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(中交路橋建設(shè)有限公司， 北京 100027)

1 概述

隧道工程屬于比較復(fù)雜、具有較大危險性的地質(zhì)工程[1]。在隧道設(shè)計及施工前，要對隧道工程地質(zhì)條件進行勘察，因巖體具有復(fù)雜性，且前期勘察具有較大的投入，勘察所獲資料和隧道開挖實際情況出入較大。因不了解掌子面前方的地質(zhì)情況，施工具有盲目性，嚴(yán)重時會延誤工期，造成效益降低，導(dǎo)致設(shè)備損壞、人員傷亡，甚至造成工程報廢[2]。因此，要對隧道施工地質(zhì)進行超前預(yù)報，即利用一定手段、技術(shù)對隧道所在巖體有關(guān)資料進行收集，通過相應(yīng)規(guī)律、理論分析，并預(yù)報施工掌子面前方巖體情況，并對成災(zāi)可能性做出預(yù)報[3-6]。

自我國實施西部大開發(fā)以來，西南地區(qū)高速公路增加較快，隧道里程增加迅速[7]。本文以某山區(qū)隧道建設(shè)為研究對象，該隧道以全風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖為主要圍巖巖性。圍繞花崗巖隧道施工經(jīng)驗展開分析，很多災(zāi)害現(xiàn)象都會出現(xiàn)在隧道的開挖過程中，比如坍塌、涌水等；由于不均勻的花崗巖風(fēng)化現(xiàn)象存在于淺埋段，此時將會呈現(xiàn)出地質(zhì)垂直起伏分層現(xiàn)象，造成隧道冒頂、塌方。因此，進行地質(zhì)超前預(yù)報，預(yù)先處理出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害對整條線路工程安全具有一定的控制作用。在隧道工程勘察設(shè)計過程中，需要采取超前預(yù)測手段了解隧道施工階段開挖掌子面前方不良工程地質(zhì)情況，準(zhǔn)確掌握潛在的各種問題，一旦發(fā)生突發(fā)狀況能及時調(diào)整技術(shù)手段并采取相應(yīng)措施。只有不斷完善地質(zhì)資料和施工方案，才能幫助施工人員將工作落實到位。

2 預(yù)報技術(shù)的基本原理

2.1 電磁波傳播基本規(guī)律

雷達電磁波在介質(zhì)中傳播時，其電場分量瞬時波動方程為：

Ex=E0e-βγcos(ωt-αr)

(1)

式中:相位系數(shù)為α；衰減系數(shù)為β；E0表示r=0，t=0時的電磁場強度，A/m；電磁波的角頻率為ω，rad/s；傳播距離為r，m。

由式(1)知，距離和衰減系數(shù)乘積的冪等于電場強度，也就是指數(shù)衰減；結(jié)合電磁波理論最終確定計算電磁波波速的表達式為：

v=c/εr

(2)

式中: εr為相對介電常數(shù)；c為光速。介質(zhì)含水量和電磁波傳播速度實際值之間存在顯著相關(guān)性，波速計算的準(zhǔn)確性是決定目標(biāo)精度定位的關(guān)鍵因素。

2.2 電磁波的反射與折射

雷達電磁波在介質(zhì)中傳播時，與波阻抗分界面相遇，此時將會產(chǎn)生反射波和折射波在內(nèi)的不同波形，波反射定理和透射定理均可作為其規(guī)律依據(jù)，反射波所蘊含的能量受到反射系數(shù)R的影響。需要在探測完成前方不良地質(zhì)體的情況下進行隧道開挖，圍巖的高抗阻程度較高，折射系數(shù)T和反射系數(shù)R可表示為：

(3)

2.3 地質(zhì)雷達的測試原理

在測試面前方，發(fā)射寬頻帶短脈沖高頻電磁波信號需要通過發(fā)射天線實現(xiàn)，若前方有地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、圍巖性質(zhì)、地下水、圍巖完整性、溶洞或電性差異界面時，電磁波就會產(chǎn)生反射、繞射等問題[8]。在接收天線的基礎(chǔ)上拾取響應(yīng)信號，并記錄計算機響應(yīng)數(shù)據(jù)，結(jié)合相對應(yīng)的信息，對點性體分布特征展開測試，最終可得對應(yīng)結(jié)果；前方目標(biāo)體或分界面深度可通過反射波雙程旅行時間進行計算，見式(4)：

(4)

式中:t表示反射波雙程旅行的時間，s；z表示反射波雙程旅行的深度，m。電磁波反射能量的程度與相鄰介質(zhì)節(jié)點常數(shù)差異有密切的關(guān)聯(lián)，若差異較大，此時會出現(xiàn)更加顯著的發(fā)射現(xiàn)象，則更容易對目標(biāo)體和界面位置進行識別，圖1為地質(zhì)雷達探測原理。

圖1 地質(zhì)雷達測試原理Figure 1 Principle of geological radar testing

3 地震波反射法(TGP)隧道超前預(yù)報系統(tǒng)原理

在彈性波理論的基礎(chǔ)上，隧道地震波預(yù)報法結(jié)合地震反射波原理，采取排列方式激發(fā)隧道當(dāng)中的地震波，如果傳播過程發(fā)生在三維空間，聲阻抗現(xiàn)象一旦出現(xiàn)，將會有反射波出現(xiàn)[9]。聲阻抗與介質(zhì)傳播彈性波速度、介質(zhì)密度等內(nèi)容均有緊密相關(guān)性，速度與密度相乘最終得到的數(shù)據(jù)為介質(zhì)聲阻抗數(shù)值。若巖體當(dāng)中存在兩種不同介質(zhì)，將會產(chǎn)生較大差異的聲阻抗，在很大程度上將反射更強的地震波，而較小差異的聲阻抗地震波反射能力將下降。地層產(chǎn)生地震反射波的界面多為巖溶和巖溶發(fā)育帶、巖性變化界面以及構(gòu)造破碎帶等，而隧道中的檢測波則刻意接收這些反射波，通過儀器進行后續(xù)信號處理，實現(xiàn)地質(zhì)預(yù)報的最終目的。首先要探查聲阻抗變化界面，在此基礎(chǔ)上結(jié)合人工分析，間接推斷地質(zhì)病害存在的可能性，實現(xiàn)隧道地震波的預(yù)報。將多個振源點布置在隧道邊墻上，其中所包含的小劑量炸藥爆炸后將產(chǎn)生地震波，前方介質(zhì)將接受一部分信號，此外還將反射回來部分地震波信號，圖2為TGP超前預(yù)報系統(tǒng)原理圖。

圖2 TGP超前預(yù)報系統(tǒng)原理圖Figure 2 Schematic diagram of the TGP forward prediction system

4 超前預(yù)報技術(shù)綜述

在隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的基礎(chǔ)上展開全面分析，地球物理方法、超前鉆探方法以及地質(zhì)調(diào)查方法是構(gòu)成隧道超前地質(zhì)預(yù)報法中的主要框架[10]。地質(zhì)工程師結(jié)合自身實踐經(jīng)驗與周圍環(huán)境開展勘測技術(shù)即為地質(zhì)調(diào)查預(yù)測法，其中包括隧道地質(zhì)勘測資料的綜合分析、隧道開挖情況信息的掌握等，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)施工預(yù)報目的。地質(zhì)鉆探是超前鉆探預(yù)報技術(shù)的核心內(nèi)容，在預(yù)報巖溶隧道地質(zhì)條件的過程中，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其中包含兩種類型，分別為取芯鉆探、不取芯鉆探，前者對時間要求較高，且需要花費巨大的人力成本，同時還可能出現(xiàn)卡鉆情況，因此快速掘進隧道很難實現(xiàn)；后者消耗的時間較短，且工序比較簡單，但無法準(zhǔn)確判斷巖溶以及暗河情況。

本工程綜合分析對比了電磁波反射法、地震波反射法以及瞬變電磁法測試預(yù)報結(jié)果。最終發(fā)現(xiàn)，在高速公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報中，三種預(yù)報技術(shù)均有不足存在。地質(zhì)雷達可對是否存在水進行探測，但無法確定含水量位置和含水巖層的位置等。隧道內(nèi)的探測結(jié)果在很大程度上取決于測試條件，所以易造成誤判；在單獨采用地震波反射法預(yù)報長距離時，如果圍巖具有較好的掌子面前方整體性，此時將會產(chǎn)生效果較好的破碎帶探測效果，對水進行探測時，地震波反射法不敏感，其分辨率對較小地質(zhì)變化存在不足。對于含水量較大的不良地質(zhì)體，瞬變電磁儀探測效果較好，在探測含水量小的高阻體時，則不敏感。本研究結(jié)合各測試手段特點，提出基于地質(zhì)調(diào)查法，綜合三種物理探測技術(shù)進行超前預(yù)報。

5 綜合測試技術(shù)測試方案

5.1 超前地質(zhì)預(yù)報工作流程

圖3為本研究所制定的綜合測試方案工作流程圖，在測試過程中所使用的長距離預(yù)報工具為TGP-206超前預(yù)報儀；對于瞬變電磁儀來說，充分將地質(zhì)雷達短距離精確探測與危害程度相結(jié)合，展開循環(huán)測試方法進行預(yù)報。在TGP超前預(yù)報系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行測試，需要確保兩個基本條件，首先是確保挖掘隧道時，其速度要比接收孔、激發(fā)孔的布置距離快50.5 m以上；其次要確保側(cè)壁圍巖具有一定強度，否則很容易產(chǎn)生鉆孔裝炸藥時發(fā)生塌孔，出現(xiàn)無法裝藥或卡鉆造成鉆桿無法取出的情況。

圖3 超前地質(zhì)預(yù)報工作流程Figure 3 Work flow of advance geological forecast

5.2 探測儀器測區(qū)劃分預(yù)報方案

在測試隧道淺埋段、洞口段時，采用地質(zhì)雷達綜合和瞬變電磁儀進行測試，探測過程中使用針對性較強的瞬變電磁儀，能夠更加準(zhǔn)確地定位斷層破碎帶的具體位置和范圍，通常為100 m；使用地質(zhì)雷達進行高精度、短距離探測，對掌子面前方30.5 m內(nèi)不良地質(zhì)體進行定位，進一步確定其危害程度，從而了解圍巖的等級。在地質(zhì)情況復(fù)雜進行輔助預(yù)報過程中，需要使用到超前鉆探法，確保施工安全有序進行。圖4為探測儀器測區(qū)劃分方案。

圖4 探測儀器測區(qū)劃分方案Figure 4 Plot division scheme for detecting instrument

6 瞬變電磁儀現(xiàn)場測線布置及參數(shù)設(shè)置

6.1 現(xiàn)場測線布置

在使用瞬變電磁儀測試數(shù)據(jù)時，保持0.51 m的采集點距，并開始移動支架、采集數(shù)據(jù)，確保觀測點的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，現(xiàn)場測試布設(shè)見圖5。

圖5 現(xiàn)場測試布設(shè)圖Figure 5 Site test layout

6.2 地質(zhì)雷達現(xiàn)場測線布置及參數(shù)設(shè)置

6.2.1現(xiàn)場測線布置

在測試過程中使用SIR-4000地質(zhì)雷達，位置100 MHZ的天線中心頻率，將雷達天線發(fā)射的電磁波看作是單向點狀射線，在探測過程中，采用點測試、連續(xù)測試相結(jié)合，對掌子面前方巖層巖體節(jié)理、具體分布、裂隙發(fā)育程度進行全面預(yù)測。圖6為雷達測試示意圖。

圖6 雷達測試示意圖Figure 6 Radar test schematic diagram

6.2.2主要參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)采集

雷達裝置形式為：使用外接電源或內(nèi)置電源；掃描速率最大值為300線/s；雷達頻段從16 MHz到2.2 GHz；采樣點字節(jié)采用16位；探測深度由時窗值決定，根據(jù)圍巖情況，選定探測深度為0～8 000 ns。

7 工程實例

本文以某山區(qū)隧道建設(shè)為研究對象，圖7為本工程隧道CK5+430-CK5+517段縱斷面圖，綜合分析地質(zhì)勘察資料可得出，可塑性砂質(zhì)黏土、全風(fēng)化、中風(fēng)化、強風(fēng)化混合巖是該段落巖體巖性的主要構(gòu)成，全風(fēng)化巖屬于極軟巖，巖體極破碎；中風(fēng)化巖屬屬于較堅硬巖，巖體破碎呈碎塊狀。涌水方式主要為淋雨狀，圍巖無自承能力。隧道埋深25.5～865 m，其中CK5+416-CK5+430段圍巖級別設(shè)計為Ⅴ級，CK5+430-CK5+517段圍巖級別設(shè)計為Ⅲ級。該里程位于隧道進洞段，開挖進度為30.5 m，對TGP測試條件無法滿足，因此，采用地質(zhì)雷達、瞬變電磁儀綜合使用，對測區(qū)進行劃分，采用瞬變電磁儀，有針對性進行探測，同時確定不良地質(zhì)的位置和范圍，總體來說，可以實現(xiàn)100 m的預(yù)報距離；在地質(zhì)雷達的基礎(chǔ)上確保探測的短距離和高精度需求，對掌子面前方30.5 m內(nèi)不良地質(zhì)體危害等級、準(zhǔn)確定位，并對圍巖等級進行確定。

圖7 工程隧道CK5+430-CK5+517段縱斷面圖Figure 7 Longitudinal section map of CK5+430-CK5+517 section of engineering tunnel

7.1 瞬變電磁儀測試

圖8為視電阻率等值線縱深剖面圖，由圖8可知，在進口處，CK5+476-CK5+486段中部有明顯高阻區(qū)出現(xiàn)；在CK5+506-CK5+506段右側(cè)、左側(cè)將會出現(xiàn)較為顯著的低阻異常區(qū)，其變化比視電阻率更大，因此預(yù)計在CK5+476-CK5+486段，破碎現(xiàn)象將會出現(xiàn)在圍巖巖體當(dāng)中；在CK5+506-CK5+506段，圍巖缺乏穩(wěn)定性且不均勻風(fēng)化現(xiàn)象出現(xiàn)，涌水量顯著增長，在局部，有軟弱夾層存在，若處理不當(dāng)，會有塌方冒頂產(chǎn)生。

圖8 視電阻率等值線縱深剖面圖Figure 8 Depth profile of apparent resistivity contour

7.2 地質(zhì)雷達測試探測結(jié)果

7.2.1CK5+474-CK5+500探測結(jié)果

在本工程隧道右線出口CK5+474，可塑性砂質(zhì)黏土主要集中在掌子面右半部分，以強風(fēng)化、碎裂狀為主；花崗巖則集中在掌子面左部，巖體具有較高完整性，圍巖含水量較大，穩(wěn)定性不強，呈現(xiàn)出淋水狀趨勢。圖9為CK5+474掌子面及雷達反射波線測形圖。

圖9 CK5+474掌子面及雷達反射波線測形圖

本次雷達預(yù)報中，在其探測范圍CK5+474-CK5+500段25.5 m處，由圖9可知， CK5+475-CK5+480段雷達具有較強的反射波，振幅稍大，該段預(yù)計圍巖會發(fā)生變化，含中風(fēng)化球狀巖體較多，具有較大含水量。在CK5+475-CK5+480段，雷達反射波出現(xiàn)同相軸連續(xù)性強反射，同時未有錯動出現(xiàn)；在CK5+480-CK5+590段，具有較弱反射波，含有整體性較好的花崗巖，因此，判斷CK5+475屬于花崗巖和軟弱巖層的分界面。

7.2.2CK5+500-CK5+524探測結(jié)果

本工程隧道右線進口CK5+500處，掌子面延性呈快碎狀，且以中風(fēng)化花崗巖為主；掌子面中部較為潮濕，穩(wěn)定性不強，以強風(fēng)化花崗巖為主。見圖10。

圖10 CK5+416掌子面照片F(xiàn)igure 10 Photo of CK5+416 palm

在探測范圍CK5+500-CK5+524段33.5 m處，結(jié)合雷達點測試波形圖可得出以下結(jié)論，CK5+502-CK5+508和CK5+520-CK5+524段具有較強的雷達反射波，同時還有很多反射界面，說明極易出現(xiàn)強風(fēng)化軟弱夾層，在開挖的過程中易有坍塌發(fā)生。

7.3 CK5+416-CK5+516段實際開挖情況

在CK5+416-CK5+500段，挖掘圍巖的過程中，可塑性砂質(zhì)黏土主要集中在該段落中，表現(xiàn)出強風(fēng)化和碎裂狀的特征；在CK5+502-CK5+508和CK5+520-CK5+524段掌子面左邊、右邊墻巖體，主要為灰褐色花崗巖，具有較硬的巖體，局部出現(xiàn)掉塊，圍巖為破碎狀，節(jié)理較發(fā)育；在其中部，可塑性粘性土夾層占比較大，缺乏穩(wěn)定性，所以極易產(chǎn)生塌方等狀況，地下水含量較小，該結(jié)論和預(yù)報相一致，具體見圖11。

圖11 本工程隧道右線進口CK5+502Figure 11 Right line import CK5+502 of this engineering tunnel

開挖后，CK5+476-CK5+506段實際開挖結(jié)果，可塑性砂質(zhì)黏土集中在該段，其具有強風(fēng)化、碎裂狀趨勢，含水量較大。在CK5+476-CK5+486處有瞬變電磁儀測試結(jié)果；涌水量較大情況多在CK5+506-CK5+516段出現(xiàn)，甚至還會因缺乏穩(wěn)定性而產(chǎn)生局部軟弱夾層現(xiàn)象；地質(zhì)雷達測試結(jié)果表明，在CK5+475-CK5+480段，出現(xiàn)較強的雷達反射波，具有較大振幅，預(yù)計該段圍巖會發(fā)生變化，中風(fēng)化球狀巖體較多，具有較大含水量。在短距離探測范圍內(nèi)，地質(zhì)雷達對不良地質(zhì)體的探測較為準(zhǔn)確；與實際開挖結(jié)果相比，瞬變電磁儀對低阻體的判斷較為符合。

8 結(jié)論

本文以某山區(qū)隧道建設(shè)為研究對象，對預(yù)處理出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害進行地質(zhì)超前預(yù)報，獲得結(jié)論如下：

a.在使用預(yù)報技術(shù)探測時，分析對比實際開挖和地質(zhì)雷達探測到的深度，對是否有水存在進行確定，可通過地質(zhì)雷達得到實現(xiàn)，但確定含水量的位置以及含水巖層等尚無法實現(xiàn)。周圍環(huán)境和條件是決定隧道當(dāng)中探測結(jié)果的重要影響因素，易造成誤判。對隧道來說，在探測不良地質(zhì)體過程中，使用TGP超前預(yù)報系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其無法準(zhǔn)確定位水的位置。若不良地質(zhì)體有較大含水量，瞬變電磁儀探測效果較好，但對高阻體探測不敏感。

b.本工程中，在CK5+506-CK5+516段會產(chǎn)生不均勻風(fēng)化巖體現(xiàn)象，導(dǎo)致圍巖缺乏穩(wěn)定性，此時涌水量將大大提升，甚至造成軟弱夾層出現(xiàn)在局部位置；CK5+475-CK5+480段會顯示地質(zhì)雷達的測試結(jié)果，出現(xiàn)較強的雷達反射波，具有較大的振幅，預(yù)計該段圍巖會發(fā)生變化，中風(fēng)化球狀巖體較多，具有較大的含水量。在短距離探測范圍內(nèi)，地質(zhì)雷達對不良地質(zhì)體的探測較為準(zhǔn)確；與實際開挖結(jié)果相比，瞬變電磁儀對低阻體的判斷較為符合。