地質雷達在海螺峪隧道軟弱夾層發(fā)育段的應用

黃 慶

(江西東通交通科技股份有限公司，江西 南昌 330013)

以濟南為中心的東南地區(qū)，山地丘陵石灰?guī)r裸露，降水量較大，地表溶蝕現(xiàn)象明顯，溶溝、溶槽、溶蝕裂隙普遍發(fā)育，地下巖溶裂隙發(fā)育良好，且連通性強，為軟弱夾層發(fā)育提供了良好的形成條件。而在隧道施工中，因軟弱夾層發(fā)育導致的地質災害會導致較大的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

超前地質預報技術主要是為了預防隧道施工過程中可能遇到的地質災害而興起的一種勘探方法，常用的方法有地質雷達法、瞬變電磁法、紅外探水法等，每種方法都有各自的優(yōu)點與不足。

1 工程概況

海螺峪隧道屬于濟泰高速公路建設工程的關鍵部分，工程位于金象山東部紅葉谷生態(tài)區(qū)北部，呈南北走向，因穿過海螺峪北臺得名。隧道最大埋深為380 m，全長5 850 m，V級圍巖占比達86%，場地屬于低山地貌，隧道段地勢起伏較大，地下水主要為上層滯水和基巖裂隙水，未發(fā)現(xiàn)明顯暗河。

2 地質雷達基本原理

應用地質雷達進行實地探測預報之前，需要掌握雷達的工作原理和相關參數(shù)的設置，這樣才能更加精確的勘測地質情況。

2.1 雷達的探測原理

地質雷達探測是多種地球物理探測方法中的一種，它的原理是基于地下不同介質發(fā)射的不同電磁寬屏帶波。地質雷達的探測原理是通過天線向地層下以寬頻短脈沖的形式發(fā)射高頻電磁波，當電磁波在傳播過程中遇到不同介質時反射并被接收所用的時間也各不相同，從而可以推斷出反射物的深度。地質雷達系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

圖1 地質雷達系統(tǒng)示意圖

2.2 參數(shù)設置方法

在進行勘探采樣之前，應對地質雷達進行一系列的參數(shù)設置，其中主要包括采樣頻率、采樣間隔、測距、接受發(fā)射天線之間的距離、道間距等。

3 方案設計

根據(jù)實際現(xiàn)場情況，預報工作采用地質雷達勘探與地質調查相結合的方法對里程Z1K12+655 m進行勘探。現(xiàn)場實際開挖方法為臺階法，地質雷達測線布置示意圖見圖2，現(xiàn)場測線近于各臺階水平線。

圖2 地質雷達測線布置示意圖

4 探測成果

4.1 掌子面地質描述

進口Z1K12+655 m圍巖以泥質灰?guī)r、灰?guī)r及頁巖互層為主。地層巖性軟硬變化不一，巖體錘擊聲較清脆，輕微回彈，稍震手，較難擊碎，浸水后有輕微吸水反應，巖性整體較堅硬。中～薄層狀構造為主，主要發(fā)育一組結構面，其產(chǎn)狀為189°∠6°。巖體裂隙較發(fā)育，裂隙微張，裂隙間多夾泥質填充物，其中掌子面底部泥化較嚴重，掌子面發(fā)育1組軟弱泥質夾層，巖體間結合較差，巖體較破碎，局部破碎，圍巖完整性較差。無巖溶發(fā)育，掌子面整體較干燥，圍巖穩(wěn)定性較差。掌子面素描圖如圖3所示。

圖3 Z1K12+655 m掌子面素描圖

4.2 地質雷達探測成果

地質雷達探測距離為30 m，里程樁號為Z1K12+655 m，掌子面左→右方向為測線正方向，雷達測線圖譜見圖4。

測線0.0～16.2 m，掌子面前方0.0～20.0 m范圍。推測圍巖較當前掌子面基本一致。巖體以泥質灰?guī)r、灰?guī)r及頁巖互層為主，地層巖性變化不一。層狀構造為主，巖體裂隙較發(fā)育，裂隙微張，圍巖層間、裂隙間多泥質填充物，局部含泥較嚴重、泥化，軟弱夾層較發(fā)育，巖體間結合較差，圍巖較破碎，局部破碎，圍巖完整性整體較差。無巖溶發(fā)育，地下水不太發(fā)育，局部滲、滴水，圍巖穩(wěn)定性較差。

測線0.0～16.2 m，掌子面前方20.0～30.0 m范圍。推測圍巖較前段稍好。巖體以泥質灰?guī)r、灰?guī)r互層為主，地層巖性變化不一。層狀構造為主，巖體裂隙較發(fā)育，裂隙微張，圍巖層間、裂隙間多泥質填充物，軟弱夾層弱發(fā)育，巖體間結合較差，圍巖較破碎，局部破碎，圍巖完整性整體較差。無巖溶發(fā)育，地下水不太發(fā)育，局部滲、滴水，圍巖穩(wěn)定性較差。

4.3 成果解釋

(1)預報段圍巖以泥質灰?guī)r、灰?guī)r互層為主，為巖性接觸帶，地層巖性變化不一，巖性整體較堅硬。層狀構造為主，主要結構面產(chǎn)狀為189°∠6°。巖體裂隙較發(fā)育，裂隙微張、裂隙間多泥質填充物填充，局部含泥較嚴重，軟弱泥質夾層較發(fā)育，夾層極不穩(wěn)定、無自穩(wěn)能力，遇水泥化，巖體間結合較差，圍巖較破碎，圍巖完整性整體較差，含泥。無巖溶發(fā)育，地下水不太發(fā)育，局部滲、滴水，圍巖穩(wěn)定性較差。

(2)受巖性、地質、巖溶及地下水等因素影響Z1K12+655 m段圍巖穩(wěn)定性較差，建議圍巖級別為Ⅴ級。

(3)預報段巖體以中風化石灰?guī)r、泥質灰?guī)r為主。施工中，注意開挖擾動易引起拱頂順層軟巖區(qū)掉渣掉塊或失穩(wěn)坍塌。軟巖巖體強度低，在地下水作用下，具有“易滲流、易膨脹、易崩解”等特性。建議遵循“短進尺、少擾動、快支護、勤量測、早成環(huán)”的原則施工，嚴格控制施工工藝，注意初期支護的及時性和強度，并加強監(jiān)控量測工作，綜合考慮隧道埋深、監(jiān)測結果等其他因素，采取合理可靠的開挖方式。

(4)由于本次預報受掌子面平整度對雷達探測效果的影響，以上預報結論與圍巖級別建議值僅供參考，實際情況以隧道開挖揭露為準，施工過程中密切關注圍巖變化情況并采取及時的應對措施。

圖4 Z1K12+655 m雷達測線圖譜

5 結 語

(1)在勘測過程中會存在諸多干擾因素，在進行數(shù)據(jù)處理與分析時需要結合掘進面現(xiàn)場情況進行綜合判斷，因此干擾波的濾去判斷對探測的精度也是至關重要的。

(2)采用地質雷達法，對隧道軟弱夾層發(fā)育段進行高精度探測，并通過隧道開挖揭露驗證，充分體現(xiàn)了地質雷達法具有高精度、效率高等優(yōu)點，并可以提前做出預警，為隧道后續(xù)施工提供精確的地質資料，從而預防地質災害的發(fā)生。

(3)在軟弱夾層的勘探過程中地質雷達法彌補了其他勘探方法的不足，在實際運用中與其他勘探方法相結合會取得更好的效果。

(4)勘探工作為地質雷達應用于隧道超前地質預報積累了一定經(jīng)驗。