基于地質雷達的隧道超前地質預報技術應用研究

黎一禾

(成都工貿職業技術學院 鐵道工程學院,四川 成都 611731)

隨著我國國民經濟的高速發展和西部大開發戰略的深入實施,高等級公路在西南山區的建設規模日益擴大,公路隧道數量也越來越多,隨著全長10km以上通過復雜地質條件的特長隧道的增多,地層埋深的加深,常會遇到高溫、高地應力、瓦斯、高壓涌水、巖爆等情況,給設計和施工造成極大困難.為了避免這些地質災害,超前地質預報就成了隧道施工中不可或缺的內容.目前,在隧道超前預報工作中遇到的主要難點問題是圍巖完整情況、瓦斯與涌水預報等[1-2].

渝(重慶)廣(四川廣安)高速公路華鎣山隧道穿越觀音峽背斜,并發育多條斷層,地質構造較為復雜,最突出的地質問題不僅包括瓦斯煤層氣和涌水問題,還有塌方、軟巖變形以及有毒有害氣體的監測預報問題[3-5].該隧道的不良地質體類型多、密度大,進行超前預報的難度極大,既有極高的研究價值,又對保障隧道掘進工程的順利實施具有必不可少的現實意義[6-8].

常見的超前地質預報包括地質調查法、掌子面超前探孔法和地球物理探測法三大類,其中物理勘測方法分為電法、電磁法、地震波法和聲波法,以及紅外線地下探測法[9-10].地質雷達屬于電磁法,適用于探測隱伏斷層、破碎帶、地下巖溶和洞穴以及地層劃分等[11].

本文以華鎣山隧道為研究對象,采用地質雷達測試和掌子面開挖驗證相結合的方式對隧道超前地質預報技術進行對比分析,為后續此類隧道施工提供參考.

1 研究區概況

隧址區位于四川盆地川東平行嶺谷區的華鎣山山脈中段,山脈呈北東向南西延伸,與構造線的方向一致,地勢為中間高,東西兩側低,屬中低山地區,地貌以溶蝕-構造巖溶中低山和剝蝕丘陵為主,路線垂直山脈走向[12].隧道全長6.6km,山頂中部主要發育巖溶、槽谷和山地地形.山頂高程973～1385m,兩側洞口附近槽谷底部標高450m左右,相對高差900m左右.巖溶山地以仰天窩至涼帽頂一帶為分水嶺.地勢分別向東和向西傾斜.山頂在紅巖鄉瓦店村一帶形成一條與山谷線走向一致的巖溶槽谷,槽底標高740～760m.

隧址區內露出地層由新至老分別為第四系人工堆積層(Q4q)、第四系全新統崩坡積層(Q4col+dl)、殘坡積層(Q4el+dl)、中統雷口坡組(T2l)、下統嘉陵江組(T1j)、飛仙關組(T1f)、二疊系上統長興組(P2c)、龍潭組(P2l)、下統茅口組(P1m)、棲霞組(P1q)、石炭系中統黃龍組(Ch)、志留系中統韓家店組(Ssh)、下統小河壩組(Sx)和龍馬溪組(S1l)[13].對線路方案影響較大的地下水有巖溶水、老窯水和基巖裂隙水.受構造及隔水層影響,隧址區存在多個獨立的巖溶水文單位,彼此聯系較差.煤礦巷道開挖、坍塌、堵塞,在采空區范圍內積攢老窯水,與其他地下水存在一定聯系.

隧址區主要的不良地質現象有巖爆、崩塌落石、巖體破碎、巖溶(水)、采空區、瓦斯和硫化氫有害氣體及高地應力等.特殊巖土主要為礦渣(人工棄土).隧道施工期間應做好隧道涌水的施工預案,并做好有毒氣體監測工作,隧道應加強通風工作,確保隧道施工安全.

2 地質雷達探測

2.1 地質雷達工作原理

地質雷達(Ground Penetrating Radar, GPR)作為一種先進的地下探測設備,其核心組成包括主機、天線及配套軟件,主要利用高頻電磁波技術來深入探測和分析地下結構與目標.在操作過程中,發射天線向地下介質發射高頻電磁波,當電磁波遭遇電性差異顯著的介質時,會產生反射波,隨后由接收天線捕獲并進行數字化記錄,如圖 1所示.

圖1 地質雷達工作原理及其基本組成示意圖

通常情況下,地質雷達采用剖面法進行檢測,將固定間距的天線沿預設測線移動,并結合實時或后期處理軟件,繪制地質雷達時間剖面圖像,以此來直觀展示地下目標和界面的分布狀況.反射波的信息以圖像形式呈現,其中橫坐標記錄天線在測線上的位置,縱坐標顯示反射波的雙程旅行時間,如圖 2所示.通過對收集到的時域波形數據以及波形圖的深入分析,可以推斷出地下異常體的位置、材質屬性和埋深.地質雷達技術的核心優勢體現在其快速、高精度且無破壞性的特點上,特別適用于地質災害預警、隧道施工等領域的實時監測與評估.在實際工程應用中,地質雷達能夠有效識別隧道掌子面前方圍巖的狀況,為施工單位提供重要的數據支持.地質雷達通常在106～109Hz的頻率范圍內運作,依賴于目標介質內的電性差異產生強烈的反射信號.由于其快速便捷、探測精度高以及對原物體無破壞作用的特點,地質雷達在鐵路、公路和水利質量檢測領域已得到廣泛的認可和應用,成為現代地球物理探測方法的重要組成部分[14].

圖2 地質雷達反射測試系統及反射剖面示意圖

2.2 現場工作測線布置

探測工作現場位于華鎣山公路隧道的出口右線,隧道斷面高9m,寬12m.探測工作采用GSSI公司SIR～4000 主機和100 MHz 屏蔽天線組成的地質雷達探測系統.在掌子面布設橫向①和②兩條測線進行探測,測線長11m,高1.5m.現場實際測線布置示意如圖 3所示.

圖3 地質雷達探測測線布置示意圖

2.3 超前地質預報內容

開挖前對地質情況的了解,對于隧道建設有著十分重要的作用.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、產狀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,并為預防隧洞巖爆、涌水、瓦斯沼氣等可能形成的災害性事故及時提供信息,保證施工安全.隧洞施工超前預報的內容一般包括:不良地質預報及災害地質預報、水文地質預報、斷層及其破碎帶的預報、圍巖類別及其穩定性預報等.

華鎣山隧道伴隨爆破開挖施工可能產生的變形或隱患很多,包括斷層和背斜破碎帶塌落、軟弱巖體、溶洞塌方、煤礦采空區等;隧址區地下水豐富,存在溶洞、巖溶突水突泥的可能.本文中對華鎣山隧道超前預報的主要內容為:巖體破碎程度預報、隧道涌水(地下水發育)以及圍巖穩定性的預報.

3 結果及分析

根據華鎣山隧道工程地質與水文地質條件、對施工安全影響程度和對環境影響程度等因素,利用地質雷達對華鎣山某隧道出口右線K11+401、K11+426和K11+451總計3處的隧道掌子面開展超前地質預報,將地質雷達監測圖像與開挖后掌子面實際情況進行對比分析.

圖4為探測范圍K11+401～K11+371,總長度30m的探測圖像.a為①測線探測圖像,探測方向為從左至右;b為②測線實測圖像,方向為從右向左.根據地質雷達沿測線移動實時收集電磁波反射信號,若反射信號強度均勻,說明圍巖較完整,厚度均勻,若局部反射信號明顯增強,說明該段有巖體破碎或地下水發育等情況.由圖可知該掌子面后測段所收集到的電磁波反射強度總體一般,中段局部較強,可認為該30m段巖體呈薄層～中厚層狀,巖體較完整～較破碎,總體呈層狀、塊狀,節理裂隙較發育.其中在K11+386～K11+376總計10m的范圍內巖體較破碎,軟弱夾層、溶隙、溶腔較發育.該測試段地下水弱～較發育,主要以點滴狀或線狀產出,圍巖整體穩定性較好.

K11+401～K11+371段開挖揭示以灰色灰巖為主,如圖 5所示,節理裂隙較發育,方解石充填,巖體破碎～較完整,軟弱夾層較發育,地下水弱～較發育.

圖5 K11+401掌子面開挖照片

圖6為探測范圍K11+426～K11+396,長度30m的探測圖像.由圖可知該測段電磁波反射一般,局部較強,分析認為該段總體呈薄～中厚層狀,巖體較破碎,呈碎裂狀、塊狀,節理裂隙和軟弱夾層均呈現較發育.其中在K11+426～K11+416這10m段內巖體破碎,軟弱夾層較發育,節理裂隙和地下水較發育,地下水主要以點滴狀或線狀產出,圍巖整體穩定性較差～較好.

K11+426～K11+396段開挖揭示以灰色灰巖、暗紅色砂巖為主,如圖 7所示,節理裂隙較發育～發育,填充物主要為方解石和泥質,巖體破碎,軟弱夾層和地下水均較發育.

圖7 K11+426掌子面開挖照片

圖 8為探測范圍K11+451～K11+421,長度30m的探測圖像.由圖可知該測段電磁波反射較強.電磁波信號反應了該30m段巖體碎裂、破碎,總體呈薄～中厚層狀,節理裂隙發育,軟弱夾層和地下水較發育,其中地下水主要以點滴狀或線狀產出,開挖后易出現掉塊,整體圍巖穩定性差.

K11+476～K11+451段開挖揭示以灰色灰巖、暗紅色砂巖為主局部夾黑色頁巖,如圖 9所示,節理裂隙較發育～發育,方解石、泥質充填,巖體破碎,軟弱夾層較發育,地下水弱發育.

圖9 K11+451掌子面開挖照片

4 結論

華鎣山隧道地質條件復雜,地質災害種類多、風險大,必須采取多種手段復合的地物整合預報.本文基于地質雷達技術,對華鎣山脈某隧道出口右線K11+401、K11+426和K11+451總計3處隧道掌子面開展超前地質預報.通過數據處理和圖像輸出對探測段內的巖體破碎程度、巖體結構、節理裂隙和地下水發育程度進行了預測和分析,并將預測推斷結果與開挖后掌子面實際情況進行對比分析,得出以下結論:

(1)地質雷達能有效、清晰地探明隧道內巖體破碎情況,節理裂隙、軟弱夾層和地下水的發育情況,以及整體圍巖穩定性.

(2)結合開挖斷面,地質雷達技術能夠可靠、快速、準確地應用在山嶺隧道的超前地質預報工作中.

(3)建議后期同類型的山嶺隧道在施工開挖時遵循短進尺、弱爆破的原則,注意拱頂掉塊、坍塌以及巖體沿不利結構面滑塌,做好排險、防護等工作.

(4)在施工過程中監控量測及時跟進,掌握監控隧道拱頂下沉、周邊收斂等變化情況,并根據實際情況及時對施工方法和支護參數進行調整,以保證施工安全與工程質量.