李 斌

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

以貴州為中心的西南地區(qū)，喀斯特地貌廣泛分布，也是巖溶發(fā)育最強(qiáng)烈的地區(qū)[1]，該地區(qū)常年充足的降水和地表的石灰?guī)r巖層為巖溶發(fā)育提供了良好的形成條件[2]。而在隧道施工過程中，因巖溶發(fā)育導(dǎo)致的地質(zhì)構(gòu)造災(zāi)害，引發(fā)突水突泥、冒頂塌方等事故，會造成較大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[3-5]。

根據(jù)地勘揭露，貴州畢節(jié)陽山隧道進(jìn)出口淺埋段穿越白云巖層約500 m，已探明揭露的溶洞較多，因此推斷該范圍內(nèi)巖溶發(fā)育，具體位置和影響范圍不確定。為了有效保障整個隧道施工的安全，提高工程的施工效率和經(jīng)濟(jì)效益，需對巖溶發(fā)育段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報探測。

超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)就是針對隧道施工過程中可能遇到的地質(zhì)災(zāi)害而興起的技術(shù)手段，目前在隧道施工過程中屬于必要環(huán)節(jié)，常用的方法有地震波反射法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、紅外探水法、TRT技術(shù)和常規(guī)的超前鉆探法[6-11]，各種方法均有自己的特點(diǎn)和不足[12-13]，采用單一的方法很難有效掌握前方地質(zhì)情況。在實(shí)際施工過程中，往往采取長短結(jié)合的方式開展，可以有效探測掘進(jìn)工作面前方一定距離和范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體，了解掘進(jìn)面前方不同巖體接觸帶位置、巖體破碎程度、地下水賦存情況、巖溶發(fā)育情況、巖層裂隙發(fā)育狀況等，從而通過分析研究，變更設(shè)計(jì)參數(shù)和施工工藝，保障隧道作業(yè)安全和整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

1 工程概況

陽山隧道屬于畢節(jié)市南部新區(qū)深圳路延伸段道路建設(shè)工程的關(guān)鍵部分，工程位于七星關(guān)區(qū)南部新區(qū)北部，呈東西走向，東接已建成深圳路東段，西接草海大道，設(shè)計(jì)陽山隧道因下穿陽山森林公園得名。隧道最大埋深190 m，南線起止里程SK0+490 m—SK2+331 m，長1 841 m，場地屬低山地貌，隧道段地勢起伏較大，局部還分布溝壑及洼地等，地下水主要為上層滯水和基巖裂隙水及巖溶水，未發(fā)現(xiàn)明顯暗河。畢節(jié)陽山隧道工程位置如圖1所示。

圖1 陽山隧道工程位置示意

根據(jù)先期進(jìn)行的地震波反射法探測里程SK0+903 m—SK1+003 m段，該段節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，屬于巖溶發(fā)育段，需要結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)法對異常段進(jìn)行精細(xì)化探測。發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)體時，要提前進(jìn)行處置措施，保障施工安全。

2 地質(zhì)雷達(dá)基本原理

探地雷達(dá)采用的是時間域脈沖方式，系統(tǒng)主機(jī)控制發(fā)射機(jī)通過天線將高頻帶的脈沖電磁波[14]向隧道掘進(jìn)面前方定向發(fā)射。垂直于隧道掘進(jìn)面?zhèn)鞑サ碾姶挪ó?dāng)遇到有電性差異(介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率不同)界面或目標(biāo)體時即發(fā)生反射，反射波被天線接收進(jìn)入接收機(jī)，并傳回主機(jī)，可得到各個反射波往返旅行時間t。

不同地下介質(zhì)介電常數(shù)的差異決定了反射系數(shù)的大小，呈正比關(guān)系，即差異越大，反射系數(shù)越大，越容易被探測到[15]。常見介電常數(shù)見表1。

表1 常見介電常數(shù)

在相對介電常數(shù)Er給定的情況下，已知雷達(dá)波在空氣中的傳播速度c=0.300 m/ns，就可以使用式(1)換算成目標(biāo)體的深度H[16]。

(1)

介質(zhì)中不同深度的反射波返回主機(jī)，然后進(jìn)行信號放大、采集整理、過濾雜波和數(shù)字疊加等分析處理，就能把雷達(dá)波反射的時間曲線直觀地顯示出來。通過連續(xù)探測就構(gòu)成了地質(zhì)雷達(dá)成果剖面圖，從而進(jìn)一步可以推斷目標(biāo)體的位置、規(guī)模和影響范圍。地質(zhì)雷達(dá)探測工作原理如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)超前探測原理示意

3 方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)場使用配備中心頻率100 MHz天線的SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)開展探測。根據(jù)探測前方巖性特征及現(xiàn)場的工作條件，探測距離可以達(dá)到30 m左右[17]。

現(xiàn)場探測時，陽山隧道進(jìn)口南線掘進(jìn)面里程為SK0+962 m，掘進(jìn)面巖性為白云巖，夾有多層薄層狀灰色泥巖及黃色黏土，掘進(jìn)面圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖破碎，有掉塊現(xiàn)象，掘進(jìn)面濕潤，無滴水滲水現(xiàn)象。探測時掘進(jìn)面巖性情況如圖3所示。

圖3 掘進(jìn)面巖性照片

根據(jù)現(xiàn)場探測條件，在掘進(jìn)面下部布置了1條距底部高約1 m的橫測線1，長度約為16 m，掘進(jìn)面左幫為測線0點(diǎn)位置，終點(diǎn)掘進(jìn)面右?guī)停綔y方向從左向右進(jìn)行；分別沿橫測線1的2、8、14 m位置布置3條距底板高約2 m的縱測線1、2、3，探測方向從上至下。所有測線探測方向均垂直掘進(jìn)面向隧道正前方進(jìn)行探測。測線詳細(xì)布置情況如圖4所示。

圖4 測線布置示意

4 探測成果

4.1 數(shù)據(jù)分析

通過對現(xiàn)場探測的探地雷達(dá)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理，得出雷達(dá)探測數(shù)據(jù)成果如圖5—圖6所示。結(jié)合圖5、圖6可以看出，在探測范圍內(nèi)，掘進(jìn)面前方30 m(SK0+962 m—SK0+992 m)，探地雷達(dá)反射波振幅能量不規(guī)則，同軸連續(xù)性差，振幅能量衰減不均勻，推斷該段節(jié)理裂隙發(fā)育、破碎。位于掘進(jìn)面左起測線3～10 m位置的掘進(jìn)面前方5～15 m，左起測線5～10 m位置掘進(jìn)面前方26～30 m，局部探地雷達(dá)反射波振幅能量波動很大，同軸不連續(xù)，符合溶洞發(fā)育規(guī)律中強(qiáng)反射伴有弧形繞射現(xiàn)象的“雙曲線反射”[18]雷達(dá)波形。同樣在圖6中也可以看出，在橫測線雷達(dá)探測異常的位置，縱向探測數(shù)據(jù)也存在一定的強(qiáng)反射異常和能量衰減現(xiàn)象，因此推測在該位置可能存在巖溶。

圖5 橫測線1雷達(dá)數(shù)據(jù)圖像

圖6 縱測線1—3雷達(dá)數(shù)據(jù)圖像

4.2 成果解釋

綜合以上探測結(jié)果，在此次掘進(jìn)面前方30 m(SK0+962—SK0+992)超前探測地質(zhì)預(yù)報范圍內(nèi)得到以下結(jié)論。

(1)掘進(jìn)面前方30 m(SK0+962 m—SK0+992 m)圍巖整體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎。

(2)掘進(jìn)面左起測線3～10 m處掘進(jìn)面前方5～15 m(SK0+967 m—SK0+977 m)位置，掘進(jìn)面左起測線5～10 m處掘進(jìn)面前方26～28 m(SK0+988 m—SK0+992 m)位置，推測該位置節(jié)理裂隙發(fā)育，破碎，可能存在巖溶。

(3)結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，該段圍巖整體性較差，有掉塊和垮落現(xiàn)象，該段有出現(xiàn)填充巖溶的可能。建議在掘進(jìn)過程中要加以注意并加強(qiáng)支護(hù)，并施工超前鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，根據(jù)揭露情況采取適當(dāng)措施對溶洞進(jìn)行處理。

4.3 成果驗(yàn)證

根據(jù)探測結(jié)果，在SK0+962 m開挖工作面進(jìn)行超前水平鉆探驗(yàn)證。采用液壓鉆機(jī)實(shí)施了不取芯超前地質(zhì)鉆孔，布置1號—3號3個鉆孔，利用鉆孔過程中獲取的地質(zhì)信息[19]對隧道前方的地質(zhì)情況進(jìn)行分析和判斷。鉆孔布置如圖7所示，鉆探成果如圖8所示。

圖7 鉆孔布置

圖8 鉆探成果

根據(jù)鉆探結(jié)果顯示，掘進(jìn)面前方左側(cè)和中部充填有一定黏土，且鉆進(jìn)速度較快，推測存在巖溶，與地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果相符。進(jìn)口S線6月7日在里程SK0+970 m位置揭露溶腔如圖9所示。根據(jù)監(jiān)控量測顯示掘進(jìn)面頂部初支變形明顯，沉降量較大。項(xiàng)目部立即組織開展了專題會議，確定了緊急處置措施，并上報上級主管單位。后續(xù)采用超前大管棚支護(hù)和注漿加固的方式[20]進(jìn)行處置，保障安全渡過該巖溶發(fā)育段。

圖9 SK0+970 m掘進(jìn)面揭露溶腔

5 結(jié)語

(1)采用地質(zhì)雷達(dá)法，對隧道巖溶發(fā)育段進(jìn)行高精度探測，并通過超前鉆探和揭露驗(yàn)證，證明地質(zhì)雷達(dá)具有高精度、效率高、干擾少的優(yōu)點(diǎn)，可以提前做出預(yù)警，提供可靠的地質(zhì)資料，避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

(2)通過地質(zhì)雷達(dá)探測數(shù)據(jù)得出的成果，需要結(jié)合掘進(jìn)面現(xiàn)場情況進(jìn)行綜合判斷，減少掘進(jìn)面附近對探測天線的干擾，可以取得更好的效果。

(3)地質(zhì)雷達(dá)法彌補(bǔ)了其他探測方法的缺點(diǎn)，在實(shí)際施工過程中采用長短結(jié)合的方式進(jìn)行綜合探測，會取得更大的經(jīng)濟(jì)效益。