劉　偉，趙馮兵

(重慶能源職業(yè)學(xué)院, 重慶 402260)

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地質(zhì)雷達(dá)在舟白復(fù)線隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

劉偉，趙馮兵

(重慶能源職業(yè)學(xué)院, 重慶 402260)

【摘要】地質(zhì)雷達(dá)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)情況下隧道圍巖的超前預(yù)報(bào)工作。文章介紹了SIR-20地質(zhì)雷達(dá)的工作原理，并以舟白復(fù)線隧道的超前預(yù)報(bào)為例，詳細(xì)地論述了使用SIR-20地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前探測的布點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理及雷達(dá)特征圖像的分析等問題。并將探測預(yù)報(bào)結(jié)果與圍巖實(shí)際情況進(jìn)行比較，驗(yàn)證了這種超前探測技術(shù)的可信度。

【關(guān)鍵詞】隧道工程；超前探測；地質(zhì)雷達(dá)

隧道設(shè)計(jì)和施工前的工程地質(zhì)勘察,雖然在一定程度上對隧道的地質(zhì)狀況進(jìn)行了預(yù)測、預(yù)報(bào)，但由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性，尤其是經(jīng)歷過強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的地區(qū)，勘察資料與隧道開挖后的實(shí)際情況通常會(huì)有較大的出入。而由于勘察資料的不準(zhǔn)確，給圍巖定級(jí)及施工帶有很大的盲目性，從而出現(xiàn)塌方、冒頂、涌水等安全事故,對工程安全、質(zhì)量、工期、投資等帶來了極大的隱患。因此，在地質(zhì)條件復(fù)雜地段，在隧道開挖前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，掌握掌子面前方圍巖的情況，采取措施消除不良地質(zhì)情況帶來的影響，對于保證施工安全有極為重要的作用。

1舟白復(fù)線隧道

1.1工程概況

工程位于重慶市黔江區(qū)境內(nèi)，項(xiàng)目位置在黔江區(qū)城東街道、舟白街道區(qū)域內(nèi)，是黔江主城老城區(qū)至舟白組團(tuán)重要干線。道路平面起點(diǎn)接黔江新華大道，在原舟白隧道洞口右側(cè)布置一條長1.37 km的單向三車道隧道穿越山體，上跨黔江正舟路(形成半互通立交)，終點(diǎn)接黔江學(xué)府三路與學(xué)院西路形成的交叉口。

1.2現(xiàn)場情況及隧道環(huán)境狀況

根據(jù)勘察報(bào)告，里程K0+375～K0+420段地層巖性主要為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，巖體破碎，含巖溶水，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí),[BQ]≤250，為無瓦斯段。水文地質(zhì)條件較簡單，為相對隔水層，地下水呈滴狀滲出，進(jìn)口段有南海堰滲漏。巖層傾角陡，裂隙多為陡傾裂隙，無自穩(wěn)能力，拱部無支護(hù)時(shí)可能產(chǎn)生大規(guī)模坍塌。

里程K0+415～K0+739段隧道洞深埋藏10.35～72.57 m，巖性主要為二疊系中統(tǒng)茅口組(Pm)灰?guī)r，夾泥質(zhì)灰?guī)r，巖體較完整，圍巖等級(jí)為Ⅲ級(jí),為無瓦斯段。根據(jù)收集到的舟白隧道竣工圖資料，進(jìn)洞口段可能存在地下暗河。

2圍巖超前預(yù)報(bào)

2.1預(yù)報(bào)目的

通過超前預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，為正確選擇開挖斷面、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧道涌水、突泥、突氣等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息，使工程單位提前做好施工準(zhǔn)備，保證施工安全，同時(shí)還可節(jié)約大量資金。所以隧道超前預(yù)報(bào)對于安全科學(xué)施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節(jié)約投資等具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2預(yù)報(bào)方法

本次超前探測選用SIR-20地質(zhì)雷達(dá)是由雷達(dá)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率相對穩(wěn)定的電磁波，通過雷達(dá)主控制器對信號(hào)脈沖寬度、相位、衰減度、指數(shù)增益等一系列技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)諧調(diào)頻，并進(jìn)行信號(hào)樣點(diǎn)數(shù)字化、信號(hào)疊加處理，然后由主控器通過信號(hào)高保真電纜和屏蔽天線將信號(hào)以一定的方向角向探測方向發(fā)射，電磁波遇到有電性差異的目的體后會(huì)發(fā)生反射，反射回來的電磁波被天線再次接收，并返回到雷達(dá)的信號(hào)接收處理器內(nèi)。經(jīng)處理后的雷達(dá)信號(hào)分兩路傳送：一路直接傳送給雷達(dá)顯示器，通過“四色原理”將雷達(dá)信號(hào)以彩色形式直接顯示在視頻顯示器上，其顯示速度與天線運(yùn)行速度保持同步；另一路進(jìn)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，內(nèi)存將所有技術(shù)參數(shù)連同雷達(dá)信號(hào)資料進(jìn)行保存，以便進(jìn)行回放和更深入一步的處理。所有雷達(dá)的專業(yè)處理、反演解釋軟件均可安裝在通用計(jì)算機(jī)上來完成，雷達(dá)主控器、內(nèi)存可直接與通用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，將雷達(dá)數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行更高級(jí)的處理和解釋(圖1)。電磁波遇到不同電性反射界面后振幅和相位發(fā)生變化，介質(zhì)電性差異大小決定了電磁波反射的振幅強(qiáng)弱程度和其相位的正負(fù)。巖石破碎程度及其含水量情況是影響其電性常數(shù)的主要因素，根據(jù)測量結(jié)果判定掌子面前方的圍巖變化情況。

(a) 電磁波遇到地下物體后的反射示意

(b) 探地雷達(dá)紀(jì)錄的回波曲線圖1　地質(zhì)雷達(dá)基本原理

2.3探測點(diǎn)布置

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的頻率根據(jù)隧道長度、水文地質(zhì)、掌子面觀察、初期支護(hù)觀察、監(jiān)控量測以及業(yè)主的要求等確定。對于本工程隧道每掘進(jìn)20 m探測一次，有效探測距離大約為20～30 m，每次重疊2～5 m。采用100 MHz天線，根據(jù)隧洞地質(zhì)條件的復(fù)雜程度，剖面采用“一”字型、“十”字型或“井”字型布置(圖2)，同時(shí)還需對左右側(cè)壁進(jìn)行探測，測線長度應(yīng)大于20 m，且與前次表面雷達(dá)測線至少重疊2 m以上。實(shí)際檢測時(shí)以掌子面布置的②線及⑤線為主，掃描的方向?yàn)閺挠抑磷蟆?/p>

圖2　地質(zhì)雷達(dá)測線布置

3超前探測檢測結(jié)果

3.1完成工作量

此次超前探測項(xiàng)目，主要針對里程K0+375～K0+420段Ⅴ級(jí)圍巖和K0+415～K0+739段Ⅲ級(jí)圍巖，每隔20 m使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前探測，共進(jìn)行了19次。

3.2探測成果

通過分析測線②及測線⑤的雷達(dá)特征圖像，將其與斷層破碎帶、裂隙帶、富水帶、巖溶洞穴、巖性變化帶等不良地質(zhì)現(xiàn)象的波形圖進(jìn)行比對，在不同里程樁號(hào)發(fā)現(xiàn)了幾處小型溶穴、富水帶及巖體破碎帶。

在隨后的隧洞開挖過程中，在相應(yīng)地段地層中確實(shí)出現(xiàn)了以上不良地質(zhì)現(xiàn)象，驗(yàn)證了SIR-20地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果的可信性。

具體探測結(jié)果如下:

(1) 里程樁號(hào)K0+380～K0+420段，分兩段進(jìn)行了兩次超前探測。通過開挖前對掌子面的觀察，結(jié)合探測波形圖推測掌子面前方圍巖巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地下水等與掌子面的情況為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，巖體破碎主要結(jié)構(gòu)面結(jié)合差，節(jié)理發(fā)育，地下水較豐富，開挖面有股狀、淋雨?duì)畛鏊瑖鷰r穩(wěn)定性較差。并且根據(jù)第二次探測的波形(圖3)，推斷能在K0+405段有空洞(或溶洞)，大致深度為2 m左右并伴有地下水。

圖3　測線②及測線⑤典型檢測波形圖

在實(shí)際開挖過程中，在這一段圍巖中發(fā)現(xiàn)了小型溶洞，與探測基本吻合(圖4)。

圖4　掌子面實(shí)拍

(2)里程樁號(hào)K0+420～K0+510段，通過對所得的波形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，圍巖巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、地下水等巖體應(yīng)為夾泥質(zhì)灰?guī)r，巖體較完整，局部有少量滲水，該區(qū)段圍巖巖性無較大的變化。典型波形圖見圖5，其掌子面實(shí)物圖見圖6。

圖5　典型波型圖

圖6　實(shí)拍掌子面圍巖

(3)里程樁號(hào)K0+510～K0+713段，圍巖出現(xiàn)較大變化,通過地質(zhì)雷達(dá)超前探測，發(fā)現(xiàn)了數(shù)處小溶洞以及富水區(qū)域。

如K0+567～K0+587段，測線②和測線⑤的反射波振幅總體變化為起始波較均勻，逐漸減弱后又增強(qiáng)的變化趨勢，則可以推出掌子面前方20 m范圍與開挖掌子面大致相符,或可能出現(xiàn)較軟質(zhì)巖，或小面積不規(guī)則的溶洞(圖7)。

(a)測線②　　　　　　(b)測線⑤圖7　測線②及測線⑤典型檢測波形圖

(4)里程K0+693～K0+713段測線②的反射波振幅總體變化為起始波較均勻，逐漸減弱后又增強(qiáng)的變化趨勢，則可以推出掌子面前方20 m范圍與開挖掌子面大致相符或可能出現(xiàn)較軟質(zhì)巖。測線⑤得出K0+699～K0+713段掌子面右側(cè)3 m處應(yīng)為富水區(qū)域(圖8)。

(a)測線②　　　　　　(b)測線⑤圖8　測線②及測線⑤典型檢測波形圖

4結(jié)束語

(1)在隧道開挖時(shí)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對于制定施工方案、消除不良地質(zhì)帶來的安全隱患十分有用。而地質(zhì)雷達(dá)作為其中的一種超前探測方法，通過此工程的應(yīng)用效果，充分證明了其實(shí)用性及可信度。因此，在以后的隧道施工中，應(yīng)該推廣使用。

(2)通過應(yīng)用也發(fā)現(xiàn)了一些問題：

①地質(zhì)雷達(dá)圖像具有多解性，僅憑雷達(dá)波形圖來分析前方地層情況，結(jié)果可信度不夠。因此，在進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)，可將地質(zhì)雷達(dá)探測與掌子面的觀測、超前鉆孔探查等方法結(jié)合起來，可以有效提高預(yù)報(bào)的可信度。

②施工對地質(zhì)雷達(dá)的探測結(jié)果影響較大，雷達(dá)圖像極易受到周圍環(huán)境的干擾，使得我們的波形圖與實(shí)際情況有較大出入。在實(shí)際操作時(shí)，應(yīng)該謹(jǐn)慎，盡可能排除掉干擾因素。

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[基金項(xiàng)目]項(xiàng)目名稱：不良地質(zhì)條件下公路隧道監(jiān)控量測技術(shù)的研究，項(xiàng)目編號(hào):KJ 1405301

【中圖分類號(hào)】U452.1+1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2015-12-25