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

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，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)。

一、工程實(shí)例

1.①號(hào)隧道工程地質(zhì)概況

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。

2. ②號(hào)隧道工程地質(zhì)概況

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，巖體破碎且表面無明顯氣孔和礦物晶體，與稀鹽酸反應(yīng)亦無明顯現(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。

二、掌子面巖性定性評(píng)價(jià)分析

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。

三、地質(zhì)雷達(dá)介電常數(shù)影響性分析

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。

5 結(jié)論

通過掌握某國家高速公路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)