地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

毛 星

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 概述

新建鐵路準(zhǔn)池線北起大準(zhǔn)鐵路外西溝站南至朔黃鐵路神池南站，線路通過(guò)區(qū)地層種類繁多，包括第四系沖洪積、洪風(fēng)積、殘坡積、坡洪積層，上第三系、白堊系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系及太古界地層，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)存在輕微的波狀褶皺和小斷裂構(gòu)造，地殼運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為升降運(yùn)動(dòng)。線路通過(guò)區(qū)遇到的主要工程地質(zhì)問(wèn)題包括斷裂、節(jié)理構(gòu)造、巖溶、特殊巖土和富水地層等，這些影響隧道施工安全的地質(zhì)問(wèn)題是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的重點(diǎn)，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)是預(yù)報(bào)這些地質(zhì)問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。

地質(zhì)雷達(dá)法是通過(guò)發(fā)射天線向地下連續(xù)發(fā)射脈沖式高頻電磁波，當(dāng)遇到有電性差異的界面或目標(biāo)體(介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同)時(shí)即發(fā)生反射波和透射波。接收天線接收反射波并經(jīng)電纜傳遞給主機(jī)，在主機(jī)顯示屏上形成實(shí)時(shí)的時(shí)間剖面。根據(jù)記錄到的反射波的到達(dá)時(shí)間和求得的電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，確定界面或目標(biāo)體的深度;同時(shí)根據(jù)反射波的形態(tài)、強(qiáng)弱及其變化等因素來(lái)判定目標(biāo)體的性質(zhì)［1］。

2 斷層破碎帶預(yù)報(bào)分析

鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作在對(duì)斷層進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，要求探明斷層的性質(zhì)、產(chǎn)狀、富水情況、在隧道中分布位置、斷層破碎帶的規(guī)模、物質(zhì)組成等，并分析其對(duì)隧道的危害程度［2］。準(zhǔn)池鐵路朔州隧道在地質(zhì)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)F1正斷層:在地表于DK134+178處與線路相斜交，該斷層走向近東西向，傾向350°，傾角60°～70°，破碎帶寬約55 m，斷層帶內(nèi)巖石劈理發(fā)育，斷層帶南側(cè)為一寬緩背斜，其北側(cè)為一寬緩向斜，據(jù)此判斷南盤(pán)上升，北盤(pán)下降，但斷層效應(yīng)顯示卻相反，表明該斷層具多期次活動(dòng)的跡象，屬先壓后張型斷裂。與線路大角度相交，對(duì)隧道工程有影響。根據(jù)斷層傾向和傾角以及與隧道的相對(duì)位置，地質(zhì)人員把隧道線路經(jīng)過(guò)斷層及其影響帶的范圍定位DK134+550～DK134+730，其中斷層范圍DK134+600～DK134+680定為Ⅴ級(jí)圍巖，斷層影響帶范圍DK134+550～DK134+600和DK134+680～DK134+730定為Ⅳ級(jí)圍巖。在斷層發(fā)育區(qū)進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)時(shí)，由于破碎帶內(nèi)的巖石的孔隙度和含水率比完整巖石大，這就造成破碎帶內(nèi)相對(duì)完整基巖的介電常數(shù)要大，使電磁波在穿過(guò)界面進(jìn)入破碎帶內(nèi)后其反射波能量增強(qiáng)、波形幅值增大，波形比較雜亂。在雷達(dá)坡面上的特征為:同相軸錯(cuò)斷，反射波能量增強(qiáng)，有時(shí)出現(xiàn)斷面波、繞射波［3］。

圖1為朔州隧道DK134+729～DK134+704測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)反射剖面，圖2為朔州隧道斷層破碎帶照片。可以看到0～18 m段(DK134+729～DK134+711段)雷達(dá)圖像反射波能量明顯增強(qiáng)，波形比較雜亂，推測(cè)進(jìn)入了斷層破碎帶的范圍。18～25 m段(DK134+711～DK134+704段)由于斷層破碎帶介電常數(shù)較高，造成雷達(dá)電磁波衰減較快，因此原本預(yù)留探測(cè)25 m的時(shí)窗，有效信號(hào)只能達(dá)到18 m，造成此段信號(hào)衰減嚴(yán)重。結(jié)合地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)素描成果，本段地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)結(jié)論為:DK134+729～DK134+704段，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)。圍巖為石灰?guī)r，受地質(zhì)構(gòu)造影響較重，泥質(zhì)充填，巖體破碎。拱部無(wú)支護(hù)時(shí)可能產(chǎn)生小坍塌;側(cè)壁基本穩(wěn)定，爆破振動(dòng)過(guò)大易塌，需加強(qiáng)支護(hù)。

圖1 朔州隧道斷層探測(cè)雷達(dá)剖面

圖2 朔州隧道斷層破碎帶現(xiàn)場(chǎng)照片

3 節(jié)理構(gòu)造預(yù)報(bào)分析

節(jié)理是巖體受理斷裂后，沒(méi)有發(fā)生顯著位移的小型斷裂構(gòu)造，節(jié)理在隧道施工中的主要危害體現(xiàn)為對(duì)巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性造成不利影響。節(jié)里構(gòu)造由于通常會(huì)有不均勻成分的填充物存在，它就與周邊圍巖形成了介電性質(zhì)的差異，這就有了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)節(jié)理構(gòu)造的地球物理基礎(chǔ)。節(jié)理構(gòu)造的雷達(dá)剖面特征為，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的界面反射波，同相軸的連續(xù)性反映了節(jié)理面是否平直、連續(xù)，波形雜亂或波幅變化大反映節(jié)理內(nèi)充填物的不均勻性［4-5］。地表的地質(zhì)調(diào)查工作很難發(fā)現(xiàn)隧道洞身會(huì)遇到的節(jié)理構(gòu)造，因此地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行節(jié)理構(gòu)造的預(yù)報(bào)時(shí)，很少有提前的地質(zhì)預(yù)判，必須充分的分析地質(zhì)雷達(dá)本身的探測(cè)成果，有時(shí)可結(jié)合地質(zhì)素描的趨勢(shì)分析。

圖3為朔州隧道DK132+232～DK132+202測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)反射剖面，圖4為朔州隧道節(jié)理構(gòu)造現(xiàn)場(chǎng)照片。可以看到0～15 m(即DK132+232～DK132+216)反射波能量不強(qiáng)，發(fā)射波形規(guī)則有序，判定為較完整基巖，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。16～18 m(即DK132+216～DK132+214)如圖中綠圈所示，反射波能量明顯增強(qiáng)，同相軸連續(xù)，推測(cè)為連續(xù)節(jié)理發(fā)育，均勻泥質(zhì)充填。節(jié)理構(gòu)造段落拱部無(wú)支護(hù)時(shí)，可能產(chǎn)生小坍塌;側(cè)壁基本穩(wěn)定，爆破振動(dòng)過(guò)大易塌，需加強(qiáng)支護(hù)。

圖3 朔州隧道節(jié)理探測(cè)雷達(dá)剖面

圖4 朔州隧道節(jié)理構(gòu)造現(xiàn)場(chǎng)照片

4 巖溶預(yù)報(bào)分析

巖溶是指可溶性巖石受水體以化學(xué)溶蝕為主、機(jī)械侵蝕和崩塌為輔的地質(zhì)應(yīng)力綜合作用，以及由此所產(chǎn)生的地質(zhì)現(xiàn)象的統(tǒng)稱。鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作在對(duì)巖溶進(jìn)行預(yù)報(bào)時(shí)，要求探明巖溶在隧道內(nèi)的分布位置，規(guī)模、填充情況及巖溶水的發(fā)育情況，分析其對(duì)隧道的危害程度［2］。對(duì)巖溶進(jìn)行雷達(dá)探測(cè)時(shí)，反射波波幅和反射波組將隨溶洞的形態(tài)的變化橫向上呈現(xiàn)出一定的變化，溶洞雷達(dá)圖像的特征變現(xiàn)為溶洞壁的強(qiáng)反射包圍著弱反射空間，即溶洞壁界面是強(qiáng)反射，且常伴有弧形繞射現(xiàn)象，溶洞內(nèi)的反射為弱反射，但當(dāng)溶洞中填充含水量較高的泥質(zhì)或者水時(shí)，局部雷達(dá)反射波可變強(qiáng)［6-7］。

圖5為朔州隧道DK131+000～DK130+970測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)反射剖面，圖6為朔州隧道巖溶(泥質(zhì)充填)現(xiàn)場(chǎng)照片。可以看到0～11 m(即 DK131+000～DK130+970)雷達(dá)反射波同相軸連續(xù)規(guī)則，未見(jiàn)波幅明顯增強(qiáng)，推測(cè)為較完整基巖。11～17 m(即DK130+989～DK130+983)由綠色線條圈住的范圍，雷達(dá)反射波同相軸發(fā)生明顯的弧度變化，且能量明顯增強(qiáng)，弧形反射波內(nèi)部也出現(xiàn)了強(qiáng)反射的區(qū)域，因此推測(cè)為溶洞，全充填，充填物為黏土，直徑為全斷面。在隧道施工經(jīng)過(guò)該段落時(shí)，側(cè)壁易失去穩(wěn)定，拱部易塌落，需加強(qiáng)支護(hù);17～30 m(即DK130+983～DK130+970)雷達(dá)反射波同相軸連續(xù)規(guī)則，未見(jiàn)波幅明顯增強(qiáng)，推測(cè)為較完整基巖。

圖5 朔州隧道巖溶探測(cè)雷達(dá)剖面

圖6 朔州隧道巖溶(泥質(zhì)充填)現(xiàn)場(chǎng)照片

5 富水地層預(yù)報(bào)分析

富水地層在隧道開(kāi)挖時(shí)可能產(chǎn)生涌水現(xiàn)象，對(duì)隧道施工安全影響較大。水的相對(duì)介電常數(shù)為81，當(dāng)巖體為富水地層時(shí)，其介電常數(shù)較大，這樣反射波表現(xiàn)為較強(qiáng)的正峰異常，同時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)反射，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生繞射、散射現(xiàn)象，導(dǎo)致波形雜亂，頻率成分從高頻想低頻劇變［8］。

圖7為殺虎口隧道X1DK0+205～X1DK0+175測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)反射剖面，圖8為殺虎口隧道富水地層現(xiàn)場(chǎng)照片。可以看到0～16 m(即 X1DK0+205～X1DK0+189)反射波能量明顯極強(qiáng)，并且頻率由高頻向低頻變化，推測(cè)為基巖含水量較高;16～30 m(即X1DK0+193～X1DK0+175)受到富水地層的影響，雷達(dá)反射波信號(hào)衰減嚴(yán)重，無(wú)法做出判識(shí)，因此該段有效探測(cè)距離為16 m。結(jié)合地質(zhì)素描的結(jié)論對(duì)有效探測(cè)區(qū)域的分析為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，基巖裂隙水賦存于砂巖之中，呈線狀涌出，從雷達(dá)剖面圖中可看出，反射強(qiáng)度較均勻，在探測(cè)范圍內(nèi)未有明顯變化，由于圍巖富水，在開(kāi)挖時(shí)易掉塊，需加強(qiáng)支護(hù)。圍巖級(jí)別推斷:X1DK0+205～X1DK0+189段為Ⅴ級(jí)。

圖7 殺虎口隧道富水地層探測(cè)雷達(dá)剖面

圖8 殺虎口隧道富水地層現(xiàn)場(chǎng)照片

6 結(jié)論

通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在準(zhǔn)池鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用情況，說(shuō)明地質(zhì)雷達(dá)對(duì)于隧道施工中經(jīng)常遇到的工程地質(zhì)問(wèn)題，斷層、節(jié)理構(gòu)造、巖溶和富水地層等具有良好的預(yù)報(bào)效果，使用該技術(shù)并結(jié)合地質(zhì)分析法和其他物探方法可以準(zhǔn)確的將不良地質(zhì)體的分布、規(guī)模進(jìn)行及時(shí)的預(yù)報(bào)，從而減少了工程事故的發(fā)生。其主要的優(yōu)勢(shì)在于，探測(cè)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、解決問(wèn)題多，它能夠?qū)崿F(xiàn)在不影響隧道施工進(jìn)度的情況下，提高隧道施工的安全系數(shù)。

［1］ 曾昭發(fā)等.探地雷達(dá)原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［2］ 中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵建設(shè)［2008］105號(hào) 鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)指南［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.

［3］ 巨浪，沙椿.地質(zhì)雷達(dá)在福堂水電站引水隧洞施工超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.水電站設(shè)計(jì)，2005(1).

［4］ 萬(wàn)千里.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)在大茅左隧道施工中的應(yīng)用［J］.公路，2002(12).

［5］ 葛增超，劉東升.土木工程中常見(jiàn)目標(biāo)體的地質(zhì)雷達(dá)圖譜特征［J］.后勤工程學(xué)院報(bào)，2005(2).

［6］ 鄧居智，莫撼，劉慶成.探地雷達(dá)在巖溶探測(cè)中的應(yīng)用［J］.物探與化探，2001(6).

［7］ 方建立，應(yīng)松，賈進(jìn).地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)巖溶，2006(2).

［8］ 武斌.三種電磁波在巖溶探測(cè)中的應(yīng)用［J］.工程勘察，2005(4).