鮑鑫鑫

(中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心浙江總隊(duì)，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(zhì)條件的風(fēng)險(xiǎn)。在巖溶石灰?guī)r中修建隧道經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致巖層的潛在過(guò)度破壞，并導(dǎo)致受影響區(qū)域的破壞[1]。由于工程和地質(zhì)學(xué)家在分析階段對(duì)巖石質(zhì)量的錯(cuò)誤評(píng)估以及施工階段采用的方法不當(dāng)，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(shè)項(xiàng)目中，應(yīng)充分規(guī)劃和安排在巖石石灰?guī)r中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(zhì)問(wèn)題往往是由不同程度的巖溶問(wèn)題引起的。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在勘察設(shè)計(jì)階段很難準(zhǔn)確識(shí)別不良地質(zhì)體的性質(zhì)，尤其是深埋隧道的情況[3]。在隧道施工活動(dòng)開(kāi)始之前，特別是在巖溶石灰?guī)r地區(qū)，重要的是采用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，如隧道掌子面前的地質(zhì)預(yù)測(cè)，識(shí)別地質(zhì)反應(yīng)、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(fēng)險(xiǎn)降至最低，隧道施工階段包括結(jié)構(gòu)坍塌、地下涌水等地質(zhì)問(wèn)題。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，探地雷達(dá)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[4]。探地雷達(dá)是一種近地表地球物理技術(shù)，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(shù)，它利用通常在16～2 000 MHz頻率范圍內(nèi)的無(wú)線電波來(lái)研究埋在地下水、地下斷層和地下洞穴中的結(jié)構(gòu)和特征[5]。探地雷達(dá)無(wú)需鉆孔、探測(cè)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(dá)預(yù)測(cè)結(jié)果(短程法)采用基于Q分類(lèi)系統(tǒng)的地質(zhì)掌子面測(cè)繪方法進(jìn)行驗(yàn)證，能夠識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件和巖體分類(lèi)。Q的數(shù)值范圍從0.001(質(zhì)量特別差的擠壓地層)到1000(質(zhì)量特別好的巖石)。巖體質(zhì)量Q是六個(gè)參數(shù)的函數(shù)，每個(gè)參數(shù)都有一個(gè)重要等級(jí)，可以通過(guò)地表測(cè)繪進(jìn)行估計(jì)，并可以在隨后的挖掘過(guò)程中進(jìn)行更新[7]。

1 地質(zhì)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(jié)晶、硬脆、深色、厚層、不純的結(jié)晶石灰?guī)r，以及由石英巖、石板、碳質(zhì)頁(yè)巖、板巖和黑色燧石泥巖組成的次級(jí)碎屑相。石灰?guī)r充滿(mǎn)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(cuò)。該隧道長(zhǎng)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(zhì)條件未知)，斷面近74 m2。本隧道工程進(jìn)出口樁號(hào)從CH 3+590(出口)開(kāi)始，至CH 4+346(進(jìn)口)。

該研究區(qū)域的石灰?guī)r由灰色至深灰色的精細(xì)結(jié)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(zhì)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(dòng)需要克服的一個(gè)困難挑戰(zhàn)。因此，在施工過(guò)程中，利用地質(zhì)雷達(dá)和地質(zhì)掌子面測(cè)繪來(lái)預(yù)測(cè)隧道掌子面前方的地質(zhì)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(dá)原理

探地雷達(dá)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(shí)間進(jìn)行地質(zhì)信息探測(cè)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(zhì)體時(shí)會(huì)發(fā)生反射或折射，如圖2所示。

在隧道地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面，采用SIR-3000型100兆赫天線，在隧道掌子面前方進(jìn)行了探地雷達(dá)。使用該預(yù)測(cè)測(cè)試的波長(zhǎng)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(cè)試程序是從隧道面左側(cè)向右側(cè)傳輸20～30 m范圍的波長(zhǎng)。使用此方法的起點(diǎn)樁號(hào)為CH 3+590至CH 3+610，如圖3所示，并持續(xù)進(jìn)行，直到CH 4+346處的隧道終點(diǎn)。收集的數(shù)據(jù)將由分析軟件包進(jìn)行分析和處理，該軟件包使用與該地球物理測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)匹配的Radan軟件。在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，將對(duì)基礎(chǔ)剖面進(jìn)行分析。然后根據(jù)勘探對(duì)象的地質(zhì)條件、性質(zhì)和幾何特征進(jìn)行綜合分析。這種測(cè)試可以預(yù)測(cè)裂隙巖體，能夠通過(guò)反射雷達(dá)波的異常檢測(cè)斷層分帶、溶洞和地下水。最后，準(zhǔn)備雷達(dá)勘探報(bào)告。地質(zhì)雷達(dá)輸出提供了基于巖石條件異常的巖石質(zhì)量初始預(yù)測(cè)，如斷層破碎帶、空洞、風(fēng)化節(jié)理裂隙，這些都可能影響巖石質(zhì)量。它分為4大類(lèi)，A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)和D類(lèi)，分別代表好、中、差和非常差的狀態(tài)。這種分類(lèi)是根據(jù)波的頻率、振幅和傳播時(shí)間的結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)的。

圖2 探地雷達(dá)的原理

圖3 對(duì)隧道進(jìn)行探地雷達(dá)測(cè)試

2.2 地質(zhì)測(cè)繪

地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測(cè)報(bào)告將通過(guò)地質(zhì)掌子面測(cè)繪進(jìn)行驗(yàn)證，地質(zhì)掌子面測(cè)繪是在沿著756米隧道長(zhǎng)度的一個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行的，以便在選擇隧道支架之前使用Q值對(duì)巖體進(jìn)行描述和分類(lèi)。因此，地質(zhì)測(cè)繪是地質(zhì)描述的基礎(chǔ)。通過(guò)地質(zhì)測(cè)繪，可以展示場(chǎng)地的實(shí)際情況，因?yàn)镼值能夠真實(shí)地描述巖體質(zhì)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(zhì)量。在此階段，包括覆蓋層在內(nèi)的裸露巖石和土壤也將在測(cè)繪過(guò)程中進(jìn)行觀察和記錄。不同顏色或符號(hào)顯示的不同巖石類(lèi)型、主要斷層和斷裂帶也將被記錄下來(lái)。還將描述地質(zhì)結(jié)構(gòu)，如層理、褶皺、斷層和節(jié)理等，同時(shí)測(cè)量這些結(jié)構(gòu)的傾斜方向。通過(guò)以下六個(gè)參數(shù)成得到地下洞室穩(wěn)定性Q值。

(1)

RQD為巖石質(zhì)量指標(biāo)，從非常差到非常好分為五個(gè)等級(jí)。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(yīng)力狀況的應(yīng)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(jì)合適的支撐。

3 結(jié)果與討論

圖4顯示了從探地雷達(dá)獲得的結(jié)果，該雷達(dá)使用雷達(dá)軟件在擺動(dòng)模式下對(duì)CH3590至CH3610進(jìn)行探測(cè)，從隧道面開(kāi)始進(jìn)入20 m預(yù)測(cè)，并持續(xù)到隧道結(jié)束。根據(jù)反射波的結(jié)果，從CH 3590到CH 3595(圖4中的A和B)顯示出明顯的信號(hào)反應(yīng)，被確定為輕微風(fēng)化，有一些小的節(jié)理裂隙。地質(zhì)異常表現(xiàn)為電磁波遇到不同介質(zhì)的水分，發(fā)生衍射，振幅增大。當(dāng)雷達(dá)波到達(dá)水和圍巖之間的界面時(shí)，振幅增加。

與此同時(shí)，CH3600至CH3605(圖4中的C)確定了一個(gè)具有強(qiáng)信號(hào)反應(yīng)的地質(zhì)異常，表現(xiàn)為中等風(fēng)化，帶有節(jié)理裂隙，這是由于CH3600至CH3605處整個(gè)隧道掌子面區(qū)域的電磁波振幅增加，因此預(yù)測(cè)該結(jié)構(gòu)層填充有少量粘土和水，可能被歸類(lèi)為巖石狀況不佳。這是由于當(dāng)雷達(dá)波遇到水時(shí)，水的電導(dǎo)率增加，導(dǎo)致高頻波的衰減系數(shù)和衰減速度增加。因此，雷達(dá)波的頻率降低。

圖4 CH 3590-CH 3610的探地雷達(dá)反射波

圖5 隧道掌子面地質(zhì)測(cè)繪成果 圖6 測(cè)繪過(guò)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(zhì)雷達(dá)和隧道沿線測(cè)繪的巖體等級(jí)比較

圖5顯示了不利地質(zhì)條件下隧道面的地質(zhì)測(cè)繪結(jié)果。根據(jù)該位置的地質(zhì)掌子面測(cè)繪，巖石被劃分為強(qiáng)-中等風(fēng)化和部分土壤、弱-中等強(qiáng)度巖石和沿節(jié)理局部有空洞的強(qiáng)風(fēng)化。從該繪圖參數(shù)獲得的Q值為1.98，巖石被分類(lèi)為低質(zhì)量巖石，1≤Q<4范圍內(nèi)的C類(lèi)。圖6是從隧道面的實(shí)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(zhì)雷達(dá)和測(cè)繪的結(jié)果，以顯示隧道斷面上任何樁號(hào)的巖石等級(jí)和分類(lèi)方法的差異，其中紅色代表巖石質(zhì)量非常差，而橙色代表巖石質(zhì)量差，黃色代表巖石質(zhì)量一般。同時(shí)，圖8顯示了從CH 3550到CH 4346的756 m隧道沿線地質(zhì)雷達(dá)和測(cè)繪的組合數(shù)據(jù)的巖體等級(jí)與樁號(hào)的關(guān)系。從數(shù)據(jù)觀察和分析來(lái)看，結(jié)果顯示，在來(lái)自地質(zhì)雷達(dá)的224個(gè)數(shù)據(jù)中，有34個(gè)被確定為與地質(zhì)掌子面測(cè)繪不兼容。因此，在本案例研究中，15%的地質(zhì)雷達(dá)無(wú)法通過(guò)參考地質(zhì)掌子面測(cè)繪來(lái)確定巖體分類(lèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

隧道施工需要考慮幾個(gè)因素，以最大限度地降低破壞風(fēng)險(xiǎn)，特別是對(duì)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(yù)報(bào)在內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)于劃分施工階段的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃具有重要意義。對(duì)于此隧道，地面穿透雷達(dá)測(cè)試在隧道面之前進(jìn)行，通過(guò)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(chǎng)每隔3至4米進(jìn)行一次地質(zhì)面測(cè)繪，以使用顯示巖溶表面實(shí)際地質(zhì)條件的Q值系統(tǒng)來(lái)確定巖體分類(lèi)。結(jié)果表明：預(yù)測(cè)方法(地質(zhì)雷達(dá))和實(shí)際方法(掌子面地質(zhì)測(cè)繪)在隧道沿線不會(huì)得到完全一致的巖體分類(lèi)。兩種方法的誤差百分比為15%。從已進(jìn)行的分析來(lái)看，數(shù)據(jù)顯示當(dāng)隧道面內(nèi)部由地下水、粘土、大量節(jié)理和空洞組成，會(huì)導(dǎo)致地質(zhì)雷達(dá)和地質(zhì)面測(cè)繪在確定巖體分類(lèi)和質(zhì)量方面的結(jié)果不一致。