富水巖溶隧道暗河段洞內(nèi)數(shù)字測(cè)繪技術(shù)

段成剛

（云南省交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法局工程質(zhì)量監(jiān)督支隊(duì)，云南 昆明 650200）

近年來，隨著我國(guó)鐵路、公路、地鐵隧道和水電基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，高水壓、富水和巖溶等復(fù)雜工況在隧道工程建設(shè)中日益常見。在隧道施工過程中，受短期暴雨、施工所產(chǎn)生的動(dòng)荷載甚至地震等影響，施工范圍內(nèi)軟弱圍巖的穩(wěn)定性、強(qiáng)度等物理力學(xué)性能將下降，進(jìn)而使得隧道易產(chǎn)生涌水突泥、巖溶塌陷等問題，對(duì)工程及施工人員安全造成威脅[1-2]。施工前的地質(zhì)勘測(cè)及施工過程中的監(jiān)測(cè)，有利于提高工程設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)能預(yù)測(cè)及監(jiān)測(cè)工程施工過程中可能出現(xiàn)的問題，是保證工程正常安全施工關(guān)鍵措施。

目前，常采用伸縮桿、深埋測(cè)點(diǎn)的位移計(jì)和全站儀等方法對(duì)隧道及圍巖進(jìn)行觀測(cè)，但傳統(tǒng)勘測(cè)方法存在效率低、勘測(cè)埋點(diǎn)成本大、受勘測(cè)地點(diǎn)環(huán)境影響大，測(cè)量精度難以保證和勘測(cè)人員安全性難以保證等問題，難以完全滿足當(dāng)前工程勘測(cè)的需求。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，攝影監(jiān)測(cè)技術(shù)、三維激光掃描技術(shù)和雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)因其操作便利性、安全性和精確性已被用于工程勘測(cè)與監(jiān)測(cè)中。但上述技術(shù)仍存在技術(shù)不成熟，勘測(cè)范圍有限、難以滿足大型復(fù)雜工程需求等問題。針對(duì)上述問題，許多學(xué)者對(duì)數(shù)字測(cè)繪技術(shù)進(jìn)行了研究。楊志剛等[3]和周黎明等[4]通過理論模擬和工程實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)，以地質(zhì)素描為基礎(chǔ)，結(jié)合雷達(dá)掃描技術(shù)和數(shù)值模擬技術(shù)，可較好地預(yù)測(cè)隧道巖層的地質(zhì)狀況，并對(duì)巖層穩(wěn)定性進(jìn)行判斷，提高隧道施工的安全性。劉倩等[5]提出了TSP超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)與地質(zhì)調(diào)查法集合的隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，并通過工程實(shí)例對(duì)該技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)對(duì)地質(zhì)情況的預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際工程開挖后地質(zhì)情況相一致，顯著提高地質(zhì)預(yù)測(cè)的精度，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)單一地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)所存在的不足。

本文基于某富水巖溶隧道暗河段洞內(nèi)勘測(cè)項(xiàng)目，提出了一種安全、經(jīng)濟(jì)、高效和精確的富水巖溶隧道暗河段洞內(nèi)數(shù)字測(cè)繪技術(shù)，為富水巖溶隧道的勘測(cè)與預(yù)報(bào)提供了新的思路。

1 工程概況

1.1 背景介紹

工程位于云南省昭通市魯?shù)榭h，屬雙向四車道高速公路隧道。隧道左右洞長(zhǎng)度分別為10132m 和10055m，縱面采用-1.98%的單向字坡，進(jìn)洞口采用端墻式洞門，出洞口采用端墻式洞門。隧道進(jìn)出口及洞身段左右線凈距為30m，按分離式隧道設(shè)計(jì)。

隧道出口為自然坡體，坡度約25°～26°，坡向約為95°，坡面存在少量的碎石土、塊石土，鉆孔揭露土層厚度為4.50～23.60m，下伏基巖為強(qiáng)、中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，經(jīng)地質(zhì)調(diào)繪，未有開裂變形跡象，現(xiàn)狀穩(wěn)定。

1.2 施工難點(diǎn)

本隧道工程項(xiàng)目位于富水巖溶地貌（如圖1 所示），隧道下穿強(qiáng)-中風(fēng)化泥灰?guī)r地層，隧道開挖過程對(duì)巖層影響較大，開挖時(shí)對(duì)洞內(nèi)圍巖監(jiān)測(cè)要求較高。

圖1 隧道地質(zhì)縱剖面（部分）

本項(xiàng)目地表水系發(fā)達(dá)，水系補(bǔ)給主要來源于大氣降水及兩側(cè)山體孔隙潛水側(cè)向補(bǔ)給。該地降雨季節(jié)變化明顯，在暴雨季節(jié)易形成洪流及泥石流。且本項(xiàng)目多碳酸巖層和溶洞地貌，加劇了降雨與地下水對(duì)巖層的影響。為保證隧道施工的安全性，需在施工前對(duì)地質(zhì)進(jìn)行精準(zhǔn)勘測(cè)，以預(yù)測(cè)工程施工過程中可能出現(xiàn)的問題；同時(shí)，需對(duì)施工過程中巖層穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以避免短期暴雨造成巖層穩(wěn)定性降低，對(duì)工程造成不利影響。

本項(xiàng)目位于兩大構(gòu)造帶斜接復(fù)合部位，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，地震頻發(fā)。為防止地震對(duì)隧道施工的影響，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道施工所在地地質(zhì)情況，以及時(shí)調(diào)整隧道施工方案。

2 技術(shù)原理及方法

2.1 富水巖溶隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)

在隧道開挖爆破后，綜合采用地質(zhì)素描+三維激光掃描+地質(zhì)雷達(dá)+TSP203 隧道地震探測(cè)的富水巖溶隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)隧道進(jìn)行勘測(cè)，并繪制可視得的隧道三維空間分布形態(tài)。其原理如下：

首先，在隧道作業(yè)每一開挖循環(huán)后，對(duì)隧道內(nèi)圍巖特性進(jìn)行觀察（包括巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、圍巖變形破壞情況和有害氣體及危害源存在情況等[6]），并繪制地質(zhì)素描圖，以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道開挖的直觀、快速分析與判斷。

其次，采用移動(dòng)三維激光掃描儀，在移動(dòng)三維掃描儀前進(jìn)過程中，激光束發(fā)射器持續(xù)向前進(jìn)方向的隧道壁發(fā)射激光，激光束的能量被物體表面吸收或反射回來，激光接收器接收反射的激光信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算激光從發(fā)射到反射的時(shí)間與距離，獲得隧道斷面數(shù)據(jù)，并計(jì)算空間坐標(biāo)。最后利用計(jì)算機(jī)對(duì)各空間點(diǎn)進(jìn)行處理分析，繪制三維圖形模型，以更直觀地反映巖溶隧道地質(zhì)特征。

同時(shí)，針對(duì)隧道施工環(huán)境復(fù)雜、傳統(tǒng)單一的地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)難以滿足精確勘測(cè)需求的工程現(xiàn)狀，對(duì)于遠(yuǎn)距離地質(zhì)勘測(cè)，采用TSP 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)對(duì)地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行預(yù)報(bào)。如圖2 所示，在隧道附近進(jìn)行小藥量引爆，人為產(chǎn)生可控的震源，地震波以球面波形式沿隧道方向傳播，受傳播介質(zhì)的不同，其被吸收或反射，反射波被檢波器2 所接收，對(duì)地震波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后最終獲得巖層信息。

圖2 反射波法隧道超前預(yù)報(bào)原理圖

對(duì)于短距離地質(zhì)勘測(cè)，則利用地質(zhì)雷達(dá)法（GPR）進(jìn)行精準(zhǔn)勘測(cè)[7]。通過主機(jī)控制天線向目標(biāo)體發(fā)射高頻電測(cè)波，受阻擋物體磁導(dǎo)率、介電常數(shù)等參數(shù)的影響，電磁波傳播變化，部分電磁波發(fā)生反射并被接收裝置接收，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后獲得溶洞地質(zhì)特征信息。

最后，針對(duì)物理探測(cè)判釋成果的多解性問題，采用鉆探法對(duì)其結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。每次驗(yàn)證前，需根據(jù)TSP 與地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果確定打探孔布置和數(shù)量，以在實(shí)現(xiàn)勘測(cè)驗(yàn)證精準(zhǔn)性的前提下降低施工成本，提高施工效率。

2.2 基于TSP 物探指標(biāo)的圍巖質(zhì)量預(yù)測(cè)技術(shù)

為保證隧道施工安全，采用一種基于TSP 物探指標(biāo)的圍巖質(zhì)量預(yù)測(cè)方法對(duì)圍巖質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

首先利用傳統(tǒng)的TSP 物探技術(shù)，對(duì)圍巖質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然后采用小波降噪對(duì)物探指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)降噪處理，并采用MATLAB 軟件和灰色關(guān)聯(lián)理論，對(duì)隧道圍巖質(zhì)量的影響因素進(jìn)行排序及圍巖質(zhì)量預(yù)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)圍巖物理力學(xué)性質(zhì)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

3 施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 施工流程

富水巖溶隧道暗河段洞內(nèi)數(shù)字測(cè)繪施工流程如圖3所示。在地質(zhì)素描前，對(duì)區(qū)域地質(zhì)信息進(jìn)行調(diào)研，初步掌握區(qū)域地質(zhì)特征。同時(shí)，通過TSP203 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)與地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)對(duì)富水溶巖地質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，若其預(yù)測(cè)結(jié)果滿足施工要求，則直接利用地質(zhì)素描技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)巖溶隧道的數(shù)字測(cè)繪。反之，則通過地質(zhì)鉆探技術(shù)，對(duì)巖溶隧道預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，并在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)利用地質(zhì)素描技術(shù)和三維激光掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)巖溶隧道的數(shù)字測(cè)繪。在隧道施工過程中，為提高工程施工安全性，需通過圍巖量測(cè)、開挖工作觀察、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和地質(zhì)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)處理等方式對(duì)隧道圍巖進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖3 數(shù)字測(cè)繪施工流程圖

3.2 地質(zhì)預(yù)測(cè)

為實(shí)現(xiàn)富水巖溶隧道的快速、精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，本文提出了地質(zhì)雷達(dá)近距離（20～40m）較微觀近期預(yù)報(bào)與TSP203 隧道地震探測(cè)儀遠(yuǎn)距離（200m）較宏觀長(zhǎng)期預(yù)報(bào)相結(jié)合的地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)。

對(duì)于遠(yuǎn)距離地質(zhì)勘測(cè)，采用TSP203 隧道地震探測(cè)儀遠(yuǎn)距離預(yù)測(cè)技術(shù)。如圖4 所示，在開挖掌子面鉆孔以布置傳感器。傳感器間距應(yīng)滿足相關(guān)地質(zhì)勘測(cè)規(guī)范要求。鉆孔完畢后，逐個(gè)測(cè)量孔的深度和傾斜度。在傳感器埋入前，需清除孔底虛碴，并放入傳感器桿；待傳感器桿固定后，完成傳感器安裝。

圖4 TSP203 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)布置示意圖

完成傳感器布置后，對(duì)各工作部件核對(duì)檢查，同時(shí)停止工作面800m 范圍內(nèi)的機(jī)械作業(yè)和作業(yè)人員作業(yè)，一方面避免作業(yè)對(duì)地質(zhì)勘測(cè)造成干擾，另一方面避免爆破對(duì)人員及機(jī)械安全產(chǎn)生威脅。

對(duì)于短距離地質(zhì)勘測(cè)，采用地質(zhì)雷達(dá)法（GPR）。如圖5（a）和5（b）所示，在隧道掌子面上布置發(fā)射器與接收器，并控制發(fā)射器向掌子面前方發(fā)射電磁波，電磁波在傳播過程中，受介質(zhì)性質(zhì)的不同，被不同程度的吸收或反射，其反射波被接收器接收。通過數(shù)據(jù)處理與分析，根據(jù)電磁波頻率變化規(guī)律，判斷雷達(dá)勘測(cè)范圍內(nèi)巖層完整情況以及裂隙水發(fā)育情況，進(jìn)而指導(dǎo)隧道進(jìn)一步施工。

圖5 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置與原理圖

地質(zhì)雷達(dá)和TSP203 隧道地震探測(cè)內(nèi)外業(yè)可分組同步進(jìn)行，外業(yè)組進(jìn)行地質(zhì)隧道測(cè)試及數(shù)據(jù)預(yù)處理，內(nèi)業(yè)組在室內(nèi)進(jìn)行成果數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，提高測(cè)量與數(shù)據(jù)處理效率。

由于物理探測(cè)結(jié)果存在多解性，需對(duì)地質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行核查。對(duì)于重點(diǎn)懷疑地段，應(yīng)采用多種方法探測(cè)，進(jìn)行綜合判釋。為提高勘測(cè)效率、節(jié)約成本，需根據(jù)地質(zhì)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)超前探孔布置數(shù)量進(jìn)行確定。其中，根據(jù)不良地質(zhì)性質(zhì)及規(guī)模，可選擇在開挖斷面布設(shè)1～5 個(gè)探孔進(jìn)行探測(cè)。

3.3 巖溶隧道數(shù)字測(cè)繪

在地質(zhì)雷達(dá)和TSP203 隧道地震探測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用地質(zhì)素描技術(shù)和三維激光掃描對(duì)富水巖溶隧道進(jìn)行測(cè)繪。

其中，地質(zhì)素描應(yīng)在隧道開挖作業(yè)后立即進(jìn)行，若發(fā)現(xiàn)圍巖條件惡化，應(yīng)立即采取相應(yīng)處理措施。觀察后及時(shí)繪制開挖工作面地質(zhì)素描圖（包括：巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水情況、圍巖變形破壞情況和有害氣體及危害源等）。

在三維激光掃描儀工作時(shí)，掃描儀保持水平前進(jìn)方向不動(dòng)，在垂直方向上進(jìn)行360°掃描。激光器在前進(jìn)過程中不斷向發(fā)射激光，進(jìn)而獲取隧道斷面數(shù)據(jù)，并根據(jù)激光傳輸?shù)挠涗洉r(shí)間獲取每個(gè)激光點(diǎn)相對(duì)掃描儀中心的空間坐標(biāo)。并將處理后的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入激光雷達(dá)隧道測(cè)量檢測(cè)軟件，最后通過點(diǎn)云提取出正射影像圖，生成三維影像[8]。

3.4 圍巖監(jiān)測(cè)

為提高工程施工安全性，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖動(dòng)態(tài)信息，以及時(shí)對(duì)隧道施工過程中的不利狀況提出解決方案。其具體措施如下：

（1）量測(cè)斷面布置：當(dāng)隧道埋深小于2～3 倍隧道開挖跨度或隧道位于偏壓較大的地段時(shí)，應(yīng)設(shè)點(diǎn)觀測(cè)地表下沉。當(dāng)隧道埋深大于2～3 倍隧道開挖跨度時(shí)，可不測(cè)地表下沉。

（2）開挖工作觀察：對(duì)開挖面進(jìn)行定期觀察，其頻率可根據(jù)地層情況進(jìn)行調(diào)整，觀察后應(yīng)描繪地質(zhì)素描圖。

（3）地質(zhì)超前預(yù)報(bào)：采用超前探孔、地質(zhì)雷達(dá)、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)儀和三維激光掃描進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。

（4）地質(zhì)超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)處理：采用小波降噪對(duì)多個(gè)TSP 物探指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)降噪優(yōu)化處理，并采用MATLAB 軟件和灰色關(guān)聯(lián)理論對(duì)隧道圍巖質(zhì)量的影響因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)排序及圍巖質(zhì)量預(yù)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)圍巖物理力學(xué)性質(zhì)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

4 結(jié)論

針對(duì)富水巖溶隧道暗河段洞內(nèi)數(shù)字測(cè)繪施工勘測(cè)效率低、成本大、受勘測(cè)地點(diǎn)環(huán)境影響大等問題，本文基于某富水溶巖隧道工程實(shí)例，對(duì)該類工程施工技術(shù)加以研究：

（1）通過地質(zhì)素描+三維激光掃描+地質(zhì)雷達(dá)+TSP203 隧道地震探測(cè)的富水巖溶隧道暗河段洞內(nèi)數(shù)字測(cè)繪技術(shù)，對(duì)隧道進(jìn)行勘測(cè)并繪制可視的隧道三維空間分布形態(tài)，可顯著提高工程設(shè)計(jì)階段的效率和設(shè)計(jì)精確性，縮短工期。

（2）采用了地質(zhì)雷達(dá)近距離（20～40m）較微觀近期預(yù)報(bào)與TSP203 隧道地震探測(cè)儀遠(yuǎn)距離（200m）較宏觀長(zhǎng)期預(yù)報(bào)相結(jié)合的地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)，通過二者的相互補(bǔ)充和印證，確定是否需要打探孔和探孔位置和數(shù)量，并探測(cè)預(yù)報(bào)孤石、斷層（風(fēng)化）破碎機(jī)含水量等，對(duì)勘測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，提高勘探精度。

（3）在工程勘測(cè)過程中，地質(zhì)雷達(dá)和TSP203 隧道地震探測(cè)內(nèi)外業(yè)可分組同步進(jìn)行，外業(yè)組進(jìn)行地質(zhì)隧道測(cè)試及數(shù)據(jù)預(yù)處理，內(nèi)業(yè)組在室內(nèi)進(jìn)行成果數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，提高測(cè)量與數(shù)據(jù)處理效率。

（4）對(duì)于圍巖的監(jiān)測(cè)，提出了一種基于TSP 物探指標(biāo)的圍巖質(zhì)量預(yù)測(cè)方法，利用小波降噪對(duì)物探指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)降噪處理；并利用MATLAB 軟件和灰色關(guān)聯(lián)理論對(duì)隧道圍巖質(zhì)量的影響因素進(jìn)行排序及圍巖質(zhì)量預(yù)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)圍巖物理力學(xué)性質(zhì)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。