范占超,王宇軒,張 如

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

柏嶺寺隧道超前地質(zhì)預(yù)報檢測方法

范占超,王宇軒,張 如

(長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

柏嶺寺隧道為黃土高原土石中低山地貌，位于柏嶺寺水庫下游約200 m處，可能出現(xiàn)含水地質(zhì)，影響隧道施工安全。為保證施工進(jìn)度與安全，在隧道開挖前對掌子面前方需進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，本文以柏嶺寺隧道為工程背景，介紹地質(zhì)雷達(dá)的工作原理以及在超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用，更準(zhǔn)確的提供地質(zhì)信息和科學(xué)依據(jù)，從而更好的指導(dǎo)施工。

公路隧道；超前預(yù)報；地質(zhì)雷達(dá)；施工安全

由于隧道長度、復(fù)雜的地質(zhì)條件和技術(shù)的限制，又有巖溶、破碎巖石不良地質(zhì)體隱蔽性強(qiáng)的的影響, 建設(shè)項目早期階段對于工程區(qū)域的地質(zhì)條件很難有全面、準(zhǔn)確地了解。因此，隧道開挖時可能在不了解掌子面前方情況時隨意開挖，若遇到不良地質(zhì)時可能造成不可預(yù)知的嚴(yán)重后果。

為了在開挖前，對前方地質(zhì)有充分詳細(xì)地了解，以便于在隨后的施工中針對前方存在的可能情況，提前制定一些防范措施，這樣可以一定程度上加快施工進(jìn)度，保證施工的安全，避免一些不必要的事故。在隧道施工時，采用一定的技術(shù)手段檢測前方一定范圍有沒有水、破碎帶、瓦斯等不良情況是十分必要的。因此,先進(jìn)的隧道施工地質(zhì)預(yù)報是不可或缺的一步,是一個減少施工過程中的地質(zhì)災(zāi)害損失的重要手段[1-4]。

李術(shù)才[5]在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，從鉆爆法和TBM兩種施工方法角度總結(jié)了超前地質(zhì)預(yù)報的研究現(xiàn)狀，并預(yù)測了隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報的未來4個發(fā)展趨勢及其中的亟待解決的關(guān)鍵問題。薛翊國[6]從地質(zhì)信息采集、超前預(yù)報與數(shù)據(jù)解譯等3個方面討論了超前預(yù)報的整體工作情況，并開發(fā)了地質(zhì)預(yù)報自動選擇程序，為超前地質(zhì)預(yù)報的自動化做出一定貢獻(xiàn)。雷堅強(qiáng)[7]總結(jié)了目前超前地質(zhì)預(yù)報的現(xiàn)狀以及存在的問題，并針對存在的問題提出了一些改進(jìn)的建議。張慶松[8]介紹了目前常用的超前地質(zhì)預(yù)報方法，并探討了今后超前地質(zhì)預(yù)報的發(fā)展方向。

1 柏嶺寺隧道工程地質(zhì)概況

旬邑縣城至馬欄紅色旅游公路柏嶺寺隧道位于柏嶺寺大壩下游約200 m處，為黃土高原土石中低山地貌，屬構(gòu)造侵蝕中山區(qū)，地勢陡峭，地形起伏較大，總體呈西北高東南低、中間高兩側(cè)低趨勢，海拔高度1 040.00 m～1 280.00 m，相對高差240 m，坡面坡度15°～70°，植被發(fā)育。隧道進(jìn)出口段基巖裸露，形成近于直立陡坎，高度約為60.0 m，坡度一般在65°～75°之間。

隧道地層為上部第4系風(fēng)積黃土及下部白堊系洛河組砂巖、礫巖。

洞口為白堊系洛河組砂巖、礫巖，淺紅色，青灰色，鈣質(zhì)膠結(jié)，近水平層理，強(qiáng)風(fēng)化—中風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體完整性較差。

洞室內(nèi)圍巖為白堊系洛河組砂巖，棕紅色，且交錯層理，青灰色，鈣質(zhì)膠結(jié)，近水平層理，中風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性較差。

2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

超前地質(zhì)預(yù)報的方法很多，總的來說分為3大類，即直接預(yù)報法、地址分析法、物探法。在此基礎(chǔ)上還有很多細(xì)小的分支。其中，最為有效的方法是直接預(yù)報法，采用平行導(dǎo)洞探測主洞前方的地質(zhì)情況，對垂直方向地質(zhì)預(yù)測比較準(zhǔn)確，但水平方向存在很大的缺陷，并且測試費用高。地質(zhì)分析法是根據(jù)之前已有的斷層影響帶，預(yù)測隧道前方的地質(zhì)情況，其缺點是對于不是直線的隧道預(yù)報不準(zhǔn)確。相比來說物探法采用的是利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，在已有理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)的實踐，其具有結(jié)果準(zhǔn)確、快速、方便的特點，目前應(yīng)用非常廣泛。主要利用的技術(shù)有TSP超前預(yù)報技術(shù)、TST反射成像技術(shù)、聲納、地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)等。這些技術(shù)大多都是利用波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同，從而引起頻率的變化。地質(zhì)雷達(dá)特點有以下3個方面。

(1)操作簡便、預(yù)測距離短準(zhǔn)確率很高，一般預(yù)測范圍為20 m～30 m。

(2)對于空洞、破碎帶、尤其是水反應(yīng)異常靈敏。

(3)對于測試環(huán)境的要求低。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)的特點，結(jié)合本隧道的實際地質(zhì)情況，水的出現(xiàn)會對黃土隧道的安全性產(chǎn)生極大地影響，選用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報能得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁脈沖波的反射來探測目的體，它通過發(fā)射天線向地下或目的體發(fā)射高頻寬帶短脈沖電磁波，經(jīng)過地下地層或目的體反射后返回地面，為接收天線所接收。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時間、幅度與波形等資料，可探測地下介質(zhì)或目標(biāo)體的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及目標(biāo)體的埋藏深度等。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)的基本組成部分及工作原理如圖1、圖2所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)組成及現(xiàn)場使用儀器 圖2 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)工作原理

圖3 柏嶺寺隧道地質(zhì)雷達(dá)測線布置示意圖

地質(zhì)雷達(dá)將高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，由地面天線送入目標(biāo)體，經(jīng)地下地層或目標(biāo)體反射回地面，由另一天線所接收，脈沖波行程需要的時間為:

(1)

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)中的波速v為已知時，可根據(jù)測得的t,由式(1)式求得目標(biāo)體的深度z。速度v的確定可采用公式(2)。

(2)

3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法

柏嶺寺隧道，按二級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。隧道為單洞雙向形式，里程樁號K13+806～K14+845，全長1 039 m。根據(jù)勘探資料，在隧道開挖前，先對隧道進(jìn)行雷達(dá)超前預(yù)報。測線布置示意圖如圖3所示。

(1)測線布置。

柏嶺寺隧道掌子面上共布置了3條測線：1條水平測線、左側(cè)垂直測線以及右側(cè)垂直測線。

(2)探測結(jié)果集分析。

在測試過程中，使用100 MHz的發(fā)射天線，可以探測掌子面前方20 m范圍內(nèi)圍巖的情況。先沿水平測線自左到右緩慢連續(xù)移動發(fā)射和接收天線之后，再沿左側(cè)垂直測線先下而上，最后沿右側(cè)垂直測線自下而上。由于主機(jī)接收的波受到外界各種因素的波影響，顯示出的圖像雜亂無章，因此必須經(jīng)過計算機(jī)上的后處理，排除其他波長的影響，只留下100 MHz相鄰波段的波，顯示出來的圖像才是最后得到的結(jié)果。隧道K14+172處掌子面處地質(zhì)雷達(dá)掃描圖像如圖4所示。

圖4 隧道K14+172處掌子面地質(zhì)雷達(dá)掃描圖像

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)波譜圖來看，掌子面前方0 m～20 m范圍內(nèi)，即從K14+172至K14+192電磁波反射能量較強(qiáng)，同相軸連續(xù)性較差，局部存在較強(qiáng)反射界面，結(jié)合地質(zhì)情況綜合分析推測里程段以內(nèi)的圍巖巖性主要為以中風(fēng)化灰?guī)r為主，局部為散體狀-碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育-發(fā)育，裂隙間可能存在充填式溶隙,巖體破碎，裂巖體呈散體-碎裂結(jié)構(gòu)多以含粉質(zhì)粘土全填充-半填充或散體狀-碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r，容易形成塌腔，15 m～20 m可能會存溶洞，建議提前鉆孔，在開挖后長期暴露或施工措施控制不當(dāng)，在隧道拱部及側(cè)壁易發(fā)生掉塊、局部小坍塌等地質(zhì)災(zāi)害。

根據(jù)預(yù)報結(jié)果，要求掌子面掘進(jìn)支護(hù)尺寸縮短，后經(jīng)開挖證實，圍巖發(fā)育破碎夾層內(nèi)含土。若不調(diào)整施工進(jìn)度，可能會引起坍塌的危險。

4 結(jié) 語

(1)柏嶺寺隧道施工過程中，地質(zhì)雷達(dá)檢測很好地探明了前方的地質(zhì)情況，根據(jù)探測的地質(zhì)情況及時地制訂了相關(guān)的措施，保證了隧道的施工安全。圍巖侵蝕中山巖為主，局部為散體狀-碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育-發(fā)育，隙間可能存在充填式溶隙，巖體破碎，巖體碎裂結(jié)構(gòu)。

(2)公路黃土隧道建設(shè)中，在對水的探測預(yù)報方面，地質(zhì)雷達(dá)具有很高的準(zhǔn)確率，這極大地提高了隧道開挖工作水平。工程實例表明，采用地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報掌子面前方破碎的不良地質(zhì)災(zāi)害是比較準(zhǔn)確和可行的，對保證隧道安全施工具有重要的指導(dǎo)作用。

[1] 夏才初.土木工程監(jiān)測技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2001:156-162.

[2] 鄭文寧.地質(zhì)雷達(dá)在隧道施工短期超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].公路,2005,(4):191-194.

[3] 代高飛,夏才初,毛海河.地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2004,(9):116-118.

[4] 李盼,黃仁東,楊光,等.地質(zhì)雷達(dá)在隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2011,(4):140-144.

[5] 李術(shù)才,劉斌,孫懷風(fēng),等.隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2014,33(6):1090-1114.

[6] 薛翊國,李術(shù)才,蘇茂鑫,等.隧道施工期超前地質(zhì)預(yù)報實施方法研究[J].巖土力學(xué),2011,32(8):2416-2423.

[7] 雷堅強(qiáng),丁彰芳.公路隧道施工監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)現(xiàn)狀及思考[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013,50(6):32-39.

[8] 張慶松，李術(shù)才，孫克國,等.公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用現(xiàn)狀與技術(shù)分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2008，4(4):766-772.

Detection Method of Advance Geological Prediction in Bailing Temple Tunnel

FAN Zhanchao, WANG Yuxuan, ZHANG Ru

(Chang′an University, Xi′an 710064, China)

Bailing Temple Tunnel is Located at about 200 meters downstream of the Bailing Temple Reservoir. Bailing Temple Tunnel is the Low Mountain Landform in the Loess Plateau. There may be water-bearing geology, which easily influence the safety of tunnel construction, in Tunnel. In order to ensure the progress and safety of construction, geological forecast on the excavation in the front of the tunnel is done in time. In the paper, working principle of the geological radar and its application in the advanced geological forecasting are introduced, and the geological information and scientific basis, which more accurately to guide the construction, are put forward.

highway tunnel; advanced forecast; geological radar; construction safety

2017-03-30

范占超(1990-)，男，河南平頂山人，在讀碩士研究生，主要從事隧道與地下工程方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.005

U451

B

1674-5403(2017)02-0017-03