徐 凯

(广东华路交通科技有限公司，广东 广州 510420)



隧道施工期超前地质预报技术的应用

徐 凯

(广东华路交通科技有限公司，广东 广州 510420)

结合佛祖坳隧道的工程实况，对隧道施工期进行了超前地质预报，介绍了超前地质预报的检测设备及测试原理，并阐述了具体的检测方案，旨在降低地质灾害发生的几率和危害程度，保障隧道施工安全。

隧道，超前地质预报，探地雷达，掌子面

0 引言

近十年来，随着高速公路跨越式发展，隧道建设项目日益增多，相应隧道出现的问题也越来越多，有部分通车五年后就出现病害，甚至于部分隧道在交工验收时，就已出现衬砌开裂漏水等现象。出现这些问题的原因是多种多样，常见的质量问题主要是以下几方面：

1)初期支护厚度不足；

2)初期支护背后空洞、回填不密实、与围岩不密贴；

3)混凝土强度达不到设计要求；

4)钢支撑间距，架设不符合规范要求等；

5)欠挖严重，使岩体侵入支护结构净空，直接影响支护结构厚度；

6)二次衬砌厚度不符合设计要求；

7)二衬后脱空；

8)配筋不符合设计要求等质量问题。

如果不及时对其进行检测发现和处理，将给隧道留下安全隐患，并且可能在施工过程中就会出现坍方事故，或在今后的营运中出现二衬开裂和漏水等情况，甚至于衬砌结构坍塌等，直接威胁营运安全。

正是基于此考虑，本文结合佛祖坳隧道工程具体情况，对隧道开挖过程中超前地质预报等进行深入的探讨。

1 工程概况

佛祖坳隧道工程位于原惠深高速公路K22 km处左侧，设计为上下行分离式单洞隧道，左线隧道起止桩号为ZK22+535～ZK23+565，全长1 030 m；该隧道进出口均采用端墙式洞门，隧道呈近南北向展布。

隧道经过区处低山丘陵，隧道区地形起伏大，地面植被发育。进口位于山谷坡地部位，坡面较陡峭，最大坡度40°～45°；出洞口位于一小山间小冲沟上，地势低洼，洞口接洞身侧为一近于直立的陡悬崖，冲沟常有地表水流淌。隧道区西侧有近北西向的新圩断裂经过，形成一狭长带状山谷，两侧岩石陡峭。受构造影响，区内岩石节理裂隙较发育，据调绘成果，岩层主要发育三组节理裂隙，其产状为80°～120°∠65°～75°，175°～195°∠58°～70°，275°～320°∠60°～88°，裂隙倾角普遍较陡，倾角多为60°～80°。

据钻孔揭露，隧道区地层覆盖层主要为坡积粉质粘土，基底主要由侏罗系上统凝灰岩风化层组成。

为保障隧道施工安全，降低地质灾害发生的几率和危害程度，需要对隧道K22+679掌子面前方约0 m～30 m范围内的围岩情况进行地质超前预报。

2 检测目的

1)进一步查清隧道左线ZK22+679掌子面前方约30 m范围内的工程地质及水文地质条件，指导施工的顺利进行；2)降低地质灾害发生的几率和危害程度，保障隧道施工的安全；3)为优化工程设计提供地质依据。

3 检测设备及测试原理

本次地质超前预报工作使用世界领先的美国GSSI公司SIR-20型探地雷达，选用中心频率为100 MHz的雷达天线对隧道掌子面前方围岩状况进行探测。

探地雷达系统主要由以下几部分组成：

1)控制单元：控制单元是整个雷达系统的管理器，计算机(32位处理器)对如何测量给出详细的指令。系统由控制单元控制着发射机和接收机，同时跟踪当前的位置和时间。

2)发射机：发射机根据控制单元的指令，产生相应频率的电信号并由发射天线将一定频率的电信号转换为电磁波信号向地下发射，其中电磁波信号主要能量集中于被研究的介质方向传播。

3)接收机：接收机把接收天线接收到的电磁波信号转换成电信号并以数字信息方式进行存贮。

4)电源、光缆、通讯电缆、触发盒、测量轮等辅助元件。

探地雷达工作时，向围岩介质发射一定强度的高频电磁脉冲，高频电磁波以宽频带脉冲形式，通过发射天线被定向送入掌子面前方围岩，由接收天线所接收。高频电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性特性及几何形态而变化。故通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定围岩界面或地质体的空间位置及范围。探地雷达检测原理如图1所示。

4 检测方案

针对本次隧道的断面形式及现场掌子面施工情况在两个掌子面布置测线。现场检测根据现场的条件用100 MHz的天线以点测或连续测量方式进行探测，通过雷达采集脉冲反射波，在数据处理后所得的探地雷达图像剖面中，根据反射波组的波形与强度特征，通过对同相轴的追踪，确定反射波组的含义，分析掌子面测线前方约30 m范围内的地质情况。测线布置图如图2所示。由于隧道内检测环境相对恶劣，掌子面不平整等原因造成雷达天线在检测时脱离隧道掌子面，对雷达检测产生一定的影响，探测结果难免存在一定的误差。

5 探测结果

1)围岩设计情况：根据隧道工程地质资料，佛祖坳隧道ZK22+679～ZK22+700段综合围岩级别为Ⅲ级，由中风化凝灰岩及微风化凝灰岩组成，岩石较完整，呈短柱状，少量碎块状，强度较高。ZK22+700～ZK22+709段综合围岩级别为Ⅳ级，由中风化凝灰岩及微风化凝灰岩组成，岩石较完整，呈块状。

2)隧道掌子面围岩情况：岩性由中风化凝灰岩及微风化凝灰岩组成，呈褐黄色和深灰色，凝灰质结构，岩石较完整，呈块状，岩面局部潮湿，未发现有明水。隧道掌子面情况如图3所示。

3)地质雷达探测结果：通过对佛祖坳隧道ZK22+679掌子面的探地雷达数据的处理、分析，结合掌子面的地质情况推断隧道掌子面前方的围岩分布，以此对围岩级别进行判别，掌子面前方地质预报雷达剖视图如图4～图6所示。

从图4可看出，掌子面前方0 m～15 m雷达波特征基本相同，波幅和相位变化不大，推断该测线所在位置前方0 m～15 m范围内围岩特征与掌子面基本相似，图像的局部反射波较为杂乱，振幅较大，可能因凝灰岩局部存在节理裂隙发育所致；掌子面前方15 m～20 m范围内雷达波波幅和相位有一定的变化，尤其是断面右幅，推断该测线所在位置前方15 m～20 m范围内围岩较掌子面围岩差，裂隙和节理较发育；掌子面前方20 m～30 m范围内雷达波波幅和相位较掌子面前方20 m处变化不大，推断该测线所在位置与掌子面前方20 m处的围岩相似。

从图5可看出，掌子面前方0 m～15 m雷达波特征基本相同，波幅和相位变化不大，推断该测线所在位置前方0 m～15 m范围内围岩特征与掌子面基本相似，测线所在位置上断面底部雷达波波幅和相位变化明显(测线前方4 m后，推断可能存在破碎带或夹层，节理和裂隙发育)；掌子面前方15 m～20 m范围内雷达波波幅和相位有一定的变化，推断该测线所在位置前方15 m～20 m范围内围岩较掌子面围岩差，裂隙和节理较发育；掌子面前方20 m～30 m范围内雷达波波幅和相位较20 m处变化不大，推断该测线所在位置与掌子面前方20 m处的围岩相似。

从图6可看出，雷达波特征基本相同，波幅和相位变化不大，推断该测线所在位置前方0 m～30 m范围内围岩特征与掌子面基本相似。图像的局部反射波较为杂乱，振幅较大，尤其在测线所在位置的隧道顶部向下4 m～6 m处，掌子面前方5 m后推断前方可能存在破碎带或夹层，节理和裂隙发育。

综合上述掌子面的测线雷达图像来看，建议对掌子面前方ZK22+679～ZK22+694范围内围岩级别与设计相同，为Ⅲ级；ZK22+694～ZK22+709范围内围岩较破碎，为Ⅳ级。

6 建议

通过对佛祖坳隧道ZK22+679掌子面实施超前地质预报工作，结合掌子面的地质情况，为保证隧道的顺利实施，需在隧道施工过程中做好以下工作：

1)根据围岩结构的变化及完整性与稳定性情况合理把握短开挖进尺。2)ZK22+694～ZK22+700段围岩节理和裂隙发育，岩体条件变化，易塌方，建议按照Ⅳ级围岩施工，其他段严格按照设计施工。3)掌子面前方4 m后可能存在一条较小的破碎带或夹层，易发生落石甚至塌方，施工时应加以注意并做好支护工作。4)早支护，开挖后应及时对围岩进行封闭，之后再进行下一个循环开挖，避免发生掉块伤人或塌方事件；弱爆破，采用光面爆破技术，严格控制药量，减少对围岩的扰动。

[1] 赵永贵,蒋 辉.隧道地震超前预报技术现状分析与新进展[J].公路隧道，2010(1)：4-10.

[2] 方建立,应 松,贾 进.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].中国岩溶，2005(2)：74-77.

[3] 谢旭强,张武毅,杜飞天.综合超前预报技术在王家坝隧道中的应用[J].浙江交通职业技术学院学报，2014(3)：32-35.

[4] 徐宏武,邵 雁,邓春为.探地雷达技术及其探测的应用[J].岩土工程技术，2005(4)：33-36.

Application of advanced geological forecast technology in tunnel construction

Xu Kai

(GuangdongHualuTransportTechnologyCo.,Ltd，Guangzhou510420,China)

Combining with the engineering status of Fozu’ao Tunnel, the paper undertakes the advanced geological forecasting of the tunnel construction period, introduces the testing equipment and test principle for the advanced geological forecasting, and illustrates its test scheme, so as to lower the chances of the geological disasters and their hazardous levels, and ensure the safety of the tunnel projects.

tunnel, advanced geological forecasting, ground radar, tunnel face

1009-6825(2016)18-0163-03

2016-04-12

徐 凯(1986- )，男，工程师

U456.33

A