■張林城

(福建省漳州市公路局，漳州 363000)

0 引言

淺埋偏壓隧道常見于隧道洞口段，其偏壓應力主要來源于隧道洞口地形、地質和洞口開挖[1-2]。因此，隧道洞口段常常是山嶺隧道工程施工的重點和難點，對整條隧道的工期及施工安全有著重要影響。為了確保淺埋偏壓隧道洞口段施工及后期運營安全，目前工程上常采用減輕洞口施工擾動、增加支護強度、對洞口進行預加固處理等措施進行處理。而超前地質預報技術是為了確保以上措施能否“對癥下藥”并取得良好技術經(jīng)濟效果的有效保障手段，是隧道施工中不可或缺的必要步驟，是降低淺埋偏壓隧道洞口段施工地質災害發(fā)生、減少災害損失的重要手段[3-4]。

基于地質雷達的超前地質預報技術是目前隧道進洞前了解掌子面前方圍巖地質及含水情況的主要超前地質預報手段，同時也是對隧道開挖施工、初期支護、二次襯砌支護等實體工程質量進行快速無損檢測的有效手段，被廣泛應用于我國當前隧道工程施工過程質量控制。本文以國道324線漳州九龍嶺段公路工程花都Ⅰ號隧道為依托，介紹了地質雷達超前地質預報技術在該大斷面淺埋偏壓隧道洞口段施工中的應用，為該隧道洞口段施工動態(tài)設計和穩(wěn)定性控制提供了有效參考和借鑒。

1 工程概況

花都Ⅰ號隧道為左右分離式的雙向六車道隧道，按一級公路標準設計；隧道路線橫穿九龍嶺山脊，沿線地勢中間高、兩端低；隧道區(qū)內下伏基巖主要為燕山早期花崗巖，次生構造較為發(fā)育，有13條斷裂構造與擬建隧道呈大角度通過。

隧道洞口段圍巖主要為殘坡積土、全-強風化巖，巖體總體呈松散結構，易坍塌；巖土層強度低，圍巖基本質量指標修正值[BQ]<250，屬于Ⅴ類圍巖；巖體穩(wěn)定性差，側壁不穩(wěn)定，部分地下水位高于洞身位置，拱部無支護時易產(chǎn)生坍塌、冒頂。隧道洞口段埋深較淺，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)揭示隧道洞口段圍巖位移較大，初期支護表面易開裂，洞口段呈現(xiàn)淺埋偏壓特性。為確保隧道施工期間安全，應徹底查明隧道掌子面前方工程地質和水文地質詳細情況，以有效指導施工掘進。

2 地質雷達超前地質預報

2.1 預報原理

地質雷達是以電磁波理論為工作基礎，基于不同介質對電磁波吸收和反射程度的不同來對隧道前方圍巖地質情況進行超前預報，其工作原理如圖1所示。

圖1 探地雷達工作原理示意圖

地質雷達超前地質預報的具體工作過程可以簡要描述為：首先由設置在掌子面上方的發(fā)射天線向隧道前方掌子面發(fā)射一組高頻電磁波；由于電磁波在介質中傳播時的路徑、電磁波場強度以及波形將隨所通過介質電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化，因此，當這一高頻電磁波在隧道前方掌子面?zhèn)鞑ミ^程中遇到不同介電常數(shù)的土體界面或巖層界面時，其中一部分電磁波會發(fā)生反射并被安裝在地表的接收天線所接收和記錄下來；而剩下的一部分電磁波會繼續(xù)向前方掌子面?zhèn)鞑?，直到發(fā)射出來的高頻電磁波能量被圍巖中的介質全部吸收為止。

由于隧道圍巖不是均勻不變的，而是由許多不同介電常數(shù)的三相介質組成的，電磁波在不同介電常數(shù)的界面上不斷發(fā)生反射和繼續(xù)傳播直至能量消耗殆盡，而接收天線和主機也就會接收并記錄到地質雷達發(fā)射出來的高頻電磁波在不同介質面上反射回來的很多波形，形成雷達剖面圖，通過對這些雷達波形圖進行處理，并結合不同物質的介電常數(shù)情況，可以快速定性地分析出隧道前方掌子面圍巖分布情況、均勻情況，判斷出是否存在斷層、破碎帶、溶洞、富水帶等不良地質情況；同時對上述不良地質的深度、大小和方位進行定量預報。

2.2 測線布置

本項目選用美國Laurel地質雷達作為花都Ⅰ號隧道洞口段超期地質預報主要探測設備。天線發(fā)射頻率設置為100MHz，時窗設置為640ns，采樣頻率設置為1024MHz，單次探測有限深度設置為30m，采用測距輪進行長度記錄[5]。根據(jù)掌子面實際情況，選取距離地面約1m處的一條水平線作為測線，并在地質情況較差的區(qū)段增加測線；每條測線連續(xù)測量2次，以保證數(shù)據(jù)的準確性。

2.3 數(shù)據(jù)采集及結果預測

采用Laurel處理軟件對地質雷達掃描探測采集到的隧道洞口前方圍巖均勻情況及含水情況等數(shù)據(jù)進行處理，得到花都Ⅰ號隧道左、右洞洞口掌子面部分地質預報波形如圖2所示，分析圖2可以發(fā)現(xiàn)：

(1)該隧道左洞掌子面前方0～10m范圍內的雷達反射信號強烈，同相軸間斷連續(xù)，由此可以推測該段圍巖為全風化巖層，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，圍巖完整性較差，含水；隧道左洞掌子面前方10～30m范圍雷達波形圖同相軸錯亂，部分區(qū)域振幅強弱差別較大，推測此段圍巖較為破碎，結合掌子面地質素描情況可以推測該段圍巖質量等級為V級[5]。

圖2 地質雷達探測波形圖(處理后)

(2)隧道右洞掌子面前方0～5m范圍內雷達反射信號強，同相軸間斷連續(xù)，推測此段裂隙較為發(fā)育，且裂隙內含水；掌子面前方5～20m范圍內雷達波形圖較為錯亂，部分區(qū)域振幅強弱差別較大，可能存在一條縱向裂隙；掌子面前方20～30m范圍內雷達反射信號強，同相軸錯亂，整個區(qū)域振幅強弱差別大，推測該區(qū)域圍巖極為破碎，結合掌子面實際地質描述情況可以推測該段圍巖質量等級為 V 級[5]。

3 施工驗證與預報成果運用

同時經(jīng)對洞口段掌子面現(xiàn)場開挖掘進施工揭示：

(1)在隧道左洞距探測時掌子面前方6m處鉆炮眼時發(fā)現(xiàn)局部出現(xiàn)涌水；距探測時掌子面前方15～30m范圍內鉆進速度明顯提高，圍巖呈砂土狀，易坍塌，屬V級圍巖。

(2)在隧道右洞距探測時掌子面前方5m處鉆炮眼時發(fā)現(xiàn)局部出現(xiàn)涌水；距探測時掌子面前方20～35m范圍內炮眼均易鉆進，全風化圍巖，呈土狀，有裂隙水，屬V級圍巖。

可見前述地質雷達超前預報結果和隧道洞口段開挖掘進所揭示的圍巖狀況吻合度較高，地質雷達預報效果較好。

由上述地質預報結果可知，該隧道洞口段前30m圍巖均較為破碎，且右洞前方圍巖相對更為破碎，圍巖級別均為V級，在不采用超前支護手段情況下很難保證隧道洞口段施工安全。故初步擬定左、右洞分別采用30m和40m管棚進行超前預支護，以確保隧道洞口段施工及運營安全。

4 結束語

山嶺隧道洞口大多為淺埋段并常伴隨著偏壓，加之洞口段巖土結構松散、破碎，且富含地下水，圍巖承載能力弱，對隧道進洞施工及結構安全帶來了很大挑戰(zhàn)?；诘刭|雷達的超前地質預報技術能夠較好地掌握隧道洞口掌子面前方圍巖地質情況，并且經(jīng)工程施工實際驗證，用地質雷達對隧道進行超前地質預報精度較好，和掘進施工所揭示的實際圍巖性質較為溫和，可為隧道動態(tài)設計和施工提供有效技術支撐。