■林永旺

（福建省交設(shè)工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，福州 350000）

1 引言

隧道屬于地下隱蔽工程，施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況相對(duì)復(fù)雜，潛在不可預(yù)知的地質(zhì)因素較多[1-2]。 若施工現(xiàn)場(chǎng)安全措施采取不當(dāng)，會(huì)對(duì)隧道安全施工及支護(hù)結(jié)構(gòu)帶來(lái)極大威脅， 直接影響隧道正常工期，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成人員安全事故，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。 因此，有必要對(duì)隧道掌子面前方的地質(zhì)隱患進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，提前了解隧道未施工段的地質(zhì)構(gòu)造，指導(dǎo)隧道安全施工[3]。 同時(shí)，隧道的主要受力部分為襯砌結(jié)構(gòu)， 其施工質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響隧道運(yùn)營(yíng)期的安全使用，因此在隧道施工過(guò)程中對(duì)施工完成后的襯砌進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)也十分必要[4]。 地質(zhì)雷達(dá)作為一種新型的地下探測(cè)無(wú)損檢測(cè)的新技術(shù)，具有檢測(cè)快速、高效、連續(xù)、無(wú)損、施工干擾性小等優(yōu)勢(shì)[5-6]，可在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及襯砌質(zhì)量檢測(cè)中發(fā)揮重要作用。

本文以福建某隧道工程為例，對(duì)具體里程的超前預(yù)報(bào)和部分地段的襯砌質(zhì)量檢測(cè)的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)不良地質(zhì)分布情況及襯砌施工過(guò)程中的質(zhì)量缺陷， 指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全施工，控制工程施工質(zhì)量，為同類工程提供技術(shù)借鑒。

2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理及參數(shù)設(shè)置

2.1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)采用的是高頻電磁脈沖波的反射原理。 通過(guò)無(wú)線波脈沖源向地下介質(zhì)發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到介質(zhì)分界面（如初襯和二襯的界面，初襯和圍巖的界面等）、介質(zhì)電性（介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率）差異較大的界面或地下異常體（如不密實(shí)、脫空、空洞等）時(shí)，電磁波在阻抗界面將產(chǎn)生反射、透射和折射現(xiàn)象[7]。 發(fā)生反射的部分返回地面后由接收天線接收，并由采集系統(tǒng)以數(shù)字形式記錄下來(lái)，其工作原理如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖

地質(zhì)雷達(dá)接收從介質(zhì)分界面反射回的電磁波，其能量大小由反射系數(shù)R 表示

式中，ε1、ε2分別為介質(zhì)界面兩側(cè)的相對(duì)介電常數(shù)。反射系數(shù)R 的大小取決于介質(zhì)界面兩側(cè)的相對(duì)介電常數(shù)差異，差異越大，在雷達(dá)圖像中信號(hào)反應(yīng)越強(qiáng)烈，異常信號(hào)越易被識(shí)別。

地質(zhì)雷達(dá)從發(fā)射電磁波開(kāi)始到接收到反射波所用雙程走時(shí)t 的計(jì)算公式為[8]：

式中，H 為目標(biāo)體深度；L 為接收天線與發(fā)射天線之間的水平距離；v 為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。 通過(guò)雙程走時(shí)、接收天線與發(fā)射天線之間的距離及電磁波在介質(zhì)中的傳播速度可反算出探測(cè)目標(biāo)的深度H 和范圍，從而實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)條件及襯砌病害的定位。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)設(shè)置

地質(zhì)雷達(dá)在工程使用中，需根據(jù)探測(cè)物深度及分辨率情況選擇不同的天線頻率。 天線頻率越大，分辨率越高，但探測(cè)深度越淺；天線頻率越小，分辨率越低，但探測(cè)深度越大。

本文采用的地質(zhì)雷達(dá)為美國(guó)GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-30E 型。 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)檢測(cè)時(shí)由于掌子面不平整，需采用點(diǎn)測(cè)法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；襯砌質(zhì)量檢測(cè)時(shí)沿測(cè)線采用距離觸發(fā)法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具體地質(zhì)雷達(dá)主要測(cè)試參數(shù)如表1 所示。

表1 地質(zhì)雷達(dá)主要測(cè)試參數(shù)

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

福建某隧道工程位于福州市西片區(qū)，為中心城區(qū)規(guī)劃南北向骨架路網(wǎng)之一，主線車行隧道為雙向8 車道，場(chǎng)區(qū)未見(jiàn)有空洞、臨空面、采空區(qū)等不良地質(zhì)作用。 受施工單位委托，對(duì)該隧道工程進(jìn)行施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及施工中襯砌質(zhì)量檢測(cè)，指導(dǎo)施工進(jìn)度、確保施工質(zhì)量。

3.2 雷達(dá)測(cè)線布置

隧道超前預(yù)報(bào)測(cè)線布置需注意以下2 點(diǎn)：

（1）探測(cè)方式通常為線性連續(xù)測(cè)量方式，對(duì)于異常位置或不便到達(dá)位置，可采用小范圍連續(xù)測(cè)量和點(diǎn)測(cè)相結(jié)合的方式進(jìn)行；

（2）為了保障探測(cè)信號(hào)的準(zhǔn)確性，排除電磁干擾的和偶發(fā)因素，同一測(cè)線通常需進(jìn)行多次復(fù)測(cè)。

根據(jù)上述測(cè)線布置原則和隧道施工現(xiàn)場(chǎng)情況，本項(xiàng)目在待測(cè)掌子面距隧道底部約3 m 處布置1條“一”字型水平測(cè)線。 測(cè)探時(shí)采用點(diǎn)測(cè)，每次點(diǎn)測(cè)相距10 cm，并保持天線與掌子面緊貼。隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)掌子面雷達(dá)測(cè)線布置示意如圖2 所示，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)如圖3 所示。

圖2 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)掌子面雷達(dá)測(cè)線布置圖

圖3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖

在襯砌質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，為了使檢測(cè)結(jié)果更全面地反應(yīng)隧道的襯砌質(zhì)量情況，沿隧道左邊墻、左拱腰、拱頂、 右拱腰及右邊墻縱向部位各布置1 條測(cè)線，共5 條測(cè)線，編號(hào)為CD1～CD5，隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)測(cè)線橫斷面布置示意如圖4 所示。 在襯砌拱頂及拱腰檢測(cè)時(shí)，為滿足作業(yè)高度的要求，可采用檢測(cè)車或者搭設(shè)鋼管架平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)如圖5 所示。

圖4 隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)測(cè)線橫斷面布置圖

圖5 隧道襯砌質(zhì)量現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖

4 檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 超前預(yù)報(bào)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目在對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析時(shí)，采用二維成像技術(shù)及三維成像技術(shù)相結(jié)合的形式，對(duì)其地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)判定。

4.1.1 地質(zhì)雷達(dá)二維波形圖

本文采用掌子面里程樁號(hào)為ZK124+842 處雷達(dá)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析說(shuō)明。 經(jīng)處理后的地質(zhì)雷達(dá)二維波形圖如圖6 所示。

圖6 掌子面ZK124+842 處地質(zhì)雷達(dá)二維波形圖

（1）在掌子面前方構(gòu)造深度0～18 m，該范圍內(nèi)橢圓標(biāo)記處電磁波信號(hào)以較均勻中低頻為主，同相軸較連續(xù)，波形頻率變化較有規(guī)律，初步推斷存在裂隙水； 矩形標(biāo)記處電磁波信號(hào)為較均勻中低頻，同相軸連續(xù)，波形頻率高低變化快，初步推斷為軟弱泥質(zhì)夾層。

（2）在掌子面前方構(gòu)造深度18～30 m，該區(qū)域范圍矩形標(biāo)記處電磁波信號(hào)以較均勻中低頻為主，同相軸較連續(xù)，波形頻率變化較有規(guī)律，初步推斷存在裂隙水， 其他區(qū)域內(nèi)電磁波信號(hào)以中低頻為主，波形頻率高低變化快，同相軸較連續(xù)，初步推斷該范圍圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，層間結(jié)合差，巖體破碎。

4.1.2 地質(zhì)雷達(dá)三維成像圖

從地質(zhì)雷達(dá)二維波形圖分析結(jié)果表明，掌子面前方0～30 m 區(qū)段有裂隙水及圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，但無(wú)法對(duì)裂隙水及圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育的規(guī)模及位置進(jìn)行定位。 此時(shí)需采用三維成像技術(shù)對(duì)不同方向采集的地質(zhì)雷達(dá)波信號(hào)進(jìn)行處理，分析裂隙水及圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育的頻響譜能強(qiáng)度，獲得被探測(cè)目標(biāo)的地質(zhì)雷達(dá)三維成像圖，并對(duì)不良地質(zhì)情況規(guī)模及位置進(jìn)行判定[9-12]。

本文以里程ZK124+942 斷面與隧道軸線交點(diǎn)為中心， 周邊圍巖40 m 范圍， 探測(cè)隧道左幅ZK124+942～ZK124+842 段（約100 m）空間區(qū)域，綜合探測(cè)結(jié)果如圖7 所示，從三維圖中可直觀地發(fā)現(xiàn)里程ZK124+882 為隧道圍巖巖性變化界面。測(cè)控區(qū)空間范圍ZK124+942～ZK124+882 段巖性單一，巖體較破碎，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，穩(wěn)定性稍好，含水量相對(duì)較小， 呈弱含水狀；ZK124+882～ZK124+842段周邊圍巖40 m 范圍為富含水區(qū)， 相對(duì)于拱頂左側(cè)含水量較大，同時(shí)左右拱頂上方有較大規(guī)模的破碎松散區(qū)，左側(cè)位于掌子面ZK124+842 結(jié)構(gòu)向外約10 m 范圍，沿隧道軸線交點(diǎn)左側(cè)長(zhǎng)度約20 m；右側(cè)位于在掌子面ZK124+842 結(jié)構(gòu)向外約40 m 范圍，沿隧道軸線交點(diǎn)右側(cè)長(zhǎng)度約30 m。在該區(qū)域巖體破碎較嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖完整性及穩(wěn)定性差，開(kāi)挖時(shí)易產(chǎn)生突泥涌水，如圖8 所示。

圖7 地質(zhì)雷達(dá)三維成像探測(cè)綜合結(jié)果

圖8 隧道周邊圍巖破碎松散、富含水區(qū)分布探測(cè)結(jié)果

根據(jù)探測(cè)結(jié)果，建議施工采取“短開(kāi)挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測(cè)、早封閉”的開(kāi)挖原則，在開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)， 避免產(chǎn)生嚴(yán)重的拱頂?shù)魤K，甚至坍塌等破壞現(xiàn)象。 施工工程中及時(shí)噴射混凝土封閉掌子面進(jìn)行加固處理，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)工作，施工時(shí)應(yīng)注意防排水。

4.2 襯砌質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目襯砌檢測(cè)數(shù)據(jù)采用隧道地段ZK124+750～Zk124+770 CD1、CD2、CD3 測(cè)線處數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來(lái)說(shuō)明地質(zhì)雷達(dá)在襯砌檢測(cè)中的應(yīng)用。

由于層間脫空及厚度大空洞中常含有空氣，電磁波從襯砌界面到達(dá)空氣界面后再經(jīng)過(guò)襯砌界面，造成介電常數(shù)相差較大，在兩個(gè)接觸面都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)反射信號(hào)，形成雙曲線波形，同相軸連續(xù)，同時(shí)在混凝土空洞含有較多的空氣，電磁波透過(guò)襯砌到達(dá)空氣層時(shí)會(huì)產(chǎn)生一條反射波，而電磁波在空氣中衰減較小， 因此電磁波在空洞中易產(chǎn)生多次較強(qiáng)的反射，形成三角狀或帶狀波形，同相軸呈弧形且與相鄰軸不連續(xù)，因此可判斷本項(xiàng)目隧道拱頂襯砌背后出現(xiàn)脫空， 隧道邊墻襯砌鋼拱架后存在的空洞異常，典型地質(zhì)雷達(dá)圖如圖9～10 所示。

圖9 隧道拱頂襯砌背后脫空

圖10 隧道邊墻襯砌鋼拱架后存在的空洞異常

在襯砌施工中，由于隧道掌子面超挖、混凝土配合比不規(guī)范或振搗不均勻，均有可能導(dǎo)致襯砌不密實(shí)，不密實(shí)的混凝土中易產(chǎn)生細(xì)小空洞或蜂窩麻面，在該空間內(nèi)常含有水和空氣，由于混凝土、水及空氣三者相對(duì)介電常數(shù)差異較大，電磁波穿過(guò)該類區(qū)域，便會(huì)產(chǎn)生規(guī)模較小的多組反射信號(hào)，且同相軸錯(cuò)亂不連續(xù)，整體剖面信號(hào)較雜亂，因此可判斷隧道拱腰處襯砌層存在不密實(shí)異常，典型地質(zhì)雷達(dá)圖如圖11 所示。

圖11 隧道拱腰處襯砌層存在不密實(shí)異常

5 結(jié)論

本文以福建某隧道工程為例， 對(duì)具體里程的超前預(yù)報(bào)和部分地段的襯砌質(zhì)量檢測(cè)的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 分析隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)時(shí)不良地質(zhì)分布情況及襯砌施工過(guò)程中的質(zhì)量缺陷， 研究結(jié)果表明：

（1）利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，可以快速、便捷地識(shí)別掌子面前方的巖溶空腔、斷層破碎帶、涌水、含水裂隙等不良地質(zhì)體，提前預(yù)警，及時(shí)調(diào)整隧道開(kāi)挖方案，結(jié)合預(yù)報(bào)情況動(dòng)態(tài)調(diào)整圍巖等級(jí)，從而達(dá)到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工的目的。

（2）利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)，可高效、連續(xù)、無(wú)損地識(shí)別襯砌不密實(shí)、背后出現(xiàn)空洞或脫空、襯砌中的鋼筋及鋼拱架，判定鋼筋間距及鋼拱架數(shù)量是否滿足設(shè)計(jì)要求，為檢測(cè)隧道襯砌的質(zhì)量提供依據(jù)。