超前地質(zhì)預報技術(shù)在大斷面淺埋偏壓隧道洞口段中的應用

■張林城

(福建省漳州市公路局，漳州 363000)

0 引言

淺埋偏壓隧道常見于隧道洞口段，其偏壓應力主要來源于隧道洞口地形、地質(zhì)和洞口開挖[1-2]。因此，隧道洞口段常常是山嶺隧道工程施工的重點和難點，對整條隧道的工期及施工安全有著重要影響。為了確保淺埋偏壓隧道洞口段施工及后期運營安全，目前工程上常采用減輕洞口施工擾動、增加支護強度、對洞口進行預加固處理等措施進行處理。而超前地質(zhì)預報技術(shù)是為了確保以上措施能否“對癥下藥”并取得良好技術(shù)經(jīng)濟效果的有效保障手段，是隧道施工中不可或缺的必要步驟，是降低淺埋偏壓隧道洞口段施工地質(zhì)災害發(fā)生、減少災害損失的重要手段[3-4]。

基于地質(zhì)雷達的超前地質(zhì)預報技術(shù)是目前隧道進洞前了解掌子面前方圍巖地質(zhì)及含水情況的主要超前地質(zhì)預報手段，同時也是對隧道開挖施工、初期支護、二次襯砌支護等實體工程質(zhì)量進行快速無損檢測的有效手段，被廣泛應用于我國當前隧道工程施工過程質(zhì)量控制。本文以國道324線漳州九龍嶺段公路工程花都Ⅰ號隧道為依托，介紹了地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預報技術(shù)在該大斷面淺埋偏壓隧道洞口段施工中的應用，為該隧道洞口段施工動態(tài)設(shè)計和穩(wěn)定性控制提供了有效參考和借鑒。

1 工程概況

花都Ⅰ號隧道為左右分離式的雙向六車道隧道，按一級公路標準設(shè)計；隧道路線橫穿九龍嶺山脊，沿線地勢中間高、兩端低；隧道區(qū)內(nèi)下伏基巖主要為燕山早期花崗巖，次生構(gòu)造較為發(fā)育，有13條斷裂構(gòu)造與擬建隧道呈大角度通過。

隧道洞口段圍巖主要為殘坡積土、全-強風化巖，巖體總體呈松散結(jié)構(gòu)，易坍塌；巖土層強度低，圍巖基本質(zhì)量指標修正值[BQ]<250，屬于Ⅴ類圍巖；巖體穩(wěn)定性差，側(cè)壁不穩(wěn)定，部分地下水位高于洞身位置，拱部無支護時易產(chǎn)生坍塌、冒頂。隧道洞口段埋深較淺，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)揭示隧道洞口段圍巖位移較大，初期支護表面易開裂，洞口段呈現(xiàn)淺埋偏壓特性。為確保隧道施工期間安全，應徹底查明隧道掌子面前方工程地質(zhì)和水文地質(zhì)詳細情況，以有效指導施工掘進。

2 地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預報

2.1 預報原理

地質(zhì)雷達是以電磁波理論為工作基礎(chǔ)，基于不同介質(zhì)對電磁波吸收和反射程度的不同來對隧道前方圍巖地質(zhì)情況進行超前預報，其工作原理如圖1所示。

圖1 探地雷達工作原理示意圖

地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預報的具體工作過程可以簡要描述為：首先由設(shè)置在掌子面上方的發(fā)射天線向隧道前方掌子面發(fā)射一組高頻電磁波；由于電磁波在介質(zhì)中傳播時的路徑、電磁波場強度以及波形將隨所通過介質(zhì)電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化，因此，當這一高頻電磁波在隧道前方掌子面?zhèn)鞑ミ^程中遇到不同介電常數(shù)的土體界面或巖層界面時，其中一部分電磁波會發(fā)生反射并被安裝在地表的接收天線所接收和記錄下來；而剩下的一部分電磁波會繼續(xù)向前方掌子面?zhèn)鞑ィ钡桨l(fā)射出來的高頻電磁波能量被圍巖中的介質(zhì)全部吸收為止。

由于隧道圍巖不是均勻不變的，而是由許多不同介電常數(shù)的三相介質(zhì)組成的，電磁波在不同介電常數(shù)的界面上不斷發(fā)生反射和繼續(xù)傳播直至能量消耗殆盡，而接收天線和主機也就會接收并記錄到地質(zhì)雷達發(fā)射出來的高頻電磁波在不同介質(zhì)面上反射回來的很多波形，形成雷達剖面圖，通過對這些雷達波形圖進行處理，并結(jié)合不同物質(zhì)的介電常數(shù)情況，可以快速定性地分析出隧道前方掌子面圍巖分布情況、均勻情況，判斷出是否存在斷層、破碎帶、溶洞、富水帶等不良地質(zhì)情況；同時對上述不良地質(zhì)的深度、大小和方位進行定量預報。

2.2 測線布置

本項目選用美國Laurel地質(zhì)雷達作為花都Ⅰ號隧道洞口段超期地質(zhì)預報主要探測設(shè)備。天線發(fā)射頻率設(shè)置為100MHz，時窗設(shè)置為640ns，采樣頻率設(shè)置為1024MHz，單次探測有限深度設(shè)置為30m，采用測距輪進行長度記錄[5]。根據(jù)掌子面實際情況，選取距離地面約1m處的一條水平線作為測線，并在地質(zhì)情況較差的區(qū)段增加測線；每條測線連續(xù)測量2次，以保證數(shù)據(jù)的準確性。

2.3 數(shù)據(jù)采集及結(jié)果預測

采用Laurel處理軟件對地質(zhì)雷達掃描探測采集到的隧道洞口前方圍巖均勻情況及含水情況等數(shù)據(jù)進行處理，得到花都Ⅰ號隧道左、右洞洞口掌子面部分地質(zhì)預報波形如圖2所示，分析圖2可以發(fā)現(xiàn)：

(1)該隧道左洞掌子面前方0～10m范圍內(nèi)的雷達反射信號強烈，同相軸間斷連續(xù)，由此可以推測該段圍巖為全風化巖層，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，圍巖完整性較差，含水；隧道左洞掌子面前方10～30m范圍雷達波形圖同相軸錯亂，部分區(qū)域振幅強弱差別較大，推測此段圍巖較為破碎，結(jié)合掌子面地質(zhì)素描情況可以推測該段圍巖質(zhì)量等級為V級[5]。

圖2 地質(zhì)雷達探測波形圖(處理后)

(2)隧道右洞掌子面前方0～5m范圍內(nèi)雷達反射信號強，同相軸間斷連續(xù)，推測此段裂隙較為發(fā)育，且裂隙內(nèi)含水；掌子面前方5～20m范圍內(nèi)雷達波形圖較為錯亂，部分區(qū)域振幅強弱差別較大，可能存在一條縱向裂隙；掌子面前方20～30m范圍內(nèi)雷達反射信號強，同相軸錯亂，整個區(qū)域振幅強弱差別大，推測該區(qū)域圍巖極為破碎，結(jié)合掌子面實際地質(zhì)描述情況可以推測該段圍巖質(zhì)量等級為 V 級[5]。

3 施工驗證與預報成果運用

同時經(jīng)對洞口段掌子面現(xiàn)場開挖掘進施工揭示：

(1)在隧道左洞距探測時掌子面前方6m處鉆炮眼時發(fā)現(xiàn)局部出現(xiàn)涌水；距探測時掌子面前方15～30m范圍內(nèi)鉆進速度明顯提高，圍巖呈砂土狀，易坍塌，屬V級圍巖。

(2)在隧道右洞距探測時掌子面前方5m處鉆炮眼時發(fā)現(xiàn)局部出現(xiàn)涌水；距探測時掌子面前方20～35m范圍內(nèi)炮眼均易鉆進，全風化圍巖，呈土狀，有裂隙水，屬V級圍巖。

可見前述地質(zhì)雷達超前預報結(jié)果和隧道洞口段開挖掘進所揭示的圍巖狀況吻合度較高，地質(zhì)雷達預報效果較好。

由上述地質(zhì)預報結(jié)果可知，該隧道洞口段前30m圍巖均較為破碎，且右洞前方圍巖相對更為破碎，圍巖級別均為V級，在不采用超前支護手段情況下很難保證隧道洞口段施工安全。故初步擬定左、右洞分別采用30m和40m管棚進行超前預支護，以確保隧道洞口段施工及運營安全。

4 結(jié)束語

山嶺隧道洞口大多為淺埋段并常伴隨著偏壓，加之洞口段巖土結(jié)構(gòu)松散、破碎，且富含地下水，圍巖承載能力弱，對隧道進洞施工及結(jié)構(gòu)安全帶來了很大挑戰(zhàn)。基于地質(zhì)雷達的超前地質(zhì)預報技術(shù)能夠較好地掌握隧道洞口掌子面前方圍巖地質(zhì)情況，并且經(jīng)工程施工實際驗證，用地質(zhì)雷達對隧道進行超前地質(zhì)預報精度較好，和掘進施工所揭示的實際圍巖性質(zhì)較為溫和，可為隧道動態(tài)設(shè)計和施工提供有效技術(shù)支撐。