岩溶地区浅埋地铁隧道超前探测应用研究

刘光明 余昊洋 卜凡坤 梁东鹏 何勇剑 曹林

中交隧道工程局有限公司 北京市 100102

摘 要：岩溶地区浅埋隧道施工中溶洞涌水突泥问题是影响施工进度和作业安全的主要问题之一。在岩溶发育区的贵阳地铁2号线施工过程中综合应用地质雷达、红外探水和超前钻孔等技术进行超前探测。应用实践表明，地质雷达对隧道前方岩体结构的改变较为敏感，可揭示前方破碎带和含水构造的位置；红外探水技术测试方便，可用以判断隧道前方较大含水体；地质雷达结合红外探水可判断岩溶地区隧道前方岩体质量是否发生了显著改变及其位置，揭示前方岩体溶洞发育及含水特征；在此基础上，结合超前钻孔获得前方岩体地质信息，验证物探结果。采用红外探水定性，结合地质雷达和超前钻孔获得一些量化评价信息，3种手段联合分析，可较为可靠地获得隧道前方岩溶发育特征，对指导安全施工发挥了重要作用。

关键词：岩溶隧道；超前探测；地质雷达；红外探水；超前钻孔

Application Study on Advance Detection During the Construction of tunnel in Karst Area

Bo Fankun

Abstract: Water inflow and mud burst are the key problems in the construction of tunnel in karst area, which will influence the construction efficiency and the safety of workers and engineering. Many techniques, including Ground Penetrating Radar (GPR), infrared water detecting and advanced borehole, were applied in the construction of No. 2 metro in Guiyang located in karst area. We found that the GPR is of good sensitivity in detecting the location of fractured zone and water-filled cave. And the infrared water detection method is helpful in identifying the water-filled cave with large size. Results from combining interpretation of GPR and infrared water detection were effective in detecting the rock mass quality and water-filled cave in front of a tunnel. In addition the advanced borehole provided useful information to verify the results from GPR and infrared water detecting. The application of the advanced detection techniques system used in the metro construction in Guiyang was demonstrated useful, which played an important role in improving the efficiency and safety of tunnel construction in karst area.

1 引言

岩溶发育区隧道施工过程中常遇到涌水、突泥等问题，施工过程中应用超前探测手段，准确探测掌子面前方岩溶发育特征，为制定合理的处置方案提供依据，是保障施工安全和进度的关键。岩溶地区隧道施工过程中有多种隧道超前地质预报方法：地质雷达、红外探水、TSP、TRT和超前钻孔等^[1]。

刘瑞琪^[2]分析了大连地铁暗挖爆破法穿越富水岩溶区地表和洞内超前预报手段，并介绍了遇溶洞的处理方式。任利民和汲红旗^[3]探讨了隧道穿越强岩溶发育区的施工工法及施工原则。白明洲等^[4]、李文俊等^[5]分析了隧道超前探地雷达探测雷达图像特征，并分析了天线频率、探测方法及影响因素等相关问题。袁宗征等^[6]应用红外探测仪对大坪山隧道进行了岩溶预测预报，证实红外探水仪在预报掌子面前方隐伏含水构造体的效果较好。

2 工程背景

贵阳市轨道交通2号线金朱西路站～诚信路站暗挖区间长497.8米，根据地质勘查报告，该段主要地层为灰岩。区内溶洞、溶槽、溶沟、溶隙普遍发育，岩溶管道连通性好，区段钻孔遇洞率33.3%，岩溶发育程度为中等发育，溶洞内充填可塑及软塑状红黏土。地下水位埋深较浅，岩溶水丰富。该区段施工存在最主要的风险为遇溶洞产生涌水、突泥灾害。针对此问题，在隧道施工过程中采用了包含超前钻孔、超前地质雷达和超前红外探水等多种超前探测手段，为设计施工工艺提供了支持，应用研究成果可为西南岩溶地区浅埋隧道施工的超前探测提供重要参考。

3 超前探测及验证

为对比应用的3种主要方案的有效性和一致性，选取在隧道右线YDK15+912和YDK15+892.1里程开展的探地雷达、红外探水和超前钻孔现场测试结果进行分析。

3.1 探地雷达

本次隧道施工专项地质预报采用美国GSSI公司生产的SIR-3000地质雷达系统，选用100M屏蔽天线。采样频率为500MHz，样点数为512，采用剖面法，剖面布置如图 1 (b)所示。探测采用点测法进行，每10cm采集一道数据。探测时往返行走两次，以提高探测的精度。

(a) 现场布置 (b) 测线布置

图 1隧道右洞YDK15+939掌子面照片及测线布置

(a) YDK15+912 (b) YDK15+892.1

图 2 地质雷达测试结果

YDK15+912掌子面前方雷达探测数据表明，隧道中线靠右位置8～25m电磁波反射异常，推测该段为岩溶或破碎带发育，局部可能有小溶洞或溶蚀发育的迹象；开挖后易出现掉块、坍塌，围岩稳定性较差。总体上看YDK15+912掌子面前方围岩基本维持现状或局部有恶化，岩质结构较差，局部岩溶或节理裂隙较发育。

从YDK15+892.1掌子面雷达剖面图可以看出：掌子面前方0~17m范围内，无明显反射波，围岩基本维持现状；掌子面前方17～21米位置雷达波反射强烈，波形紊乱，岩质结构变差，有岩溶或节理裂隙较发育；掌子面前方21～30米围岩略有好转。

3.2 红外探水

红外探水是基于不同地质体向外辐射红外辐射场不同而识别异常地质体。当隧道前方和外围介质相对比较均匀，不存在隐伏灾害源时，所获得的红外探测曲线近似为一条直线；当隧道断面前方存在隐伏灾害源时，隐伏灾害源产生的辐射场将使正常场中的某一段曲线发生畸变，产生红外异常。对YDK15+912和YDK15+892.1掌子面进行红外探测，采用HY—304型红外探水仪，测量辐射场场强分辨率：H档为：0.05mW/cm²，m档为：0.07mW/cm²。

探测结果如图3所示，对于YDK15+912掌子面，掌子面红外辐射场强的差值小于允许安全值10，红外探测曲线波动较小，可以判断掌子面前方30米范围内红外辐射场无明显异常。

YDK15+892.1掌子面红外探测曲边如图3 (b)测点中最大场强和最小场强的能量差为6μw/cm²，小于安全值10μw/cm²。判断掌子面前方25米范围内红外辐射场存在较小异常，推断一定范围内可能出现线～股涌水，地下水主要以岩溶水和溶隙裂隙水为主。

(a) YDK15+912 (b) YDK15+892.1

图3 红外探测结果

3.3 超前钻孔

在隧道右线掌子面YDK15+900布置了3个超前钻孔(如图4)，超前钻孔钻进深度为30m，超前钻孔测试结果如表 1。

YDK15+900

图4 YDK15+900~ YDK15+870 超前钻孔布置

表1 YDK15+900~ YDK15+870 超前钻孔结果

根据钻探结果及物探资料结合掌子面的情况得出：YDK15+900～YDK15 +870段围岩主要为灰岩，岩体破碎，节理裂隙密集，完整性较差，地下水较丰富。

3.4 综合分析

将3种超前探测方法获得的结果综合分析。如图5所示，以超前钻孔为基准，在YDK15+912掌子面前方探测范围内围岩主要为弱风化，局部强风化；地质雷达较清晰地显示了该段局部出现小溶洞和溶蚀发育的信号特征；而这种小规模溶蚀发育和含水构造并未引起明显的红外辐射异常，导致红外探水仪对这种情况敏感度不高。对于YDK15+892掌子面超前探测，超前钻孔显示前方岩体破碎、地下水发育，地质雷达也清晰地揭示了前方围岩内破碎带发育，并清晰地指示出裂隙和地下水发育的位置，该段红外探测也出现轻微的异常，判断前方岩体内可能存在富水构造。

总体来说，地质雷达在岩溶地区进行超前探测时，在判断前方岩体裂隙发育和含水构造方面均较灵敏，能较准确的指示裂隙发育和含水构造的位置；而红外探水在前方有较大含水构造时也能识别，但难以判断其位置；超前钻孔是验证探测手段，提高超前探测可靠度的补充方法，是复杂地段结合其他物探手段准确揭露岩体特性的可靠手段。地质雷达、红外探水结合的方法能较为准确的获得前方岩体结构特征、是否含较大水体及其所在位置等信息，在复杂的地质条件下，进行超前钻孔，结合多种手段准确把握前方地质特征，以指导安全施工。

图 5 三种超前地质预报结果对比

4 结论

以贵阳地铁2号线地铁为例，分析总结了岩溶地区隧道施工过程中常用的3种超前探测手段的有效性、一致性和互补性。地质雷达对隧道前方发生改变的岩体结构较为敏感，能清晰揭示前方破碎带和含水构造的位置；红外探水技术测试方便，在隧道前方存在较大含水构造时可测出异常信号；地质雷达结合红外探水可判断岩溶地区隧道前方岩体质量是否发生了显著改变及其位置，认识前方岩体溶洞发育及含水特征；在此基础上，结合超前钻孔获得前方岩体地质信息，验证物探结果。贵阳2号线地铁建设实践表明，采用红外探水定性，结合地质雷达和超前钻孔获得一些量化信息，3种手段联合分析，可较为可靠地获得隧道前方岩溶发育特征，对指导安全施工发挥了重要作用。

参考文献：

[1] 罗利锐,刘志刚,陈文涛,等. 红外探测技术在海底隧道地质预报中的应用[J]. 地下空间与工程学报, 2010, 6(4): 775-780.

[2] 刘瑞琪. 城市岩溶区地铁隧道的溶洞超前探测及处治技术[J]. 石家庄铁道大学学报(自然科学版), 2012, 25(2): 42-46.

[3] 任利民,汲红旗. 穿越岩溶不良地段隧道施工工法探讨[J]. 公路交通科技(应用技术版), 2010, 6(7): 245-247.

[4] 白明洲,李建华,许兆义,等. 隧道施工中溶洞超前探测的雷达技术应用研究[J]. 勘察科学技术, 2006, 2006(3): 57-60.

[5] 李文俊,汪高举,贺英魁,等. 探地雷达在巷道掘进超前探测中的应用[J]. 矿业安全与环保, 2005, 32(4): 44-46.

[6] 袁宗征,刘苗,王双超,等. 红外探测技术在大坪山隧道岩溶预报中的应用[J]. 公路, 2015, 2015(5): 242-245.