【摘 要】采用地質(zhì)雷達(dá)法對(duì)某公路隧道掌子面前方工程地質(zhì)狀況實(shí)施了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)波形圖分析預(yù)測(cè)了掌子面前方不良地質(zhì)狀況分布范圍；圍巖結(jié)構(gòu)構(gòu)造、完整性；壓裂水的發(fā)育程度以及周圍圍巖的等級(jí)。結(jié)果表明，地質(zhì)雷達(dá)具有便捷性、高效性、無損性、強(qiáng)適應(yīng)性、結(jié)果直觀性等優(yōu)勢(shì)，對(duì)公路隧道掌子面前方的工程地質(zhì)狀況預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度較高，預(yù)測(cè)結(jié)果與前期勘察資料吻合度較高。

【關(guān)鍵詞】地質(zhì)雷達(dá)； 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)； 公路隧道

【中圖分類號(hào)】U456.3+3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

我國地域遼闊，山地、高原和丘陵約占陸地面積的67%，在公路施工過程中，為了縮短公路里程、減少修建成本、保護(hù)環(huán)境等因素，常常會(huì)以修建隧道的方式穿山越嶺。由于隧道深埋地下，地質(zhì)條件復(fù)雜，在隧道施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到巖爆、圍巖坍塌、突泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害。因此，在隧道開挖前有必要對(duì)隧道掌子面前方地質(zhì)條件進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，掌握隧道施工前方地質(zhì)構(gòu)造，預(yù)測(cè)可能遭遇的地質(zhì)災(zāi)害，提前采取施工安全措施。目前，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段主要有地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)、陸地聲吶法、超前鉆孔法、超前導(dǎo)坑法、地質(zhì)雷達(dá)法、水平聲波剖面法等方法［1-3］。地質(zhì)雷達(dá)作為一種新型地下無損檢測(cè)技術(shù)，以其便捷性、高效性、無損性等優(yōu)勢(shì)，可以對(duì)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)，在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中得到了廣泛應(yīng)用［4-9］。

本文采用地質(zhì)雷達(dá)法，對(duì)L隧道掌子面開挖前方30 m內(nèi)工程地質(zhì)情況實(shí)施了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，預(yù)測(cè)分析了L隧道掌子面前方不良地質(zhì)條件發(fā)育情況。

1 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的原理是利用發(fā)射天線向隧道掌子面內(nèi)發(fā)射廣譜、高頻電磁波，當(dāng)電磁波傳播到電性（介電常數(shù)、電導(dǎo)率）差異分界面時(shí)會(huì)發(fā)生透射、折射和反射現(xiàn)象，同時(shí)介質(zhì)對(duì)傳播的電磁波也會(huì)產(chǎn)生吸收濾波和散射作用。用接收終端接收并記錄掌子面內(nèi)反射回來的反射波，將采集接收到的波信號(hào)導(dǎo)入處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)圖，然后根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)圖像結(jié)合開挖出露情況及前期勘察資料得到的地質(zhì)資料進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)掌子面前方的工程地質(zhì)情況（圍巖性質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、圍巖完整性、地下水和溶洞等情況）進(jìn)行預(yù)測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)工作原理及其基本組成如圖1所示。

電磁波在傳播過程中，在通過不同介質(zhì)界面處反射波能量的大小取決于反射系數(shù)R見式（1）。

R=ε1-ε2ε1+ε2（1）

式中：ε1、ε2分別為介質(zhì)界面兩側(cè)的相對(duì)介電常數(shù)。

可見，反射系數(shù)的大小取決于介質(zhì)界面兩側(cè)的相對(duì)介電常數(shù)差異，差異越大，雷達(dá)圖像中的異常信號(hào)越容易被識(shí)別。

地質(zhì)雷達(dá)從發(fā)射電磁波到接受反射波所用的時(shí)間（回波走時(shí)）t見式（2）。

t=4H2+L2v（2）

式中：H為探測(cè)區(qū)內(nèi)目標(biāo)反射點(diǎn)的法線深度；L為發(fā)射和接收天線之間的水平距離；v為電磁波在探測(cè)介質(zhì)中的傳播速度。

2 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)列分析

2.1 隧道概況

據(jù)前期勘察資料，L隧道本次預(yù)報(bào)段揭露的地層由舊到新順序分別為：第四系全新統(tǒng)坡殘積（Q4dl+el）碎石土：零星分布于山體表面。褐黃色，稍密狀，稍濕，含少量植物根系，呈棱角狀，母巖成分主要為砂巖、砂質(zhì)頁巖，碎石含量約60%，粉質(zhì)黏土充填，厚度1.0～2.5 m；志留系中統(tǒng)羅惹坪群（S2lr）強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)頁巖：黃褐色，頁理結(jié)構(gòu)，薄至中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙極發(fā)育，巖芯多成碎塊狀、塊狀，尺寸約2～7 cm，局部夾砂質(zhì)頁巖，巖體破碎，巖石極軟；志留系中統(tǒng)羅惹坪群（S2lr）中風(fēng)化砂質(zhì)頁巖：青灰色，頁理結(jié)構(gòu)，薄至中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，巖石較軟。

筆者于2021年06月29日對(duì)L隧道左幅出口ZK2+390～ZK2+360區(qū)段（表1）進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，并于當(dāng)日完成資料處理。

2.2 數(shù)據(jù)采集

2021年06月29日，L隧道出口左洞掌子面已施工至ZK2+390處，為了探明掌子面前方30 m的地質(zhì)情況，采用地質(zhì)雷達(dá)方法進(jìn)行超前預(yù)報(bào)探測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作和掌子面情況見圖2。

本次地質(zhì)超前預(yù)報(bào)采用SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)，探測(cè)天線為100 MHz屏蔽天線，點(diǎn)距0.2 m，采樣點(diǎn)數(shù)為55，有效測(cè)線長度11 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，雷達(dá)測(cè)線布置如圖3所示。

2.3 檢測(cè)結(jié)果及分析

2021年06月29日，采用地質(zhì)雷達(dá)100 MHz天線對(duì)爐紅山隧道出口左洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)ZK2+390處斷面掌子面作了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)資料拷貝到電腦端，然后導(dǎo)入專門的數(shù)據(jù)處理軟件，經(jīng)零點(diǎn)修正、去直流漂移、自動(dòng)增益、帶通濾波及背景去除等濾波處理后的波形見圖4。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)得到的反射波圖像，結(jié)合隧道工程地質(zhì)勘察結(jié)果和掌子面圍巖特征分析，對(duì)掌子面（里程ZK2+390處）前方預(yù)報(bào)結(jié)果：

（1）掌子面前方0～2 m（圖4圈Ⅰ所示）范圍內(nèi)（對(duì)應(yīng)里程范圍ZK2+390～ZK2+388區(qū)段）存在較強(qiáng)反射信號(hào)，振幅較大，同相軸較不連續(xù)，推測(cè)該范圍圍巖可能節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，完整性較差。

（2）掌子面前方9～11 m（圖4圈Ⅱ所示）范圍內(nèi)（對(duì)應(yīng)里程范圍ZK2+381～ZK2+379區(qū)段）存在較強(qiáng)反射信號(hào)，振幅較大，波形頻率分布不均勻，推測(cè)該范圍圍巖可能節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，完整性較差。

鐵路與公路陳善林： 地質(zhì)雷達(dá)法在某公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

（3）掌子面前方18～28 m（圖4圈Ⅲ所示）范圍內(nèi)（對(duì)應(yīng)里程范圍ZK2+372～ZK2+362區(qū)段）存在較強(qiáng)反射信號(hào)，波形頻率不均勻、變化快，同相軸不連續(xù)，波形雜亂，振幅較強(qiáng)，推測(cè)該區(qū)域圍巖節(jié)理裂隙可能較為發(fā)育，巖體較破碎，圍巖自穩(wěn)能力較差。

2.4 預(yù)報(bào)結(jié)論

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料、掌子面地質(zhì)觀察以及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果綜合分析：在掌子面前方0～2 m（ZK2+390～ZK2+388）和9～11 m （ZK2+381～ZK2+379）區(qū)段巖體整體較破碎，完整性較差。在ZK2+372～ZK2+362段（掌子面前方18 m后）區(qū)域巖體較破碎，局部破碎程度較大，圍巖穩(wěn)定性較差，該段地下水較不發(fā)育，推測(cè)基巖裂隙水少量發(fā)育，開挖過程中可能會(huì)出現(xiàn)少量滲透點(diǎn)滴狀出水現(xiàn)象。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，并結(jié)合工程地質(zhì)勘察資料以及現(xiàn)場(chǎng)掌子面情況綜合分析：里程ZK2+390～ZK2+388、ZK2+381～ZK2+379及ZK2+372～ZK2+362區(qū)段范圍可能存在圍巖節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，完整性較差，且可能出水等現(xiàn)象，因此，建議對(duì)該段進(jìn)行施工時(shí)，嚴(yán)格控制開挖進(jìn)尺，爆破震動(dòng)過大將導(dǎo)致拱頂部位坍塌、掉塊、出水等現(xiàn)象，按設(shè)計(jì)要求及時(shí)施作支護(hù)，必要時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，以確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和施工安全。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，結(jié)合設(shè)計(jì)地質(zhì)資料，建議圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)，與前期勘察設(shè)計(jì)資料一致。隧道圍巖級(jí)別如表2所示。

3 結(jié)束語

本文以L隧道為工程背景，采用地質(zhì)雷達(dá)法在公路隧道中的超前預(yù)報(bào)效果進(jìn)行了工程實(shí)踐。通過現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐證明，地質(zhì)雷達(dá)法具有便捷性、高效性、無損性、強(qiáng)適應(yīng)性、結(jié)果直觀性等優(yōu)勢(shì)；對(duì)公路隧道掌子面前方的工程地質(zhì)狀況預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度較高，預(yù)測(cè)結(jié)果與前期勘察資料吻合度較高。

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［作者簡(jiǎn)介］陳善林（1995—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)榈厍蛭锢砜碧窖芯俊?/p>