李枝文

（中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 404100）

近年來，隨著國家不斷加大對基礎設施建設的投資力度，各類高速鐵路、高速公路大量興建，在勘察設計過程中，出現了大量的隱蔽工程，如隧道工程。前期的隧道線路地表勘察是隧道工程設計的重要依據，也是隧道現場施工的主要指導依據。但受到工程地質勘察時間、經濟、技術難度等多方面因素影響，通常會出現勘察設計與現場實際不符的情況，尤其以不可預見的地質情況居多。隧道在開挖過程中，特別是在地質條件復雜的地區(qū)，斷層破損帶、溶洞，甚至是地下暗河等不良地質經常出現，必須提前預測前方地質情況，否則很容易突發(fā)突水、涂泥等地質災害事故，給隧道安全施工帶來很大挑戰(zhàn)，直接影響隧道正常工期，嚴重時甚至會造成人員傷亡事故，帶來較大經濟損失和惡劣的社會影響[1]。因此，在隧道施工過程中持續(xù)跟蹤進行超前地質預報非常重要，也是規(guī)范的硬性要求。

隧道超前地質預報采用的方法較多，比較常用的有地震TSP預報法、地質雷達（GPR）法、紅外探水法、超前鉆探法等幾種[2]。每種探測方法都有各自的優(yōu)勢和不足，需結合現場地質條件及探測目的適時采用。地質雷達法具有探測效率高、對施工干擾小等方面的優(yōu)勢，但也存在完全精確預報和預報距離短的缺點。

1 地質雷達法工作原理

地質雷達(GPR)是通過研究儀器激發(fā)的高頻窄脈沖電磁波，頻率通常在106～109Hz，利用接收到的反射波形來判斷地下介質分布狀況的一種無損探測設備。利用該方法進行實地探測的重要理論依據就是，探測對象內部存在明顯的介電性差異，如各種不良地質體（空洞、破碎帶、充水溶洞等）與四周圍巖就存在明顯的物性差異，人工電磁波在傳播過程中遇到這些分界面會產生強烈的反射現象，對接受到反射波形進行相關分析，可以定性推斷探測前方不良地質體的空間位置、規(guī)模和埋深等有用信息[3-4]。地質雷達工作原理示意圖如圖1所示。

地質雷達工作時，其回波走時（電磁波行程所需時間）：

圖1 地質雷達工作原理示意圖

式中，x為收發(fā)間距；z為反射點的法線深度；v為電磁波在介質中的傳播波速。

電磁波在特定介質中的傳播速度v是不變的，根據電磁波在真空中的傳播速度c與相對介電常數ε來計算。

若地下介質為已知時，可依據天線間距x和雷達記錄的回波走時，根據式（1）得到反射體的埋深。

2 地質雷達探測實例

現場超前地質預報采用地質雷達方法。探測使用美國GSSI公司SIR-20型地質雷達，配備中心頻率100MHz天線。根據探測前方巖性特征及現場工作條件，探測距離可以達到30m左右。探測時參數設置如表1所示。

表1 地質預報時采樣參數設置

2.1 現場地質條件

隧道工程場地屬低山地貌，因下穿陽山森林公園，隧道段地勢起伏較大，局部還分布溝壑及洼地等。場地內分布的地層有人工填積層、第四系殘坡積層、三疊系上統(tǒng)須家河組和三疊系中統(tǒng)關嶺組。場地地下水的類型主要為上層滯水和基巖裂隙水及巖溶水。

本次探測時，陽山隧道進口北線掌子面里程為NK1+314.4。掌子面巖性主體為青灰色砂巖，層狀構造，巖層傾向西偏北，產狀為310°∠18°；圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部存在破碎層，掌子面頂部有掉塊現象，有少許滴水現象。

2.2 地質雷達測線布設

根據現場探測條件，在掌子面下部布置1條距底部高約1m的橫測線1，總長度約為16m，測線方向從面向掌子面左幫向右?guī)筒贾谩Ｍ瑫r，沿橫測線1的2m、8m、14m位置布置3條距底板高約2m的縱測線1、2、3。所有測線探測方向均垂直掌子面向隧道正前方探測。測線詳細布置情況如圖2所示。

圖2 掌子面測線布置示意圖

2.3 探測成果與分析

通過對現場探測的雷達數據資料進行處理得出雷達數據成果圖如圖3～圖5所示。其中，圖3、圖4為橫測線1的雷達探測圖像，圖5為縱測線1、2、3的雷達探測圖像。

由圖3～圖5可知，在探測范圍內，地質雷達反射波振幅能量局部衰減很快，推斷該段圍巖整體節(jié)理裂隙較發(fā)育，可能存在含水裂隙。在測線左起5～7m前方的4～13m，以及測線左起12～16m前方的4～10m，局部雷達反射波振幅能量不均勻，同相軸連續(xù)性較差，能量波動較大，存在異常區(qū)域。推測該位置圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、破碎，可能存在破碎裂隙或破碎夾層。

根據地質雷達探測成果并結合現場地質資料，可以推斷得到以下結論。

（1）掌子面前方30m范圍內，圍巖整體節(jié)理裂隙發(fā)育，可能存在含水裂隙。

（2）測線左起5～7m前方的4～13m（NK1+318.4～NK1+327.4）范圍內，測線左起12～16m前方的4～10m（NK1+318.4～NK1+324.4），可能存在破碎裂隙或破碎夾層。

（3）現場探測情況，目前開挖段圍巖完整性一般，掌子面局部存在破碎裂隙和破碎夾層，在頂部的破碎程度較嚴重，完整性差，在探測時掌子面有掉塊現象。因此，在掘進過程中要加以注意，開挖后要清除頂部破碎區(qū)碎石，防止掉塊和垮落造成塌方事故，并及時進行支護和錨噴封閉。同時，還要注意觀察掌子面水量變化，出現滲水異常時要立即上報，采取措施。

圖3 橫測線1地質雷達實測波譜圖（單位：m）

圖4 橫測線1地質雷達剖面wiggIe圖（單位：m）

圖5 縱測線1、2、3地質雷達實測波譜圖（單位：m）

針對上述探地雷達探測地段的地質情況及施工設計要求、相關技術規(guī)范的要求，建議開挖后及時按照設計要求采用鋼拱架進行支護，并錨噴封閉，以防止掉塊與塌方，確保施工安全。

3 結束語

在隧道超前地質預報中使用地質雷達，可以快速、便捷地推斷掌子面前方不良地質狀況，提前預警，為隧道安全施工提供可靠依據。

同時，對地質雷達達圖像的判讀不僅要關注雷達剖面圖上出現的信號異常情況，還要注意觀察掌子面施工現場直觀的地質情況，再結合相關地質知識進行綜合判斷，才能最終得到更準確的結果。

因為單一的物探方法給出的解釋結果存在一定的多解性，所以建議在物探異常區(qū)采用更直接的超前鉆探手段對物探結果進行驗證，進一步修正前方預測的地質情況。