劉 浩，楊榮豐，?，F(xiàn)強，周石庚

(1.湖南科技大學(xué) 頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室，湘潭 411201;2.中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司，長沙 410000)

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基于地質(zhì)雷達的隧道超前地質(zhì)預(yù)報研究

劉 浩1，楊榮豐1，?，F(xiàn)強1，周石庚2

(1.湖南科技大學(xué) 頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室，湘潭 411201;2.中國有色金屬長沙勘察設(shè)計研究院有限公司，長沙 410000)

結(jié)合乾山隧道工程實例，為探明樁號DK28+218處掌子面圍巖條件，運用地質(zhì)雷達與地質(zhì)素描相結(jié)合的短距離立體式的超前地質(zhì)預(yù)報手段；靈活地布置地質(zhì)雷達測線，對隧道掌子面以及拱頂?shù)膰鷰r條件進行探測，同時采用空間幾何的計算方法，對掌子面周邊斷層分布進行計算，運用CAD2010三維作圖將其展現(xiàn)出來，與探測結(jié)果相互映證.提出“復(fù)雜情況下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報不僅要預(yù)報掌子面前方圍巖條件，同時應(yīng)注重已開挖段拱頂圍巖條件”的地質(zhì)預(yù)報思想.乾山隧道含水破碎帶的成功預(yù)報表明，立體式的超前地質(zhì)預(yù)報在隧道地質(zhì)超前預(yù)報工作中有一定的借鑒意義.

地質(zhì)雷達；超前地質(zhì)預(yù)報；乾山隧道

0 引言

我國的東南丘陵地帶地質(zhì)情況復(fù)雜，雖少見溶洞發(fā)育，但歷史上經(jīng)歷過多次大的構(gòu)造運動,加之地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，導(dǎo)致斷層構(gòu)造、含水破碎帶以及風(fēng)化囊和風(fēng)化槽等地質(zhì)單元普遍發(fā)育，這些在隧道施工過程中可能誘發(fā)涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，這將極大地影響隧道施工的進度進而增加成本，同時還有可能造成安全事故的發(fā)生[1].采用全面、準(zhǔn)確的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)對隧道施工過程中穿越的斷層破碎帶、含水層等地質(zhì)單元的空間發(fā)育位置及規(guī)模進行準(zhǔn)確的預(yù)報，可以為隧道施工的安全性及經(jīng)濟性提供有力保障.

本文簡要介紹了地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在乾山隧道的應(yīng)用，提出在隧道施工尤其是淺埋隧道超前地質(zhì)預(yù)報實踐中遇到異常情形時不僅要注重預(yù)報隧道掘進方向的工程地質(zhì)條件，還要注重拱頂一定范圍內(nèi)的地質(zhì)預(yù)報工作.同時空間幾何的計算方法快速了解掌子面前方以及已開挖段環(huán)向一定范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體的發(fā)育情況，并及時采取措施降低塌方等安全事故的發(fā)生概率.

1 地質(zhì)雷達預(yù)報方法原理

探地雷達法以電磁波傳播理論為基礎(chǔ)，以目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的介電性質(zhì)差異為前提[2]，通過發(fā)射高頻電磁波，以寬帶短脈沖形式在掌子面上由發(fā)射天線送入前方，經(jīng)目標(biāo)體界面反射回來，由接收天線接收.其探測效果主要取決于地下目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的電性差異、電磁波的衰減程度、目標(biāo)體的埋深以及外部干擾的強弱等，介質(zhì)的電性差異和物性差異是決定地質(zhì)雷達適用與否的重要標(biāo)準(zhǔn)，介質(zhì)間的性質(zhì)差異越大，二者間的界面越易于分辨[3].

地質(zhì)雷達能夠探測到一定深度內(nèi)的地層變化情況，應(yīng)用于探測斷裂帶尤其是含水破碎帶有更好的效果[4].受探測媒介電磁波頻率的限制[5]，地質(zhì)雷達的明顯的缺點就是探測距離短.但相較于其他的地質(zhì)預(yù)報方式，地質(zhì)雷達也有著測線布置靈活、精度高的特點.

2 工程概況

乾山隧道全長10742.74m，由出口處掘進，樁號DK28+218處，埋深95m.隧址區(qū)分布的地層主要為前震旦系建甌群組云母石英片巖，此外地表分布有第四系沖洪積粉質(zhì)粘土層、第四系破殘積土層.小型褶曲較發(fā)育，片理、節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，地震波速為4200～4500m/s，相對周圍巖體波速較低.施工過程易產(chǎn)生掉塊、漏水等現(xiàn)象，需要及時進行支護措施.

隧道開挖至樁號DK28+218時，一條與隧道斜交的產(chǎn)狀為95°∠60°、寬約60cm的含水破碎帶(1#破碎帶)由左壁延伸至右壁.針對此種情況，現(xiàn)場采用在破碎帶超前小導(dǎo)管注漿加固的辦法，同時于樁號DK28+221拱頂及左右壁處布置一組沉降以及收斂觀測點對隧道變形進行實時觀測.掘進至樁號DK28+218時，原含水破碎帶已延伸至右壁，由于與右壁程小角度斜交，鉆爆施工后造成小范圍的超挖，且右壁滲水嚴(yán)重.同時在掌子面左下方發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重突水帶，根據(jù)采用的抽水泵型號可估計突水量約15m3/h，左壁可見一條深約2.0m，寬20cm的裂縫與掌子面突水帶在距地面約3.5m處相連，呈空間三角形分布.初步判斷為一含水破碎帶(2#破碎帶)，經(jīng)測量產(chǎn)狀為105°∠65°，較1#破碎帶略陡.

圖1 1#破碎帶拱頂分布圖

3 地質(zhì)預(yù)報工程實例

3.1 掌子面地質(zhì)雷達探測

為探明掌子面前方破碎帶分布情況，于樁號DK28+218處進行第一次地質(zhì)雷達探測，在掌子面共布置兩條側(cè)線，測線布置如圖2所示.

圖2 掌子面地質(zhì)雷達測線布置圖

地質(zhì)雷達探測成果如圖3、圖4所示.

圖3 掌子面前方為破碎帶雷達圖-a

圖4 掌子面前方為破碎帶雷達圖-b

成果顯示掌子面前方受爆破影響形成2.0m左右松動區(qū)；樁號DK28+215～207段靠近右側(cè)部分振幅明顯增強，出現(xiàn)斜向延伸的同相軸錯段帶，推測為含水破碎帶(如圖中A線所示)，樁號DK28+207～200段實測波譜圖中均無明顯的異常區(qū)域，表明該段范圍內(nèi)，巖體具有較好的完整性.

3.2 破碎帶空間分布計算

根據(jù)現(xiàn)場觀察，已揭露的1#破碎帶在臺階面延伸長度約為19m，基本呈二維延伸狀態(tài).據(jù)此假設(shè)1#破碎帶、2#破碎帶在為開挖段一定范圍內(nèi)均呈現(xiàn)二維延伸狀態(tài)，據(jù)此可建立一個以掌子面與臺階面交線為x軸，以左壁與臺階面交線為z軸建立一個空間直角坐標(biāo)系(單位長度：1m)，如圖5所示.

圖5 空間直角坐標(biāo)系示意圖

通過現(xiàn)場測量的單壁始見點位置以及破碎帶的產(chǎn)狀，可以求得：

1#破碎帶平面方程：16.85x+11.8y+13.25z-198.83=0

(1)

2#破碎帶平面方程：18.6x+10.5y+21.7z-65.1=0

(2)

隧道上臺階輪廓方程：(x-6.68)2+y2=44.56;(y0)

(3)

由(1)式和(2)式可求得兩破碎帶在空間的交線方程：

(4)

聯(lián)立(3)、(4)式可求出隧道開挖影響范圍內(nèi)破碎帶交線至隧道輪廓面的距離，同時可推斷2#破碎帶在未開挖段的分布情況.破碎帶具體分布情況如圖6、圖7所示.

圖6 東南等軸測圖

圖7 俯視圖

根據(jù)計算結(jié)果得出結(jié)論：

(1)1#破碎帶將在樁 號DK28+216左右與隧道分離.

(2)2#破碎帶主要分布于樁號DK28+218～208段，并與隧道斜交，由左壁逐漸延伸至右壁.

(3)由于破碎帶相交的影響，將在樁號DK28+209～198段拱頂部分形成X形破碎帶，且隨著隧道的延伸距離拱頂也越來越近，于樁號DK28+211左右達到極值(約9m).

結(jié)合樁號DK28+218處地質(zhì)雷達探測結(jié)果以及破碎帶空間分布計算結(jié)果，可知二者結(jié)論基本吻合.后經(jīng)隧道開挖驗證2#破碎帶實際穿越隧道樁號為DK28+221～209段，基本與預(yù)報結(jié)果相符.

3.3 拱頂?shù)刭|(zhì)雷達探測

需要引起注意的是，在第二次地質(zhì)雷達探測結(jié)果中，可以看出2#破碎帶在隧道的影響范圍為樁號DK28+218～208，樁號DK28+208～198段圍巖則相對較好.而在破碎帶空間分布計算過程中可以得出破碎帶交線分布于樁號DK28+209～198段，程小角度X形分布，且與隧道拱頂距離在8～15m范圍內(nèi)，爆破震動作用下極易引起拱頂崩塌.安全起見，借助裝載機在樁號DK28+209～197拱頂布置兩條與隧道延伸方向平行的地質(zhì)雷達測線，進行拱頂圍巖條件預(yù)報.探測成果如圖8、圖9所示.

根據(jù)探測成果可以預(yù)測拱頂上方0～3m為爆破影響區(qū)域；3～7m巖體完整度較好，7～15m分布有破碎巖體，且與拱頂距離延掘進方向逐漸減小(如圖中A線所示)；15～22范圍內(nèi)反射面較少，說明此區(qū)域內(nèi)巖體較完整，與計算結(jié)果基本一致.

自1#破碎帶出露之日起歷時15天，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報探測結(jié)果，采用超前小導(dǎo)管注漿加固、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)等隧道圍巖加固技術(shù)，采用適當(dāng)?shù)某跗谥ёo等級；同時減少爆破裝藥量，采取少進尺多班次的開挖方法，順利度過危險區(qū)段.

圖8 拱頂上方有破碎帶的雷達圖像-a

圖9 拱頂上方有破碎帶的雷達圖像-b

4 結(jié)論

(1)地質(zhì)雷達的超前地質(zhì)預(yù)報方法，雖然有預(yù)報距離短的缺陷，但在實際操作中不影響或較小影響隧道施工.加上對掌子面圍巖條件的分析，能夠更加準(zhǔn)確地預(yù)報雷達側(cè)線前方一定范圍內(nèi)的圍巖條件.

(2)在進行隧道穿越不良地質(zhì)體區(qū)段的超前地質(zhì)預(yù)報工作時，不僅需注重隧道前方的超前地質(zhì)預(yù)報，同時也應(yīng)該兼顧隧道拱頂一定范圍內(nèi)的超前地質(zhì)預(yù)報工作，這樣能為隧道的安全施工提供更全面的保障.

(3)采用空間幾何對隧道斷層破碎帶的空間分布進行計算，能夠較準(zhǔn)確地得到整個破碎帶的發(fā)育情況.但也存在一定的局限性，需要采地質(zhì)雷達探測手段來彌補.

[1] 李大心.探地雷達方法與應(yīng)用[M].北京：地質(zhì)出版社，1994.

[2] 吳江濱．超前地質(zhì)預(yù)報在隧道工程中的應(yīng)用[J]．工程地質(zhì)學(xué)報，2003,11(2): 162-168．

[3] 夏才初,潘國榮.土木工程監(jiān)測技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001:136-139.

[4] 李天斌.隧道超前地質(zhì)預(yù)報綜合方法分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009,12：2429-2436.

[5] 葉觀寶，宋 建．地質(zhì)雷達在公路隧道短期地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用[J]．勘察科學(xué)技術(shù)，2010(1): 49- 51．

Based on Geological Radar Tunnel Advance Geological Forecast Research

LIU Hao1,YANG Rong-feng1,NIU Xian-qiang1,ZHOU Shi-geng2

(1.Shale Gas Resource Utilization of Hunan Provincekey Laboratory,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411100,China;2.Chinese Nonferrousmetal Survey and Design Institute of Changsha Co.,LTD,Changsha 410000,China)

Taking Qianshan tunnel project as an example,and by using GPR combined with geological sketch of short vertical advance geological prediction technology,themileage DK28+218 constraints surrounding rock conditions are detected.Flexible arrangement of geological radar line can detect constraints and arch tunnel surrounding rock conditions.By the calculationmethod of space geometry,the constraints surrounding fault distribution are calculated.CAD drawing is used to display and support each other with the detection results.The idea of geological forecast that complex conditions of tunnel geological forecast in advance not only forecast constraints in front of the surrounding rock conditions,but also pay attention to the conditions of surrounding rock of the vault vertical is proposed.The success of the Qianshan tunnel waterbearing fracture zone forecast suggests that the vertical advance geological forecast in tunnel geological advanced prediction work has certain reference.

ground penetrating radar; geological prediction; Qianshan tunnel

2015-10-26作者簡介：劉 浩(1992-)，男，碩士研究生，研究方向：地質(zhì)工程.

U452.1

A

1671-119X(2016)02-0091-04