地質雷達法在公路隧道超前地質預報中的應用

黑明昌

摘要： 在隧道開挖過程中，提前發現隧道前方的地質情況，為施工方提供準確的地質資料，對減少和預防工程事故的發生非常重要。通過采用地質雷達法對南罕隧道進行地質超前預報分析，結果表明： 地質雷達法在超前預報隧道中不良地質因素是可行的，結果真實可靠，可為其它隧道施工超前地質預報提供參考與借鑒。

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.

關鍵詞： 地質雷達；超前地質預報；公路隧道

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

中圖分類號：U452.1+1 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0181-02

0 引言

目前，為了改善民生和發展經濟，我國每年投資成百上千萬資金來修建高速公路。在修建高速公路工程中，為了縮短里程，改善線形及保護環境，在高山重丘地區常常需要開挖隧道。因此，隧道建設規模越來越大，其在交通建設中的地位也更加突出。在隧道施工過程中，時常因為對前方地質情況不明，遇到很多不良的地質因素，影響隧道工程的掘進速度，甚至會造成嚴重的工程事故。為了保證工程質量和避免險情發生，引入了地質雷達技術。地質雷達是一種綜合有效的地質預報方法，它與通訊雷達一樣，是利用高頻電磁波脈沖信號的反射來探測隧道前方地質情況的。因此，地質雷達對地下工程的質量和施工安全，特別是地下復雜，規模較大的隧道工程，具有重要的現實意義，同時也對其他類似工程地質預報的應用也具有很大的推動作用。

1 工程概況

元蔓高速南罕隧道位于云南省紅河州元江縣至蔓耗鎮境內，起止點樁號為K1+750～K4+215，隧道起點～K2+281.96位于R=1440的圓曲線上，K2+281.96～K3+311.87位于i=2%直線上，K3+311.87～終點位于R=1440的圓曲線上；隧道所在的路段縱坡為1.2%。隧址區氣候屬亞熱帶潮濕氣候，年均氣溫20.3℃，年均降雨量802.3mm，年均蒸發量2735.1mm。隧道區海拔高程介于500～740m之間，相對高差約240m。該段地勢陡峻，地形起伏較大，現多為荒地。隧道區左側有鄉村公路通過，交通較為便利。

2 水文和工程地質條件

根據現場地質調查、鉆探編錄資料分析，隧道區出露地層有第四系殘坡積（Q■■）層、第三系（N）和元古界哀牢山群鳳港組（Ptf）。第四系殘坡積（Q■■）：圓礫，褐紅色，稍密，少量次棱角狀；粉質粘土，褐黃色、褐黃色，硬塑，稍濕。第三系（N）層：上層砂礫巖，灰白色，強風化，成巖性差，抗沖刷能力極差；下層砂礫巖，灰、深灰色，中風化，以礫巖為主，節理裂隙弱發育，巖體稍完整。元古界哀牢山群鳳港組（Ptf）層：片麻巖，灰、青灰色，中風化，變晶結構，片麻狀構造，節理裂隙弱發育。隧道區未見構造發育的跡象，亦未見泥石流、滑坡崩塌等其他不良地質作用發育，場地較穩定。

隧道區段地表水系不發育，水量受區內降雨及季節性影響較大，區域上屬元江水系。隧道區段地下水類型為第四系孔隙水及基巖裂隙水。第四系孔隙水多賦存于第四系松散土體中，多以潛水形式出現，水量很少；基巖裂隙水賦存于下伏基巖裂隙中，主要受大氣降雨補給。隧道正常涌水量為1150m3/d。雨季動態系數采用1.5，預測隧道最大涌水量約1725m3/d。

3 檢測原理和意義

超前地質預報地質雷達法是利用發射天線向前方介質發射廣譜、高頻電磁波，當電磁波遇到電性（介電常數、電導率）差異界面時將發生透射、折射和反射現象，同時介質對傳播的電磁波也會產生吸收濾波和散射作用。用接收天線接收并記錄來自前方的反射波，采用相應的處理軟件進行數據處理，然后根據處理后的數據圖像結合工程地質及地球物理特征進行推斷解釋，對掌子面前方的工程地質情況（圍巖性質、地質結構構造、圍巖完整性、地下水和溶洞等情況）進行預測[1]。

預測和判定掌子面前方圍巖的工程地質情況和隧道圍巖級別等信息[2]，為隧道施工支護提供技術依據、防止可能出現的工程險情、確保合理的施工方法，促使隧道施工技術更加合理科學。

4 檢測現場工作及結果

4.1 測線布置

現場采用臺階法預留核心土開挖，掌子面自穩困難需要超前支護。本次地質超前預報采用MALA X3M型地質雷達，探測天線為100MHz屏蔽天線，點距0.10m。根據現場條件，測線按從左到右布置，如圖1所示。

4.2 掌子面地質描述

掌子面圍巖以粉質黏土為主，褐黃色，硬塑，干燥，并夾有少量圓礫及砂礫巖碎石；巖體極破碎呈散體結構，產狀雜亂，錘擊聲啞，強風化；地下水類型為基巖裂隙水或孔隙水，受地表水影響較大，掌子面無滲水現象。地質素描圖見圖2。

4.3 檢測結果

本次地質雷達預報探測范圍為掌子面前方YK1+775～YK1+800，現場采集數據采用Reflex處理軟件分析，地質雷達剖面圖如圖3所示。

根據地質雷達探測得到的反射波圖像，結合隧道工程地質勘察結果和掌子面圍巖特征，分析掌子面前方25m范圍地質情況：

①探測剖面掌子面前方0～200ns時窗范圍內（對應里程范圍YK1+775～YK1+785，參考電磁波速0.1m/ns），在探測前方中部存在兩組電磁波反射信號，反射信號呈層面狀分布，同相軸連續性一般，局部錯斷，頻率中等，信號振幅強度較強；結合掌子面地質情況，初步判斷此區段范圍內，圍巖與掌子面相近，以褐黃色硬塑狀粉質黏土為主，并夾有少量圓礫及砂礫巖碎石，結構為散體結構，強風化，節理裂隙極發育，含水量較小。

②探測剖面掌子面前方200～500ns時窗范圍內（對應里程范圍YK1+785～YK1+800，參考電磁波速0.1m/ns），探測剖面前存在一組震蕩明顯的電磁波反射信號，同相軸較連續，頻率中等偏高，振幅一般，初步判斷此區段范圍為圍巖接觸變化帶，圍巖可能向全風化砂礫巖轉變，圍巖較掌子面稍好，以褐黃色硬塑狀粉質黏土為主，并夾有大量砂礫巖碎石，結構為散體結構，極破碎，強風化，含水量較小。

5 結論及建議

5.1 結論

根據《公路隧道設計規范》JTG D70-2004、《公路工程地質勘察規范》JTG C20-2011及本次探測成果，結合兩階段施工圖設計及詳細勘察成果，綜合判定YK1+775～YK1+800圍巖級別為Ⅴ級（YK1+775～YK1+800段原設計為Ⅴ級）。

5.2 建議

①超前預報段（樁號YK1+775～YK1+800）為進洞淺埋段，該段圍巖極破碎，強風化，自穩性極差，施工過程中該段可能存在冒頂坍方、側壁失穩、掉塊的現象。施工時應嚴格按照“短進尺、弱爆破、強支護、勤量測、快循環”的施工原則，以確保隧道施工安全。

②及時對洞口坡面及仰坡采取預加固處理措施，對洞口開挖，做好暗洞的超前支護施工。避免開挖不當或支護不及時造成失穩，并嚴格控制超前支護的質量，同時進行仰拱施工，盡早成環，以保障現場施工人員及設備的安全。

③施工時各工序均應做好排險工作，在加緊錨桿施做、鋼筋網掛設、鋼支撐安裝及噴射混凝土的同時應派專人進行圍巖觀察，以防圍巖坍塌危及人員設備安全。

④YK1+775～YK1+800為進洞淺埋段，受地表水影響較大，應加強地表排水和截水措施，避免造成邊仰坡失穩和地表水滲透到隧道內。

⑤加強洞內和地表的監控量測工作，出現異常變形，及時通知參建各方，及時采取相應措施進行處治。

參考文獻：

[1]王振宇，程圍峰，劉越，等.基于掌子面編錄和地質雷達的綜合超前預報技術[J].巖石力學與工程學報，2010，29（s2）：113-121.

[2]黃興華.軟弱圍巖條件下的淺埋隧道施工研究[D].長沙：湖南大學，2009.

[3]徐澤民，黃潤秋.深埋特長隧道及其施工地質災害[M].成都：西南交通大學出版社，2000：1-2.

[4]鐘世航，孫宏志，王榮，等.隧道掌子面前方地質預報的現狀及發展之路[J].工程地球物理學報，2007，4（3）：180-185.