探孔法不受这些环境因素影响，是隧道仰拱实施前进行隧底隐伏岩溶探测行之有效的手段。

2.2 钎探法

钎探在隧底、洞周有充填物且充填物厚度小于3 m时使用，原则上孔间纵横向间距不大于5 m，探测范围须覆盖岩溶充填物。钎探孔每孔的里程位置须准确定位，并需详细记录每个孔岩溶充填物的厚度、成分、软硬程度、含水程度等。

2.3 物探法

隧道仰拱浇筑后，采用地质雷达法和地震映像法的综合分析方法拉通探测。标段测区上覆粉质黏土、松软土、粗(细)圆砾土、卵石土；下伏基岩为砂岩、泥岩夹石英砂岩、煤层、灰岩夹页岩、板岩夹灰岩。以溶洞、破碎带、溶腔等形式出现的岩溶与上述地层存在明显的物性差异，从而为岩溶物探工作提供了良好的地球物理特征。

(1)地质雷达法。采用地质雷达法对隧道基底进行探测时，由发射天线向隧底的岩层发射电磁波，当电磁波传至两种不同介质的分界面，如断层、洞穴和岩层分界面等时，由于两种介质的介电常数存在差异而使电磁波在界面处会发生反射和折射等现象，入射波、反射波和折射波的传播遵循反射定律和折射定律，反射波返回隧底表层被接收天线接收，形成雷达图像[2]。

地质雷达法是一种高效、直观、连续无破坏性、分辨率高的物探方法，所提供的资料图件为连续时间(深度)剖面图，对溶洞的分布范围、埋深、大小一目了然。考虑到隧底基本为基岩，电磁波穿透深度较大，故其探测深度满足勘探要求。

(2)地震映像法。地震映像法是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种地球物理勘探方法，是以相同的偏移距逐步移动测点接收地震信号对地下的地层或目标体进行连续扫描，探测地下介质变化的地震方法。

地震映像法数据采集速度快，避免了动、静校正对地震波的拉仰、畸变影响，保留了多种地震波信息及全部动力学特征；特别是在探测目标体相对单一、以横向地质条件变化为主的情况下，地震映像法探测效果好，具有快速、高效、成果直观，可利用多种地震波及其运动学、动力学特征实现异常体较准确的定位及性质判别的优点(图1)。

图1 万荣隧道地震映像法现场数据采集

在岩溶探测中，与钻探法相比，物探不会损坏既有工程和构筑物且探测费用低，施测速度快；但物探属于间接性探测方法，其结果时常存在多解性，而且每一种物探方法存在自身具有的优缺点，因此，应针对隧底的具体条件，根据每一种物探方法的特点选择两种及两种以上的方法进行综合物探。

地质雷达法探测速度较快，但其探测深度小，当存在低电阻的潮湿土层强烈吸收电磁波时，勘探深度只有约5 m。故要求地面必须平整，否则无法拖动天线或干扰较大。地震映像法为弹性波类物探方法，不受隧底仰拱铺设钢筋的影响，能够宏观地探测隧底岩溶，是仰拱铺设钢筋地段比较有效的物探方法；但在另一方面，与地质雷达的电磁波频率相比，地质地震映像法的地震波频率较低，所获得的资料精度没有地质雷达法高。

2.4 钻探法

当采用物探法出现异常时需采用钻探法进行验证控制，以进一步查明异常体的深度、范围、性质。钻孔的密度、深度应以查明对工程有影响的岩溶或物探异常带的空间分布特征为原则进行控制。隧底钻探的有效深度原则上不小于10 m,当揭露岩溶等不良地质情况时，钻探深度应穿越岩溶至稳定基岩中不小于5 m。

2.5 风枪探孔+钎探+物探+钻探的综合勘探模式

综合考虑隧道隐伏岩溶探测的场地条件以及施工期间存在的电、磁、振动等外界干扰，为了取得较好的勘探效果，隧道隐伏岩溶探测工作采用“风枪探孔+钎探+物探+钻探”的综合勘探模式[3]。

(1)浇筑仰拱前，在每个断面布置10个孔(洞周7孔，隧底3孔),孔深5 m,采用风枪探孔及钎探对洞周及隧底隐伏岩溶进行探测。

(2)浇筑仰拱后，根据隧道主体工程和铺底进展情况分段实施隧道基底岩溶物探。对于小于1 000 m的可溶岩段落，在该段仰拱施作完成后进行物探；对于长度大于1 000 m的可溶岩段落，仰拱每施作1 000 m开展一次物探。

(3)物探施测后，对所发现的规模较大或埋深较浅的溶洞异常情况进行钻探验证。对物探结果进行验证后，根据验证资料对物探判释结果进行修正。

3 探测的实施

隧道基底隐伏岩溶的物探和钻探由勘察设计单位成立的现场地勘项目部负责实施。隧底及洞周的地质测绘、风枪探孔、钎探等由隧道施工架子队负责实施。在隧道施工期，架子队应为物探施测提供必要的条件，尽量消除电、磁、振动等各种干扰以提高数据采集的质量。开展隧道隧底岩溶物探时，要求隧底平整、压实,无碎石和施工材料堆放，无积水、流水和泥浆等。进行地质雷达法探测时，需将施工机械、车辆及铁质物体移至工作场地范围之外以减少电磁干扰；进行地震映像法探测时，工作场地附近应停止人员走动和施工机械的操作，以减少振动噪声干扰。

3.1 风枪探孔

采用风枪探孔对洞周及隧底隐伏岩溶进行探测时，每个断面布置10个探孔，分别位于拱顶、左右拱脚、左右边墙中部、左右边墙脚处、隧底中线及两侧处。探孔深度为5 m，断面纵向间距为5 m，遇到岩溶异常时应适当加密、加深。探测工作断面上拱墙部分的7个风枪探孔结合隧道支护系统锚杆进行，拱墙系统的锚杆原设计长度一般为2.5～3 m,需将探测工作断面上利用的7个拱墙系统锚杆孔加长至5 m,考虑注浆；探测工作断面上隧底的探测孔深度为5 m,不需注浆。

风枪探孔记录。尤其是有岩溶异常的探孔需要详细记录岩溶深度、充填物性质、充水情况、岩石破碎程度等。风枪探孔是隧底仰拱浇筑前隧道隐伏岩溶探测的重要手段，应作为一项工序纳入隧道施工中，由架子队严格按有关要求实施。

3.2 地质雷达法物探

在地质雷达法资料采集中，为兼顾探测深度和精度的需要，使用了100 MHz的屏蔽天线，采用连续测量采集数据。探测时选择合适的时间窗口和采样间隔并根据数据采集中的干扰变化和效果及时调整工作参数。万荣隧道探测时，结合实际情况标定相对介电常数，测量时窗选定为550 ns，采样点数为512点/道，扫描速率约为60扫/s。在雷达探测过程中，每5 m进行标记，准确标记测量位置。记录长度不宜大于300 m。分段探测时，记录中重复探测的长度不得小于2 m。对发现有重点异常的区域应重复观测，重复性较差时应查明原因。

地质雷达法的资料解释主要依据雷达深度剖面图，通过地质雷达剖面上的电磁反射波组、强能量团块分布和双曲线等特征，对隧道基底隐伏岩溶发育情况做出判断[4]。

基底结构密实(即正常情况下)的雷达图像具有反射波同相轴连续并且平行、末出现明显绕射波、频率高等特征，图2为万荣隧道DK295+011∽+035段完整灰岩的图像反映。

图2 完整基岩地质雷达剖面图

基底结构不密实时电磁波的频率变低，如果局部松散或有空洞时，电磁波反射波组杂乱，伴随有很多弧形绕射波；当基底内松散且含水量较高时，电磁反射波组频率比较低、出现震荡现象。如图3所示，DK294+805.5～+814.5段右1.8 m处地质雷达剖面图中下部在雷达中呈强反射波且呈双曲线特征，物探解释为空洞的反映。万荣隧道D294+975～0K295+000段地质雷达剖面图(图4)中上部存在电磁波强反射波组且杂乱等特征，物探解释为破碎带反映。

3.3 地质地震映像法探测

数据采集过程中，震源点与检波点相对位置保持不变，震源点与检波点中点即为测点，震源点、检波点均按照一定间隔同步向前移动以获得共偏移距地震映像时间剖面。根据共偏移距地震映像时间剖面的地震波运动学、动力学特征分析地下界面的起伏变化、局部异常体的位置、大致深度及性质。

地质地震映像法探测数据处理流程主要包括：原始数据→坐标参数编辑→预处理→能量均衡→频率滤波→时深转换。其中，为保留多种地震波及其动力学特征，必要时仅对地震映像剖面做频率滤波、能量均衡处理。地质地震映像法成果资料的解释主要依据地震映像断面图，通过地震映像断面地震波的旅行时、振幅、频率、相位等特征分析地下界面的起伏变化、局部异常体的位置、性质及大致深度。根据实测地震映像剖面特征，物探探测异常大致分为以下三类：

图3 空洞地质雷达剖面图

第一类异常：异常段相较于背景区地震波能量增强、频率降低、旅行时增长，沿横向连续出现的低频、强能量的两组或多组同相轴均出现规律性下凹，呈现“V”字型特征，特别是隧道基底地震映像剖面首根沿横向连续出现的低频、强能量同相轴出现明显的下凹，异常边部表现为同相轴明显的弯折或错断，异常中心表现为明显的频率降低、振幅增强、波组间隔明显增大。

第二类异常：异常段相较于背景区地能波能量增强、频率降低、旅行时增长，沿横向连续出现的低频、强能量的两组或多组同相轴出现平缓的下凹，主要呈现弧形、“U”字型特征，异常边部主要表现为同相轴局部不连续或错断，异常内部地震波能量、频率变化不大、波组间隔自异常边部至异常中心逐渐增大。

第三类异常：沿横向连续出现的低频、强能量的同相轴出现明显中断、错位、波组增多及波组间隔突变，相较于第一、第二类异常未出现明显的同相轴下凹及频率的明显降低，主要表现为同相轴沿横向不连续。

根据岩溶物探探测实践经验，第一类异常主要为溶洞的反映，岩溶发育程度明显强于第二、第三类异常，且异常幅度与岩溶发育程度之间具有较为明显的相关性，异常幅度越大，岩溶越发育；第二类异常、第三类异常主要为破碎带的反映[5]。

图4 破碎带地质雷达剖面图

4 结 语

隧道基底隐伏岩溶探测成果以地质雷达资料解释为主，地震映像资料解释为辅。探测出的溶蚀破碎发育区以及顶板厚度较小的无充填、半充填岩溶发育区沉降坍陷风险极大，需结合物探、钻探取芯以及地质资料对岩溶缺陷异常段进行综合分析并进行安全评估处理。在岩溶探测方面，物探法加地质法和多种方法的相互验证，是岩溶灾害源探测的发展方向之一。实践证明：在隧道隐伏岩溶探测施工中采用风枪探孔+钎探+物探+钻探的综合勘探模式，能够较准确地探明溶洞和破碎带，从而证实了该模式在铁路隧道隐伏岩溶探测中是有效且可行的，值得推广应用。