地質雷達在舟白復線隧道超前預報中的應用

劉　偉，趙馮兵

(重慶能源職業學院, 重慶 402260)

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地質雷達在舟白復線隧道超前預報中的應用

劉偉，趙馮兵

(重慶能源職業學院, 重慶 402260)

【摘要】地質雷達已經廣泛應用于復雜地質情況下隧道圍巖的超前預報工作。文章介紹了SIR-20地質雷達的工作原理，并以舟白復線隧道的超前預報為例，詳細地論述了使用SIR-20地質雷達進行超前探測的布點、數據處理及雷達特征圖像的分析等問題。并將探測預報結果與圍巖實際情況進行比較，驗證了這種超前探測技術的可信度。

【關鍵詞】隧道工程；超前探測；地質雷達

隧道設計和施工前的工程地質勘察,雖然在一定程度上對隧道的地質狀況進行了預測、預報，但由于地質情況的復雜性，尤其是經歷過強烈構造運動的地區，勘察資料與隧道開挖后的實際情況通常會有較大的出入。而由于勘察資料的不準確，給圍巖定級及施工帶有很大的盲目性，從而出現塌方、冒頂、涌水等安全事故,對工程安全、質量、工期、投資等帶來了極大的隱患。因此，在地質條件復雜地段，在隧道開挖前進行超前地質預報，掌握掌子面前方圍巖的情況，采取措施消除不良地質情況帶來的影響，對于保證施工安全有極為重要的作用。

1舟白復線隧道

1.1工程概況

工程位于重慶市黔江區境內，項目位置在黔江區城東街道、舟白街道區域內，是黔江主城老城區至舟白組團重要干線。道路平面起點接黔江新華大道，在原舟白隧道洞口右側布置一條長1.37 km的單向三車道隧道穿越山體，上跨黔江正舟路(形成半互通立交)，終點接黔江學府三路與學院西路形成的交叉口。

1.2現場情況及隧道環境狀況

根據勘察報告，里程K0+375～K0+420段地層巖性主要為強風化灰巖，巖體破碎，含巖溶水，圍巖等級為Ⅴ級,[BQ]≤250，為無瓦斯段。水文地質條件較簡單，為相對隔水層，地下水呈滴狀滲出，進口段有南海堰滲漏。巖層傾角陡，裂隙多為陡傾裂隙，無自穩能力，拱部無支護時可能產生大規模坍塌。

里程K0+415～K0+739段隧道洞深埋藏10.35～72.57 m，巖性主要為二疊系中統茅口組(Pm)灰巖，夾泥質灰巖，巖體較完整，圍巖等級為Ⅲ級,為無瓦斯段。根據收集到的舟白隧道竣工圖資料，進洞口段可能存在地下暗河。

2圍巖超前預報

2.1預報目的

通過超前預報，及時發現異常情況，預報掌子面前方不良地質體的位置及其圍巖結構的完整性與含水的可能性，為正確選擇開挖斷面、支護設計參數和優化施工方案提供依據，并為預防隧道涌水、突泥、突氣等可能形成的災害性事故及時提供信息，使工程單位提前做好施工準備，保證施工安全，同時還可節約大量資金。所以隧道超前預報對于安全科學施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節約投資等具有重大的社會效益和經濟效益。

2.2預報方法

本次超前探測選用SIR-20地質雷達是由雷達信號發生器產生頻率相對穩定的電磁波，通過雷達主控制器對信號脈沖寬度、相位、衰減度、指數增益等一系列技術參數進行調諧調頻，并進行信號樣點數字化、信號疊加處理，然后由主控器通過信號高保真電纜和屏蔽天線將信號以一定的方向角向探測方向發射，電磁波遇到有電性差異的目的體后會發生反射，反射回來的電磁波被天線再次接收，并返回到雷達的信號接收處理器內。經處理后的雷達信號分兩路傳送：一路直接傳送給雷達顯示器，通過“四色原理”將雷達信號以彩色形式直接顯示在視頻顯示器上，其顯示速度與天線運行速度保持同步；另一路進入數據存儲器中，內存將所有技術參數連同雷達信號資料進行保存，以便進行回放和更深入一步的處理。所有雷達的專業處理、反演解釋軟件均可安裝在通用計算機上來完成，雷達主控器、內存可直接與通用計算機進行數據通訊，將雷達數據傳到計算機中進行更高級的處理和解釋(圖1)。電磁波遇到不同電性反射界面后振幅和相位發生變化，介質電性差異大小決定了電磁波反射的振幅強弱程度和其相位的正負。巖石破碎程度及其含水量情況是影響其電性常數的主要因素，根據測量結果判定掌子面前方的圍巖變化情況。

(a) 電磁波遇到地下物體后的反射示意

(b) 探地雷達紀錄的回波曲線圖1　地質雷達基本原理

2.3探測點布置

隧道超前地質預報的頻率根據隧道長度、水文地質、掌子面觀察、初期支護觀察、監控量測以及業主的要求等確定。對于本工程隧道每掘進20 m探測一次，有效探測距離大約為20～30 m，每次重疊2～5 m。采用100 MHz天線，根據隧洞地質條件的復雜程度，剖面采用“一”字型、“十”字型或“井”字型布置(圖2)，同時還需對左右側壁進行探測，測線長度應大于20 m，且與前次表面雷達測線至少重疊2 m以上。實際檢測時以掌子面布置的②線及⑤線為主，掃描的方向為從右至左。

圖2　地質雷達測線布置

3超前探測檢測結果

3.1完成工作量

此次超前探測項目，主要針對里程K0+375～K0+420段Ⅴ級圍巖和K0+415～K0+739段Ⅲ級圍巖，每隔20 m使用地質雷達進行超前探測，共進行了19次。

3.2探測成果

通過分析測線②及測線⑤的雷達特征圖像，將其與斷層破碎帶、裂隙帶、富水帶、巖溶洞穴、巖性變化帶等不良地質現象的波形圖進行比對，在不同里程樁號發現了幾處小型溶穴、富水帶及巖體破碎帶。

在隨后的隧洞開挖過程中，在相應地段地層中確實出現了以上不良地質現象，驗證了SIR-20地質雷達探測結果的可信性。

具體探測結果如下:

(1) 里程樁號K0+380～K0+420段，分兩段進行了兩次超前探測。通過開挖前對掌子面的觀察，結合探測波形圖推測掌子面前方圍巖巖性、結構構造、地下水等與掌子面的情況為強風化灰巖，巖體破碎主要結構面結合差，節理發育，地下水較豐富，開挖面有股狀、淋雨狀出水，圍巖穩定性較差。并且根據第二次探測的波形(圖3)，推斷能在K0+405段有空洞(或溶洞)，大致深度為2 m左右并伴有地下水。

圖3　測線②及測線⑤典型檢測波形圖

在實際開挖過程中，在這一段圍巖中發現了小型溶洞，與探測基本吻合(圖4)。

圖4　掌子面實拍

(2)里程樁號K0+420～K0+510段，通過對所得的波形圖數據進行綜合分析，圍巖巖性、結構構造、地下水等巖體應為夾泥質灰巖，巖體較完整，局部有少量滲水，該區段圍巖巖性無較大的變化。典型波形圖見圖5，其掌子面實物圖見圖6。

圖5　典型波型圖

圖6　實拍掌子面圍巖

(3)里程樁號K0+510～K0+713段，圍巖出現較大變化,通過地質雷達超前探測，發現了數處小溶洞以及富水區域。

如K0+567～K0+587段，測線②和測線⑤的反射波振幅總體變化為起始波較均勻，逐漸減弱后又增強的變化趨勢，則可以推出掌子面前方20 m范圍與開挖掌子面大致相符,或可能出現較軟質巖，或小面積不規則的溶洞(圖7)。

(a)測線②　　　　　　(b)測線⑤圖7　測線②及測線⑤典型檢測波形圖

(4)里程K0+693～K0+713段測線②的反射波振幅總體變化為起始波較均勻，逐漸減弱后又增強的變化趨勢，則可以推出掌子面前方20 m范圍與開挖掌子面大致相符或可能出現較軟質巖。測線⑤得出K0+699～K0+713段掌子面右側3 m處應為富水區域(圖8)。

(a)測線②　　　　　　(b)測線⑤圖8　測線②及測線⑤典型檢測波形圖

4結束語

(1)在隧道開挖時進行超前地質預報，對于制定施工方案、消除不良地質帶來的安全隱患十分有用。而地質雷達作為其中的一種超前探測方法，通過此工程的應用效果，充分證明了其實用性及可信度。因此，在以后的隧道施工中，應該推廣使用。

(2)通過應用也發現了一些問題：

①地質雷達圖像具有多解性，僅憑雷達波形圖來分析前方地層情況，結果可信度不夠。因此，在進行超前地質預報時，可將地質雷達探測與掌子面的觀測、超前鉆孔探查等方法結合起來，可以有效提高預報的可信度。

②施工對地質雷達的探測結果影響較大，雷達圖像極易受到周圍環境的干擾，使得我們的波形圖與實際情況有較大出入。在實際操作時，應該謹慎，盡可能排除掉干擾因素。

參考文獻

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[基金項目]項目名稱：不良地質條件下公路隧道監控量測技術的研究，項目編號:KJ 1405301

【中圖分類號】U452.1+1

【文獻標志碼】B

[定稿日期]2015-12-25