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)
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]。
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
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
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。
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)。
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。