李枝文

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 404100）

近年來(lái)，隨著國(guó)家不斷加大對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投資力度，各類高速鐵路、高速公路大量興建，在勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中，出現(xiàn)了大量的隱蔽工程，如隧道工程。前期的隧道線路地表勘察是隧道工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，也是隧道現(xiàn)場(chǎng)施工的主要指導(dǎo)依據(jù)。但受到工程地質(zhì)勘察時(shí)間、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)難度等多方面因素影響，通常會(huì)出現(xiàn)勘察設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際不符的情況，尤其以不可預(yù)見(jiàn)的地質(zhì)情況居多。隧道在開(kāi)挖過(guò)程中，特別是在地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)，斷層破損帶、溶洞，甚至是地下暗河等不良地質(zhì)經(jīng)常出現(xiàn)，必須提前預(yù)測(cè)前方地質(zhì)情況，否則很容易突發(fā)突水、涂泥等地質(zhì)災(zāi)害事故，給隧道安全施工帶來(lái)很大挑戰(zhàn)，直接影響隧道正常工期，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐扇藛T傷亡事故，帶來(lái)較大經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響[1]。因此，在隧道施工過(guò)程中持續(xù)跟蹤進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)非常重要，也是規(guī)范的硬性要求。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用的方法較多，比較常用的有地震TSP預(yù)報(bào)法、地質(zhì)雷達(dá)（GPR）法、紅外探水法、超前鉆探法等幾種[2]。每種探測(cè)方法都有各自的優(yōu)勢(shì)和不足，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及探測(cè)目的適時(shí)采用。地質(zhì)雷達(dá)法具有探測(cè)效率高、對(duì)施工干擾小等方面的優(yōu)勢(shì)，但也存在完全精確預(yù)報(bào)和預(yù)報(bào)距離短的缺點(diǎn)。

1 地質(zhì)雷達(dá)法工作原理

地質(zhì)雷達(dá)(GPR)是通過(guò)研究?jī)x器激發(fā)的高頻窄脈沖電磁波，頻率通常在106～109Hz，利用接收到的反射波形來(lái)判斷地下介質(zhì)分布狀況的一種無(wú)損探測(cè)設(shè)備。利用該方法進(jìn)行實(shí)地探測(cè)的重要理論依據(jù)就是，探測(cè)對(duì)象內(nèi)部存在明顯的介電性差異，如各種不良地質(zhì)體（空洞、破碎帶、充水溶洞等）與四周圍巖就存在明顯的物性差異，人工電磁波在傳播過(guò)程中遇到這些分界面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射現(xiàn)象，對(duì)接受到反射波形進(jìn)行相關(guān)分析，可以定性推斷探測(cè)前方不良地質(zhì)體的空間位置、規(guī)模和埋深等有用信息[3-4]。地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖如圖1所示。

地質(zhì)雷達(dá)工作時(shí)，其回波走時(shí)（電磁波行程所需時(shí)間）：

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

式中，x為收發(fā)間距；z為反射點(diǎn)的法線深度；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播波速。

電磁波在特定介質(zhì)中的傳播速度v是不變的，根據(jù)電磁波在真空中的傳播速度c與相對(duì)介電常數(shù)ε來(lái)計(jì)算。

若地下介質(zhì)為已知時(shí)，可依據(jù)天線間距x和雷達(dá)記錄的回波走時(shí)，根據(jù)式（1）得到反射體的埋深。

2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)實(shí)例

現(xiàn)場(chǎng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)采用地質(zhì)雷達(dá)方法。探測(cè)使用美國(guó)GSSI公司SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)，配備中心頻率100MHz天線。根據(jù)探測(cè)前方巖性特征及現(xiàn)場(chǎng)工作條件，探測(cè)距離可以達(dá)到30m左右。探測(cè)時(shí)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)采樣參數(shù)設(shè)置

2.1 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件

隧道工程場(chǎng)地屬低山地貌，因下穿陽(yáng)山森林公園，隧道段地勢(shì)起伏較大，局部還分布溝壑及洼地等。場(chǎng)地內(nèi)分布的地層有人工填積層、第四系殘坡積層、三疊系上統(tǒng)須家河組和三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組。場(chǎng)地地下水的類型主要為上層滯水和基巖裂隙水及巖溶水。

本次探測(cè)時(shí)，陽(yáng)山隧道進(jìn)口北線掌子面里程為NK1+314.4。掌子面巖性主體為青灰色砂巖，層狀構(gòu)造，巖層傾向西偏北，產(chǎn)狀為310°∠18°；圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部存在破碎層，掌子面頂部有掉塊現(xiàn)象，有少許滴水現(xiàn)象。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布設(shè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)條件，在掌子面下部布置1條距底部高約1m的橫測(cè)線1，總長(zhǎng)度約為16m，測(cè)線方向從面向掌子面左幫向右?guī)筒贾?。同時(shí)，沿橫測(cè)線1的2m、8m、14m位置布置3條距底板高約2m的縱測(cè)線1、2、3。所有測(cè)線探測(cè)方向均垂直掌子面向隧道正前方探測(cè)。測(cè)線詳細(xì)布置情況如圖2所示。

圖2 掌子面測(cè)線布置示意圖

2.3 探測(cè)成果與分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的雷達(dá)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理得出雷達(dá)數(shù)據(jù)成果圖如圖3～圖5所示。其中，圖3、圖4為橫測(cè)線1的雷達(dá)探測(cè)圖像，圖5為縱測(cè)線1、2、3的雷達(dá)探測(cè)圖像。

由圖3～圖5可知，在探測(cè)范圍內(nèi)，地質(zhì)雷達(dá)反射波振幅能量局部衰減很快，推斷該段圍巖整體節(jié)理裂隙較發(fā)育，可能存在含水裂隙。在測(cè)線左起5～7m前方的4～13m，以及測(cè)線左起12～16m前方的4～10m，局部雷達(dá)反射波振幅能量不均勻，同相軸連續(xù)性較差，能量波動(dòng)較大，存在異常區(qū)域。推測(cè)該位置圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、破碎，可能存在破碎裂隙或破碎夾層。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料，可以推斷得到以下結(jié)論。

（1）掌子面前方30m范圍內(nèi)，圍巖整體節(jié)理裂隙發(fā)育，可能存在含水裂隙。

（2）測(cè)線左起5～7m前方的4～13m（NK1+318.4～NK1+327.4）范圍內(nèi)，測(cè)線左起12～16m前方的4～10m（NK1+318.4～NK1+324.4），可能存在破碎裂隙或破碎夾層。

（3）現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)情況，目前開(kāi)挖段圍巖完整性一般，掌子面局部存在破碎裂隙和破碎夾層，在頂部的破碎程度較嚴(yán)重，完整性差，在探測(cè)時(shí)掌子面有掉塊現(xiàn)象。因此，在掘進(jìn)過(guò)程中要加以注意，開(kāi)挖后要清除頂部破碎區(qū)碎石，防止掉塊和垮落造成塌方事故，并及時(shí)進(jìn)行支護(hù)和錨噴封閉。同時(shí)，還要注意觀察掌子面水量變化，出現(xiàn)滲水異常時(shí)要立即上報(bào)，采取措施。

圖3 橫測(cè)線1地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)波譜圖（單位：m）

圖4 橫測(cè)線1地質(zhì)雷達(dá)剖面wiggIe圖（單位：m）

圖5 縱測(cè)線1、2、3地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)波譜圖（單位：m）

針對(duì)上述探地雷達(dá)探測(cè)地段的地質(zhì)情況及施工設(shè)計(jì)要求、相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，建議開(kāi)挖后及時(shí)按照設(shè)計(jì)要求采用鋼拱架進(jìn)行支護(hù)，并錨噴封閉，以防止掉塊與塌方，確保施工安全。

3 結(jié)束語(yǔ)

在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中使用地質(zhì)雷達(dá)，可以快速、便捷地推斷掌子面前方不良地質(zhì)狀況，提前預(yù)警，為隧道安全施工提供可靠依據(jù)。

同時(shí)，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)達(dá)圖像的判讀不僅要關(guān)注雷達(dá)剖面圖上出現(xiàn)的信號(hào)異常情況，還要注意觀察掌子面施工現(xiàn)場(chǎng)直觀的地質(zhì)情況，再結(jié)合相關(guān)地質(zhì)知識(shí)進(jìn)行綜合判斷，才能最終得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

因?yàn)閱我坏奈锾椒椒ńo出的解釋結(jié)果存在一定的多解性，所以建議在物探異常區(qū)采用更直接的超前鉆探手段對(duì)物探結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步修正前方預(yù)測(cè)的地質(zhì)情況。