瞿生科

（昆明玄同人力資源服務(wù)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650031）

不斷地提高超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的精確性和可靠性，可以最大限度提高工程施工質(zhì)量和施工效率。地質(zhì)雷達(dá)法作為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)重要手段之一，以其干擾小、準(zhǔn)確率高，方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，在隧道開挖工作中扮演著至關(guān)重要的角色。經(jīng)過大量的研究學(xué)者和工程師們的不懈努力，地質(zhì)雷達(dá)法在探測不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確度方面得到了極大的提高。薛建等結(jié)合TSP 法和地質(zhì)雷達(dá)法綜合預(yù)報(bào)，成功預(yù)測出幾十余處斷層和多處破碎帶。朱自強(qiáng)等基于時(shí)域有限差分原理，通過對(duì)高頻電磁波進(jìn)行精確化模擬，可以全面地了解和把握電磁波在介質(zhì)中的傳播過程，并找出相關(guān)規(guī)律，確保地質(zhì)雷達(dá)更好地應(yīng)用到工程中。李龍等通過總結(jié)、對(duì)比、分析雷達(dá)圖像和現(xiàn)場開挖揭示地質(zhì)情況，為提高地質(zhì)雷達(dá)法在巖溶地區(qū)預(yù)判的準(zhǔn)確率做出突出貢獻(xiàn)。然而，受限于國內(nèi)工程地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜多變，采集和解譯人員的水平差異以及雷達(dá)自身技術(shù)的局限性，地質(zhì)雷達(dá)法在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，還有很大的提成空間，其準(zhǔn)確率還需進(jìn)一步提高。特別是針對(duì)相對(duì)介電常數(shù)差異等因素引起的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)誤差方面的分析，鮮有研究，對(duì)此，本文結(jié)合隧道掌子面巖的特性，針對(duì)不同介質(zhì)的影響因素，全面地分析和研究隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中誤差原因。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測進(jìn)本理論

地質(zhì)雷達(dá)在實(shí)際運(yùn)行中，主要利用了時(shí)間域脈沖雷達(dá)方式，通過向地下介質(zhì)中發(fā)送脈沖電磁波，確保反射信號(hào)能夠安全、可靠地傳達(dá)到地下目標(biāo)中，此外，還要借助雷達(dá)系統(tǒng)，將電磁波脈沖發(fā)射到被探測物中，并穿過介質(zhì)，一旦觸碰到目標(biāo)物會(huì)發(fā)出反射現(xiàn)象。地質(zhì)雷達(dá)工作原理見圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理圖

相對(duì)于探地雷達(dá)所用的高頻電磁脈沖而言，通常工程勘探和檢測中所遇到的介質(zhì)都是以位移電流為主的低損耗介質(zhì)。在這類介質(zhì)中，反射系數(shù)和波速主要取決于介電常數(shù)。

式中：“r”為反射系數(shù)，“ν”為速度，“ε”為相對(duì)介電常數(shù)，“с”為光速，下角標(biāo)“1、2”分別表示上、下介質(zhì)。空氣的相對(duì)介電常數(shù)為1，最?。凰南鄬?duì)介電常數(shù)為81，最大。電磁波由空氣進(jìn)入巖層或土層，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)反射現(xiàn)象（由于空氣中電磁波傳播速度較快，這時(shí)的地面對(duì)應(yīng)的是負(fù)相位）；同樣，當(dāng)電磁波由土層傳播至巖層或其他層，即在不同介質(zhì)的層面?zhèn)鞑r(shí)，如果交界處貼合不好，或存在空隙，亦會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)剖面相位和幅度發(fā)生變化，在主機(jī)的屏幕上的接收信號(hào)將出現(xiàn)波動(dòng)由此可確定該層面厚度。因此在電磁波傳播的過程中主機(jī)將接收天線發(fā)射的電磁波來判斷土層、巖層的大致厚度，溶洞和地下洞穴的大小，斷層的位置和裂隙水的位置，以此來為施工進(jìn)行預(yù)測。

2 工程實(shí)例

2.1 ①號(hào)隧道工程地質(zhì)概況

阿嘎下隧道區(qū)海拔高程1555～1735m，相對(duì)高180m，隧址區(qū)所穿的山體地形較為陡峻，地表植被不甚發(fā)育，現(xiàn)多為旱地及梯田。沿線附件出現(xiàn)大量的水系，這些水系與山脈相連，另外，隧址區(qū)并沒有出現(xiàn)大型河流，僅僅以小型山澗溪流為主，這些溪流的徑流方向?yàn)榈屯萏幏较?，同時(shí)，隧址區(qū)域主要集中分布于麗江臺(tái)緣附近，斷裂活動(dòng)帶的科學(xué)構(gòu)建，有效地保證了隧址區(qū)域地質(zhì)的穩(wěn)固性。另外，隧址區(qū)域地址表現(xiàn)出較高的張扭性及韌性，次級(jí)斷裂所對(duì)應(yīng)的發(fā)育時(shí)間相對(duì)較早。隧道區(qū)下伏基巖為第四系殘坡積層、三疊系中統(tǒng)牛上組、元古界衰牢山群小羊街組，可分為如下三種:(1) 第四系殘坡積層(Qot)：碎石土(單元層代號(hào)①):褐色，松散狀。主要分布隧道斜坡地表，厚0-3.1m。(2)泥巖所對(duì)應(yīng)的單元層代號(hào)為②，該泥巖顏色為紫紅色，其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出薄～中厚層結(jié)構(gòu)，整個(gè)巖芯在外觀上呈現(xiàn)出碎塊狀。砂巖所對(duì)應(yīng)的單元層代號(hào)為③，該砂巖顏色為灰褐色，其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出中～細(xì)粒結(jié)構(gòu)，同時(shí)，節(jié)理裂隙發(fā)育時(shí)間相對(duì)較早，整個(gè)巖芯在外觀上呈現(xiàn)出角爍狀。這些砂巖主要集中分布于隧址附近處，整個(gè)鉆孔并沒有完全被揭穿?；?guī)r所對(duì)應(yīng)的單元層代號(hào)為④，該灰?guī)r顏色為淺灰色，其結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，節(jié)理裂隙發(fā)育良好，巖溶內(nèi)部含有大量的小型溶孔。(3)元古界衰牢山群小羊街組(Px)：糜棱巖(單元層代號(hào)為⑤):灰褐色灰黃色，中風(fēng)化，糜棱結(jié)構(gòu)，定向構(gòu)造，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體較完整，中夾少量黑云母及綠簾石蝕變帶。該巖層埋深較大，鉆孔未揭示。

2.2 ②號(hào)隧道工程地質(zhì)概況

整個(gè)測區(qū)主要集中分布于高原中部位置，屬于典型的高中山地貌，其地形呈現(xiàn)出連綿起伏的狀態(tài)，海拔最小值為1800m，最大值為3500m。周邊地形相對(duì)比較陡峭，大量的大雪山集中分布于金沙江兩岸附近，在金沙江東南部、西部、北部分別分布大量的玉龍雪山、怒山山脈、梅里雪山。高速公路隧道含有大量的基巖，這些基巖主要包含以下兩種類型：（1）強(qiáng)風(fēng)化玄武巖。該基巖外觀顏色為灰綠色，結(jié)構(gòu)為致密小塊狀，同時(shí)，裂隙發(fā)育良好，其承載力和摩擦阻力分別為680kPa、200kPa。（2）中風(fēng)化玄武巖。該基巖外觀顏色為灰綠色，結(jié)構(gòu)為致密大塊狀，其承載力為1200kPa。通過利用地質(zhì)放大鏡全面地觀察如圖2、圖3、圖4 所示的巖塊樣本，獲得如表1 所示的隧道掌子面巖樣特性。

表1 隧道掌子面巖樣特性

圖2 ①號(hào)隧道掌子面巖樣A

圖3 ①號(hào)隧道掌子面巖樣B

圖4 ②號(hào)隧道掌子面巖樣C

從圖2 中可以看出，掌子面巖樣A 所對(duì)應(yīng)的構(gòu)造破碎并不明顯，該巖樣外觀顏色為灰黑色，其節(jié)理裂隙發(fā)育相對(duì)較早，巖體與鹽酸進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)后，并沒有出現(xiàn)比較明顯的現(xiàn)象，然后，結(jié)合地質(zhì)相關(guān)理論知識(shí)，可以將掌子面巖樣A 判定為泥質(zhì)板巖。掌子面巖樣B 所對(duì)應(yīng)的構(gòu)造破碎出現(xiàn)少量的氣泡，該巖樣外觀顏色為深灰色，其構(gòu)造結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出塊狀，巖體與鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，會(huì)出現(xiàn)大量的氣泡，通過使用小刀，可以抹平巖樣表面，確保其表面的光滑性和平整性，此時(shí)，可以將該巖樣評(píng)定為石灰?guī)r。掌子面巖樣C 所對(duì)應(yīng)構(gòu)造破碎并不明顯，該巖樣外觀顏色為灰黑色，其節(jié)理裂隙發(fā)育相對(duì)較早，巖體與鹽酸進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)后，并沒有出現(xiàn)比較明顯的現(xiàn)象，通過利用地質(zhì)放大鏡，對(duì)該巖樣表面進(jìn)行全面觀察，發(fā)現(xiàn)其巖樣表面出現(xiàn)少量的氣孔，然后，利用地質(zhì)相關(guān)理論知識(shí)，可以將該巖樣判定為二疊系玄武巖。

3 巖性定性評(píng)價(jià)分析

在結(jié)合測井曲線值以及巖性規(guī)律等相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)巖性進(jìn)行定性劃分，同時(shí)，利用鉆井，結(jié)合所收集的測井資料，對(duì)巖性進(jìn)行全面地對(duì)比和分析，從而獲得相應(yīng)的巖性劃分規(guī)律。所以，為了科學(xué)合理地確定出樣本巖性，相關(guān)人員要根據(jù)如表2 所示的各種巖石部分測井特征范圍。

表2 各種巖石部分測井特征范圍

然后，采用測井試驗(yàn)的方式，利用測井儀器，對(duì)三組巖樣進(jìn)行全面測試，獲得如表3 所示的測井結(jié)果值。

表3 隧道掌子面巖樣材料測井特性近似值

掌子面巖樣A 的且空隙度和電阻率相對(duì)較低，其特征與掌子面巖樣C，完全滿足泥質(zhì)板巖判定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。與掌子面巖樣巖樣相比，掌子面巖樣B 的聲波時(shí)差和體積密度明顯較小，但是，其電阻率和孔隙度明顯增加，完全符合石灰?guī)r測井特征推測值。掌子面巖樣C所對(duì)應(yīng)的聲波時(shí)差、體積密度以及電阻率等值普遍較高，完全滿足玄武巖的測井結(jié)果。

4 地質(zhì)雷達(dá)介電常數(shù)影響性分析

對(duì)于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)而言，其深度與介電常數(shù)之間具有一定的聯(lián)系，石灰?guī)r、玄武巖、板巖的介電常數(shù)分別為7、4、7，而介電常數(shù)值大小與巖性、巖體含泥量以及巖體含水量等因素息息相關(guān)，本工程所選用的巖樣具有含水量低特征。測定泥質(zhì)含量不同的巖石介電常數(shù)與含泥量的關(guān)系如圖5 所示。從圖5 中可以看出，對(duì)于同種巖性而言，含泥量的百分比越大，其相對(duì)介電常數(shù)值ε 也越高。針對(duì)不同巖性，相對(duì)介電常數(shù)ε 的變化規(guī)律呈現(xiàn)出一致性。地下介質(zhì)中電磁波波速v 可根據(jù)近似的公式計(jì)算：

圖5 含泥量與巖石相對(duì)介電常數(shù)的關(guān)系

根據(jù)本工程所選用的石灰?guī)r、玄武巖、板巖三種巖性的介電常數(shù)，可以精確地計(jì)算石灰?guī)r和板巖所對(duì)應(yīng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)深度為20m，而玄武巖所對(duì)應(yīng)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)深度為25m。當(dāng)電磁波波速不斷下降時(shí)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)深度呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，另外，當(dāng)施工現(xiàn)場的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)精確度不滿足所設(shè)定的理論值時(shí)，會(huì)增加超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的誤差率。

5 結(jié)論

綜上所述，通過全面地研究以上三種掌子面巖樣的地質(zhì)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)掌子面巖樣巖性的精確化、高效化識(shí)別，此外，還要在充分結(jié)合測井試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)不同類型的隧址掌子面巖樣特性進(jìn)行定量化分析和研究。此外，還要結(jié)合石灰?guī)r、玄武巖、板巖三種巖性的介電常數(shù)不同點(diǎn)，全面地分析含泥量與巖性介電常數(shù)之間的依賴關(guān)系，并得出實(shí)際超前地質(zhì)預(yù)報(bào)深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所設(shè)定的理論值，增加了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的不確定概率。最后，還要采用開挖追蹤的方式，對(duì)本工程誤差分析模式的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，為促進(jìn)后期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作能夠正常、穩(wěn)定、有效地開展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。