潘偉華,吳 軍

（1.連云港市鐵路事業(yè)發(fā)展中心,江蘇 連云港 222000; 2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司連云港分公司,江蘇 連云港 222000）

0 引言

連云港北疏港高速公路北固山隧道屬于典型的復(fù)雜城區(qū)環(huán)境與工程地質(zhì)條件下的山嶺隧道，其所處的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件復(fù)雜，沿線巖性差異大[1]。由于受各類條件制約，勘察設(shè)計(jì)工作開展中很難明確隧道工程的實(shí)際地質(zhì)條件情況，這對(duì)后續(xù)隧道開挖工作的順利開展產(chǎn)生不良影響。稍有不慎就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害問題，比如突水災(zāi)害以及斷層破碎等，嚴(yán)重影響工作人員的人身安全。

通過隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)檢測(cè)工作，可以進(jìn)一步明確隧道開挖過程中地質(zhì)情況，并預(yù)見各類潛在危險(xiǎn)，及時(shí)調(diào)整優(yōu)化施工方式，在最大限度上降低各類地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率，防止產(chǎn)生工期延誤等問題。所以，在北固山隧道的施工建設(shè)階段，應(yīng)科學(xué)合理地引入地質(zhì)雷達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的超前預(yù)報(bào)以及跟蹤探測(cè)[2]。目前山嶺隧道施工過程中主要采用鉆爆法施工，爆破振動(dòng)對(duì)圍巖及隧道周邊建筑物具有較大影響，所以在北固山隧道建設(shè)過程中，進(jìn)行了大量的爆破振動(dòng)測(cè)試工作。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

在使用地質(zhì)雷達(dá)期間，應(yīng)當(dāng)將隧道的開挖工作作為主要內(nèi)容，隨著隧道的開挖來對(duì)掌子面進(jìn)深20 m左右的地段進(jìn)行地質(zhì)信息預(yù)報(bào)，主要目的是針對(duì)長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)當(dāng)中所得到的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息加以補(bǔ)充，并結(jié)合掌子面地質(zhì)素描，根據(jù)探測(cè)的地質(zhì)剖面圖，推斷掌子面進(jìn)深10～30 m圍巖具體狀況，繪制出地質(zhì)解釋圖，提出圍巖具體信息預(yù)報(bào)和施工建議。

1.1 探測(cè)儀器

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的探地雷達(dá)，X3M主機(jī)，配套100 MHz和250 MHz屏蔽天線。

1.2 探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)在本質(zhì)上與探空雷達(dá)技術(shù)基本一致，主要就是采用高頻電磁脈沖波，通過其所產(chǎn)生的反射來對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行全面探測(cè)。通過針對(duì)電磁波在地下各類介質(zhì)當(dāng)中的傳播規(guī)律，以及波場(chǎng)的主要特點(diǎn)展開分析，可以進(jìn)一步明確介質(zhì)的基本屬性以及結(jié)構(gòu)[3]。

地質(zhì)雷達(dá)主要就是通過地面當(dāng)中的發(fā)射天線，將高頻電磁波通過寬頻帶短脈沖的方式進(jìn)入到地下環(huán)境當(dāng)中，在經(jīng)過地下的各類目標(biāo)，以及不同電磁性質(zhì)的介質(zhì)反射過后傳送回地面當(dāng)中，然后被另一個(gè)接收天線進(jìn)行接收，而剩余的電磁能量可以在穿過界面過后繼續(xù)向下進(jìn)行傳播，且在較深的界面當(dāng)中進(jìn)行反射與折射，使得電磁能量完全被地下介質(zhì)所吸收，如圖1所示。

根據(jù)圖1，回波走時(shí)（電磁波行程所需時(shí)間）t為：

圖1 反射探測(cè)原理

式中，x——兩天線的間距；z——反射點(diǎn)A的法線深度；v——電磁波在地下介質(zhì)中的波速。

如果地下介質(zhì)的波速v已知，可以依據(jù)天線間距（已知值）x和雷達(dá)記錄的回波走時(shí)t，通過上面公式可求出反射體的實(shí)際埋深。反射體或目標(biāo)體的埋深及其變化是描述其空間分布最重要的參數(shù)之一，這些基本數(shù)據(jù)也是通過地質(zhì)雷達(dá)方法所獲得的。

雷達(dá)所記錄的回波走時(shí)t是從雷達(dá)剖面上讀取的。設(shè)發(fā)射天線T與接收天線R的中點(diǎn)為記錄點(diǎn)，則測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)的接收天線接收的反射波均記錄在各自記錄點(diǎn)的下方，從而形成雷達(dá)剖面。在雷達(dá)剖面上，橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位，縱坐標(biāo)為雙程走時(shí)，各點(diǎn)的反射均以波的形式被記錄下來。波形的正峰一般以黑色或灰色表示，負(fù)峰一般以白色或彩色表示。為此，同相軸、等色線或者等灰度能夠直觀呈現(xiàn)地下反射界面的深度變化與其形態(tài)。

1.3 探測(cè)方法

在工作面沿橫向和縱向分別布置2～4條測(cè)線。為保證探測(cè)效果，最好在探測(cè)線位置噴1.3 m寬的混凝土，以保證表面基本平整。

2 北固山隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析

2.1 實(shí)例一：ZK5+335

2.1.1 掌子面情況描述

通過對(duì)施工揭露的掌子面的觀察，左洞ZK5+335掌子面以殘坡積粉質(zhì)黏土為主，土質(zhì)松軟，偶出現(xiàn)塊狀?yuàn)A石，未出現(xiàn)巨塊狀石塊。ZK3+335掌子面照片如圖2所示。

圖2 連云港北固山隧道左洞ZK3+335掌子面照片

2.1.2 地質(zhì)雷達(dá)圖像分析

地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)探測(cè)測(cè)線布置如圖3所示。北固山隧道左洞進(jìn)口端掌子面（ZK3+335）進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)。掌子面前方6 m范圍內(nèi)，電磁波反射不明顯，表明此區(qū)段介質(zhì)較均勻。6 m處中間偏右出現(xiàn)一明顯反射面，說明介質(zhì)發(fā)生變化，疑似為塊狀圍巖或是一處脫空。整體范圍，左側(cè)反射波明顯，右側(cè)反射較少，表明左側(cè)出現(xiàn)巖石的可能性大。20 m范圍內(nèi)無明顯斷層或溶洞反應(yīng)，亦無大范圍低頻寬幅反射波存在，表明水的跡象不明顯。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)探測(cè)測(cè)線

2.1.3 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)結(jié)論

北固山隧道左洞進(jìn)口端掌子面ZK3+335往大里程方向20 m范圍內(nèi)以粉質(zhì)黏土為主，偶有塊狀或巨塊狀巖石，圍巖條件較差。左側(cè)反射波強(qiáng)烈，可能出現(xiàn)巖塊。斷層或溶洞出現(xiàn)及存在大量涌水的可能性小。

2.1.4 實(shí)際揭露的情況

通過對(duì)施工揭露的掌子面的觀察，左洞ZK5+341掌子面以殘坡積粉質(zhì)黏土為主，土質(zhì)松軟，偶出現(xiàn)塊狀?yuàn)A石，未出現(xiàn)巨塊狀巖石。掌子面表面濕潤(rùn)，無積水殘留。預(yù)測(cè)與結(jié)論基本一致。

2.2 實(shí)例二：YK5+514

2.2.1 掌子面情況描述

通過對(duì)施工揭露的掌子面的觀察，右洞YK5+514掌子面左右兩側(cè)以青灰色的較堅(jiān)硬變粒巖為主，巖質(zhì)堅(jiān)硬。右側(cè)發(fā)育一組陡傾節(jié)理，節(jié)理間距約0.5 m。中間偏左部分出現(xiàn)一處寬約2 m的破碎帶，并存在軟弱夾層。洞內(nèi)潮濕，拱頂成點(diǎn)滴狀滴水。YK5+514掌子面照片如圖4所示。

圖4 右洞YK5+514掌子面照片

2.2.2 地質(zhì)雷達(dá)圖像分析

北固山隧道右洞出口端掌子面（YK5+514）使用雷達(dá)探測(cè)。得知掌子面前方30 m范圍內(nèi)無明顯溶洞反應(yīng)，大范圍低頻寬幅反射帶亦不明顯。在前方3～7 m處分布一條同相軸連續(xù)的反射面，表明此處存在一條明顯裂隙。掌子面前方尤其是6～8 m，反射雜亂，仍存在破碎的跡象。

2.2.3 地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)結(jié)論

北固山隧道右洞出口端掌子面YK5+514往小里程方向30 m范圍內(nèi)存在溶洞的可能性小，含大量水的可能性亦不大。整體范圍內(nèi)存在裂隙發(fā)育，3～7 m存在一處較大的裂隙帶，已經(jīng)揭露的破碎帶將繼續(xù)發(fā)育。圍巖裂隙水發(fā)育，預(yù)計(jì)洞內(nèi)潮濕或點(diǎn)滴狀出水。

2.2.4 實(shí)際揭露情況

YK5+508處掌子面左右兩側(cè)以青灰色的較堅(jiān)硬變粒巖為主，巖質(zhì)堅(jiān)硬。右側(cè)發(fā)育一組陡傾節(jié)理，節(jié)理間距約0.5 m。中間偏左部分出現(xiàn)一處寬約2 m的破碎帶，并存在軟弱夾層。洞內(nèi)潮濕，拱頂成點(diǎn)滴狀滴水，此次預(yù)報(bào)與實(shí)際情況較吻合。

3 北固山隧道爆破振動(dòng)測(cè)試

3.1 爆破振動(dòng)測(cè)試工作安排原則

（1）根據(jù)北固山隧道爆破施工的進(jìn)展情況，進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試以及爆破振動(dòng)測(cè)試點(diǎn)的選擇。

（2）根據(jù)被保護(hù)建（構(gòu)）筑物離爆破掌子面的距離，進(jìn)行爆破振動(dòng)測(cè)試。具體情況安排如下：

1）當(dāng)被保護(hù)的建（構(gòu)）筑物離爆破掌子面的距離在50 m范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)行連續(xù)性的爆破振動(dòng)測(cè)試。

2）當(dāng)被保護(hù)的建（構(gòu)）筑物離爆破掌子面的距離在50～100 m范圍內(nèi)時(shí)，進(jìn)行連續(xù)性和間斷性相結(jié)合的爆破振動(dòng)測(cè)試；當(dāng)間斷性地進(jìn)行測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在超過規(guī)定的，則進(jìn)行連續(xù)性的測(cè)試。

3）當(dāng)被保護(hù)建（構(gòu)）筑物離爆破掌子面的距離在100 m范圍以外時(shí)，一般進(jìn)行隨機(jī)性的爆破振動(dòng)測(cè)試；當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在超過規(guī)定的時(shí)，則進(jìn)行連續(xù)性的爆破振動(dòng)測(cè)試。

（3）根據(jù)被保護(hù)建（構(gòu)）筑物重要性，進(jìn)行重點(diǎn)和非重點(diǎn)相結(jié)合的爆破振動(dòng)測(cè)試。

3.2 爆破測(cè)試實(shí)例分析

3.2.1 爆破振動(dòng)測(cè)試儀器

北固山隧道爆破振動(dòng)測(cè)試采用先進(jìn)的T4850 地震波測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試隧道的動(dòng)力響應(yīng)和對(duì)地表的影響，重點(diǎn)測(cè)試既有建筑附近地表、超淺埋段地表、穿越復(fù)雜地層的隧道內(nèi)部的爆破振動(dòng)。

3.2.2 實(shí)例：爆破樁號(hào)YK5+707

北固山隧道右洞K5+707于2012.9.12的11時(shí)23分進(jìn)行了爆破，為測(cè)試爆破的影響，采用T4850地震波測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。經(jīng)測(cè)試得到的爆破振動(dòng)波形圖如圖6所示。從圖中可以看出振動(dòng)最大時(shí)刻的位置相差較明顯，因此不太可能引發(fā)振動(dòng)疊加；波形較平穩(wěn)，說明頻率較小，且看不出明顯的分隔，因此需要加大雷管段數(shù)。將該次測(cè)試成果匯總成表格如表1所示。

表1 北疏港高速公路BSG-3標(biāo)段隧道爆破振動(dòng)測(cè)試表(YK5+707)

圖5 爆破振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置

圖6 爆破振動(dòng)波形圖

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)比得知，使用100 MHz天線，能夠針對(duì)掌子面前方30 m左右的地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，由于不同的地質(zhì)情況，雷達(dá)圖像方面可能相同或類似，這需要充分結(jié)合掌子面的地質(zhì)觀察，力求提升判斷的準(zhǔn)確性。

在探測(cè)工作的過程中，要針對(duì)采集完畢的雷達(dá)波形進(jìn)行初步的判斷。如果發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在著異常情況，可采用不同的探測(cè)方式對(duì)其展開重復(fù)探測(cè)。比如連續(xù)探測(cè)以及點(diǎn)測(cè)等，可以進(jìn)一步保證探測(cè)的準(zhǔn)確性。

除此之外，在實(shí)際隧道開挖工作的進(jìn)程中，掌子面時(shí)常存在不平整的情況，不僅不利于探測(cè)工作的順利開展，也會(huì)影響到最終探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。同時(shí)在探測(cè)階段也會(huì)有各種各樣的干擾因素，比如裝載機(jī)等機(jī)械設(shè)備。為此，如何正確識(shí)別干擾的內(nèi)容，并且得到正確的分析結(jié)果較為關(guān)鍵。

（2）通過對(duì)爆破振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，可知爆破振動(dòng)速度峰值基本符合規(guī)定，部分爆破振動(dòng)速度接近安全允許標(biāo)準(zhǔn)。為了保障隧道安全施工，可以采取合理的措施，如降低最大單段藥量、進(jìn)行非耦合或間隔裝藥、使用低爆速且低密度的炸藥及采用預(yù)裂爆破方式等，以降低爆破振動(dòng)速度。