輝龍貴，劉東坤，劉浩杰，黃國(guó)禹

(1.云南省建筑科學(xué)研究院有限公司，昆明 650223；2.云南省巖土工程技術(shù)研究中心，昆明 650223)

為了實(shí)現(xiàn)全域性發(fā)展，云南省近年來(lái)加強(qiáng)了高速公路建設(shè)。云南地勢(shì)西北高東南低，海拔高低差異較大，高山峽谷相間。同時(shí)，隧道占比大，地質(zhì)情況復(fù)雜，施工難度大，是云南高速公路工程建設(shè)的一個(gè)重要特征。

板巖屬三大巖系中的變質(zhì)巖，為地殼的主要組成成分，是隧道工程施工中常見(jiàn)巖體。其具有變形程度大、難支護(hù)、遇水易軟化等特點(diǎn)，不僅施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)程度高，還嚴(yán)重制約隧道工程進(jìn)度。因此，精準(zhǔn)預(yù)報(bào)掌子面前面不良地質(zhì)體發(fā)育情況，準(zhǔn)確劃分圍巖等級(jí)，為施工提供合理支護(hù)參數(shù)及支護(hù)范圍，不僅可以避免多次換拱，降低施工風(fēng)險(xiǎn)及施工預(yù)算，還可以加快施工進(jìn)度?；诖?，筆者對(duì)板巖隧道超前預(yù)報(bào)地質(zhì)雷達(dá)(GPR)圖像進(jìn)行了研究。

1 探測(cè)原理與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備為OKO-3型地質(zhì)雷達(dá)和100 MHz智能屏蔽天線，該雷達(dá)設(shè)備具有探測(cè)區(qū)域范圍廣、分辨率高、穿透性好及天線屏蔽干擾小等優(yōu)點(diǎn)，能滿足超前預(yù)報(bào)技術(shù)的參數(shù)要求。筆者采用和現(xiàn)場(chǎng)超前預(yù)報(bào)以掌子面地質(zhì)素描及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)相結(jié)合的方式，多次對(duì)雷達(dá)圖像解釋與實(shí)際開挖情況進(jìn)行驗(yàn)證比對(duì)，總結(jié)了不同地質(zhì)體的典型雷達(dá)圖像特征。

1.1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理為：基于物體間相對(duì)介電常數(shù)的差異，地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)寬頻帶時(shí)域發(fā)射天線，向介質(zhì)發(fā)射高頻短脈沖電磁波，電磁波在介質(zhì)中傳播遇到不同電性介面產(chǎn)生反射反射系數(shù)可用R表示，通過(guò)雷達(dá)接收天線接收電磁波反射信號(hào)，然后使用計(jì)算機(jī)處理軟件對(duì)電磁波反射信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理得到地質(zhì)雷達(dá)圖像，利用相應(yīng)地質(zhì)雷達(dá)圖像中能量反射的強(qiáng)弱、波形和頻率變化快慢、分布特征及同相軸連續(xù)、錯(cuò)段性等參數(shù)來(lái)識(shí)別不同物體之間的反射形態(tài)，再由雷達(dá)接收主機(jī)自動(dòng)記錄電磁波在其中傳播的雙時(shí)程，以此確定物體的空間位置[1-3]，即

(1)

式中：ε1、ε2分別為兩個(gè)不同介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

又有

(2)

式中：h為物體的埋深；t為電磁波傳播雙時(shí)程；εγ為相對(duì)介電常數(shù)；c為真空中的雷達(dá)波速度(光速)。

1.2 掌子面地質(zhì)素描

掌子面地質(zhì)素描是隨隧道開挖而同步進(jìn)行的，對(duì)掌子面范圍內(nèi)圍巖情況開展地質(zhì)調(diào)查時(shí)，主要要搜集和分析的地質(zhì)資料包括：①巖層的地質(zhì)年代、巖性、主要的礦物成分及其中的膠結(jié)物；②巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造，斷層、褶皺和節(jié)理裂隙是巖體完整性和穩(wěn)定性的主要影響因素，可通過(guò)巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造評(píng)價(jià)巖體巖性指標(biāo)、完整狀態(tài)，確定圍巖級(jí)別；③地下水狀態(tài)及其他不良地質(zhì)體發(fā)育情況，板巖隧道中地下水易導(dǎo)致巖體軟化、強(qiáng)度降低，是掌子面變形、失穩(wěn)的主要誘發(fā)因素，可通過(guò)地下水狀態(tài)及不良地質(zhì)體發(fā)育情況，進(jìn)一步修正圍巖等級(jí)[4-5]。

2 地質(zhì)雷達(dá)圖像與開挖對(duì)照分析

香麗高速某隧道巖性主要為三疊系下統(tǒng)中～強(qiáng)風(fēng)化灰褐色板巖，巖體風(fēng)化程度、完整程度不均，地下水主要為強(qiáng)風(fēng)化帶基巖裂隙水，地質(zhì)作用以剝蝕、侵蝕、風(fēng)化作用為主，區(qū)域地質(zhì)整體穩(wěn)定性較好。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際探測(cè)及開挖驗(yàn)證比對(duì)，共得到4種典型的地質(zhì)雷達(dá)圖像，其雷達(dá)反射特征與開挖揭示情況如下。

2.1 節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整

掌子面地質(zhì)描述為，巖性為三疊系中統(tǒng)灰褐色中風(fēng)化板巖，掌子面優(yōu)勢(shì)發(fā)育兩組結(jié)構(gòu)面：① J1：193°∠52°(193°表示巖層傾向，52°表示巖層傾角)；② J2：57°∠32°。其巖體較完整，主要呈塊狀、中厚層狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合好，延展性中等，平均層間距為0.4～0.8 m，掌子面圍巖干燥，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，建議圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

較完整巖體的地質(zhì)雷達(dá)圖像如圖1所示，其中4.0～20.0 m深度范圍內(nèi)電磁波頻率主要為中高頻，頻率變化不大、分布較均勻，同相軸基本連續(xù)、平行，電磁波振幅弱，能量正常衰減。較完整巖體現(xiàn)場(chǎng)開挖情況如圖2所示，掌子面前方圍巖為灰褐色中風(fēng)化板巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較完整，呈塊狀及厚層狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合好，結(jié)構(gòu)面平直基本無(wú)充填物，局部因機(jī)械破碎呈碎裂狀結(jié)構(gòu)。

圖1 較完整巖體的地質(zhì)雷達(dá)圖像

圖2 較完整巖體現(xiàn)場(chǎng)開挖情況

2.2 節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎

掌子面地質(zhì)描述為，巖性為三疊系中統(tǒng)灰褐色中風(fēng)化板巖，掌子面優(yōu)勢(shì)發(fā)育兩組結(jié)構(gòu)面分別為：① J1：207°∠24°；② J2：43°∠69°。受到節(jié)理裂隙的切割，巖體較破碎，完整程度不均，多呈中厚層狀結(jié)構(gòu)，局部為鑲嵌式碎裂結(jié)構(gòu)，平均層間距為0.2～0.5 m，層間結(jié)合一般，結(jié)構(gòu)面粗糙局部充填泥土，掌子面干燥，建議圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。

較破碎巖體地質(zhì)雷達(dá)圖像如圖3所示，其在5.0～20.0 m深度范圍內(nèi)電磁波頻率主要為中高頻，波形頻率變化較快，局部振幅較強(qiáng)，同相軸時(shí)斷時(shí)續(xù)，波形均一性較差。 較破碎巖體現(xiàn)場(chǎng)開挖情況如圖4所示，可見(jiàn)，掌子面前方圍巖為灰褐色中風(fēng)化板巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，主要為中厚層狀結(jié)構(gòu)，局部為鑲嵌式碎裂結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合差，結(jié)構(gòu)面局部充填泥土。

圖3 較破碎巖體地質(zhì)雷達(dá)圖像

圖4 較破碎巖體現(xiàn)場(chǎng)開挖情況

2.3 巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎

掌子面地質(zhì)描述為：巖性為三疊系中統(tǒng)灰褐色強(qiáng)風(fēng)化板巖，巖體風(fēng)化程度高，巖質(zhì)軟，強(qiáng)度低，掌子面發(fā)育較多無(wú)規(guī)則短小節(jié)理，巖層走向無(wú)序，延伸性極差，層間結(jié)合很差，結(jié)構(gòu)面充泥，巖體破碎，多呈碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)，掌子面干燥，建議圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

破碎巖體地質(zhì)雷達(dá)圖像如圖5所示，其在0～20.0 m深度范圍內(nèi)電磁波頻率主要為中低頻，波形頻率變快、分布不均勻，局部振幅強(qiáng)、存在繞射、散射，現(xiàn)場(chǎng)電磁波增益梯度大，能量衰減快，同相軸錯(cuò)斷不連續(xù)，波形雜亂。破碎巖體現(xiàn)場(chǎng)開挖情況如圖6所示，可見(jiàn)，掌子面前方圍巖為灰褐色強(qiáng)風(fēng)化板巖，巖體節(jié)理裂隙很發(fā)育，層間結(jié)合很差，結(jié)構(gòu)面多有泥及巖屑充填，巖體破碎，呈碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)。

圖5 破碎巖體地質(zhì)雷達(dá)圖像

圖6 破碎巖體現(xiàn)場(chǎng)開挖情況

2.4 基巖裂隙水發(fā)育，巖體富水

掌子面地質(zhì)描述為：巖性為三疊系中統(tǒng)灰褐色中風(fēng)化板巖，巖體風(fēng)化程度高，層間結(jié)合差，結(jié)構(gòu)面夾泥及軟弱層，節(jié)理及裂隙水發(fā)育，平均層間距為0.1～0.2 m，延裂隙滲水，受節(jié)理及裂隙水影響，巖體破碎，呈薄層狀碎裂結(jié)構(gòu)，巖體強(qiáng)度低，變形大，穩(wěn)定性極差，建議圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

巖體富水地質(zhì)雷達(dá)圖像如圖7所示，其中4.0～20.0 m深度范圍內(nèi)電磁波頻率降低，以低頻為主，頻率變化慢，電磁波振幅增強(qiáng)，同相軸較連續(xù)，見(jiàn)多次反射波，波形基本均一。巖體富水地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)開挖情況如圖8所示，可以看出，掌子面前方圍巖節(jié)理裂隙及裂隙水發(fā)育，巖體富水，夾軟弱層，掌子面多處見(jiàn)線狀流水，受節(jié)理裂隙及裂隙水影響，巖體多呈薄層狀碎裂結(jié)構(gòu)，局部呈散體結(jié)構(gòu)。

圖7 巖體富水地質(zhì)雷達(dá)圖像

圖8 巖體富水地質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)開挖情況

3 結(jié)語(yǔ)

在板巖類隧道施工中，除因地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成巖體鑲嵌堆積形成空洞外，通常無(wú)溶洞等地質(zhì)體發(fā)育，常見(jiàn)地質(zhì)體主要以節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎、富水等為主，因巖體完整程度及裂隙填充物的不同，巖體介電常數(shù)差異大，反射界面不同，地質(zhì)雷達(dá)反射圖像特征明顯，在不同地質(zhì)體中雷達(dá)圖像有以下特征。

(1) 巖體較完整情況，巖體以塊狀、厚層狀結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)面基本無(wú)充填物，巖體相對(duì)介電常數(shù)差異不大，電磁波頻率主要為中高頻，頻率變化不大、分布較均勻，同相軸基本連續(xù)、平行，電磁波振幅弱，能量正常衰減。

(2) 巖體較破碎情況，巖體以中厚層狀、鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)面局部充填泥土，巖體反射界面增多，相對(duì)介電常數(shù)差異較大，電磁波頻率主要為中高頻，波形頻率變化較快，局部振幅較強(qiáng)，同相軸時(shí)斷時(shí)續(xù)，波形均一性較差。

(3) 巖體破碎情況，巖體以碎裂結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)為主，層間結(jié)合很差，結(jié)構(gòu)面夾泥，相對(duì)介電常數(shù)差異大，電磁波頻率主要為中低頻，波形頻率變化快、分布不均勻，局部振幅強(qiáng)，存在繞射、散射，現(xiàn)場(chǎng)電磁波增益梯度大，能量衰減快，同相軸錯(cuò)斷不連續(xù)，波形雜亂。

(4) 巖體富水情況，巖體以薄層狀結(jié)構(gòu)、散體結(jié)構(gòu)為主，相對(duì)介電常數(shù)主要受地下水影響差異性不大，電磁波頻率降低，以低頻為主，頻率變化慢，電磁波振幅增強(qiáng)，同相軸較連續(xù)，見(jiàn)多次反射波，波形基本均一。