地质雷达法在公路隧道超前地质预报中的应用

2017-07-15黑明昌

价值工程 2017年22期

黑明昌

摘要：在隧道开挖过程中，提前发现隧道前方的地质情况，为施工方提供准确的地质资料，对减少和预防工程事故的发生非常重要。通过采用地质雷达法对南罕隧道进行地质超前预报分析，结果表明：地质雷达法在超前预报隧道中不良地质因素是可行的，结果真实可靠，可为其它隧道施工超前地质预报提供参考与借鉴。

Abstract： In the tunnel excavation process， it is very important to early find the geological conditions in front of the tunnel and to provide accurate geological data for the construction side for reducing and preventing the occurrence of engineering accidents. The Ground Penetrating Radar（GPR） is used for geological prediction of Nanhan tunnel， and the results show that the GPR is feasible in the advanced geological prediction of tunnel， the result is true and reliable， and it can provide reference for the advanced geological prediction of other tunnels.

關键词：地质雷达；超前地质预报；公路隧道

Key words： Ground Penetrating Radar（GPR）；advanced geological prediction；highway tunnels

中图分类号：U452.1+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）22-0181-02

0 引言

目前，为了改善民生和发展经济，我国每年投资成百上千万资金来修建高速公路。在修建高速公路工程中，为了缩短里程，改善线形及保护环境，在高山重丘地区常常需要开挖隧道。因此，隧道建设规模越来越大，其在交通建设中的地位也更加突出。在隧道施工过程中，时常因为对前方地质情况不明，遇到很多不良的地质因素，影响隧道工程的掘进速度，甚至会造成严重的工程事故。为了保证工程质量和避免险情发生，引入了地质雷达技术。地质雷达是一种综合有效的地质预报方法，它与通讯雷达一样，是利用高频电磁波脉冲信号的反射来探测隧道前方地质情况的。因此，地质雷达对地下工程的质量和施工安全，特别是地下复杂，规模较大的隧道工程，具有重要的现实意义，同时也对其他类似工程地质预报的应用也具有很大的推动作用。

1 工程概况

元蔓高速南罕隧道位于云南省红河州元江县至蔓耗镇境内，起止点桩号为K1+750～K4+215，隧道起点～K2+281.96位于R=1440的圆曲线上，K2+281.96～K3+311.87位于i=2%直线上，K3+311.87～终点位于R=1440的圆曲线上；隧道所在的路段纵坡为1.2%。隧址区气候属亚热带潮湿气候，年均气温20.3℃，年均降雨量802.3mm，年均蒸发量2735.1mm。隧道区海拔高程介于500～740m之间，相对高差约240m。该段地势陡峻，地形起伏较大，现多为荒地。隧道区左侧有乡村公路通过，交通较为便利。

2 水文和工程地质条件

根据现场地质调查、钻探编录资料分析，隧道区出露地层有第四系残坡积（Q■■）层、第三系（N）和元古界哀牢山群凤港组（Ptf）。第四系残坡积（Q■■）：圆砾，褐红色，稍密，少量次棱角状；粉质粘土，褐黄色、褐黄色，硬塑，稍湿。第三系（N）层：上层砂砾岩，灰白色，强风化，成岩性差，抗冲刷能力极差；下层砂砾岩，灰、深灰色，中风化，以砾岩为主，节理裂隙弱发育，岩体稍完整。元古界哀牢山群凤港组（Ptf）层：片麻岩，灰、青灰色，中风化，变晶结构，片麻状构造，节理裂隙弱发育。隧道区未见构造发育的迹象，亦未见泥石流、滑坡崩塌等其他不良地质作用发育，场地较稳定。

隧道区段地表水系不发育，水量受区内降雨及季节性影响较大，区域上属元江水系。隧道区段地下水类型为第四系孔隙水及基岩裂隙水。第四系孔隙水多赋存于第四系松散土体中，多以潜水形式出现，水量很少；基岩裂隙水赋存于下伏基岩裂隙中，主要受大气降雨补给。隧道正常涌水量为1150m3/d。雨季动态系数采用1.5，预测隧道最大涌水量约1725m3/d。

3 检测原理和意义

超前地质预报地质雷达法是利用发射天线向前方介质发射广谱、高频电磁波，当电磁波遇到电性（介电常数、电导率）差异界面时将发生透射、折射和反射现象，同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用。用接收天线接收并记录来自前方的反射波，采用相应的处理软件进行数据处理，然后根据处理后的数据图像结合工程地质及地球物理特征进行推断解释，对掌子面前方的工程地质情况（围岩性质、地质结构构造、围岩完整性、地下水和溶洞等情况）进行预测[1]。

预测和判定掌子面前方围岩的工程地质情况和隧道围岩级别等信息[2]，为隧道施工支护提供技术依据、防止可能出现的工程险情、确保合理的施工方法，促使隧道施工技术更加合理科学。

4 检测现场工作及结果

4.1 测线布置

现场采用台阶法预留核心土开挖，掌子面自稳困难需要超前支护。本次地质超前预报采用MALA X3M型地质雷达，探测天线为100MHz屏蔽天线，点距0.10m。根据现场条件，测线按从左到右布置，如图1所示。

4.2 掌子面地质描述

掌子面围岩以粉质黏土为主，褐黄色，硬塑，干燥，并夹有少量圆砾及砂砾岩碎石；岩体极破碎呈散体结构，产状杂乱，锤击声哑，强风化；地下水类型为基岩裂隙水或孔隙水，受地表水影响较大，掌子面无渗水现象。地质素描图见图2。

4.3 检测结果

本次地质雷达预报探测范围为掌子面前方YK1+775～YK1+800，现场采集数据采用Reflex处理软件分析，地质雷达剖面图如图3所示。

根据地质雷达探测得到的反射波图像，结合隧道工程地质勘察结果和掌子面围岩特征，分析掌子面前方25m范围地质情况：

①探测剖面掌子面前方0～200ns时窗范围内（对应里程范围YK1+775～YK1+785，参考电磁波速0.1m/ns），在探测前方中部存在两组电磁波反射信号，反射信号呈层面状分布，同相轴连续性一般，局部错断，频率中等，信号振幅强度较强；结合掌子面地质情况，初步判断此区段范围内，围岩与掌子面相近，以褐黄色硬塑状粉质黏土为主，并夹有少量圆砾及砂砾岩碎石，结构为散体结构，强风化，节理裂隙极发育，含水量较小。

②探测剖面掌子面前方200～500ns时窗范围内（对应里程范围YK1+785～YK1+800，参考电磁波速0.1m/ns），探测剖面前存在一组震荡明显的电磁波反射信号，同相轴较连续，频率中等偏高，振幅一般，初步判断此区段范围为围岩接触变化带，围岩可能向全风化砂砾岩转变，围岩较掌子面稍好，以褐黄色硬塑状粉质黏土为主，并夹有大量砂砾岩碎石，结构为散体结构，极破碎，强风化，含水量较小。

5 结论及建议

5.1 结论

根据《公路隧道设计规范》JTG D70-2004、《公路工程地质勘察规范》JTG C20-2011及本次探测成果，结合两阶段施工图设计及详细勘察成果，综合判定YK1+775～YK1+800围岩级别为Ⅴ级（YK1+775～YK1+800段原設计为Ⅴ级）。

5.2 建议

①超前预报段（桩号YK1+775～YK1+800）为进洞浅埋段，该段围岩极破碎，强风化，自稳性极差，施工过程中该段可能存在冒顶坍方、侧壁失稳、掉块的现象。施工时应严格按照“短进尺、弱爆破、强支护、勤量测、快循环”的施工原则，以确保隧道施工安全。

②及时对洞口坡面及仰坡采取预加固处理措施，对洞口开挖，做好暗洞的超前支护施工。避免开挖不当或支护不及时造成失稳，并严格控制超前支护的质量，同时进行仰拱施工，尽早成环，以保障现场施工人员及设备的安全。

③施工时各工序均应做好排险工作，在加紧锚杆施做、钢筋网挂设、钢支撑安装及喷射混凝土的同时应派专人进行围岩观察，以防围岩坍塌危及人员设备安全。

④YK1+775～YK1+800为进洞浅埋段，受地表水影响较大，应加强地表排水和截水措施，避免造成边仰坡失稳和地表水渗透到隧道内。

⑤加强洞内和地表的监控量测工作，出现异常变形，及时通知参建各方，及时采取相应措施进行处治。

参考文献：

[1]王振宇，程围峰，刘越，等.基于掌子面编录和地质雷达的综合超前预报技术[J].岩石力学与工程学报，2010，29（s2）：113-121.

[2]黄兴华.软弱围岩条件下的浅埋隧道施工研究[D].长沙：湖南大学，2009.