李怡哲 王 威 謝逸超

(1.武漢工程大學(xué)郵電與信息工程學(xué)院 武漢 430073；2.武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 武漢 430074； 3.湖北省宜昌市夷陵區(qū)公路管理局 宜昌 443100)

隧道施工[1]過(guò)程中，由于掌子面前方圍巖地質(zhì)情況復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)遇到巖溶發(fā)育區(qū)、斷層破碎帶、地下水富集區(qū)及高應(yīng)力帶、大小偏壓區(qū)等不良地質(zhì)體，從而導(dǎo)致隧道塌方、巖爆、突泥突水等地質(zhì)災(zāi)害，在隧道工程建設(shè)初期，一般都會(huì)進(jìn)行工程地質(zhì)勘察，但受條件、技術(shù)及成本的限制，地質(zhì)勘察結(jié)果往往與實(shí)際情況存在一定偏差，因此，在隧道施工階段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)十分必要。

目前，針對(duì)地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究較多，胡先進(jìn)等[2]將典型地質(zhì)現(xiàn)象對(duì)應(yīng)的雷達(dá)圖像與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比分析，成果顯著，但其對(duì)于波形圖的振幅、頻率與不同地質(zhì)情況之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析不夠深入，如何通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)波形圖有效識(shí)別不同地質(zhì)現(xiàn)象方面仍有待完善。巫克霖等[3]運(yùn)用探地雷達(dá)對(duì)地質(zhì)復(fù)雜環(huán)境下富水區(qū)進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，因水與巖土體介電常數(shù)存在較大差異，水巖界面反射強(qiáng)烈，反射波異常明顯，對(duì)比了富水區(qū)和干燥區(qū)雷達(dá)波形圖的異同，對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中地下水的判斷有參考價(jià)值。

基于前人的研究基礎(chǔ)，本文對(duì)掌子面斜向節(jié)理發(fā)育區(qū)及富水帶2種不同地質(zhì)條件進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，分析比較雷達(dá)波形圖在2種不同地質(zhì)條件下的振幅頻率變化特征，對(duì)雷達(dá)波形圖進(jìn)行全面詳細(xì)地解譯，對(duì)Reflexw軟件進(jìn)行雷達(dá)波的后處理步驟進(jìn)行一定優(yōu)化，對(duì)數(shù)據(jù)采集方法及過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，最后對(duì)掌子面進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證，以進(jìn)一步證實(shí)在短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法的準(zhǔn)確性。

1 地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)原理

地質(zhì)雷達(dá)利用發(fā)射天線向介質(zhì)發(fā)射高頻電磁波(當(dāng)電磁波遇到電性差異界面時(shí)將發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，同時(shí)介質(zhì)對(duì)電磁波也會(huì)產(chǎn)生吸收、濾波和散射作用)，用接收天線接收反射波并做記錄，采用雷達(dá)信號(hào)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理，根據(jù)處理后的雷達(dá)圖像結(jié)合工程地質(zhì)及地球物理特征進(jìn)行推斷解釋?zhuān)瑢?duì)掌子面前方的工程地質(zhì)情況做出預(yù)測(cè)。探測(cè)原理如圖1所示。

圖1 探測(cè)原理圖

2 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)方法及步驟

2.1 準(zhǔn)備工作

進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)之前，首先要對(duì)探測(cè)場(chǎng)地進(jìn)行清理，確保隧道掌子面平整且周邊環(huán)境利于開(kāi)展探測(cè)，將地質(zhì)雷達(dá)安裝連接，調(diào)試?yán)走_(dá)功能是否正常。

2.2 測(cè)線布置

在確認(rèn)檢測(cè)環(huán)境良好且雷達(dá)功能正常后，應(yīng)對(duì)測(cè)線進(jìn)行布置，測(cè)線布置方式靈活多樣，原則是能有效探測(cè)隧道掌子面前方開(kāi)挖全斷面地質(zhì)情況，一般有“十”字形布置，即以拱頂為中心，橫、豎各布置1條測(cè)線，或采用“=”形布置，從左至右，從右至左各布置1條測(cè)線，在圍巖條件較差區(qū)域可對(duì)測(cè)線進(jìn)行適當(dāng)加密。

2.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集時(shí)，雷達(dá)信號(hào)觸發(fā)方式有3種[4]。

1) 測(cè)距輪觸發(fā)方式，要求掌子面光滑平整，測(cè)距輪可以正常的在掌子面上滾動(dòng)。

2) 時(shí)間觸發(fā)方式，雷達(dá)采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)按照相等的時(shí)間間隔自動(dòng)發(fā)出電磁波并采集反射信號(hào)。

3) 點(diǎn)觸發(fā)方式，用電腦鍵盤(pán)發(fā)送指令給雷達(dá)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每點(diǎn)擊鍵盤(pán)1次，發(fā)射1次電磁波，相應(yīng)地采集1次數(shù)據(jù)，然后將屏蔽天線按固定間距移動(dòng)一下，再點(diǎn)擊鍵盤(pán)采集下1組數(shù)據(jù)，適合掌子面凹凸不平的工作環(huán)境。

2.4 參數(shù)的選取

現(xiàn)場(chǎng)采用IDS公司RIS-K2型地質(zhì)雷達(dá)，主要參數(shù)為天線頻率80 MHz，點(diǎn)距0.10 m，采樣點(diǎn)數(shù)1 024，時(shí)窗600 ns，具體記錄時(shí)間、采樣頻率、疊加次數(shù)可根據(jù)隧道進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)初期進(jìn)行標(biāo)定。

2.5 數(shù)據(jù)后處理及解譯

雷達(dá)數(shù)據(jù)采集完成后，要對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理[5]，本文采用Reflexw軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，優(yōu)化后分6步進(jìn)行：①減平均值，去偏移信號(hào)；②靜校正；③去水平信號(hào)，背景去噪；④進(jìn)行增益；⑤帶通濾波；⑥去毛刺噪聲，取滑動(dòng)平均。

目前，地質(zhì)雷達(dá)的使用已經(jīng)較為普遍，為雷達(dá)圖像的解譯積累了一些經(jīng)驗(yàn)，但由于隧道內(nèi)工程地質(zhì)情況復(fù)雜，單一地從雷達(dá)波形角度對(duì)隧道圍巖進(jìn)行解譯并不是非常準(zhǔn)確，需要將雷達(dá)圖像解譯同現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)觀察及地勘資料相結(jié)合，才能提高解譯及預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。雷達(dá)圖像解譯主要是對(duì)后處理的波形圖進(jìn)行分析和解讀，主要的判斷參數(shù)有雷達(dá)波的波形、波速、振幅、頻率、相位變化情況，以及同相軸是否連續(xù)、電磁波能量吸收情況等。

2.6 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證

當(dāng)隧道開(kāi)挖到預(yù)報(bào)里程時(shí)，可以對(duì)雷達(dá)圖像的解譯進(jìn)行驗(yàn)證，將預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行對(duì)比，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)積累的過(guò)程。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

勐遠(yuǎn)3號(hào)隧道是小磨高速公路改擴(kuò)建工程的1座單洞隧道，所在路段為在既有公路右側(cè)擴(kuò)建，與既有公路基本平行，線間凈距離約70 m，既有公路與之鄰近的構(gòu)筑物主要為隧道。

勐遠(yuǎn)3號(hào)隧道區(qū)海拔高程介于799.51～967.98 m之間,相對(duì)高差168.47 m,屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌區(qū)，地形起伏較大。隧道區(qū)未見(jiàn)有地質(zhì)構(gòu)造的跡象。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及同類(lèi)相似工程經(jīng)驗(yàn)，隧道區(qū)第四系土劃分為中硬土類(lèi)型,覆蓋層厚度3～50 m,綜合判定隧道區(qū)場(chǎng)地類(lèi)別為II級(jí)。

根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告，擬建隧道區(qū)范圍內(nèi)主要地層為第四系坡殘積(Qdl+el)粉質(zhì)黏土，硬塑狀態(tài)。含少量強(qiáng)風(fēng)化砂巖碎石，切面粗糙，干強(qiáng)度較高，韌性一般，無(wú)搖振反應(yīng)。場(chǎng)區(qū)內(nèi)多被該層覆蓋。承載力基本容許值250 kPa。三迭系中統(tǒng)易比組巖層：①石英砂巖，褐黃、青灰色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造；②砂巖，褐黃、青灰色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，薄～中厚層狀構(gòu)造。該層分布于隧道區(qū)大部分地段；③泥巖，灰綠、灰黑色，主要有黏土礦物組成。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造。

3.2 數(shù)據(jù)采集及雷達(dá)分辨率影響因素分析

現(xiàn)場(chǎng)采用意大利IDS公司RIS-K2型地質(zhì)雷達(dá)，結(jié)合掌子面施工情況，由于掌子面凹凸不平且中間預(yù)留核心土開(kāi)挖，因此，采用點(diǎn)觸發(fā)式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，檢測(cè)天線頻率為80 MHz，點(diǎn)距0.10 m，采樣點(diǎn)數(shù)1 024，時(shí)窗600 ns，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工條件及探測(cè)要求，測(cè)線采用“=”形布置，見(jiàn)圖2。

圖2 測(cè)線布置圖

影響地質(zhì)雷達(dá)分辨率的主要因素有2方面：①介質(zhì)波速的大??；②雷達(dá)波頻率的選擇。因此，在對(duì)勐遠(yuǎn)3號(hào)隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)前應(yīng)進(jìn)行雷達(dá)的隧道標(biāo)定，即測(cè)定雷達(dá)波在該隧道中標(biāo)準(zhǔn)波速、頻率。

3.3 雷達(dá)波形圖分析解譯

選取勐遠(yuǎn)3號(hào)隧道幾個(gè)典型的斷面進(jìn)行研究分析，對(duì)采集的雷達(dá)圖像進(jìn)行解譯，其中勐遠(yuǎn)3號(hào)進(jìn)口K92+870掌子面，預(yù)測(cè)里程K92+870-K92+890。其雷達(dá)波形圖中反映的斜向?qū)永硖卣髅黠@，與實(shí)際開(kāi)挖吻合，雷達(dá)探測(cè)波形圖見(jiàn)圖3。

圖3 勐遠(yuǎn)3號(hào)進(jìn)口K92+870-K92+890段地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)波形圖

通過(guò)地質(zhì)觀察，勐遠(yuǎn)3號(hào)進(jìn)口K92+870掌子面，圍巖以灰白色、黃褐色砂巖為主，強(qiáng)～中風(fēng)化，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，呈碎石狀碎裂結(jié)構(gòu)，受構(gòu)造影響嚴(yán)重，層間結(jié)合差，巖體很破碎，地下水含量不豐富，掌子面呈干燥狀，未見(jiàn)明顯滴水、滲水現(xiàn)象，總體上，圍巖穩(wěn)定性較差，基本無(wú)自穩(wěn)能力。

由圖3可見(jiàn)，掌子面前方區(qū)域電磁波整體反射較強(qiáng)烈，掌子面前方時(shí)間深度30～90 ns(構(gòu)造深度2～5 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，電磁波反射信號(hào)較強(qiáng)烈，振幅頻率變化較大，同相軸較連續(xù)，初步推測(cè)此區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間填充質(zhì)潮濕，巖體較破碎，局部可能含碎石、塊石；在掌子面前方時(shí)間深度90～180 ns(構(gòu)造深度5～10 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，靠近左邊墻區(qū)域，雷達(dá)電磁波信號(hào)逐漸由高頻向低頻過(guò)渡，振幅由大至小，同相軸較連續(xù)，初步推測(cè)此區(qū)域左邊墻一側(cè)節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部含泥質(zhì)填充，中間及右側(cè)完整性較好；在掌子面前方時(shí)間深度180～310 ns(構(gòu)造深度10～17 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，電磁波整體反射較強(qiáng)烈，斜向?qū)永硖卣髅黠@，振幅變化較大，同相軸較連續(xù)～斷續(xù)，結(jié)合地質(zhì)情況，初步推測(cè)此區(qū)域巖層走向從左至右呈斜向下方向，巖體較破碎，層間結(jié)合差，局部裂隙有潮濕泥質(zhì)充填；在掌子面前方時(shí)間深度310～360 ns(構(gòu)造深度17～20 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，電磁波反射較弱，振幅頻率變化不大，初步推測(cè)此區(qū)域巖性與掌子面基本一致，圍巖相對(duì)較穩(wěn)定。

總體上，本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)范圍內(nèi)(K92+870-K92+890段)掌子面前方圍巖穩(wěn)定性較差，開(kāi)挖時(shí)側(cè)壁及拱頂易產(chǎn)生坍塌掉塊等現(xiàn)象，對(duì)施工安全不利，開(kāi)挖前應(yīng)對(duì)掌子面進(jìn)行超前支護(hù)，加強(qiáng)襯砌，特別注意當(dāng)遇到圍巖破碎區(qū)、地下水較豐富區(qū)域及巖層走向發(fā)生改變區(qū)域時(shí)，應(yīng)實(shí)施信息化動(dòng)態(tài)施工，采取小進(jìn)尺開(kāi)挖，防止圍巖失穩(wěn)坍塌等。

對(duì)于勐遠(yuǎn)3號(hào)進(jìn)口K92+950掌子面及K93+131掌子面，兩者因地下水存在顯著差異，將各自預(yù)測(cè)區(qū)段的雷達(dá)波形圖及單道波圖導(dǎo)出見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 K92+950

由圖4可見(jiàn)，在掌子面K92+950前方時(shí)間深度20～180 ns(構(gòu)造深度1.5～3 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，電磁波能量分布不均勻，局部衰減較快，振幅較寬，同相軸較連續(xù)～斷續(xù)，初步推測(cè)此區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間填充質(zhì)潮濕，地下水較豐富，局部存在點(diǎn)滴狀滲水等現(xiàn)象。在掌子面前方時(shí)間深度110～420 ns(構(gòu)造深度6～23 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，靠近右邊墻區(qū)域，縱向深度范圍電磁波反射強(qiáng)烈，振幅較高、較寬，能量衰減較快，從單道波可以看出電磁波高頻部分被吸收，以低頻成分為主。綜合判斷，推測(cè)K92+950掌子面前方區(qū)域?yàn)楦凰畮?，地下水豐富，節(jié)理裂隙發(fā)育，填充質(zhì)潮濕，圍巖穩(wěn)定性較差，開(kāi)挖后局部可能出現(xiàn)線流等現(xiàn)象。

由圖5可見(jiàn)，在掌子面K93+131前方時(shí)間深度50～160 ns(構(gòu)造深度3～7.2 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，中部偏右區(qū)域，局部電磁波存在小幅震蕩信號(hào)，同相軸不連續(xù)。從單道波可以看出，電磁波振幅較大，頻率較高，能量衰減有一定規(guī)律，衰減較慢。推測(cè)此區(qū)域巖體較完整，局部存在少量節(jié)理裂隙，地下水不豐富，圍巖較穩(wěn)定。

對(duì)比富水區(qū)電磁波雷達(dá)圖像與干燥區(qū)電磁波雷達(dá)圖像，發(fā)現(xiàn)兩者存在明顯差異，富水區(qū)能量團(tuán)分布不規(guī)律，能量衰減較快，且高頻信號(hào)被吸收，以低頻信號(hào)為主，振幅較高、較寬。干燥區(qū)能量按一定規(guī)律衰減，衰減較慢。電磁波振幅較大，頻率較高，波形均一，同相軸連續(xù)。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證

為了驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)在地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度，采用現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證法[6]，對(duì)于斜向?qū)永硖卣髅黠@的區(qū)段，選取對(duì)應(yīng)掌子面后方1個(gè)斷面進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于富水區(qū)斷面開(kāi)挖對(duì)比，以驗(yàn)證雷達(dá)圖像推測(cè)是否準(zhǔn)確。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖驗(yàn)證，可以看到K92+880斷面巖層走向呈明顯的傾斜式走向，圍巖呈片狀層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部含泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)偏硬，圍巖穩(wěn)定性較差，驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)在超前預(yù)報(bào)中對(duì)巖層走向及圍巖破碎情況預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際基本一致。

通過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證，可以明顯看出K92+953斷面地下水豐富，局部呈淋雨?duì)畹嗡?，圍巖潮濕，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性較差，開(kāi)挖時(shí)易產(chǎn)生坍塌掉塊等現(xiàn)象。驗(yàn)證了地質(zhì)雷達(dá)波形圖對(duì)圍巖的推測(cè)。

開(kāi)挖驗(yàn)證結(jié)果表明，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育情況、巖體破碎程度的預(yù)測(cè)與實(shí)際情況基本吻合，巖層走向預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況也基本一致，地下水豐富程度與預(yù)測(cè)基本相符，從而說(shuō)明了地質(zhì)雷達(dá)在短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中辨識(shí)度較強(qiáng)，精度較高，預(yù)報(bào)結(jié)果較準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 地質(zhì)雷達(dá)在進(jìn)行短距離(20～30 m)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中準(zhǔn)確率較高，能夠有效地探測(cè)隧道掌子面前方圍巖情況，通過(guò)對(duì)可能存在的不良地質(zhì)(如溶洞、巖層破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)、地下水富集區(qū)、巖性變化區(qū)等)的區(qū)域進(jìn)行超前預(yù)測(cè)，對(duì)隧道安全施工起到參考及保障作用。

2) 通過(guò)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)波形圖的解譯進(jìn)行深入研究，結(jié)果表明，在斜向節(jié)理發(fā)育區(qū)，電磁波整體反射強(qiáng)烈，斜向?qū)永硖卣髅黠@，振幅變化較大，同相軸較連續(xù)～斷續(xù)，在富水區(qū)，縱向深度范圍電磁波反射強(qiáng)烈，振幅較高、較寬，能量衰減較快，單道波可以看出電磁波高頻部分被吸收，以低頻成分為主。

3) 針對(duì)勐遠(yuǎn)3號(hào)隧道施工環(huán)境選擇了點(diǎn)測(cè)法，并布置了多條測(cè)線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。對(duì)數(shù)據(jù)的后處理步驟進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)合工程實(shí)際，對(duì)雷達(dá)圖像進(jìn)行解譯，積累了經(jīng)驗(yàn)。

4) 在勐遠(yuǎn)3號(hào)隧道施工過(guò)程中，全程跟進(jìn)、使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，取得了良好的效果，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出多處地質(zhì)不良段，有效地彌補(bǔ)了勘查時(shí)存在的不足及不準(zhǔn)確的情況，對(duì)隧道施工過(guò)程的安全性及經(jīng)濟(jì)性起到了重要作用。