孫 凱 朱占龍

(1.青海省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 西寧 810008;2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司 蘭州 730070)

引言

隨著我國高速公路、鐵路及礦山等事業(yè)的發(fā)展，施工隧道已大量出現(xiàn)。在隧道施工過程中，由于掌子面前方地質(zhì)狀況不清楚，施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到破碎帶、空洞、富水區(qū)域等病害地質(zhì)體導(dǎo)致的塌方、涌泥、涌水、突水等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度及人身財(cái)產(chǎn)安全。如2006年1月21日，馬鹿箐隧道施工至3174m時(shí)突發(fā)涌水、涌泥現(xiàn)象，造成多名工作人員遇難，損失巨大。2008年4月30日大支坪隧道開挖至2771m時(shí)突發(fā)大規(guī)模的涌水、涌砂現(xiàn)象，由于采取措施及時(shí)，未造成人員傷亡，但是嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。隧道施工過程中事故頻發(fā)，經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，由此可見隧道超前預(yù)報(bào)工作的必要性。

我國隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代末期，正式投入生產(chǎn)是在20世紀(jì)80年代。使用初期就取得了很好地效果，并編寫了《軍都山隧道快速施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)指南》，為隧道超前預(yù)報(bào)工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[5]。目前，在隧道超前預(yù)報(bào)技術(shù)中地質(zhì)雷達(dá)法、地震波法、高分辨率直流電法、紅外探水法等各種超前預(yù)報(bào)方法百家爭(zhēng)鳴，各有所長。而地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探水法數(shù)據(jù)采集不影響隧道施工，是一種無損檢測(cè)，預(yù)報(bào)結(jié)果及時(shí)且對(duì)富水區(qū)域敏感，在超前預(yù)報(bào)技術(shù)中具有重要的地位。

地質(zhì)雷達(dá)法是一種廣譜電磁波技術(shù)[7]，是以不同地質(zhì)體的介電常數(shù)差異為物性基礎(chǔ)，通過分析高頻電磁波在電性不連續(xù)界面反射回來的電磁波圖譜，判斷掌子面前方地質(zhì)狀況的一種地球物理方法。該方法具有自動(dòng)化程度高、成果轉(zhuǎn)換快、圖像直觀、分辨率高、便于施工等優(yōu)點(diǎn)，在預(yù)報(bào)富水區(qū)域、破碎帶、空洞、溶洞等病害地質(zhì)體方面有明顯的效果。

紅外探測(cè)技術(shù)是通過不同地質(zhì)體輻射的紅外場(chǎng)場(chǎng)值不同為物性基礎(chǔ)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)的一種物探方法。若被探測(cè)地質(zhì)體前方圍巖均勻，不隱伏異常地質(zhì)體時(shí)，紅外場(chǎng)值為一個(gè)固定常數(shù)。當(dāng)前方存在異常地質(zhì)體時(shí)，紅外場(chǎng)也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化。紅外探水技術(shù)就是根據(jù)這一特性在隧道掌子面及掌子面附近洞身布設(shè)紅外場(chǎng)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)紅外場(chǎng)值的曲線變換推測(cè)掌子面前方地質(zhì)體的變化情況。

本文通過地質(zhì)雷達(dá)法及紅外探水法在隧道中實(shí)際預(yù)報(bào)及開挖驗(yàn)證為實(shí)例，從理論及應(yīng)用效果出發(fā)，闡述聯(lián)合地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水法對(duì)隧道富水區(qū)域預(yù)報(bào)的方法。

1 地質(zhì)雷達(dá)法簡(jiǎn)介

1.1 預(yù)報(bào)原理

探地雷達(dá)法是一種以地下介質(zhì)介電常數(shù)差異為基礎(chǔ)，識(shí)別不同地質(zhì)體的物探方法。自然界中的巖體、水體空氣的相對(duì)介電常數(shù)差異很大，巖體、砂卵石等物質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為5～8，空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1，而水的相對(duì)介電常數(shù)為80，如在雷達(dá)波輻射范圍內(nèi)存在地下水、空洞、斷層破碎帶或者軟弱夾層等病害地質(zhì)體，則會(huì)在發(fā)射回來的雷達(dá)波形圖中形成差異比較明顯的反射波信號(hào)，再經(jīng)相關(guān)軟件處理，能夠發(fā)現(xiàn)較為清晰的波形異常。探地雷達(dá)的工作原理如圖1所示,地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射天線向地下定向發(fā)射高頻、寬頻帶電磁波，此電滋波被地層中不同介質(zhì)反射。另一個(gè)接收天線或處于接收狀態(tài)的同一個(gè)天線接收來自于地下各種不同介質(zhì)的界面或目標(biāo)的反射波，通過對(duì)接收到的反射波的分析即可探測(cè)3種測(cè)區(qū)的地質(zhì)狀況。

圖1 探地雷達(dá)工作示意圖

1.2 設(shè)備簡(jiǎn)介

本次預(yù)報(bào)使用 LTD-2600 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)，由發(fā)射天線、接收天線、發(fā)射單元、接收單元、控制單元、筆記本微機(jī)、傳輸光纜和傳輸線、專用電池和專用電瓶、系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集軟件、后處理軟件等組成，配備超前預(yù)報(bào)專用 100MHz 天線，探測(cè)范圍為0～30m。

2 紅外探水法簡(jiǎn)介

2.1 預(yù)報(bào)原理

任何物體都會(huì)向外輻射電磁波，不同物質(zhì)由于分子及晶格運(yùn)動(dòng)情況不同，所輻射的紅外場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)也會(huì)存在差異。紅外探水技術(shù)就是通過紅外探水儀記錄不同位置的紅外場(chǎng)場(chǎng)值，通過紅外場(chǎng)場(chǎng)值曲線分析被探測(cè)對(duì)象前方地質(zhì)體變化情況的一種方法。由于紅外場(chǎng)與分子及晶格運(yùn)動(dòng)情況有關(guān)，所以對(duì)呈液態(tài)的水體會(huì)有較好的預(yù)報(bào)效果。

2.2 測(cè)線布置

紅外場(chǎng)數(shù)據(jù)采集選用HW-304型紅外探測(cè)儀，探測(cè)范圍為兩個(gè)區(qū)域，分別為洞身和掌子面。在洞身采集12個(gè)斷面，斷面間隔為5m。每個(gè)斷面在左拱腳、左拱腰、拱頂、右拱腰、右拱腳、拱底采集6組數(shù)據(jù)。測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。掌子面共布設(shè)6條測(cè)線，每條測(cè)線布設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

圖2 洞身測(cè)點(diǎn)示意圖

圖3 掌子面測(cè)點(diǎn)示意圖

3 工程實(shí)例

3.1 工區(qū)地質(zhì)概況

向陽5號(hào)隧道進(jìn)洞口位于天峨縣向陽鎮(zhèn)向陽村車賴屯北側(cè)約0.6km處，出洞口位于天峨縣向陽鎮(zhèn)納供屯北東向約0.4km處，隧道總體走向約257°。隧道圍巖以三疊系下統(tǒng)(T1)粉砂巖為主，巖體較破碎—較完整。隧址區(qū)巖層產(chǎn)狀、節(jié)理和裂隙變化不大。隧道區(qū)下伏基巖以粉砂巖為主，裂隙多以風(fēng)化裂隙為主，發(fā)育密度大。隧址區(qū)內(nèi)無大的地表水體，主要沖溝溪流，受季節(jié)降雨影響明顯，雨季有水，冬季水流量較小。場(chǎng)地地下水主要為賦存于第四系覆蓋層中的孔隙水及基巖中的破碎帶及構(gòu)造裂隙水。

榮理隧道進(jìn)口位于河池市天峨縣燕來鄉(xiāng)當(dāng)陽村下榮屯北東面約 0.6km處， 出口位于天峨縣燕來鄉(xiāng)三角塘村南面約 0.4km處，為分離式越嶺長隧道；隧道走向287°～281°。隧道所穿越山體基巖為三疊系中統(tǒng)板納組(T2b)砂巖，基巖零星裸露，多呈薄—中厚層狀構(gòu)造。隧址區(qū)內(nèi)無大的地表水體，主要為沖溝溪流，受季節(jié)降雨影響明顯，雨季降雨時(shí)有流水，冬季一般干枯，地下水主要為賦存于第四系覆 蓋層中的孔隙水及基巖中的構(gòu)造裂隙水。

向陽1號(hào)隧道進(jìn)洞口位于天峨縣向陽鎮(zhèn)林細(xì)村中領(lǐng)屯西南側(cè)約0.2km處，出洞口位于天峨縣向陽鎮(zhèn)全平村八度屯南東向約 1.0km處。區(qū)域內(nèi)降水豐富，年降水量為 1370mm，降水量年內(nèi)分配很不均勻，雨季主要在 4～9月份，降水量占全年的80%左右。隧道所穿越山體下伏基巖為三疊系中統(tǒng)(T2b)粉砂巖、三疊系下統(tǒng)(T1)粉砂巖以及二疊系上統(tǒng)(P2)粉砂巖(局部含少量炭質(zhì))，粉砂巖零星出露，巖質(zhì)較硬，巖體總體較破碎—較完整，局部破碎，力學(xué)強(qiáng)度較高，抗風(fēng)化能力較強(qiáng)，工程地質(zhì)穩(wěn)定性一般，隧址區(qū)巖層產(chǎn)狀、節(jié)理和裂隙變化不大。

3.2 數(shù)據(jù)處理方法簡(jiǎn)介

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理采用IDSP7處理軟件，處理流程包括調(diào)節(jié)零點(diǎn)、調(diào)節(jié)增益、校正零偏、數(shù)字濾波、背景消除、滑動(dòng)平均、道間均衡等步驟。調(diào)節(jié)零點(diǎn)時(shí)以第一個(gè)正波峰為零點(diǎn)，將零點(diǎn)位置調(diào)節(jié)到第一個(gè)正波峰位置處即可。調(diào)節(jié)增益是為了讓采集到的信號(hào)和背景噪聲相比更加明顯，凸顯信號(hào)。校正零偏是矯正電磁波零偏位置，可根據(jù)使用前后效果對(duì)比選擇是否采用。數(shù)字濾波采用50～150MHz的FIR帶通濾波器，消除數(shù)據(jù)中的干擾信號(hào)。背景消除有滑動(dòng)法、整體法兩種方法。其中滑動(dòng)法適合找不密實(shí)、空洞等病害地質(zhì)體，整體法適合找層位。在處理過程中通常選用滑動(dòng)法?；瑒?dòng)平均是根據(jù)相鄰幾道信號(hào)的相關(guān)性，給相關(guān)性大的信號(hào)一個(gè)正向增益，相關(guān)性小的信號(hào)一個(gè)負(fù)向壓制，以此來提高數(shù)據(jù)的信噪比。道間均衡是給較強(qiáng)的信號(hào)一個(gè)較大的增益，較小的信號(hào)一個(gè)較小的增益，以此來提高數(shù)據(jù)的信噪比。在數(shù)據(jù)處理的過程中會(huì)根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)情況對(duì)處理方法做相應(yīng)的調(diào)整。

紅外探水法數(shù)據(jù)處理較為簡(jiǎn)單，只需將所測(cè)紅外場(chǎng)值按測(cè)線繪制成折線圖或曲線圖即可。

3.3 實(shí)例應(yīng)用

3.3.1 向陽5號(hào)隧道

數(shù)據(jù)采集時(shí)掌子面里程為ZK87+301,掌子面前進(jìn)方向?yàn)榇罄锍谭较?。從下、中、上三條水平測(cè)線Line1、Line2、Line3的地質(zhì)雷達(dá)圖譜(如圖4所示),掌子面前方0～5m范圍存在明顯的電磁波反射界面，電磁波同相軸連續(xù)，能量衰減嚴(yán)重且無明顯規(guī)律性。結(jié)合掌子面地質(zhì)狀況推測(cè)該段裂隙、節(jié)理發(fā)育，為富水區(qū)域，賦水方式為構(gòu)造裂隙水。5～10m范圍內(nèi)下方兩條測(cè)線圖譜顯示無明顯電磁波反射界面，上方測(cè)線雷達(dá)圖譜顯示較明顯的反射界面。10～20m范圍內(nèi)存在明顯的電磁波反射界面，波形特征與0～5m時(shí)類似，推測(cè)該段節(jié)理、裂隙發(fā)育，構(gòu)造裂隙水發(fā)育。20～30m范圍內(nèi)無明顯電磁波反射界面，推測(cè)可能為前半程能量衰減嚴(yán)重，該段信噪比較低的緣故，但依舊可見該段電磁波存在幅值異?，F(xiàn)象，鑒于數(shù)據(jù)采集時(shí)無明顯電性干擾，推測(cè)該段內(nèi)幅值異?？赡苁怯捎跇?gòu)造裂隙及裂隙水造成的。

圖4 地質(zhì)雷達(dá)圖譜(a：line1圖譜 b：line2圖譜 c：line3圖譜)

對(duì)比下、中、上三條測(cè)線的地質(zhì)雷達(dá)圖譜發(fā)現(xiàn)，上方測(cè)線電磁波反射界面最明顯，中間測(cè)線次之，下方測(cè)線最弱，推測(cè)掌子面上方富水量最大，中間次之，下方最小。結(jié)合當(dāng)時(shí)降水情況推測(cè)該段地下水主要源自大氣降水。

通過對(duì)洞身、掌子面紅外場(chǎng)數(shù)據(jù)折線圖分析可知，掌子面及接近掌子面斷面處紅外場(chǎng)場(chǎng)值明顯較低，且與最大值差值都在10μW/cm2以上，超過閾值范圍。掌子面紅外場(chǎng)值普遍較低且折線圖顯示掌子面左側(cè)場(chǎng)強(qiáng)明顯較低(折線圖2號(hào)點(diǎn)處)。通過現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)該區(qū)域存在明顯涌水現(xiàn)象，且出水量較大。結(jié)合紅外探水折線圖及現(xiàn)場(chǎng)觀察推測(cè)，掌子面前方30m范圍內(nèi)存在明顯的富水區(qū)域，且水量較大，紅外探水折線見圖5所示。

圖5 紅外探水成果圖

隧道掌子面里程ZK87+301時(shí)，開展地質(zhì)雷達(dá)及紅外探測(cè)超前預(yù)報(bào)工作，掌子面圍巖整體濕潤，中上部位存在多處小規(guī)模滲水點(diǎn)，滲水量不大。

隧道在開挖至ZK87+311里程附近時(shí)，掌子面上半部分出現(xiàn)大規(guī)模涌水現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工人員介紹，掌子面打炮孔時(shí)炮孔涌水嚴(yán)重，隨著時(shí)間的推移涌水量會(huì)有所下降，預(yù)估平均涌水量達(dá)30m3/d。

在后續(xù)施工過程中，掌子面涌水現(xiàn)象一直存在，經(jīng)跟進(jìn)觀察發(fā)現(xiàn)涌水量明顯受降水影響，推測(cè)該段賦水方式為構(gòu)造裂隙水，水源補(bǔ)充主要靠大氣降水。經(jīng)開挖驗(yàn)證證實(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果基本可靠。由于地球物理方法存在多解性，且隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，可能出現(xiàn)的病害地質(zhì)體種類繁多，所以在掌子面出現(xiàn)異常情況時(shí)結(jié)合多種方法做綜合預(yù)報(bào)很有必要。且地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水?dāng)?shù)據(jù)采集基本不影響施工，數(shù)據(jù)處理方便快捷，兩者結(jié)合使用對(duì)隧道富水地質(zhì)體預(yù)報(bào)大有裨益。

3.3.2 榮里隧道

為驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用在隧道涌水現(xiàn)象預(yù)報(bào)中的優(yōu)越性，筆者在地質(zhì)雷達(dá)圖譜顯示可能富水的區(qū)域開展紅外探水工作。榮里隧道右線K98+183.6里程段附近地質(zhì)雷達(dá)圖譜如圖6所示。掌子面前方0～25m范圍內(nèi)存在明顯的電磁波反射界面，電磁波同相軸連續(xù)性較好，能量衰減嚴(yán)重，推測(cè)該段可能為富水區(qū)域或節(jié)理、裂隙密集發(fā)育的區(qū)域，為此，在該里程段開展紅外探水工作，綜合分析雷達(dá)圖譜中的強(qiáng)反射界面是否是由于該里程段富水導(dǎo)致的。

圖6 地質(zhì)雷達(dá)圖譜

紅外探水結(jié)果折線圖如圖7所示。通過對(duì)榮里右線進(jìn)口K98+050-K98+105段及掌子面(K98+183.6)六條測(cè)線紅外探水?dāng)?shù)據(jù)分析認(rèn)為，洞身紅外場(chǎng)最大場(chǎng)值為310μW/cm2，出現(xiàn)在拱底水泥未凝固區(qū)域，最小場(chǎng)值為293μW/cm2，其差值大于閾值10μW/cm2。結(jié)合曲線及現(xiàn)場(chǎng)情況分析認(rèn)為該異常由未凝固水泥引起，洞身段無大量含水區(qū)域，但不排除規(guī)模較小的滴水現(xiàn)象。

圖7 紅外探水折線圖

掌子面最大紅外場(chǎng)場(chǎng)值302μW/cm2，最小紅外場(chǎng)場(chǎng)值295μW/cm2，未超過閾值10μW/cm2，且掌子面紅外場(chǎng)場(chǎng)值大致與洞身場(chǎng)值一致，推測(cè)掌子面前方30m范圍內(nèi)無大規(guī)模含水現(xiàn)象，但不排除小規(guī)模滲水現(xiàn)象。

結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水對(duì)該里程段的綜合預(yù)報(bào)，推測(cè)該里程段內(nèi)圍巖節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。結(jié)合掌子面地質(zhì)狀況推測(cè)該里程段內(nèi)可能存在小規(guī)模的結(jié)構(gòu)裂隙水，但不會(huì)有大規(guī)模涌水現(xiàn)象發(fā)生。

在后續(xù)開挖過程中該里程段無明顯涌水現(xiàn)象，巖體層理、裂隙較發(fā)育，圍巖較破碎。開挖結(jié)果與預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致，進(jìn)一步證明結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水技術(shù)在預(yù)報(bào)涌水、涌泥問題上的優(yōu)越性。

3.3.3 向陽1號(hào)隧道

向陽1號(hào)隧道在開挖至樁號(hào)K72+460里程段附近時(shí)，掌子面出現(xiàn)小規(guī)模滲水現(xiàn)象，地質(zhì)雷達(dá)圖譜顯示K72+460～K72+485段巖體裂隙較發(fā)育，圍巖較破碎，可能存在小型破碎帶或涌水水現(xiàn)象。地質(zhì)雷達(dá)圖譜如圖8所示。為驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)果，后續(xù)開展了紅外探水工作，紅外探水折線圖如圖9所示。掌子面及洞身紅外場(chǎng)值折線圖顯示，掌子面紅外場(chǎng)值均大于300μW/cm2，洞身遠(yuǎn)離掌子面處紅外場(chǎng)值小于220μW/cm2，嚴(yán)重超過閾值10μW/cm2，根據(jù)紅外探水折線圖及掌子面地質(zhì)狀況推測(cè)，K72+468～K72+498段范圍內(nèi)可能為富水區(qū)域，且儲(chǔ)水量較大。

圖8 地質(zhì)雷達(dá)圖譜

圖9 紅外探水曲線圖

結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水結(jié)果分析，掌子面前方30m范圍內(nèi)很可能為富水區(qū)域，且水量較大。該里程段在后續(xù)開挖過程中出現(xiàn)較大規(guī)模涌水現(xiàn)象。開挖結(jié)果與預(yù)報(bào)結(jié)果基本一致。

通過上述地質(zhì)雷達(dá)法及紅外探水法在隧道超前預(yù)報(bào)中綜合應(yīng)用的實(shí)例，不難發(fā)現(xiàn)單一的超前預(yù)報(bào)方法有很明顯的局限性。僅通過地質(zhì)雷達(dá)圖譜分析隧道前方地質(zhì)狀況受限于預(yù)報(bào)人員預(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)，且主觀性較大，易產(chǎn)生誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)現(xiàn)象。而紅外探水只對(duì)有水造成的病害現(xiàn)象靈敏，且無法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)病害出現(xiàn)的位置。

在超前預(yù)報(bào)工作中，紅外探水法及地質(zhì)雷達(dá)法具有數(shù)據(jù)采集方便、快捷，不影響隧道施工等優(yōu)點(diǎn)，所以綜合應(yīng)用上述兩種方法既能很大程度的提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，又不會(huì)影響工程進(jìn)度。

4 結(jié)論

(1)地質(zhì)雷達(dá)能較好的確定異常體位置及大致判斷造成異常的原因，但是由于隧道環(huán)境復(fù)雜，病害地質(zhì)體成因多種多樣，準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)病害地質(zhì)體的位置及成因需要預(yù)報(bào)人員有足夠的工作經(jīng)驗(yàn)。

(2)紅外探水法對(duì)由水引起的病害地質(zhì)體反應(yīng)靈敏，數(shù)據(jù)處理及預(yù)報(bào)較簡(jiǎn)單，但是不能確定異常體位置，無法為后期施工工作做準(zhǔn)確指導(dǎo)。

(3)結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)法及紅外探水技術(shù)能很好地確定由水造成的病害地質(zhì)體，且能準(zhǔn)確確定異常體位置。地質(zhì)雷達(dá)及紅外探水?dāng)?shù)據(jù)采集及處理簡(jiǎn)單便捷，不影響隧道施工，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)法及紅外探水法具有可行性。