地質(zhì)雷達(dá)法在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

黑明昌

摘要： 在隧道開挖過(guò)程中，提前發(fā)現(xiàn)隧道前方的地質(zhì)情況，為施工方提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，對(duì)減少和預(yù)防工程事故的發(fā)生非常重要。通過(guò)采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)南罕隧道進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)分析，結(jié)果表明： 地質(zhì)雷達(dá)法在超前預(yù)報(bào)隧道中不良地質(zhì)因素是可行的，結(jié)果真實(shí)可靠，可為其它隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供參考與借鑒。

Abstract： In the tunnel excavation process， it is very important to early find the geological conditions in front of the tunnel and to provide accurate geological data for the construction side for reducing and preventing the occurrence of engineering accidents. The Ground Penetrating Radar（GPR） is used for geological prediction of Nanhan tunnel， and the results show that the GPR is feasible in the advanced geological prediction of tunnel， the result is true and reliable， and it can provide reference for the advanced geological prediction of other tunnels.

關(guān)鍵詞： 地質(zhì)雷達(dá)；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)；公路隧道

Key words： Ground Penetrating Radar（GPR）；advanced geological prediction；highway tunnels

中圖分類號(hào)：U452.1+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）22-0181-02

0 引言

目前，為了改善民生和發(fā)展經(jīng)濟(jì)，我國(guó)每年投資成百上千萬(wàn)資金來(lái)修建高速公路。在修建高速公路工程中，為了縮短里程，改善線形及保護(hù)環(huán)境，在高山重丘地區(qū)常常需要開挖隧道。因此，隧道建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，其在交通建設(shè)中的地位也更加突出。在隧道施工過(guò)程中，時(shí)常因?yàn)閷?duì)前方地質(zhì)情況不明，遇到很多不良的地質(zhì)因素，影響隧道工程的掘進(jìn)速度，甚至?xí)斐蓢?yán)重的工程事故。為了保證工程質(zhì)量和避免險(xiǎn)情發(fā)生，引入了地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)是一種綜合有效的地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，它與通訊雷達(dá)一樣，是利用高頻電磁波脈沖信號(hào)的反射來(lái)探測(cè)隧道前方地質(zhì)情況的。因此，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)地下工程的質(zhì)量和施工安全，特別是地下復(fù)雜，規(guī)模較大的隧道工程，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也對(duì)其他類似工程地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用也具有很大的推動(dòng)作用。

1 工程概況

元蔓高速南罕隧道位于云南省紅河州元江縣至蔓耗鎮(zhèn)境內(nèi)，起止點(diǎn)樁號(hào)為K1+750～K4+215，隧道起點(diǎn)～K2+281.96位于R=1440的圓曲線上，K2+281.96～K3+311.87位于i=2%直線上，K3+311.87～終點(diǎn)位于R=1440的圓曲線上；隧道所在的路段縱坡為1.2%。隧址區(qū)氣候?qū)賮啛釒С睗駳夂颍昃鶜鉁?0.3℃，年均降雨量802.3mm，年均蒸發(fā)量2735.1mm。隧道區(qū)海拔高程介于500～740m之間，相對(duì)高差約240m。該段地勢(shì)陡峻，地形起伏較大，現(xiàn)多為荒地。隧道區(qū)左側(cè)有鄉(xiāng)村公路通過(guò)，交通較為便利。

2 水文和工程地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查、鉆探編錄資料分析，隧道區(qū)出露地層有第四系殘坡積（Q■■）層、第三系（N）和元古界哀牢山群鳳港組（Ptf）。第四系殘坡積（Q■■）：圓礫，褐紅色，稍密，少量次棱角狀；粉質(zhì)粘土，褐黃色、褐黃色，硬塑，稍濕。第三系（N）層：上層砂礫巖，灰白色，強(qiáng)風(fēng)化，成巖性差，抗沖刷能力極差；下層砂礫巖，灰、深灰色，中風(fēng)化，以礫巖為主，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，巖體稍完整。元古界哀牢山群鳳港組（Ptf）層：片麻巖，灰、青灰色，中風(fēng)化，變晶結(jié)構(gòu)，片麻狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙弱發(fā)育。隧道區(qū)未見構(gòu)造發(fā)育的跡象，亦未見泥石流、滑坡崩塌等其他不良地質(zhì)作用發(fā)育，場(chǎng)地較穩(wěn)定。

隧道區(qū)段地表水系不發(fā)育，水量受區(qū)內(nèi)降雨及季節(jié)性影響較大，區(qū)域上屬元江水系。隧道區(qū)段地下水類型為第四系孔隙水及基巖裂隙水。第四系孔隙水多賦存于第四系松散土體中，多以潛水形式出現(xiàn)，水量很少；基巖裂隙水賦存于下伏基巖裂隙中，主要受大氣降雨補(bǔ)給。隧道正常涌水量為1150m3/d。雨季動(dòng)態(tài)系數(shù)采用1.5，預(yù)測(cè)隧道最大涌水量約1725m3/d。

3 檢測(cè)原理和意義

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)地質(zhì)雷達(dá)法是利用發(fā)射天線向前方介質(zhì)發(fā)射廣譜、高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到電性（介電常數(shù)、電導(dǎo)率）差異界面時(shí)將發(fā)生透射、折射和反射現(xiàn)象，同時(shí)介質(zhì)對(duì)傳播的電磁波也會(huì)產(chǎn)生吸收濾波和散射作用。用接收天線接收并記錄來(lái)自前方的反射波，采用相應(yīng)的處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)圖像結(jié)合工程地質(zhì)及地球物理特征進(jìn)行推斷解釋，對(duì)掌子面前方的工程地質(zhì)情況（圍巖性質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、圍巖完整性、地下水和溶洞等情況）進(jìn)行預(yù)測(cè)[1]。

預(yù)測(cè)和判定掌子面前方圍巖的工程地質(zhì)情況和隧道圍巖級(jí)別等信息[2]，為隧道施工支護(hù)提供技術(shù)依據(jù)、防止可能出現(xiàn)的工程險(xiǎn)情、確保合理的施工方法，促使隧道施工技術(shù)更加合理科學(xué)。

4 檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工作及結(jié)果

4.1 測(cè)線布置

現(xiàn)場(chǎng)采用臺(tái)階法預(yù)留核心土開挖，掌子面自穩(wěn)困難需要超前支護(hù)。本次地質(zhì)超前預(yù)報(bào)采用MALA X3M型地質(zhì)雷達(dá)，探測(cè)天線為100MHz屏蔽天線，點(diǎn)距0.10m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，測(cè)線按從左到右布置，如圖1所示。

4.2 掌子面地質(zhì)描述

掌子面圍巖以粉質(zhì)黏土為主，褐黃色，硬塑，干燥，并夾有少量圓礫及砂礫巖碎石；巖體極破碎呈散體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)狀雜亂，錘擊聲啞，強(qiáng)風(fēng)化；地下水類型為基巖裂隙水或孔隙水，受地表水影響較大，掌子面無(wú)滲水現(xiàn)象。地質(zhì)素描圖見圖2。

4.3 檢測(cè)結(jié)果

本次地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)探測(cè)范圍為掌子面前方Y(jié)K1+775～YK1+800，現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)采用Reflex處理軟件分析，地質(zhì)雷達(dá)剖面圖如圖3所示。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)得到的反射波圖像，結(jié)合隧道工程地質(zhì)勘察結(jié)果和掌子面圍巖特征，分析掌子面前方25m范圍地質(zhì)情況：

①探測(cè)剖面掌子面前方0～200ns時(shí)窗范圍內(nèi)（對(duì)應(yīng)里程范圍YK1+775～YK1+785，參考電磁波速0.1m/ns），在探測(cè)前方中部存在兩組電磁波反射信號(hào)，反射信號(hào)呈層面狀分布，同相軸連續(xù)性一般，局部錯(cuò)斷，頻率中等，信號(hào)振幅強(qiáng)度較強(qiáng)；結(jié)合掌子面地質(zhì)情況，初步判斷此區(qū)段范圍內(nèi)，圍巖與掌子面相近，以褐黃色硬塑狀粉質(zhì)黏土為主，并夾有少量圓礫及砂礫巖碎石，結(jié)構(gòu)為散體結(jié)構(gòu)，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理裂隙極發(fā)育，含水量較小。

②探測(cè)剖面掌子面前方200～500ns時(shí)窗范圍內(nèi)（對(duì)應(yīng)里程范圍YK1+785～YK1+800，參考電磁波速0.1m/ns），探測(cè)剖面前存在一組震蕩明顯的電磁波反射信號(hào)，同相軸較連續(xù)，頻率中等偏高，振幅一般，初步判斷此區(qū)段范圍為圍巖接觸變化帶，圍巖可能向全風(fēng)化砂礫巖轉(zhuǎn)變，圍巖較掌子面稍好，以褐黃色硬塑狀粉質(zhì)黏土為主，并夾有大量砂礫巖碎石，結(jié)構(gòu)為散體結(jié)構(gòu)，極破碎，強(qiáng)風(fēng)化，含水量較小。

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D70-2004、《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》JTG C20-2011及本次探測(cè)成果，結(jié)合兩階段施工圖設(shè)計(jì)及詳細(xì)勘察成果，綜合判定YK1+775～YK1+800圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)（YK1+775～YK1+800段原設(shè)計(jì)為Ⅴ級(jí)）。

5.2 建議

①超前預(yù)報(bào)段（樁號(hào)YK1+775～YK1+800）為進(jìn)洞淺埋段，該段圍巖極破碎，強(qiáng)風(fēng)化，自穩(wěn)性極差，施工過(guò)程中該段可能存在冒頂坍方、側(cè)壁失穩(wěn)、掉塊的現(xiàn)象。施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照“短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、快循環(huán)”的施工原則，以確保隧道施工安全。

②及時(shí)對(duì)洞口坡面及仰坡采取預(yù)加固處理措施，對(duì)洞口開挖，做好暗洞的超前支護(hù)施工。避免開挖不當(dāng)或支護(hù)不及時(shí)造成失穩(wěn)，并嚴(yán)格控制超前支護(hù)的質(zhì)量，同時(shí)進(jìn)行仰拱施工，盡早成環(huán)，以保障現(xiàn)場(chǎng)施工人員及設(shè)備的安全。

③施工時(shí)各工序均應(yīng)做好排險(xiǎn)工作，在加緊錨桿施做、鋼筋網(wǎng)掛設(shè)、鋼支撐安裝及噴射混凝土的同時(shí)應(yīng)派專人進(jìn)行圍巖觀察，以防圍巖坍塌危及人員設(shè)備安全。

④YK1+775～YK1+800為進(jìn)洞淺埋段，受地表水影響較大，應(yīng)加強(qiáng)地表排水和截水措施，避免造成邊仰坡失穩(wěn)和地表水滲透到隧道內(nèi)。

⑤加強(qiáng)洞內(nèi)和地表的監(jiān)控量測(cè)工作，出現(xiàn)異常變形，及時(shí)通知參建各方，及時(shí)采取相應(yīng)措施進(jìn)行處治。

參考文獻(xiàn)：

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