公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報中地質(zhì)雷達(dá)的運用

魏成義

（中鐵科學(xué)研究院有限公司成都分公司，四川 成都 610000）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，交通事業(yè)發(fā)揮的重要作用愈加明顯，在近幾年中我國加大了對高速公路的建設(shè)工作，隧道是公路工程建設(shè)的重點，由于受到不同地質(zhì)以及巖土巖性的變化等影響，因此隧道工程在施工時都會開展對隧道的超前地質(zhì)預(yù)報以掌握掌子面前方的地質(zhì)條件，這樣做的目的就是能夠保障隧道的正常施工，減少建設(shè)風(fēng)險的發(fā)生。為了能夠更好地進(jìn)行隧道的開挖，需要借助地質(zhì)雷達(dá)等了解地質(zhì)狀況，在進(jìn)行超前的預(yù)報后能夠促進(jìn)隧道順利施工，提升施工的效率。

1 地質(zhì)雷達(dá)的基本原理

作為無損探測儀器，地質(zhì)雷達(dá)用于確定地下介質(zhì)分布的光譜技術(shù)，它主要借助電磁波脈沖進(jìn)行工作，并且還根據(jù)地下傳播的原理，在發(fā)射天線T 后，能夠被地下的埋藏物反射，使用接收天線接收相關(guān)的反射信息，當(dāng)這些信號在記錄下來后能夠顯示出成像圖[1]。工程人員能夠借助波形資料和相應(yīng)的接受波幅度等，對介質(zhì)的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行推斷，實際上電磁波之所以能夠在介質(zhì)界面上出現(xiàn)反射，其主要是因為兩側(cè)的介質(zhì)常數(shù)有差異，其差異值越大，反射的信號也就變的越強烈，相反信號就會變得越來越差。

2 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報技術(shù)類型

2.1 地質(zhì)預(yù)報技術(shù)

雷達(dá)地質(zhì)預(yù)報技術(shù)能夠確定預(yù)報長度，明確其長短，其與電磁波在巖體中傳播的特性有直接的關(guān)系。電磁波在傳播過程中能夠在完整性能較好地在巖體中傳播中直接射透，并且對于堅硬均勻的巖體具有透射能力強的特征，而電磁波的反射系數(shù)越大，接收到的準(zhǔn)確信號也會增強，所預(yù)報長度也會出現(xiàn)適當(dāng)放長的情況。在對隧道圍巖的基本特征進(jìn)行剖析，最終所預(yù)報的長度很可能就在20 m～30 m。在選擇介電常數(shù)時，需要對圍巖介質(zhì)介電常數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，這也是比較關(guān)鍵的部分，能夠提升雷達(dá)地質(zhì)預(yù)報結(jié)果的可靠性。巖體的介電常數(shù)在選擇時都是在5～8，在確定具體的數(shù)值時，還是要根據(jù)巖性進(jìn)行有效的確定，圍巖的含水率也會對圍巖介質(zhì)的介電常數(shù)產(chǎn)生重要的影響，在選擇時還會考慮到圍巖的含水率，在對其進(jìn)行適合的調(diào)整和完善。相關(guān)人員借助雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報時，需要結(jié)合不同的測程，結(jié)合線測和點測的方式，或者線測、點測的方式，對這些方式進(jìn)行對比分析后，得出不同的測試結(jié)果，在第一時間反映出圍巖發(fā)生不良地質(zhì)的情況。針對一些圍巖完整性能較好的圍巖，其測程為700 ns，對于破碎的圍巖，測程相應(yīng)的降低，即為300 ns。

2.2 探地雷達(dá)法預(yù)報技術(shù)的應(yīng)用

探地雷達(dá)法預(yù)報技術(shù)是在隧道工作面的前方采用連續(xù)掃描電磁波反射曲線疊加進(jìn)行傳播電磁波或者反射的一項技術(shù)，再根據(jù)所測出的反射脈沖波，對隧道面與反射面的距離進(jìn)行有效的計算。電磁波還能夠有效識別水域存在的風(fēng)險，其能力相對較強。因此，針對含水地區(qū)或處于斷裂帶的位置，施工人員可以選擇探測雷達(dá)方法，以對數(shù)據(jù)的精度開展有效計算，而對于短距離的隧道，應(yīng)該慎重選擇這一方法，其主要是受到隧道施工設(shè)備的影響，所測出的結(jié)果會與實際出現(xiàn)較大偏差。

2.3 超前預(yù)報法

超前預(yù)報法主要是施工人員在施工之前在隧道中借助適當(dāng)?shù)恼ㄋ?，再將其作為震源之后，震源所產(chǎn)生的地震波在遇到一些比較差的地質(zhì)時，就會發(fā)生反射波，這時施工人員再根據(jù)這一方法所提供的數(shù)據(jù)，如反射波方向、傳播速度、反射波的波形等反射波的時間等進(jìn)行一一分析和計算，最后施工人員借助這些數(shù)據(jù)了解到當(dāng)前地質(zhì)的情況，并設(shè)計出隧道相關(guān)的圖片，對可能出現(xiàn)的問題展開預(yù)測和反復(fù)驗證。

超前預(yù)報方法的流程如下：1）相關(guān)人員做好提前的準(zhǔn)備工作，提前收集好地質(zhì)勘察的資料，并對原來的勘測成果等進(jìn)行搜集，在研究中了解到隧道通過不良地質(zhì)或者不同地層巖性的地段所展現(xiàn)出的規(guī)律，通過把握隧道所要穿過的高風(fēng)險地段位置和長度、類型和特征后，能夠分析出勘察工作中存在的不足。2）對掌子面地質(zhì)進(jìn)行描述。對掌子面所處于的位置（樁號）進(jìn)行了解，并對圍巖的巖性、圍巖的結(jié)構(gòu)、圍巖的構(gòu)造和圍巖的強度等進(jìn)行掌握，同時還能夠?qū)λ帢?gòu)造的部位、風(fēng)化的程度和裂痕、是否發(fā)生漏水的情況、圍巖的穩(wěn)定性和完整性等，能夠準(zhǔn)確地推斷出掌子面的不良地質(zhì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險，這些都是能夠成為超前地質(zhì)預(yù)報提供資料，這些觀察數(shù)據(jù)也為之后開展預(yù)報工作提供了重要依據(jù)，找出探測工作的有效手段[2]。

3 案例分析

3.1 工程的主要概況

該預(yù)報的隧道工程名稱是：國家高速公路菏澤至寶雞聯(lián)絡(luò)線（G3511）陜西境旬邑至鳳翔高速公路工程TJ-8 標(biāo)段老君頂隧道，設(shè)計速度80 km/h，雙向四車道，老君頂隧道是淺埋的隧道，隧道進(jìn)口主要采用全斷面方法進(jìn)行有效的施工。

3.2 工程的地質(zhì)情況和水文的情況

工程地質(zhì)情況和水文情況如下：1）老君頂隧道位于鳳翔縣黃土丘陵地區(qū)，屬中、低山地貌，剝蝕堆積地形，海拔 850 m～1060 m，相對切割為50 m～200 m，多數(shù)呈“V”字形，絕大部分丘陵、山坡已被開墾，坡面流水侵蝕強烈，黃土崩塌重力地貌發(fā)育，微地貌有黃土沖溝、塬梁、山脊、道路、梯田等。隧道進(jìn)口地勢陡峻，坡角約65°，高差約70 m，為一灰?guī)r陡坎，上覆厚層黃土，其上為農(nóng)田；隧道出口地勢較陡，坡角約51°，黃土質(zhì)斜坡，目前邊坡整體穩(wěn)定，左洞軸線地面高程介于861.97 m～869.81 m，高差7.84 m（右線862.19 m～870.83 m，高差8.64 m），總體來看該區(qū)域地形較為簡單。2）地質(zhì)情況。地層巖性根據(jù)地調(diào)與地質(zhì)鉆探結(jié)合區(qū)域資料，揭示該區(qū)域主要地層：第四系雜填土（Q42ml）、第四系坡積亞黏土（Q41dl）、新黃土（Q3eol）、老黃土（Q2eol）、二疊系礫巖（P）和奧陶系（O）灰?guī)r。進(jìn)口為中風(fēng)化灰?guī)r，隧道出口為粉質(zhì)黏土，隧道洞身圍巖地層巖性單一，主要為老黃土和中風(fēng)化～微風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，工程地質(zhì)條件一般。據(jù)鉆探及外野地質(zhì)調(diào)繪，可分為如下6 個工程地質(zhì)層，9 個工程地質(zhì)亞層：①1 雜填土（Q42ml）：雜色、主要由混凝土、基巖碎塊混少量黏性土，含有磚瓦塊等硬雜質(zhì)，呈無規(guī)則堆積。②粉質(zhì)黏土（Q41dl）：一級階地表層沉積，棕褐色、濕、可塑，結(jié)構(gòu)不均勻，含礫石，表層耕作土中含大量植物根系。③1 新黃土（Q3eol）：風(fēng)積形成，分布在低山頂部和斜坡地帶，厚度變化大。淺黃色、稍濕、硬塑，土質(zhì)較均勻，結(jié)構(gòu)疏松，含菌絲狀白色鈣質(zhì)條紋及結(jié)核、垂直節(jié)理發(fā)育。地表水概況：老君頂隧道穿越老君頂黃土坮塬，隧道進(jìn)口位于通往姚家溝的公路旁邊的大和采石場，隧道出口位于老君頂西側(cè)的野狐溝內(nèi)，隧道洞身兩側(cè)沖溝內(nèi)沒有穩(wěn)定的地表水，為間斷性流水，地表水相對貧乏，主要受大氣降水、山體滲水補給，水流量很小。地下水概況：根據(jù)隧址區(qū)沿線含水介質(zhì)及埋藏條件，地下水主要為松散巖類孔隙水和基巖孔隙裂隙水。

3.3 綜合探測技術(shù)的應(yīng)用

由于該地區(qū)地勢比較特殊，地形比較復(fù)雜，且該隧道進(jìn)口段發(fā)育有灰?guī)r溶洞，在選擇探測技術(shù)時，都會選擇2 種不同的探測技術(shù)，即超前地質(zhì)預(yù)報雷達(dá)技術(shù)和TSP 超前地質(zhì)預(yù)報（隧道地質(zhì)超前預(yù)報方法中也包括超前鉆孔法和地質(zhì)雷達(dá)法、TSP 法）。

該文主要介紹了老君頂隧道工程為例，該隧道的埋深深度較淺，隧道進(jìn)口右線掌子面在預(yù)報中發(fā)現(xiàn)其洞內(nèi)發(fā)育有灰?guī)r溶洞，因此，在進(jìn)行地質(zhì)超前探測時，施工人員需要對掌子面前方以及周圍溶洞發(fā)育的情況進(jìn)行掌握，在掌子面進(jìn)行地質(zhì)超前探測，能夠減少事故的發(fā)生，及時為施工提供出更多有價值的信息和數(shù)據(jù)。

3.3.1 采用TSP 超前地質(zhì)預(yù)報的方法

3.3.1.1 觀測系統(tǒng)的設(shè)計

隧道進(jìn)口左線在施工時主要采用全斷面開挖法開挖。接收器位置里程樁號是YK325+849，掌子面的樁號為YK325+907，炮孔的數(shù)量在設(shè)計時主要運用了24 個，并且這2 個接收器能夠同時的接收隧道左側(cè)邊墻和右側(cè)的邊墻。其觀測系統(tǒng)的詳細(xì)情況見表1。

表1 觀測系統(tǒng)的設(shè)計

由圖1 也可以得知，掌子面與接收器相距的距離為58 m，并且接收器與第一個炮孔的位置相距18 m。

3.3.1.2 儀器參數(shù)和數(shù)據(jù)采集的過程

該項目所使用的儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，主要運用x-y-z三分量對信號進(jìn)行接收，每一個采樣需要間隔62.5 μs，記錄的長度為451.125 ms。為了能夠?qū)Φ卣鸩ㄟM(jìn)行激發(fā)，需要應(yīng)用無爆炸延期的瞬發(fā)電雷管和防水乳化炸藥，激發(fā)藥量在100 g 以內(nèi)，第二個炮孔為150 g，在起爆之前需要進(jìn)行封堵工作，采用注水的方式達(dá)到封堵目的。

3.3.1.3 施工的建議工作

在做好各項觀測的準(zhǔn)備和超前預(yù)報探測數(shù)據(jù)分析后，其TSP 超前預(yù)報探測的成果為YK325+907-YK326+007 段提出了相關(guān)建議：

在該段10 m～20 m 處位置需要做好防護(hù)的工作。根據(jù)探測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)該段掌子面前方圍巖位置發(fā)現(xiàn)有破碎的情況，存在溶洞溶蝕裂隙帶的危險；根據(jù)預(yù)報探測的結(jié)果得出該圍巖總體上的性能較差，穩(wěn)定性不足，在施工中隨時關(guān)注掌子面信息并及時反饋。

總結(jié)：根據(jù)本次TSP 超前預(yù)報探測數(shù)據(jù)的分析情況了解到，掌子面前方里程段YK325+907-YK326+007 可能存在溶洞溶蝕裂隙帶。

3.3.2 超前地質(zhì)預(yù)報地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用方法

3.3.2.1 地質(zhì)雷達(dá)法的選擇和應(yīng)用

地質(zhì)雷達(dá)是一種借助高頻電磁波技術(shù)對地下物體進(jìn)行探測的設(shè)備，該方法的基本原理就是發(fā)射機在發(fā)射脈沖寬度為0.1 ns 的脈沖電磁波訊號，訊號會在巖層中遇到探測的目標(biāo)時發(fā)出反射的訊號，直達(dá)訊號或者反射的訊號都能夠借助天線輸入接收機中，然后再將其放大后顯示出相關(guān)的信息[3]。如果示波器中發(fā)現(xiàn)發(fā)射訊號，則可以直接判定是否有被測的目標(biāo)，進(jìn)而直接計算出探測的目標(biāo)或者具體的距離。地質(zhì)雷達(dá)探測會選擇不同的探測儀器，其主要對公路的地基和鋪層、溶洞等進(jìn)行廣泛檢測。該本檢測的項目中，老君頂隧道在前期的施工過程中發(fā)現(xiàn)圍巖中存在溶洞的情況，這時檢測人員在采用TSP 超前地質(zhì)預(yù)報的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)法對掌子面前方的距離開展了超前預(yù)報，共完成的地質(zhì)雷達(dá)測線共2 條。圖2 為掌子面2 條測線布置的示意圖。

3.3.3.2 地質(zhì)雷達(dá)測試的結(jié)論

根據(jù)對里程樁號為YK325+907-YK325+937 段進(jìn)行探測，雷達(dá)波形的情況見表2。

表2 地質(zhì)雷達(dá)探測的結(jié)果顯示

3.3.3.3 探測隧道掌子面巖體的分布情況和性質(zhì)

項目組的人員主要采用地質(zhì)雷達(dá)的方式，對隧道掌子面巖體的性質(zhì)分布情況進(jìn)行探測，首先，選擇適合的儀器設(shè)備。該勘測在工作時主要選用的雷達(dá)為美國勞雷SIR-4000 型地質(zhì)雷達(dá)，其工作原理如下所示：分析軟件；同步裝置；發(fā)射器；天線；接觸面；目標(biāo)體；天線；接收器；轉(zhuǎn)換裝置；同步裝置；分析軟件。在配備好收發(fā)的天線或者資料處理軟件、計算機后，做好設(shè)備的工作流程和性能指標(biāo)工作。

技術(shù)指標(biāo)工作的選擇，時間窗寬度為1 ns～2 000 ns；發(fā)射機脈沖重復(fù)率為115 kHz；最大掃描的頻率為每秒保持56 次；每一掃跡樣點數(shù)量為512；增益的范圍為指數(shù)時間變量增益功能和用戶選擇的線性；可調(diào)增益控制的范圍為0～80 dB，動態(tài)范圍在128 dB。

3.3.3.4 測線的布置方案

通過TSP 了解到該隧道掌子面里程YK325+907 前方0～30 m 位置的巖體地質(zhì)情況進(jìn)行測線的探查，掌子面位置自左向右、自右向左共布置二條測線，探測線長7.4 m，在進(jìn)行時采用連續(xù)測法。

3.3.3.5 地質(zhì)雷達(dá)探測的成果顯示

測線1、2：探測的結(jié)果為測線在10 m～20 m 圍巖破碎，穩(wěn)定性差，推測局部發(fā)育有溶洞或溶蝕裂隙帶。

由此可見，在對國家高速公路菏澤至寶雞聯(lián)絡(luò)線（G3511）陜西境旬邑至鳳翔高速公路工程TJ-8 標(biāo)段老君頂隧道進(jìn)行預(yù)報探測，對隧道掌子面的圍巖情況情況進(jìn)行探測，其結(jié)果相比，在TSP 基礎(chǔ)上進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用，能夠?qū)嶋H現(xiàn)場開挖的圍巖情況進(jìn)行揭露，并且還能夠準(zhǔn)確地對掌子面前方不良的地質(zhì)情況進(jìn)行超前預(yù)報，為隧道施工提供了重要依據(jù)和素材，保障隧道施工的安全。

4 結(jié)語

超前地質(zhì)預(yù)報中應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)能夠更快地分辨出溶洞的規(guī)模、尺寸，在近距離觀測到隧道的地質(zhì)條件和不良地質(zhì)后，能夠為隧道施工做好提前的準(zhǔn)備和保障[4]。該文在對常見的地質(zhì)預(yù)報方法進(jìn)行分析后，以具體的案例進(jìn)行分析，在使用地質(zhì)雷達(dá)方法進(jìn)行超前的預(yù)報后，通過對該工程進(jìn)行介紹后，讓勘測人員和施工人員借助完整巖體的地質(zhì)雷達(dá)特征圖像了解巖體的情況和地質(zhì)構(gòu)造，通過觀看地質(zhì)雷達(dá)探測的成果，以了解到該隧道是否有發(fā)生斷層和裂隙的危險，在及時做好充分的準(zhǔn)備和解決對策后，全面提升隧道施工的安全性，為順利施工提供重要依據(jù)。