大相嶺隧道左線K62+565.7～K62+535.7段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析研究

耿佳弟，趙艷華

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川成都610000;2.西南交通大學(xué)，四川成都610031)

1 工程概況及地理位置

1.1 工程概況

大相嶺隧道位于四川省雅安市滎經(jīng)縣和漢源縣交界處的大相嶺高中山區(qū)，左線K53+804 m～K63+750 m，長為9 946 m，進(jìn)口高程約為1 526.54 m，出口高程為1 540.41 m;右線YK53+773 m～YK63+780 m，長10 007 m，進(jìn)口高程約為1 525.88 m，出口高程約為1 540.21 m。采用人字坡穿越大相嶺嶺脊，進(jìn)口設(shè)計(jì)縱坡0.75%，出口設(shè)計(jì)縱坡－0.5%，左右線均于嶺脊分坡，左線為K58+650 m，右線為YK58+650 m。隧道穿越段最大埋深1 701 m，屬于深埋特長越嶺公路隧道，是雅瀘高速公路控制性工程。

圖1 大相嶺隧道地理位置

1.2 地理位置

隧道進(jìn)口位于滎經(jīng)縣凰儀鄉(xiāng)高橋河右岸斜坡，屬滎經(jīng)縣凰儀鄉(xiāng)，距滎經(jīng)縣城約40 km;出口位于漢源縣雙溪鄉(xiāng)，距漢源縣城約32 km，屬漢源縣九襄鎮(zhèn)。具體位置見圖1所示。

地理位置為東經(jīng) 102°37'56″～ 102°45'15″，北緯 29°31'13″～29°38'00″。108國道連接兩縣。進(jìn)、出口現(xiàn)有簡易機(jī)耕道相通，交通運(yùn)輸條件極為不便。

2 大相嶺隧道與本次探測區(qū)段地質(zhì)概況

2.1 隧道地質(zhì)概況

本次研究采用地質(zhì)雷達(dá)對大相嶺隧道左線出口K62+565.7掌子面做了隧道超前預(yù)報(bào)探測。根據(jù)現(xiàn)場施工情況，探測掌子面前方30 m范圍內(nèi)的地質(zhì)變化狀況。

2.1.1 地層巖性

隧道通過地層為:震旦系下統(tǒng)安山巖段(Zaa)、流紋巖段(Zaλ)、震旦系上統(tǒng)開建橋組(Zk)、震旦系上統(tǒng)燈影組(Zbdn)以及第四系地層。通過地層主要分為巖漿巖和沉積巖兩大類，前者可劃分為火山巖和侵入巖兩類，以火山巖分布最廣，是下震旦統(tǒng)的主要巖性;后者為碳酸巖類和火山碎屑巖類?；鹕饺蹘r和火山碎屑巖是隧道的主體巖性段，水?dāng)y式火山碎屑巖和碳酸鹽巖僅于隧道出口附近有少量分布。

2.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)所在的構(gòu)造單元為大相嶺北西向構(gòu)造帶，展布于區(qū)域中部，主要有金坪斷裂、保－凰斷裂和大相嶺背斜、宜東向斜組成，其中大相嶺背斜是近址區(qū)的控制性構(gòu)造。大相嶺背斜整體呈WN向展布，但其軸線具寬緩“S”形，總體走向N40°W，而近隧址區(qū)構(gòu)造帶的構(gòu)造線方向?yàn)镹10°W左右。

隧址區(qū)位于多個(gè)構(gòu)造體系應(yīng)力場的集中部位，其中進(jìn)口段受構(gòu)造集中應(yīng)力場影響更大。

2.1.3 主要不良地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害

(1)發(fā)育于白云巖、水?dāng)y式火山碎屑沉積巖、流紋巖類及安山巖中的斷層或破碎帶，整體呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)，開挖擾動后，側(cè)壁穩(wěn)定性差，頂部存在坍塌。

(2)斷層及其破碎帶形成的風(fēng)化槽地或沖溝，內(nèi)含溶蝕孔洞，不排除壓力水的存在，并伴有涌水、涌砂、突泥現(xiàn)象，易造成大～特大型隧道塌方。

(3)火山沉積巖、流紋巖類及安山巖的開挖有時(shí)會有高低溫差、巖爆現(xiàn)象的存在，相伴隨的巖體大變形極易給隧道施工安全、質(zhì)量造成威脅。

2.2 探測區(qū)段地質(zhì)地貌概況

本次探測預(yù)報(bào)區(qū)段為大相嶺隧道左線出口K62+565.7～K62+535.7，大約30 m左右。

2.2.1 地層巖性

區(qū)段遇到的圍巖巖性:深紅色中厚——薄層狀流紋巖，巖石較破碎，巖層產(chǎn)狀265°∠65°。

2.2.2 地質(zhì)構(gòu)造

該區(qū)段受F6斷層影響，產(chǎn)狀陡峭。

2.2.3 水文地質(zhì)條件

此段較干燥，偶見裂隙水。

3 探測方法、設(shè)備及原理

3.1 探測原理

地質(zhì)雷達(dá)(GPR)超前預(yù)報(bào)屬于隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的短期地質(zhì)情況預(yù)報(bào)，其工作原理與對空雷達(dá)在原理上十分相似，是基于地下介質(zhì)的電性差異，向地下發(fā)射高頻電磁波，并對地下介質(zhì)反射的電磁波進(jìn)行處理、分析、解釋的一項(xiàng)工程物探技術(shù)。其探測原理如圖2所示，其工作過程是:由置于掌子面的發(fā)射天線送入掌子面前方一高頻電磁脈沖波(主頻為數(shù)十兆赫茲至數(shù)百兆赫茲)，當(dāng)其在掌子面前方傳播過程中遇到不同的目標(biāo)體(巖石破碎帶、溶洞、斷層裂隙等)的電性界面時(shí)，就有部分電磁波能量被反射折向掌子面，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄，得到從發(fā)射經(jīng)反射界面回到接收天線的雙程走時(shí)t。當(dāng)被探測介質(zhì)的波速已知時(shí)，便可根據(jù)測到的精確t值求得目標(biāo)體的位置和埋深。這樣，可對各測點(diǎn)進(jìn)行快速連續(xù)地探測，并根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到地質(zhì)雷達(dá)剖面圖像。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測原理圖

3.2 探測儀器簡介

GPR隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括儀器主機(jī)、天線、電纜線和處理軟件四部分組成。

本次探測采用美國地球物理探測公司(GSSI)生產(chǎn)的SIR－20型主機(jī)及100 M天線。SIR－20型地質(zhì)雷達(dá)是世界上掃描速度最快，功能強(qiáng)大的雙通道探地雷達(dá)。

SIR－20主機(jī)擴(kuò)展性強(qiáng)，可以兼容所有低頻天線和高頻天線，進(jìn)行多種測量。

100兆天線為加強(qiáng)型單體屏蔽收發(fā)一體化天線，便于在隧道內(nèi)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。

探地雷達(dá)是目前隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探水的最主要手段。

3.3 測線布置

地質(zhì)雷達(dá)是一種無損的地球物理探測方法，簡便易用。根據(jù)現(xiàn)場工作面的檢測條件，本次檢測在K62+565.7掌子面上共布置了一條測線(如圖3)。測線左右均以面向掌子面方向?yàn)闇?zhǔn)。考慮到工作面的平整程度，在同一測線上來回檢測了兩次。

圖3 掌子面K62+565.7雷達(dá)測線位置

3.4 地質(zhì)雷達(dá)探測方法

地質(zhì)雷達(dá)探測是基于電磁波遇到不同反射界面其反射振幅和相位不同來判斷前方傳播介質(zhì)的變化。介質(zhì)介電常數(shù)的差異決定了電磁波反射的強(qiáng)弱程度和其相位的正負(fù)。巖性、構(gòu)造、風(fēng)化程度及其含水量的變化將影響其介電常數(shù)。

本次預(yù)報(bào)選用SIR－20型地質(zhì)雷達(dá)，100 MHz天線，沿測線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測點(diǎn)間距為8～10 cm。采集方式為點(diǎn)測，每掃描采樣數(shù)為512，采集時(shí)窗為500 ns，采用64次迭加。橫向測線1#長度為4.5 m，同時(shí)得到相應(yīng)的雷達(dá)反射剖面。

4 GPR探測成果

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)在隧道掌子面探測數(shù)據(jù)圖像(見圖4)分析，在掌子面前方30 m(K62+565.7—K62+535.7)內(nèi)變化如下:在測線中部電磁波反射發(fā)育，振幅強(qiáng)，推斷為風(fēng)化嚴(yán)重的流紋巖、較破碎;掌子面前方10 m左右裂隙發(fā)育嚴(yán)重;測線其余部分反射較為單一，表明巖性與掌子面一致，為稍有風(fēng)化的流紋巖。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)測試結(jié)果，并結(jié)合掌子面地質(zhì)情況分析，推斷掌子面前方30 m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況如圖5所示:標(biāo)記1所圈起的部分是強(qiáng)風(fēng)化流紋巖，較破碎，偶有裂隙水存在，其余部分為稍有風(fēng)化的流紋巖。

圖4 大相嶺隧道右線K62+565.7地質(zhì)雷達(dá)探測剖面

圖5 大相嶺隧道左線K62+565.7地質(zhì)橫剖面示意圖

5 結(jié)論及建議

5.1 結(jié)論

掌子面K62+565.7前方30 m范圍內(nèi)，位于F6斷層上盤，主要為稍有風(fēng)化的流紋巖及流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r，巖體較破碎，節(jié)理較發(fā)育，有裂隙水存在。依據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D－2004)初步推測(K62+565.7—K62+535.7)圍巖類別為Ⅱ—Ⅲ級偏弱。

5.2 建議

根據(jù)雷達(dá)探測結(jié)果，結(jié)合掌子面的地質(zhì)情況，建議建設(shè)單位在K62+565.7—K62+535.7掘進(jìn)過程中，開挖面不易過大，并控制好掘進(jìn)進(jìn)尺，進(jìn)尺1～2 m為宜。注意加強(qiáng)支護(hù)，宜采用超前小導(dǎo)管，鋼拱架掛網(wǎng)錨噴支護(hù)，嚴(yán)格控制超挖，做好防掉塊、防坍塌措施。K62+560.7－K62+550.7段節(jié)理發(fā)育明顯，掘進(jìn)時(shí)應(yīng)采取安全措施。

［1］JTG D－2004公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［2］白雪飛.大相嶺隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)［D］.西南交通大學(xué)，2009