駱明進(jìn) 周廣文 劉水林
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道工程中的應(yīng)用
駱明進(jìn) 周廣文 劉水林
近年來(lái),隨著隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在隧道工程應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅速,特別是在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和工程質(zhì)量檢測(cè)工作中成為極其重要的角色。當(dāng)前,地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在工程檢測(cè)中具有顯著的應(yīng)用效果,其前景也被許多專業(yè)人士所看好。然而,地質(zhì)雷達(dá)雖然具有廣泛的用途和強(qiáng)大的功能,但是要想獲取準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果仍然是困擾工程技術(shù)人員的一大難題。在實(shí)際隧道工程施工實(shí)例中,在綜合各方面基本信息的基礎(chǔ)上,更應(yīng)注重現(xiàn)場(chǎng)圍巖巖性區(qū)分、地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)設(shè)置和掃描圖像判讀等方面的深入探究。
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)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)。
圍巖巖性為黃褐色含碎石粉質(zhì)粘土,下伏強(qiáng)風(fēng)化板巖,局部夾灰?guī)r,呈松散狀或角礫狀鑲嵌結(jié)構(gòu);地下水以松散裂隙水和基巖裂隙水為主,圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ=199,基本質(zhì)量指標(biāo)修正值[BQ]=98,電阻率值200~500 Ω·m。
測(cè)區(qū)位于云貴高原中部,屬構(gòu)造侵蝕、溶蝕高中山地貌,地形波狀起伏,海拔在1800~3500m之間。周邊地形險(xiǎn)峻,大雪山并聳立于金沙江兩岸,東南部有哈巴雪山、玉龍雪山,西部為怒山山脈,北部為梅里雪山。隧道區(qū)下伏基巖為二疊系虎跳峽澗區(qū)片理化玄武巖,可分為如下兩種:
(1)強(qiáng)風(fēng)化玄武巖:呈灰綠色,致密狀構(gòu)造,碎塊狀,裂隙發(fā)育,承載力基本容許值為680kPa,摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值為200kPa。
(2)中風(fēng)化玄武巖:灰綠色,致密構(gòu)造,呈大塊狀。承載力基本容許值為1200kPa。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的巖塊樣本(見下圖1、2、3),進(jìn)行表面觀察,地質(zhì)放大鏡詳細(xì)觀察,可得結(jié)果如表1所示:
表1 隧道掌子面巖樣特性
圖1 ①號(hào)隧道掌子面巖樣A
圖2 ①號(hào)隧道掌子面巖樣B
圖3 ②號(hào)隧道掌子面巖樣
①號(hào)隧道掌子面巖樣A長(zhǎng)度約為5cm,由于呈灰黑色板狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎且表面無(wú)明顯氣孔和礦物晶體,與稀鹽酸反應(yīng)亦無(wú)明顯現(xiàn)象。結(jié)合相關(guān)地質(zhì)知識(shí),初步判定為泥質(zhì)板巖。①號(hào)隧道掌子面巖樣B長(zhǎng)度約為4cm,為深灰色塊狀構(gòu)造,節(jié)理發(fā)育,巖體較破碎,與稀鹽酸反應(yīng)劇烈且有大量氣泡產(chǎn)生,且?guī)r樣表面用小刀能劃動(dòng),溶蝕面較為平整光滑,初步判定為以方解石為主要成分的石灰?guī)r。②號(hào)隧道掌子面巖樣長(zhǎng)度約為3cm,在外觀方面與①號(hào)隧道掌子面巖樣A較為相似,節(jié)理發(fā)育,巖體破碎,與稀鹽酸作用無(wú)明顯現(xiàn)象。但通過地質(zhì)放大鏡觀察可知其表面存在少量氣孔及礦物晶體,結(jié)合地質(zhì)相關(guān)知識(shí)可初步判定為二疊系玄武巖。
利用測(cè)井曲線形態(tài)特征和曲線值相對(duì)大小,結(jié)合從長(zhǎng)期實(shí)踐過程中積累的劃分巖性的規(guī)律來(lái)定性劃分巖性。通過鉆井取石和巖屑的錄井資料等與測(cè)井資料做對(duì)比分析,可總結(jié)出測(cè)井資料劃分巖性的地區(qū)規(guī)律。因此,為了進(jìn)一步確定所選取樣本巖性,根據(jù)已知的各種巖石部分測(cè)井特征范圍(表2),分別對(duì)三組巖樣進(jìn)行測(cè)井試驗(yàn),通過操作成型組合的測(cè)井儀器,統(tǒng)計(jì)所得測(cè)井結(jié)果值,可得部分測(cè)井特征如下表3所示:
表2 各種巖石部分測(cè)井特征范圍
表3 隧道掌子面巖樣材料測(cè)井特性近似值
根據(jù)上表測(cè)井特征值結(jié)合不同巖樣測(cè)井特征標(biāo)準(zhǔn)(表2)對(duì)照來(lái)看,①號(hào)隧道掌子面巖樣A聲波時(shí)差與體積密度在泥質(zhì)板巖的測(cè)井特征范圍內(nèi),且孔隙度和電阻率較低,可明顯區(qū)別于②號(hào)隧道掌子面巖樣,符合泥質(zhì)板巖的推測(cè);①號(hào)隧道掌子面巖樣B聲波時(shí)差與體積密度相對(duì)較小,孔隙度和電阻率與巖樣A相比顯著增大,對(duì)照表2可知,與推測(cè)的石灰?guī)r測(cè)井特征相同;②號(hào)隧道掌子面巖樣聲波時(shí)差和體積密度相比前二者偏大,電阻率也相對(duì)較大,根據(jù)表2中的參考值,不難看出較為符合玄武巖的測(cè)井特征值。
隧道施工掌子面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的深度與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)密不可分。相對(duì)介電常數(shù)表示介質(zhì)與以真空為介質(zhì)制形成的同尺寸電容器電容量之比。根據(jù)過往的文獻(xiàn)資料,可知:石灰?guī)r相對(duì)介電常數(shù)為6~7(本工程選取的參考值為7),玄武巖相對(duì)介電常數(shù)約為4(本工程選取的參考值為4),板巖的相對(duì)介電常數(shù)為6~7.5(本工程選取的參考值為7)。由于介電常數(shù)的大小受許多因素的影響,不僅與巖性有關(guān),而且跟巖體的含泥量、含水量也有密不可分的關(guān)系。本工程中所采集巖樣的含水量均較低,無(wú)法比較其影響程度,故在此不討論。測(cè)定泥質(zhì)含量不同的巖石介電常數(shù)與含泥量的關(guān)系如下圖4所示:
圖4 含泥量與巖石相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系
從圖4中可以看出,對(duì)于同種巖性而言,含泥量的百分比越大,其相對(duì)介電常數(shù)值也越高。針對(duì)不同巖性,相對(duì)介電常數(shù)的變化規(guī)律呈現(xiàn)出一致性。
地下介質(zhì)中電磁波波速v可根據(jù)近似的公式計(jì)算:
式中:c為光速;
式中:H為反射點(diǎn)的埋深;
v為電磁波在地下介質(zhì)中的波速。
由(1.1)、(1.2)以上2式,可得:
結(jié)合本工程所選定的3種不同類別巖性的相對(duì)介電常數(shù)參考值,可分別計(jì)算出泥質(zhì)板巖和石灰?guī)r巖性區(qū)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)最大深度約為20m,而二疊系玄武巖巖性區(qū)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)最大深度約為25m。通過之前含泥量與巖石相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系分析,地下介質(zhì)中電磁波波速減小,預(yù)報(bào)深度H值也隨之相應(yīng)減小。施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際所能預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確深度低于理論值,導(dǎo)致超出部分存在預(yù)報(bào)的誤差性和不確定性,在后續(xù)的開挖追蹤中,得到了有效可靠的實(shí)踐驗(yàn)證。
通過掌握某國(guó)家高速公路①號(hào)隧道和②號(hào)隧道掌子面地質(zhì)情況,現(xiàn)場(chǎng)快速識(shí)別掌子面巖性,并結(jié)合相關(guān)測(cè)井試驗(yàn)特征結(jié)果,在定性的基礎(chǔ)上,定量分析出不同隧道掌子面巖性。根據(jù)不同介質(zhì)對(duì)應(yīng)的相對(duì)介電常數(shù)的差異以及其影響因素,得出不同巖性區(qū)地質(zhì)預(yù)報(bào)最大理論深度。根據(jù)含泥量與巖石相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系分析,確定出實(shí)際所能預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確深度低于理論值,導(dǎo)致超出部分存在預(yù)報(bào)的誤差性和不確定性。在本工程開挖追蹤中得到了有效可靠的實(shí)踐驗(yàn)證,為后續(xù)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作提供了理論依據(jù)與參考。
(作者單位:駱明進(jìn),湖北星晨工程技術(shù)有限公司;周廣文、劉水林,湖北城市建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院)