巖溶不良地質現象的存在給隧道開挖和運營安全造成了嚴重的威脅。這篇地質論文分析隧道開挖后拱頂和拱底最易破壞，因此，準確預測隧道拱頂和底部溶洞的位置和規模，對保障隧道的施工安全尤為重要。本文采用地質雷達預測了霍永高速某巖溶隧道溶洞的位置，結果表明，通過合理選擇雷達參數、合理布置測線、提高采樣數和選用較低的掃描速度等手段可以有效地提高雷達探測的精度，快速準確地查明溶洞的發育位置和埋深。該雷達探測方法可為其他隧道溶洞位置的探測提供借鑒。

　　《水文地質工程地質》本刊面向國、內外水文地質學科、工程地質學科以及環境地質學、農業地質學科研究，地質與環境工程建設、技術方法應用與創新、地下水資源監測與管理、地質災害監測與防治、地質環境監測與開發、生態環境保護等多學科以及交叉學科的著者、讀者。主要欄目：基礎與專題、應用與實踐、經驗與探索、綜合述評、問題討論、信息園地。

　　摘要：巖溶工程地質問題的存在對工程的安全穩定性有較大影響。霍永高速某隧道巖溶發育，無充填物溶洞很多，給隧道的施工帶來了極大的困難。為了保證施工的安全，采用地質雷達探測手段，結合工程實際特點選取合理的探測參數，對該隧道拱頂及底部溶洞進行了探測。通過對典型波形圖的分析，結合雷達在不同介質中波形振幅的差異及傳播特點，對溶洞的位置及范圍進行了預測。隧底實際開挖情況與雷達預測結果相吻合，驗證了地質雷達在隧道溶洞探測中的準確性與可靠性。通過對比幾種常用的溶洞處理方案，綜合考慮安全性、經濟性、施工方便性等因素，給出了該隧道相應的溶洞處理措施建議。

　　關鍵詞：巖溶隧道;地質雷達;隧道溶洞;處理方案

　　巖溶地質問題是工程建設中的一大地質難題。在隧道工程的建設中，巖溶洞穴的危害顯得更為突出。隧道穿過可溶性巖層時，有的溶洞位于隧道底部，充填物松軟，隧道基底很難處理;有的溶洞位于隧道拱頂，巖質破碎，容易發生坍塌，甚至引起地表開裂下沉，山體壓力劇增。因此，準確探測溶洞所在的位置及規模對隧道的施工安全來說至關重要[1-2]。

　　地質雷達(GPR)作為近期發展起來的一種新的地球物理勘探手段，與其他物探方法相比，具有分辨率高，勘探成本低，速度快等優點，已廣泛應用于巖土勘察、工程質量無損檢測、水文地質調查等眾多領域。本文以霍永高速某巖溶隧道為例，采用地質雷達對隧道溶洞進行探測，以實際開挖隧底來驗證雷達探測的準確性，并針對性地提出適用于該隧道的治理建議[3-8]。

　　1工程概況

　　該隧道位于汾西縣仁馬莊和槐樹疙瘩之間，進口段里程樁號為YK0+410。洞體主要位于楊木山河右河畔山體，最大埋深170 m。由于河水作用，隧底小規模溶洞較發育，近年隨著水位下降溶洞干涸。區內地形起伏明顯，地貌單元屬溶蝕侵蝕中山區，圍巖以白云質泥灰巖、純灰巖為主。

　　隧址區地下水類型主要有第四系松散層孔隙水及奧陶系巖溶裂隙水。該區大面積的碳酸鹽巖裸露，大氣降水一部分直接深入補給巖溶水，一部分形成地表徑流匯入溝谷，經楊木河流入汾河，溝谷切割很深。

　　2溶洞位置探測

　　對于不同深度、不同巖性的探測目的層與目的物，在應用地質雷達檢測時，需選擇相應頻率的天線和適當的儀器參數。深度較大時，需選用相對較低頻率的天線。

　　2.1檢測設備、原理、方法及測線布置

　　本次探測所用的地質雷達為美國勞雷公司的SIR-3000型地質雷達;天線頻率為100 MHz。雷達由主機、天線和配套軟件等幾部分組成。根據電磁波在有耗介質中的傳播特性，發射天線向被測介質發射高頻脈沖電磁波，當其遇到不均勻體(界面)時會反射一部分電磁波，其反射系數主要取決于被測介質的介電常數，雷達主機通過對此部分的反射波進行適時接收和處理，達到探測識別目標物體的目的。其探測原理見圖1。

　　電磁波在特定介質中的傳播速度是不變的，因此根據地質雷達記錄的電磁波傳播時間ΔT，即可據下式算出異常介質的埋藏深度H。

　　H=V·ΔT/2(1)

　　其中，V的大小由下式確定：

　　V=C/ε(2)

　　式中：V為電磁波在介質中的傳播速度;C為電磁波在大氣中的傳播速度，約為3.0×108 m/s;ε為相對介電常數。不同的介質其介電常數亦不同，該檢測地段主要以白云質泥灰巖、純灰巖為主，灰巖的介電常數為7～9，泥巖的介電常數為7，本次檢測中ε選為7。

　　根據隧道現場實際情況，在隧道底部確定3條檢測線，隧道拱頂確定5條檢測線(圖2、圖3)。

　　檢測方法及參數選擇如下所述。

　　(1)選擇100 MHz的雷達天線進行連續掃描，采集地質雷達圖像數據，其有限探測深度在25 m左右，能夠滿足探測精度。

　　(2)雷達的測量模式分為三種：Time，Point和Distance，在地面比較平整連續的情況下通常選擇Time測量模式。

　　(3)雷達的每條掃描曲線是由許多單獨的數據點組成，Samples(采樣)越多，掃描曲線就越光滑，垂直分辨率就越好。但隨著樣品數增加，掃描速率下降，文件尺寸增大。為提高檢測精度，本次采樣數選為1 024。

　　(4)Range(范圍)是納秒級(ns)的時間窗，其范圍與探測深度有直接關系。本次檢測采集時窗選用為350 ns，有效探測深度為25 m。

　　(5)Rate(掃描速度)是指系統每秒保存的掃描數，掃面速度越大，采集數據也越快，但是精度相對也會降低，為了提高探測精度，此次探測掃描速度選用16 m/s。

　　2.2地質雷達數據處理

　　數據處理的步驟包括預處理、增強處理、幾何校正處理及標記處理等。用專用數據處理軟件對探測數據進行處理，著重進行振幅恢復、濾波、F-K濾波、反褶積處理，獲得信噪比較高的時間剖面，以提高對有用信號的識別。雷達時間剖面可以真實、全面地反映地下介質的變化情況，保證資料的質量[9]。

　　2.3雷達圖像分析

　　地質雷達主要是根據反射波組的波形與強度特征，通過追蹤同相軸，進而推斷地下介質的分布，識別反射波組的標志為同相軸、相似形、反射波特征等。

　　(1)隧道頂部波形圖分析。典型圖樣見圖4。

　　巖溶發育時，反射波振幅和反射波組將隨溶洞形態的變化橫向上呈現一定的變化。一般來說，溶洞雷達圖像的特征是被溶洞側壁的強反射所包圍的弱反射空間，即界面反射式強反射，且常伴有弧形繞射現象，溶洞內的反射波則為弱反射，低幅、高頻、波形細密，但當溶洞中充填風化碎石或有水時，局部雷達反射波可變強[10]。

　　本次探測里程段落為K0+440至K0+460(襯砌上方)。從K0+440開始到K0+450.5出現同相軸不連續圖樣，由于空氣與土體的電性相差較大，因而可以形成能量較強的反射波。圖4中顯示異常出現在測線K0+450.5至K0+453.5左右的位置，寬度約為3 m，為強振幅的雙曲線形異常，推斷為溶洞。由式(2)可計算得出，電磁波在風化巖體中的傳播速度約為0.11 m/ns，同時根據雷達波形圖左側對應顯示的時間窗可以得出，溶洞埋深約為10 m。

　　(2)隧道底部波形圖分析。典型圖樣見圖5。

　　在探地雷達剖面上，完整基巖上反射波同相軸呈水平狀條紋分布，反射波振幅與反射波相位穩定，而在有溶洞的位置，反射信號呈雙曲線形，反射波振幅變大，反射波相位不穩定，多次波發育。而電磁波反射能量的強弱與分界面兩側相對介電常數的大小有關：當兩個介質的介電常數相同時，反射系數為0，僅有透射;當遇到不同介質時，波形出現強反射，反射界面兩側的電性差異越大，雷達反射圖像就越清晰[11-12]。

　　探測從入口段開始到K428開始出現強反射波形，K428至K431段以及K433至K434.5段表現為地層不連續性(圖5)，可以推斷此處為破碎夾層組成的層間脫空區，由溶洞發育所致。K431至K433地層反射波組的波形、波幅、周期及其包絡線形態等沒有規律。可以推斷此處為溶洞發育形成的深溝寬度約為2 m，在隧底埋深大約5 m。

　　2.4探測結果驗證

　　為了驗證地質雷達的探測效果，對隧底道床部分強反射區域進行了下挖，揭示了一條橫向約2 m，縱向0.6 m，可見深度約10 m的深溝(圖6)。然后采用目測、尺量、地質素描繪圖等手段對溶洞進行描述，發現溶洞實際情況與探測結果基本吻合。說明此次雷達探測的結果是比較準確、可靠，可見通過合理選擇雷達參數、合理布置測線、在保證探測深度的前提下提高采樣數、選用較低的掃描速度等手段可以有效地提高雷達探測的精度。

　　3隧道溶洞處理方案

　　3.1隧道溶洞常用的處理方案

　　(1)換填封堵。主要針對溶洞規模已探明且規模不大和無排水要求的溶洞，將承載力不高的巖溶充填物挖除，并采用混凝土或漿砌片石予以回填。

　　(2)噴錨、漿砌回填、護拱加固處理。拱頂以上的溶洞，可以根據溶洞圍巖的破碎程度，采用噴錨支護，同時加設護拱及拱頂漿砌回填處理[1]。

　　(3)注漿加固。主要根據隧道巖溶充填物的不同性質，采用劈裂注漿、高壓旋噴注漿等方法加固巖溶充填物，提高其承載能力。

　　(4)樁基處理。主要采用樁基礎來承受上部圍巖及襯砌結構的荷載，樁基礎包括旋噴樁、鉆孔樁、鋼管樁等。

　　(5)復合地基。最常用的復合地基是樁基礎和其他地基組成的復合地基。

　　(6)筑梁或拱結構跨越。采用筑拱或梁結構跨越溶洞，將上部荷載轉移到拱梁結構上。

　　3.2處理方案的選擇

　　選擇合理的處理方案通常要考慮以下幾個方面的因素：確保施工的安全以及施工的質量，保證襯砌完工后隧道不滲不漏;充分考慮現場機械設備狀況和操作人員的技能水平，并盡可能降低施工難度;根據溶洞的形狀和尺寸，因地制宜地選擇施工方案;在保證安全、施工質量的前提下還要考慮經濟性，以節約成本。綜合考慮以上因素，并根據此巖溶隧道的工程實際情況，最終選用以下方案對隧道拱頂和隧底的溶洞進行處理。

　　(1)隧道拱頂溶洞處理。

　　經探測，該隧道拱頂圍巖以白云質泥灰巖為主，巖體干燥，拱部溶洞經過長期的地質作用，溶洞空腔也基本干涸。又由于溶洞位于拱頂10 m位置處，埋深相對較大，對拱頂產生的威脅也相對降低。但是，為了保證隧道的安全，防止溶洞經過長期風化發生坍塌，此處采用注漿加固的方法對溶洞空腔內泵送C25混凝土，注漿壓力不超過0.5 MPa，水泥漿中加入10%～15%微膨脹劑，保證加固效果。同時適當加強此處的初期支護，防止圍巖壓力過大造成支護變形過大。此方案操作簡單，施工方便、造價低且能保證加固效果，可用于隧道拱頂小型溶洞的處理中。

　　(2)隧底溶洞處理。

　　該巖溶范圍較小，洞底無地下水，采用換填法處理，土方量不大。該方案施工簡單，造價低且能夠保證處理效果。根據地質勘察資料，深溝內局部塊石之間存在架空現象，較下層結構松散，不能直接作為持力層，基底存在不同厚度的強風化碎石層，地基承載力低。針對隧道各段具體地質條件，采取不同的基底處理措施：對于K428至K431段以及K433至K434.5段的層間脫空區，先清理承載力較低的碎石，再采用C25混凝土注漿，直至完全封堵脫空區為止; 對于K431至K433段的深溝，為了提高地基承載力，改善其變形，減少地基的不均勻沉降，先將深溝內的風化碎石層全部挖除，再用M7.5漿砌片石回填，換填深度為12 m，處理范圍超出基礎邊緣1 m以上[13]。隧道溶洞處理示意圖見圖7。

　　3.3處理效果

　　溶洞處理之后對隧道的變形及內力進行了連續監測，結果顯示，拱頂部分圍巖壓力比其他地質良好地段稍大，拱頂沉降及變形較小，這與加強了此處的初期支護有關，隧道基底也無明顯沉降[14-16]。由此可見，采用上述方法處理后的溶洞，處理效果明顯，能夠滿足工程安全性的要求。