鮑鑫鑫

(中國建筑材料工業(yè)地質勘查中心浙江總隊，浙江 杭州 310022)

0 引言

典型巖溶地形下的隧道施工面臨著雨水、地下水、空洞等未知地質條件的風險。在巖溶石灰?guī)r中修建隧道經(jīng)常會導致巖層的潛在過度破壞，并導致受影響區(qū)域的破壞[1]。由于工程和地質學家在分析階段對巖石質量的錯誤評估以及施工階段采用的方法不當，由大空洞組成的石灰?guī)r的物理特性容易突然破壞并惡化。在隧道建設項目中，應充分規(guī)劃和安排在巖石石灰?guī)r中進行實驗室和現(xiàn)場測試的考慮[2]。巖溶地區(qū)隧道施工中經(jīng)常遇到的不良地質問題往往是由不同程度的巖溶問題引起的。由于地質條件的復雜性，在勘察設計階段很難準確識別不良地質體的性質，尤其是深埋隧道的情況[3]。在隧道施工活動開始之前，特別是在巖溶石灰?guī)r地區(qū)，重要的是采用風險評估，如隧道掌子面前的地質預測，識別地質反應、巖溶洞穴、破碎帶、地下水壓力、斷層斷裂的異常，并將期間可能發(fā)生的風險降至最低，隧道施工階段包括結構坍塌、地下涌水等地質問題。近年來，隨著科學技術的不斷進步，探地雷達技術被廣泛應用于隧道超前地質預報[4]。探地雷達是一種近地表地球物理技術，可以提供地球20 m左右的介電特性的高分辨率圖像。這是一種非常有用的技術，它利用通常在16～2 000 MHz頻率范圍內的無線電波來研究埋在地下水、地下斷層和地下洞穴中的結構和特征[5]。探地雷達無需鉆孔、探測或挖掘就能產(chǎn)生連續(xù)的剖面圖或地下特征記錄[6]。隧道掌子面前方探地雷達預測結果(短程法)采用基于Q分類系統(tǒng)的地質掌子面測繪方法進行驗證，能夠識別現(xiàn)場實際地質條件和巖體分類。Q的數(shù)值范圍從0.001(質量特別差的擠壓地層)到1000(質量特別好的巖石)。巖體質量Q是六個參數(shù)的函數(shù)，每個參數(shù)都有一個重要等級，可以通過地表測繪進行估計，并可以在隨后的挖掘過程中進行更新[7]。

1 地質背景

以浙江省某隧道為例。如圖1所示，其所處位置的巖石包括結晶、硬脆、深色、厚層、不純的結晶石灰?guī)r，以及由石英巖、石板、碳質頁巖、板巖和黑色燧石泥巖組成的次級碎屑相。石灰?guī)r充滿了許多天坑、溶解裂縫和空洞，而丘陵則被深深的裂縫縱橫交錯。該隧道長756 m，穿越巖溶石灰?guī)r丘陵區(qū)(典型的巖溶地形和地層，雨水和地下水豐富，巖石地質條件未知)，斷面近74 m2。本隧道工程進出口樁號從CH 3+590(出口)開始，至CH 4+346(進口)。

該研究區(qū)域的石灰?guī)r由灰色至深灰色的精細結晶型石灰?guī)r組成，薄層不連續(xù)，在初步階段，觀察到的巖溶地貌包括天坑、裂縫、洞穴等。由于地質的不確定性，穿越喀斯特石灰?guī)r的施工變得具有挑戰(zhàn)性且成本高昂。而且水洞將完全建在地下，可能需要將大量地下水排到地面，這將是施工活動需要克服的一個困難挑戰(zhàn)。因此，在施工過程中，利用地質雷達和地質掌子面測繪來預測隧道掌子面前方的地質條件是非常重要的。

圖1 隧道的位置和石灰?guī)r

2 研究方法

2.1 探地雷達原理

探地雷達是一種利用電磁波的傳播速度和反射脈沖在掌子面前方的傳播時間進行地質信息探測的方法。該方法的工作原理是發(fā)射天線定向發(fā)射高頻短脈沖電磁波。電磁波在遇到地層或電性不同的不良地質體時會發(fā)生反射或折射，如圖2所示。

在隧道地質風險評估方面，采用SIR-3000型100兆赫天線，在隧道掌子面前方進行了探地雷達。使用該預測測試的波長反映了該巖溶石灰?guī)r地層的最大深度為30 m。該方法的測試程序是從隧道面左側向右側傳輸20～30 m范圍的波長。使用此方法的起點樁號為CH 3+590至CH 3+610，如圖3所示，并持續(xù)進行，直到CH 4+346處的隧道終點。收集的數(shù)據(jù)將由分析軟件包進行分析和處理，該軟件包使用與該地球物理測量儀器系統(tǒng)匹配的Radan軟件。在數(shù)據(jù)處理過程中，將對基礎剖面進行分析。然后根據(jù)勘探對象的地質條件、性質和幾何特征進行綜合分析。這種測試可以預測裂隙巖體，能夠通過反射雷達波的異常檢測斷層分帶、溶洞和地下水。最后，準備雷達勘探報告。地質雷達輸出提供了基于巖石條件異常的巖石質量初始預測，如斷層破碎帶、空洞、風化節(jié)理裂隙，這些都可能影響巖石質量。它分為4大類，A類、B類、C類和D類，分別代表好、中、差和非常差的狀態(tài)。這種分類是根據(jù)波的頻率、振幅和傳播時間的結果進行分類的。

圖2 探地雷達的原理

圖3 對隧道進行探地雷達測試

2.2 地質測繪

地質雷達預測報告將通過地質掌子面測繪進行驗證，地質掌子面測繪是在沿著756米隧道長度的一個地點進行的，以便在選擇隧道支架之前使用Q值對巖體進行描述和分類。因此，地質測繪是地質描述的基礎。通過地質測繪，可以展示場地的實際情況，因為Q值能夠真實地描述巖體質量及其穩(wěn)定性，其中高Q值表示巖石的高穩(wěn)定性和良好質量。在此階段，包括覆蓋層在內的裸露巖石和土壤也將在測繪過程中進行觀察和記錄。不同顏色或符號顯示的不同巖石類型、主要斷層和斷裂帶也將被記錄下來。還將描述地質結構，如層理、褶皺、斷層和節(jié)理等，同時測量這些結構的傾斜方向。通過以下六個參數(shù)成得到地下洞室穩(wěn)定性Q值。

(1)

RQD為巖石質量指標，從非常差到非常好分為五個等級。Jn代表的節(jié)理組數(shù)，Jr是節(jié)理粗糙度的參數(shù)，Ja是基于礦物充填厚度的節(jié)理礦化的參數(shù)，Jw描述減水系數(shù)。SRF描述隧道應力狀況的應力降低系數(shù)。在收集所有參數(shù)后，將該值代入方程(1)以獲得Q值，從而基于該值估計合適的支撐。

3 結果與討論

圖4顯示了從探地雷達獲得的結果，該雷達使用雷達軟件在擺動模式下對CH3590至CH3610進行探測，從隧道面開始進入20 m預測，并持續(xù)到隧道結束。根據(jù)反射波的結果，從CH 3590到CH 3595(圖4中的A和B)顯示出明顯的信號反應，被確定為輕微風化，有一些小的節(jié)理裂隙。地質異常表現(xiàn)為電磁波遇到不同介質的水分，發(fā)生衍射，振幅增大。當雷達波到達水和圍巖之間的界面時，振幅增加。

與此同時，CH3600至CH3605(圖4中的C)確定了一個具有強信號反應的地質異常，表現(xiàn)為中等風化，帶有節(jié)理裂隙，這是由于CH3600至CH3605處整個隧道掌子面區(qū)域的電磁波振幅增加，因此預測該結構層填充有少量粘土和水，可能被歸類為巖石狀況不佳。這是由于當雷達波遇到水時，水的電導率增加，導致高頻波的衰減系數(shù)和衰減速度增加。因此，雷達波的頻率降低。

圖4 CH 3590-CH 3610的探地雷達反射波

圖5 隧道掌子面地質測繪成果 圖6 測繪過程中獲得的巖石圖像

圖7 CH 3550-CH 4346 的隧道剖面圖

圖8 地質雷達和隧道沿線測繪的巖體等級比較

圖5顯示了不利地質條件下隧道面的地質測繪結果。根據(jù)該位置的地質掌子面測繪，巖石被劃分為強-中等風化和部分土壤、弱-中等強度巖石和沿節(jié)理局部有空洞的強風化。從該繪圖參數(shù)獲得的Q值為1.98，巖石被分類為低質量巖石，1≤Q<4范圍內的C類。圖6是從隧道面的實際觀察中獲得的，清楚地顯示了地下水的流入。

圖7顯示了地質雷達和測繪的結果，以顯示隧道斷面上任何樁號的巖石等級和分類方法的差異，其中紅色代表巖石質量非常差，而橙色代表巖石質量差，黃色代表巖石質量一般。同時，圖8顯示了從CH 3550到CH 4346的756 m隧道沿線地質雷達和測繪的組合數(shù)據(jù)的巖體等級與樁號的關系。從數(shù)據(jù)觀察和分析來看，結果顯示，在來自地質雷達的224個數(shù)據(jù)中，有34個被確定為與地質掌子面測繪不兼容。因此，在本案例研究中，15%的地質雷達無法通過參考地質掌子面測繪來確定巖體分類。

4 結語

隧道施工需要考慮幾個因素，以最大限度地降低破壞風險，特別是對于可能由空洞和裂縫組成的巖溶石灰?guī)r。因此，包括隧道掌子面超前預報在內的風險評估對于劃分施工階段的風險區(qū)劃具有重要意義。對于此隧道，地面穿透雷達測試在隧道面之前進行，通過喀斯特石灰?guī)r地層中的反射波范圍為20～30 m。然后，在現(xiàn)場每隔3至4米進行一次地質面測繪，以使用顯示巖溶表面實際地質條件的Q值系統(tǒng)來確定巖體分類。結果表明：預測方法(地質雷達)和實際方法(掌子面地質測繪)在隧道沿線不會得到完全一致的巖體分類。兩種方法的誤差百分比為15%。從已進行的分析來看，數(shù)據(jù)顯示當隧道面內部由地下水、粘土、大量節(jié)理和空洞組成，會導致地質雷達和地質面測繪在確定巖體分類和質量方面的結果不一致。