■林永旺

（福建省交設(shè)工程試驗檢測有限公司，福州 350000）

1 引言

隧道屬于地下隱蔽工程，施工現(xiàn)場的地質(zhì)情況相對復(fù)雜，潛在不可預(yù)知的地質(zhì)因素較多[1-2]。 若施工現(xiàn)場安全措施采取不當(dāng)，會對隧道安全施工及支護(hù)結(jié)構(gòu)帶來極大威脅， 直接影響隧道正常工期，嚴(yán)重時會造成人員安全事故，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會影響。 因此，有必要對隧道掌子面前方的地質(zhì)隱患進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報，提前了解隧道未施工段的地質(zhì)構(gòu)造，指導(dǎo)隧道安全施工[3]。 同時，隧道的主要受力部分為襯砌結(jié)構(gòu)， 其施工質(zhì)量的優(yōu)劣，直接影響隧道運(yùn)營期的安全使用，因此在隧道施工過程中對施工完成后的襯砌進(jìn)行質(zhì)量檢測也十分必要[4]。 地質(zhì)雷達(dá)作為一種新型的地下探測無損檢測的新技術(shù)，具有檢測快速、高效、連續(xù)、無損、施工干擾性小等優(yōu)勢[5-6]，可在隧道超前地質(zhì)預(yù)報及襯砌質(zhì)量檢測中發(fā)揮重要作用。

本文以福建某隧道工程為例，對具體里程的超前預(yù)報和部分地段的襯砌質(zhì)量檢測的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析隧道超前地質(zhì)預(yù)報時不良地質(zhì)分布情況及襯砌施工過程中的質(zhì)量缺陷， 指導(dǎo)現(xiàn)場安全施工，控制工程施工質(zhì)量，為同類工程提供技術(shù)借鑒。

2 地質(zhì)雷達(dá)工作原理及參數(shù)設(shè)置

2.1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)采用的是高頻電磁脈沖波的反射原理。 通過無線波脈沖源向地下介質(zhì)發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到介質(zhì)分界面（如初襯和二襯的界面，初襯和圍巖的界面等）、介質(zhì)電性（介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率）差異較大的界面或地下異常體（如不密實、脫空、空洞等）時，電磁波在阻抗界面將產(chǎn)生反射、透射和折射現(xiàn)象[7]。 發(fā)生反射的部分返回地面后由接收天線接收，并由采集系統(tǒng)以數(shù)字形式記錄下來，其工作原理如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖

地質(zhì)雷達(dá)接收從介質(zhì)分界面反射回的電磁波，其能量大小由反射系數(shù)R 表示

式中，ε1、ε2分別為介質(zhì)界面兩側(cè)的相對介電常數(shù)。反射系數(shù)R 的大小取決于介質(zhì)界面兩側(cè)的相對介電常數(shù)差異，差異越大，在雷達(dá)圖像中信號反應(yīng)越強(qiáng)烈，異常信號越易被識別。

地質(zhì)雷達(dá)從發(fā)射電磁波開始到接收到反射波所用雙程走時t 的計算公式為[8]：

式中，H 為目標(biāo)體深度；L 為接收天線與發(fā)射天線之間的水平距離；v 為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。 通過雙程走時、接收天線與發(fā)射天線之間的距離及電磁波在介質(zhì)中的傳播速度可反算出探測目標(biāo)的深度H 和范圍，從而實現(xiàn)不良地質(zhì)條件及襯砌病害的定位。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)設(shè)置

地質(zhì)雷達(dá)在工程使用中，需根據(jù)探測物深度及分辨率情況選擇不同的天線頻率。 天線頻率越大，分辨率越高，但探測深度越淺；天線頻率越小，分辨率越低，但探測深度越大。

本文采用的地質(zhì)雷達(dá)為美國GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-30E 型。 超前地質(zhì)預(yù)報檢測時由于掌子面不平整，需采用點(diǎn)測法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；襯砌質(zhì)量檢測時沿測線采用距離觸發(fā)法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，具體地質(zhì)雷達(dá)主要測試參數(shù)如表1 所示。

表1 地質(zhì)雷達(dá)主要測試參數(shù)

3 工程實例分析

3.1 工程概況

福建某隧道工程位于福州市西片區(qū)，為中心城區(qū)規(guī)劃南北向骨架路網(wǎng)之一，主線車行隧道為雙向8 車道，場區(qū)未見有空洞、臨空面、采空區(qū)等不良地質(zhì)作用。 受施工單位委托，對該隧道工程進(jìn)行施工超前地質(zhì)預(yù)報及施工中襯砌質(zhì)量檢測，指導(dǎo)施工進(jìn)度、確保施工質(zhì)量。

3.2 雷達(dá)測線布置

隧道超前預(yù)報測線布置需注意以下2 點(diǎn)：

（1）探測方式通常為線性連續(xù)測量方式，對于異常位置或不便到達(dá)位置，可采用小范圍連續(xù)測量和點(diǎn)測相結(jié)合的方式進(jìn)行；

（2）為了保障探測信號的準(zhǔn)確性，排除電磁干擾的和偶發(fā)因素，同一測線通常需進(jìn)行多次復(fù)測。

根據(jù)上述測線布置原則和隧道施工現(xiàn)場情況，本項目在待測掌子面距隧道底部約3 m 處布置1條“一”字型水平測線。 測探時采用點(diǎn)測，每次點(diǎn)測相距10 cm，并保持天線與掌子面緊貼。隧道超前地質(zhì)預(yù)報掌子面雷達(dá)測線布置示意如圖2 所示，現(xiàn)場檢測如圖3 所示。

圖2 隧道超前地質(zhì)預(yù)報掌子面雷達(dá)測線布置圖

圖3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報現(xiàn)場檢測圖

在襯砌質(zhì)量檢測時，為了使檢測結(jié)果更全面地反應(yīng)隧道的襯砌質(zhì)量情況，沿隧道左邊墻、左拱腰、拱頂、 右拱腰及右邊墻縱向部位各布置1 條測線，共5 條測線，編號為CD1～CD5，隧道襯砌質(zhì)量檢測測線橫斷面布置示意如圖4 所示。 在襯砌拱頂及拱腰檢測時，為滿足作業(yè)高度的要求，可采用檢測車或者搭設(shè)鋼管架平臺，現(xiàn)場檢測如圖5 所示。

圖4 隧道襯砌質(zhì)量檢測測線橫斷面布置圖

圖5 隧道襯砌質(zhì)量現(xiàn)場檢測圖

4 檢測數(shù)據(jù)分析

4.1 超前預(yù)報檢測數(shù)據(jù)分析

本項目在對超前地質(zhì)預(yù)報檢測數(shù)據(jù)分析時，采用二維成像技術(shù)及三維成像技術(shù)相結(jié)合的形式，對其地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)測判定。

4.1.1 地質(zhì)雷達(dá)二維波形圖

本文采用掌子面里程樁號為ZK124+842 處雷達(dá)數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析說明。 經(jīng)處理后的地質(zhì)雷達(dá)二維波形圖如圖6 所示。

圖6 掌子面ZK124+842 處地質(zhì)雷達(dá)二維波形圖

（1）在掌子面前方構(gòu)造深度0～18 m，該范圍內(nèi)橢圓標(biāo)記處電磁波信號以較均勻中低頻為主，同相軸較連續(xù)，波形頻率變化較有規(guī)律，初步推斷存在裂隙水； 矩形標(biāo)記處電磁波信號為較均勻中低頻，同相軸連續(xù)，波形頻率高低變化快，初步推斷為軟弱泥質(zhì)夾層。

（2）在掌子面前方構(gòu)造深度18～30 m，該區(qū)域范圍矩形標(biāo)記處電磁波信號以較均勻中低頻為主，同相軸較連續(xù)，波形頻率變化較有規(guī)律，初步推斷存在裂隙水， 其他區(qū)域內(nèi)電磁波信號以中低頻為主，波形頻率高低變化快，同相軸較連續(xù)，初步推斷該范圍圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，層間結(jié)合差，巖體破碎。

4.1.2 地質(zhì)雷達(dá)三維成像圖

從地質(zhì)雷達(dá)二維波形圖分析結(jié)果表明，掌子面前方0～30 m 區(qū)段有裂隙水及圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，但無法對裂隙水及圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育的規(guī)模及位置進(jìn)行定位。 此時需采用三維成像技術(shù)對不同方向采集的地質(zhì)雷達(dá)波信號進(jìn)行處理，分析裂隙水及圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育的頻響譜能強(qiáng)度，獲得被探測目標(biāo)的地質(zhì)雷達(dá)三維成像圖，并對不良地質(zhì)情況規(guī)模及位置進(jìn)行判定[9-12]。

本文以里程ZK124+942 斷面與隧道軸線交點(diǎn)為中心， 周邊圍巖40 m 范圍， 探測隧道左幅ZK124+942～ZK124+842 段（約100 m）空間區(qū)域，綜合探測結(jié)果如圖7 所示，從三維圖中可直觀地發(fā)現(xiàn)里程ZK124+882 為隧道圍巖巖性變化界面。測控區(qū)空間范圍ZK124+942～ZK124+882 段巖性單一，巖體較破碎，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，穩(wěn)定性稍好，含水量相對較小， 呈弱含水狀；ZK124+882～ZK124+842段周邊圍巖40 m 范圍為富含水區(qū)， 相對于拱頂左側(cè)含水量較大，同時左右拱頂上方有較大規(guī)模的破碎松散區(qū)，左側(cè)位于掌子面ZK124+842 結(jié)構(gòu)向外約10 m 范圍，沿隧道軸線交點(diǎn)左側(cè)長度約20 m；右側(cè)位于在掌子面ZK124+842 結(jié)構(gòu)向外約40 m 范圍，沿隧道軸線交點(diǎn)右側(cè)長度約30 m。在該區(qū)域巖體破碎較嚴(yán)重，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖完整性及穩(wěn)定性差，開挖時易產(chǎn)生突泥涌水，如圖8 所示。

圖7 地質(zhì)雷達(dá)三維成像探測綜合結(jié)果

圖8 隧道周邊圍巖破碎松散、富含水區(qū)分布探測結(jié)果

根據(jù)探測結(jié)果，建議施工采取“短開挖、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早封閉”的開挖原則，在開挖過程中應(yīng)盡量減少對圍巖的擾動， 避免產(chǎn)生嚴(yán)重的拱頂?shù)魤K，甚至坍塌等破壞現(xiàn)象。 施工工程中及時噴射混凝土封閉掌子面進(jìn)行加固處理，現(xiàn)場應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)工作，施工時應(yīng)注意防排水。

4.2 襯砌質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)分析

本項目襯砌檢測數(shù)據(jù)采用隧道地段ZK124+750～Zk124+770 CD1、CD2、CD3 測線處數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，來說明地質(zhì)雷達(dá)在襯砌檢測中的應(yīng)用。

由于層間脫空及厚度大空洞中常含有空氣，電磁波從襯砌界面到達(dá)空氣界面后再經(jīng)過襯砌界面，造成介電常數(shù)相差較大，在兩個接觸面都會產(chǎn)生強(qiáng)反射信號，形成雙曲線波形，同相軸連續(xù)，同時在混凝土空洞含有較多的空氣，電磁波透過襯砌到達(dá)空氣層時會產(chǎn)生一條反射波，而電磁波在空氣中衰減較小， 因此電磁波在空洞中易產(chǎn)生多次較強(qiáng)的反射，形成三角狀或帶狀波形，同相軸呈弧形且與相鄰軸不連續(xù)，因此可判斷本項目隧道拱頂襯砌背后出現(xiàn)脫空， 隧道邊墻襯砌鋼拱架后存在的空洞異常，典型地質(zhì)雷達(dá)圖如圖9～10 所示。

圖9 隧道拱頂襯砌背后脫空

圖10 隧道邊墻襯砌鋼拱架后存在的空洞異常

在襯砌施工中，由于隧道掌子面超挖、混凝土配合比不規(guī)范或振搗不均勻，均有可能導(dǎo)致襯砌不密實，不密實的混凝土中易產(chǎn)生細(xì)小空洞或蜂窩麻面，在該空間內(nèi)常含有水和空氣，由于混凝土、水及空氣三者相對介電常數(shù)差異較大，電磁波穿過該類區(qū)域，便會產(chǎn)生規(guī)模較小的多組反射信號，且同相軸錯亂不連續(xù)，整體剖面信號較雜亂，因此可判斷隧道拱腰處襯砌層存在不密實異常，典型地質(zhì)雷達(dá)圖如圖11 所示。

圖11 隧道拱腰處襯砌層存在不密實異常

5 結(jié)論

本文以福建某隧道工程為例， 對具體里程的超前預(yù)報和部分地段的襯砌質(zhì)量檢測的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 分析隧道超前地質(zhì)預(yù)報時不良地質(zhì)分布情況及襯砌施工過程中的質(zhì)量缺陷， 研究結(jié)果表明：

（1）利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報，可以快速、便捷地識別掌子面前方的巖溶空腔、斷層破碎帶、涌水、含水裂隙等不良地質(zhì)體，提前預(yù)警，及時調(diào)整隧道開挖方案，結(jié)合預(yù)報情況動態(tài)調(diào)整圍巖等級，從而達(dá)到動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工的目的。

（2）利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道襯砌質(zhì)量檢測，可高效、連續(xù)、無損地識別襯砌不密實、背后出現(xiàn)空洞或脫空、襯砌中的鋼筋及鋼拱架，判定鋼筋間距及鋼拱架數(shù)量是否滿足設(shè)計要求，為檢測隧道襯砌的質(zhì)量提供依據(jù)。