贵广高铁14座隧道隧底下方溶洞的探查

1. 前言

贵广高铁有多段穿过灰岩和白云岩地区，在施工阶段即揭露了隧道底部有溶洞。但在勘察阶段和施工阶段均未进行过探查。在工程完工进行联调联试阶段，考虑到隧底下方的溶洞可能造成通车后的隐患，铁路总公司批文进行探查。作者单位接受了分布在179km范围内的14座隧道隧底的探查，探查路段总延米约23km。探查任务为查找隧道基床面至其下13m深、直径大于1m的溶洞，并对它们做定位，以便做施工处理。

采用了探查溶洞最佳的陆地声纳法，沿每座隧道中线、左线路中线、右线路中线各布置了1条测线，测线上震-检距=测点距=0.5m，采用锤击震源。

2. 陆地声纳法

陆地声纳法的实质是“极小震—检距超宽频带弹性波超短余震接收系统单点连续剖面法”，简称“陆地声纳法”（钟世航，2012）。它的主要特点是：

（1）近于零震-检距的方法。反射波是续至波，可避开直达波、声波、面波的干扰。同时，理论研究和实践证明，在零震-检距的情况下，溶洞的反射波同相轴是很易辨别的双曲线。 因此它不仅可探查断层等近似平面型的物体，还可探查溶洞等有限大小地质体。

（2）此方法用锤激震源可激发从10Hz～10000Hz以上的波，并采用特殊的检波器接收10Hz～4000Hz的信号，在这频带范围内接收系统不压制任何频段的反射波。这种可做超宽带激发和接收的特点，可以充分利用频谱特性，带来一系列的优越性。作者近年在地面和隧道中的实践发现，中小溶洞反射波主频在1500～3000Hz,正是此方法的最佳工作频率范围（钟世航，2007,2013）。

此方法在120余个工程成功地工作，由于这些特点使它有很高的探查成功率，并特别在探查溶洞等方面已在61个工程应用，有好的表现。

3. 资料采集

采用锤击震源，测线上测点距=震-检距=1m。测线总长度约69km，工作时在激震点两侧设检波器，检波器用凡士林与混凝土面耦合，不固着检波器，人手平稳按住即可。为提高信噪比每个测点垂直叠加2次，用皮尺丈量放样。为赶在通车前的20天完成全部外业数据采集，采用3台仪器同时并进的办法。由于陆地声纳法接收的有效反射波基本垂直岩层层面，旁侧近水平的波基本被压制，所以3个台班组可并排工作（钟世航，2013）。

最高台班采集速度为3100点/台、日，相当于1.5km/台、日。

  图1  3台仪器组同时作现场采集

4. 探查结果

（1）重要参数的确定及成果的显示方式

A. 波速测定:采用在隧道内共中心点法和在隧道外出落的岩面上小折射法测量波速。混凝土波速平均为3250m/s；风化石灰岩和风化白云岩波速，各隧道略有不同，从3250 m/s至3700m/s；

B. 假设溶洞为球体形，根据双曲线同相轴圈定溶洞。首先在每一条测线上进行解释；然后将3条剖面圈定的溶洞，绘成不同深度溶洞平面分布图。分析有无在两条剖面上都有的反映在面投影的同一溶洞，结果是没有发现。分析有无在一个剖面上存在上下或上与侧下方连通的2～3个溶洞，因为若溶洞直径为2m，2上下相通的溶洞就有4m高，3个相连通的就有6m高，这可是不小的垂向通道。

（2）举一例：如团寨隧道，全长2016m，探测长度2016m,穿过岩性为奥陶岩灰岩夹白云岩、寒武白云质灰岩。测段发现仰拱下0～13m深≧1m溶洞605个，平均30个/百米，其中大于3m有5个，≧2m有38个。上下连通的溶洞5组。

（3）根据所测结果作了分级：

隧道分级——A 级隧道：岩溶发育（多于25个及≧2m或≧3m溶洞最多者）

            A₁级—溶洞分布密集区；   A₂级—A级隧道中其它大部分区段；

            B级隧道：岩溶较发育（少于25个/百米）

            B₁级—溶洞分布密集区；   B₂级—B级隧道中其它大部分区段；

            C级隧道：岩溶相对弱发育区

实际上列为岩溶发育的隧道基本是穿过灰岩的，这不是巧合，而是灰岩比白云岩溶蚀更严重。总共探查出0～13m深≧1m溶洞4491个，其中≧2m的403个；≧3m的20个；

同时按照业主方施工处理的需要还按隐伏溶洞的埋深和尺寸做了如下分级（见下表）

图2一幅陆地声纳法时间剖面图

 图3  一幅溶洞分布平面图

（4）探查是在混凝土的基床的表面上进行的，基床和隧道仰拱合为一体，而仰拱是弧拱形的，陆地声纳法的入射与反射波基本与反射面垂直，因此，它与铅垂线的夹12°角，在探查5m左右时约偏离0.75m，探查10m时，约偏离1.5m，这在钻孔验证和溶洞处理时是必须考虑的。

5.钻探验证

    共钻探了8个孔，其中探查报告无溶洞的2处。7处钻探结果与物探报告一致，不一致者1个，这个溶洞在深10m处，探查铅垂线应为1.5m，钻孔偏离溶洞是必然的。

参考文献

[1] 钟世航，王荣，孙宏志等.陆地声纳法在探查单个溶洞方面的优势[J].物探与化探. 2007. 31(s):P111-115

[2] 钟世航，孙宏志，王荣.陆地声纳法[M]. 北京：中国科学技术出版社. 2012

[3] 钟世航，适合闹市区勘探及溶洞探查和水上勘探的物探新方法[J]，工程地质学报，2013. 21(3):422-432