淺談地質(zhì)雷達(dá)在巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的運用

1、淺談地質(zhì)雷達(dá)在巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的運用蔣帥男（1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，四川成都610059）摘要：近年來，隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施,在巖溶地區(qū)修筑的隧道越來越多，而在巖溶地區(qū)隧道施工中，對掌子面前方一定范圍的地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確超前預(yù)報卻是保證隧道施工安全的關(guān)鍵。本文以中壩隧道為例,通過對擬掘進(jìn)段隧道勘察資料及工程地質(zhì)條件的解讀、隧道掌子面地質(zhì)編錄情況的判別和解譯結(jié)果的綜合分析，預(yù)判擬掘進(jìn)段存在溶腔，并通過超前鉆孔揭示驗證，得以及時采取有效措施，確保了生命及生產(chǎn)安全，表明在巖溶地區(qū)采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報是可行的。關(guān)鍵詞：隧道；超前

2、地質(zhì)預(yù)報；地質(zhì)雷達(dá)；巖溶；1前言由于地面水和地下水的溶蝕作用，在碳酸鹽巖地區(qū)發(fā)育著各種類型的巖溶地貌和巖溶形態(tài)，給工程建設(shè)帶來一定的復(fù)雜性，每年都因不同程度的巖溶危害而造成巨大的經(jīng)濟損失和危及人身安全，而隨著我國交通事業(yè)的迅猛發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施,在巖溶地區(qū)修筑的隧道越來越多，因此在巖溶地區(qū)隧道施工中，對掌子面前方一定范圍的地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確超前預(yù)報是保證隧道施工安全的關(guān)鍵。超前地質(zhì)預(yù)報方法用來準(zhǔn)確預(yù)測隧道開挖工作面前方工程地質(zhì)狀況，可以減少施工的盲目性。采用科學(xué)的、先進(jìn)的隧道超前隧道巖溶超前預(yù)報的手段有很多種，比如TSP、超前地質(zhì)鉆孔和地質(zhì)雷達(dá)等。而地質(zhì)雷達(dá)探測具有分辨率高、定位準(zhǔn)確、快

3、速經(jīng)濟、靈活方便、剖面直觀、實時圖像顯示、處理速度快等優(yōu)點，近年來在國內(nèi)外巖溶預(yù)報上，比較受親睞1。本文以中壩隧道為例,具體闡述了地質(zhì)雷達(dá)的基本工作原理及其在巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的測試方法,并針對巖溶預(yù)報雷達(dá)圖像進(jìn)行了具體的解譯。最后通過對擬掘進(jìn)段隧道勘察資料及工程地質(zhì)條件的解讀、隧道掌子面地質(zhì)編錄情況的判別和解譯結(jié)果的綜合分析2，預(yù)判擬掘進(jìn)段存在溶腔，并通過超前鉆孔驗證預(yù)判的準(zhǔn)確性，得以及時采取有效措施，確保了生命及生產(chǎn)安全，實例表明在巖溶地區(qū)采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報是可行的。下面就將地質(zhì)雷達(dá)在中壩隧道超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)用情況做一些闡述，并將其在巖溶預(yù)報上的規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，以期望對后續(xù)類似的

4、工作具有借鑒意義。2地質(zhì)雷達(dá)的探測原理及方法探測原理地質(zhì)雷達(dá)是利用頻率介于106109Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)的一種地球物理探測儀器。巖溶洞穴、破碎帶、巖溶水與完整圍巖存在明顯的電性差異,對地質(zhì)雷達(dá)發(fā)射的電磁波能形成強反射界面,以此來探測不良地質(zhì)體。地質(zhì)雷達(dá)的基本原理如圖1所示。發(fā)射天線將高頻短脈沖電磁波定向送入地下，電磁波的傳播取決于地質(zhì)體的電性如電導(dǎo)率p和介電常數(shù)。電導(dǎo)率p主要影響電磁波的穿透深度，介電常數(shù)決定電磁波在地質(zhì)體中的傳播速度。電磁波在傳播過程中遇到存在電性差異的地層或目標(biāo)體就會發(fā)生反射和透射，接收天線收到反射波信號并將其數(shù)字化，然后由電腦以反射波波形的形式記錄下來。對所采集

5、的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，可根據(jù)反射波的傳播時間、幅度和波形，判斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)及其分布。探地雷達(dá)是在對反射波形特性分析的基礎(chǔ)上來判斷地下目標(biāo)體的，所以其探測效果主要取決于地下目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的電性差異、電磁波的衰減程度、目標(biāo)體的埋深以及外部干擾的強弱等。其中,目標(biāo)體與介質(zhì)間的電性差異越大,二者的界面就越清晰,表現(xiàn)在雷達(dá)剖面圖上就是同相軸不連續(xù)。由于地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報距離短，一般在2025m,同時易受洞內(nèi)管線、機器等導(dǎo)電導(dǎo)磁體的干擾，所以一般用于隧道開挖后,隧道底部和周邊的隱伏巖溶檢測和襯砌厚度檢測。圖1地質(zhì)雷達(dá)的工作原理探測方法測線主要布置在隧道掌子面上，在探測過程中可采用兩橫兩豎或一橫

6、三豎的布線方式，必要時可加密雷達(dá)測線，或在隧道開挖底板或側(cè)壁布置雷達(dá)測線，以增加雷達(dá)的原始數(shù)據(jù)信息量，保證探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。地質(zhì)雷達(dá)測量通常采用點測和連測兩種方式。點測法主要適用于隧道掌子面較為粗糙、凹凸不平的工作環(huán)境，要求天線按固定的距離移動才能保證采集數(shù)據(jù)的剖面寬度與測線長度一致；連測方式是通過測距輪的滾動或預(yù)先設(shè)置好的時間間隔自動采集數(shù)據(jù)，適用于較光滑的掌子面。由于隧道掌子面工作環(huán)境較差，一般情況下均采用點測法3。3工程應(yīng)用實例3.1中壩隧道工程概況及巖溶段基本情況中壩隧道位于古藺縣護(hù)家鄉(xiāng)境內(nèi)，全長4001m,屬低山低中山構(gòu)造剝蝕地貌，斜坡溝谷、山間凹地地形、山高谷深，地形起伏較大，隧道

7、穿越山體高程介于702m1128m,相對高差約426m，山間多溝槽與洼地，坡腳及溝槽內(nèi)地表多為旱地和水田，隧道最大埋深約415m。隧道穿越第四系坡洪積（Q4dl+pl）層，坡殘積（Q4dl+el）層，三疊系雷口坡組（T21）、嘉陵江組（T1j）、飛仙關(guān)組（T1f），二疊系龍?zhí)丁㈤L興組（P21+C）,茅口組（P1m）。構(gòu)造較為簡單，未見斷裂構(gòu)造體通過，局部發(fā)育小型褶皺。層面在進(jìn)口處多變，其他部分以22左右中緩傾角為主，圍巖以III、W級圍巖為主，節(jié)理裂隙成組發(fā)育。該區(qū)地下水主要是松散巖土類孔隙型潛水、巖溶水和基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)主要工程地質(zhì)問題是地層巖性、水文條件決定的巖溶、突水突泥和局部破碎巖體中

8、可能出現(xiàn)的坍塌和完整巖體中可能出現(xiàn)的掉塊現(xiàn)象。設(shè)計資料顯示該段圍巖地層巖性為三疊系下統(tǒng)嘉陵江組（Tlj）灰?guī)r，臨近三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（Tlf）頁巖，泥質(zhì)砂巖地層，巖層分界面里程大約在D9K55+327，圍巖巖體較破碎，設(shè)計圍巖等級為W級，不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為突泥和突水，地質(zhì)復(fù)雜程度中等。掌子面地質(zhì)編錄掌子面里程為D9K55+222,巖性主要為灰黑色灰?guī)r，巖體層理清晰并且較為發(fā)育（見圖2），以中薄層為主，巖體較破碎，掌子面左側(cè)壁更為嚴(yán)重，巖層產(chǎn)狀：N82W/24NE，層間夾泥，發(fā)育一組明顯的溶蝕裂隙，產(chǎn)狀為N10W/NE65，局部被方解石脈和泥質(zhì)物充填；突泥口發(fā)育在掌子面中上部，呈條帶狀，貫穿掌子

9、面上部并與發(fā)育在洞頂上部的裂隙相連，突泥口高約4m,頂部寬約為0.3m，并且越向下寬度逐漸增大，最寬距離達(dá)到約1.5m，突泥口被兩塊可見巖塊堵住，掌子面下部有1#和2#兩處明顯的出水口，水質(zhì)渾濁，攜帶有泥砂其他部位有滲水點，導(dǎo)致掌子面整體濕潤，掌子面素面圖見圖3,綜合以上特點，現(xiàn)場判別圍巖等級為W級。3.3地質(zhì)雷達(dá)探測及測線布置本次現(xiàn)場測試方法采用探地雷達(dá)電磁波反射法，采用設(shè)備為美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-3000GPR地質(zhì)雷達(dá),采用點測方法，主要采集參數(shù)為：100MHz屏蔽天線，發(fā)射頻率50kHz,每次掃描的采樣點數(shù)1024；時間窗口為500ns。根據(jù)掌子面地質(zhì)編錄和現(xiàn)場作業(yè)條件，在掌子面

10、下部布置1條測線，測線長3.2m，距離掌子面底2.0m，測試方向從左到右，測線位置見圖4。地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果分析根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)在隧道掌子面探測波形圖像(圖5)分析，測試范圍內(nèi)電磁波反射整體振幅分為3個區(qū)域，在掌子面前方26m(D9K55+222D9K55+248)內(nèi)變化如下：掌子面前方0m-2m(里程樁號D9K55+222-D9K55+224)該范圍內(nèi)能量圖能量分布較集中，能量較高，反射波振幅較強，頻率較高，同相軸連續(xù)，推測該范圍內(nèi)巖體較為破碎，為爆破影響所造成的松動區(qū)，不排除有小溶腔的可能；掌子面前方2m-20m(里程樁號D9K55+224-D9K55+242)該范圍內(nèi)反射波振幅較強，同相軸較連

11、續(xù)，存在強反射界面，略呈弧形彎曲，表明巖體內(nèi)部介電常數(shù)發(fā)生了變化，推測該范圍內(nèi)巖體較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，存在溶腔，并有充填物和巖溶水；掌子面前方20m-26m(里程樁號D9K55+242-D9K55+248)探測區(qū)大部分反射波振幅較小，相位穩(wěn)定，表明圍巖介電常數(shù)差異小，推測該范圍已出溶腔，進(jìn)入基巖，巖體相對較好；異常區(qū)綜合分析判斷見表1所示。DL9I1Z.BC190U4LU沾_2MLU塗社國K戻封E與堵皺卷.總9芟,馬勺姑逹紙.拒:刁誼走雪內(nèi)倉丘誠為建趣.拒辱愆定冃巧造衣的祀更-不琴庶電溶芒的可起；諄范國龍豈封伍拒請較奩司月霓較進(jìn)蛟，言注強更封貝更.孌呈瓷序?qū)Ｇ?，志羽窘遠(yuǎn)內(nèi)丑子皂常莢發(fā)生丁變

12、化.把斜逮袒宣龍巻啟婪尢丞戎-宅坯裂僚茨育，克在滂竺，斧有克填函和若溝水：挾詞昶大卻分黃射百舞走蛟卜.問佇兔圭.衣羽窮擔(dān)獷勻常蛍益導(dǎo)屮.拒門諄花亨已出落證.逹一九基吉.譽忙相對釵曲；圖5地質(zhì)雷達(dá)波形圖表1異常區(qū)域綜合分析表一序電程m二號一長”圍巖等級1測IX,推E亠和0較驟疆！臨較為的幅較胯振體溶波巖小射內(nèi)有反凋矇281在數(shù)隙存常裂M對加反略推偃超前鉆孔進(jìn)一步揭示溶腔為了進(jìn)一步驗證地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報溶腔存在的準(zhǔn)確性，從而及時采取有效措施，保證施工安全，結(jié)合現(xiàn)場掌子面情況和勘察需要，在里程D9K55+222掌子面上，共布置了9個鉆孔進(jìn)行鉆進(jìn)，方案布置見圖6。其中在1#孔鉆進(jìn)過程中突水發(fā)生以后，左上側(cè)突

13、水量明顯減?。?#孔鉆進(jìn)結(jié)束后，4#孔成為主要突水點，1#孔水量隨之減小，左上側(cè)出水基本停止；高程726.49平面的5、6#鉆孔內(nèi)未見出水現(xiàn)象；8#孔鉆進(jìn)結(jié)束，4#孔出水量明顯減?。?#孔被粘土堵?。?；鉆進(jìn)過程中主要在2#、5#、6#鉆孔中有明顯含泥現(xiàn)象，其中以5#、6#鉆孔夾泥、滲泥現(xiàn)象較為嚴(yán)重，所含填充物主要為灰褐色黏質(zhì)泥土，粘粒含量較高，在鉆孔沖洗液稀釋情況下呈可塑狀；8、9#孔鉆進(jìn)過程中伴隨有大量泥沙沖出，砂粒的磨圓較好。根據(jù)超前鉆孔探明情況，前方確實存在充泥溶腔，并在距離目前掌子面D9K55+222大約11.3m處出露，空腔的規(guī)模在隧道前進(jìn)方向上為1023m，呈現(xiàn)兩頭大中間小的特點，

14、且為不規(guī)則狀展布?？涨徊糠挚臻g被淤泥質(zhì)土充填，并呈上大下小的漏斗狀，規(guī)模為720m，其余空間賦存水體，證實之前地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)判的正確性。孔75752楷孔1#鉆孔3#鉆孔9#鉆孔8#鉆孔00,2.8m2平面（高程723.88）3殲面（高程720.59）00.751*平面（高程726.49）00.7500.640.8m00.641.5m1.8m圖6鉆孔布置平面圖圖7鉆爆開挖后掌子面坍塌開挖揭露對比待掌子面局部突泥和出水情況減緩后，鉆爆開挖至D9K55+234里程時發(fā)生了嚴(yán)重涌泥事故，掌子面坍塌嚴(yán)重，大量黃褐色泥質(zhì)從掌子面左上方一溶腔口涌出，將工作臺車部分掩埋，詳見圖6。由于之前地質(zhì)雷達(dá)推測D9K5

15、5+224D9K55+242段可能存在溶腔，并通過超前鉆孔證實了預(yù)判，因此施工單位提前作了超前支護(hù)等相關(guān)預(yù)防工作，人員和重要施工機械得以及時撤出，有效保證了施工安全，避免了較大的生命危險和經(jīng)濟損失。該工程實例表明在巖溶地區(qū)采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報是可行的。4、結(jié)論（1）地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于隧道超前預(yù)報過程中，可準(zhǔn)確探測到巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象，且具有高效率、高探測精度,、對施工干擾少、能夠直觀地反映異常形態(tài)等特點，能夠為隧道安全施工提供可靠的依據(jù)。（2）隧道地質(zhì)超前預(yù)報是地質(zhì)勘察工作的延續(xù)和補充。在使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報時，除了要采集高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和選擇合理的參數(shù)外，對于預(yù)報成果的解釋還必須要地勘資料、掌子面地質(zhì)資料有機結(jié)合起來進(jìn)行綜合分析，三者缺一不可。同時對預(yù)報成果的正確解釋，還需要大量的實際經(jīng)驗和豐富的地質(zhì)、物探知識。（3）隨著隧道工程的增加，可能遇到的復(fù)雜地質(zhì)條件的區(qū)域也越來越多，有時候僅僅使用單一的物探方法具有一定的局限性，應(yīng)結(jié)合隧道所處地質(zhì)條件和隧道工程特點，需要結(jié)合其他預(yù)報手段，例如TSP、超前地質(zhì)鉆孔和紅外探水。特別是對于一些空間發(fā)育范圍大、性質(zhì)比較均一的巖溶特征,，