山嶺隧道圍巖分級超前預報新方法研究*

張云冬　王　浩　張國華

(中交天津港航勘察設計研究院有限公司1)　天津　300461)

(中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室2)　武漢　430071)

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山嶺隧道圍巖分級超前預報新方法研究*

張云冬1)王浩2)張國華2)

(中交天津港航勘察設計研究院有限公司1)天津300461)

(中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室2)武漢430071)

摘要：針對巖漿巖、變質巖等硬質巖地區的隧道，在無不良地質的情況下，由于結構面發育程度不同而導致圍巖實際級別與設計級別不一致的區段，提出了以掌子面的結構面線密度快速判斷掌子面圍巖級別，然后根據地質雷達探測結果對掌子面前方一定距離的圍巖級別進行定性與定量綜合判斷的方法．將上述方法應用于在建京臺高速公路的巖前隧道和八外洋2#隧道的8個受結構面發育程度控制的圍巖級別變更斷面的結果表明，上述方法對由于結構面發育程度不同而導致的圍巖級別變更預報有較高的可靠性，對后續的隧道施工具有較好的指導意義．

關鍵詞：地質調查 ；地質雷達；超前預報；圍巖分級

張云冬(1988- ) ：男，碩士，主要研究領域為隧道施工超前地質預報.

*國家自然科學基金項目資助(批準號：41172287，51139004)

0引言

隧道圍巖分級是隧道設計、施工的依據．由于地質環境復雜多變,勘察精度有限，地質不確定因素又很多,常常使得原設計的支護方案與施工現場實際需要的支護方案有一定的出入[1-2]．在施工階段,由于隧道開挖,各種地質問題暴露無遺,可獲得更多在設計階段不能獲得的地質資料．對于由不良地質如斷層破碎帶、節理裂隙密集帶等造成隧道圍巖級別變更是容易判斷的，但在不存在不良地質的情況下，尤其是巖漿巖及變質巖地區的長隧道，某些地段由于結構面的發育程度不同而導致圍巖實際級別比設計的好或差，因此需要根據掌子面信息及超前探測結果的分析，及時對掌子面前方一定距離的圍巖級別做出合理可靠的預報，以及時調整支護參數，從而滿足信息化施工的要求．

隧道各圍巖級別均有一定的結構面體密度差異，這種差異體現在掌子面上就是結構面有一定的間距特征，也即有一定的結構面線密度特征，體現在地質雷達上的定性特征是隨圍巖變差，波幅變化增大，同相軸連續性變差，波形錯段、分叉增多，同相軸數量增多；因此對地質雷達探測結果的解譯一方面通過對波形圖的波幅變化、同相軸連續性、波形的錯斷、分叉等現象進行定性判斷[3-7]，另一方面需要對一定范圍的同相軸數量進行統計，然后綜合以上兩方面信息對掌子面前方圍巖級別進行定性或定量的評價．

基于上述認識，對于硬質的巖漿巖和變質巖，在巖性基本不變時，超前地質預報可以根據掌子面結構面的線密度特征及地質雷達定性和定量的解譯對前方一定距離的圍巖級別做出較準確的判斷，為后續的施工及圍巖級別變更等提供指導依據．

1工程概況及場區結構面發育情況

京臺高速公路(南平段)的巖前隧道(左線ZK30+535～ZK37+330，共6 795 m；右線YK30+550～YK37+335，共6 785 m)，八外洋2#隧道(左線ZK29+735～ZK30+437，共702 m；YK29+700～YK30+400，共700 m)，均采用雙洞分離式隧道方案，按雙向4車道公路標準建設，兩個隧道的圍巖全部為變質巖中的云母石英片巖，屬堅硬巖．

隧址區地處閩西北隆起帶、閩東火山斷拗帶的次級構造單元松溪～建溪拗陷帶，北東向及北北東向構造發育，并且歷經多次構造運動及火山巖漿活動．地層產狀進口段270°∠22°，中間段300°∠25°，出口段18°∠25°．

結合前人工作成果及隧道20個掌子面的結構面實測統計結果可知，場區發育6組結構面，具體結構面走向玫瑰圖見圖1～2．

圖1　前人各走向結構面發育密度統計成果

圖2　實測結構面統計結果

由圖1、圖2可見，2張結構面統計結果圖有較好的對應關系，差別在于場區發育較好走向約為310°的一組結構面未在結構面密度走向玫瑰圖中反映出來，但其結構面發育情況在實測結果圖2中得到了很好反映，其發育密度從統計結果來看，應該是2～3條，因而在做超前預報時應注意此組結構面的影響．各組結構面的具體產狀如下: 168°(348°)∠90°，45°∠76°，196°(16°)∠82°，60°∠65°，256°(76°)∠75°，130°(310°)∠28°．

2圍巖分級預報方法

2.1掌子面圍巖快速分級

對于硬質的云母石英片巖，在地下水較少、風化微弱、圍巖級別主要受結構面發育程度控制時，參照各種圍巖分級方法[8]及文獻[9-10]中各級圍巖對結構面間距的劃分并結合現場對Ⅳ級圍巖的結構面線密度的統計分析(見圖3)，

圖3　Ⅳ級圍巖的線密度分布特征

可認為硬質的云母石英片巖的各級圍巖結構面線密度有如下特征，見表1．

表1　各級圍巖的結構面及完整性特征一覽表

在掌子面圍巖分級時，可以測線法得到掌子面巖體的結構面線密度，進而結合上表1劃分掌子面圍巖級別．

2.2各等級圍巖的地質雷達波譜響應特征

探測中所使用的地質雷達是美國GSSI公司產SIR-20地質雷達系統，數據采集使用的是100 MHz接地耦合天線，采用時間觸發的連續測量，每秒掃描100次；通過對場區前期的探測結果與開挖結果的對比表明，介電常數取6比較合適，從實際探測效果來看，波形疊加16 次的效果比較好，在不存在重大干擾的情況下，數據處理盡量采用相同或類似的方式．

2.2.1各級別圍巖的同相軸形態特征

由于根據掌子面圍巖的分級對掌子面前方5 m之內的圍巖級別預報[11]是比較準確的．因而，首先對地質雷達探測深度5 m內信號的特征，如同相軸連續性、波幅的變化、是否有分叉、錯段等不良特征進行分析，然后對5 m之外的信號進行同樣的分析，最后將5 m之內的信號特征與5 m之外的信號特征進行比較．圍巖向好或向差的判斷依據是：圍巖越差，波形連續性越差(同相軸越短)，波幅變化增大，波形分叉、錯段等現象越多．可根據5 m內外的同相軸形態特征大致判斷探測深度內的每一段圍巖相對掌子面的好壞．

2.2.2各級別圍巖的同相軸數量特征

在波形圖增益調整至同相軸清晰，又不出現同相軸互相重疊或稍有重疊的情況下，通過對場區前期的Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ級圍巖共119張地質雷達線掃描圖片的同相軸數量特征進行統計，統計方法如下：(1)統計窗口深度為20 m，寬度為50個掃描信號．(2)統計大于或等于連續4個掃描的可識別同相軸數量，(錯段的，分叉的，合并的各增加計數一次)．統計結果見表2.

表2　各級圍巖同相軸數量分布表

以上統計結果表明，隨圍巖變差，同相軸數量增多，其增多原因主要是由于波形連續性變差，錯段及分叉現象增多造成的，與定性分析結果是一致的．

3應用實例

巖前隧道和八外洋2#隧道圍巖均存在由于勘察階段對圍巖完整性評價不足或過度而導致的開挖與設計不符的情況，因而需要根據掌子面地質調查及地質雷達探測結果對圍巖等級進行合理、可靠的預報．

在掌子面上下布置2條各10 m的測線A1和A2，統計通過測線的結構面條數；隨后用地質雷沿測線A1和A2各掃描一次，對探測結果進行分析．

以下對8個典型圍巖變更斷面的掌子面圍巖級別及地質雷達圍巖級別預報的具體分析，綜合分析成果見表3.

4討論與分析

4.1預報結果與開挖結果的綜合對比分析

從以上綜合對比表中掌子面圍巖級別的劃分結果與最終的圍巖支護級別可看出，在云母石英片巖中，當地下水較少、圍巖風化微弱，圍巖分級受結構面的發育程度控制時,采用掌子面結構面的線密度指標可以對掌子面圍巖的級別做出合理、可靠的劃分．此方法是將各種隧道圍巖分級方法綜合靈活應用的典型，且取得了較好的效果．

從地質雷達探測結果的定性與定量預報與開挖之后圍巖的實際支護級別的對比可以看出，定性結果與開挖結果符合的很好，能反映前方圍巖相對掌子面圍巖向好或向差；依據統計窗口的同相軸數量對掌子面前方圍巖級別的劃分存在一定的偏差(如4、6號斷面)，出現此偏差的原因一方面可能是掌子面周圍鐵質物質如臺車及周圍電流產生的電磁波干擾有關，另一方面是結構面的走向與隧道走向小角度相交，接收到的反射信號較少，因此為提高探測結果的可靠性，一方面應盡量將臺車及電線等干擾源遠離掌子面，另一方面是在條件允許時，應多掃描幾條測線．

因此根據掌子面的地質信息及地質雷達探測結果的定性與定量解釋結果結合起來，更能對前方圍巖的級別給出合理且可靠性較高的評價．

4.2掌子面結構面發育情況對探測結果的影響

從以上第4和7斷面同相軸數量與開挖支護的圍巖的不符情況可看出：上述兩個斷面的共同特點是掌子面發育的均是走向為310°的結構面，而此組結構面從前面的統計結果來看在場區很發育，且在兩個斷面上的結構面走向與隧道軸線的夾角在兩個斷面處均小于30°．由于結構面與隧道軸線交角越小，同樣長度的結構面在掌子面上的投影就越短，而且在掌子面前方一定距離內出現的結構面可能也增多，因而地質雷達探測到的由結構面反射形成的同相軸會變短，同相軸數量也會變多，所以探測結果與實際有所偏離．因而當出現發育好的一組結構面與隧道軸線小角度相交這種情況時，對于前方圍巖級別的判斷還要結合5 m內外的波形變化、波幅特征等定性分析特征，才能做出合理且可靠的判斷．因而出現偏差的原因據此可以推測是由于結構面發育好且與隧道軸線小角度相交造成的．

4.3不足之處

掌子面圍巖快速分級及圍巖的地質雷達定性與定量級別預報適用性較好，但依據統計窗口的同相軸數量對圍巖進行分級，有一定的實用性；其不足之處主要是地質雷達連續測量時，反射面容易受天線移動速度的影響而被拉長或縮短，導致符合統計要求的同相軸的數量必然會受到一定的影響，所以同相軸數量的分析可以作為一個參考依據，需要結合定性分析的結果，才能對前方圍巖的級別給出合理且可靠的判斷．

5結論

1) 當硬質圍巖級別主要受結構面控制時，使用掌子面的結構面線密度指標并結合場區結構面發育情況統計結果能夠對掌子面圍巖級別進行合理、可靠的劃分，而且測量簡便、易行、速度快，少占用掌子面施工時間．因而在對掌子面圍巖進行劃分時，要抓住影響分級的關鍵因素，靈活運用各種圍巖分級方法．

表3　綜合成果對比表

2) 當使用地質雷達對掌子面前方圍巖的級別進行預報時，使用定性及定量相結合的方式并結合掌子面圍巖劃分結果，能夠對前方一定距離的圍巖級別給出比較可靠的預報，可以為隧道施工提供很好的指導依據．

3) 上述方法在變質巖區及巖漿巖區應該都有較好的適用性，對于沉積巖地層的適用性需要經過進一步的總結及驗證．

參 考 文 獻

[1]宋先海，顧漢明，肖柏勛.我國隧道地質超前預報技術述評[J].地球物理學進展，2006(2)：605-613.

[2]張慶松，李術才，孫克國，等.公路隧道超前地質預報應用現狀與技術分析[J].地下空間與工程學報，2008(4)：766-771.

[3]李大心.探地雷達方法與應用[M].北京：地質出版社，1994.

[4]任全.半定量分析在公路隧道地質雷達超前預報數據處理中的應用[J].交通標準化，2012(18):96-99.

[5]黃振，劉成宇.地質雷達波頻率與圍巖等級相關關系統計分析[J].隧道建設,2012(1)：61-65.

[6]張平松，劉盛東.地球物理勘探教程[M].淮南：安徽理工大學出版社,2007.

[7]王國斌，利奕年，楊文東.隧道地質超前預報綜合方法及應用研究[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2010,34(3):59-61.

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[10]中華人民共和國水利部.GB50218-94工程巖體分級標準[S].北京:中國計劃出版社,1995.

[11]劉志剛.隧道隧洞超前地質預報[M].北京：人民交通出版社,2011.

New Forecast Method of Surround

Rock Classification of Mountain Tunnel

ZHANG Yundong1)WANG Hao2)ZHANG Guohua2)

(CCCCTianjinPortandWaterwayProspectingandDesignResearchInstitute,

Tianjin300461，China)1)(StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,

InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430071，China)2)

Abstract：Aiming at igneous rock and metamorphic rock which is hard, when there is no disadvantageous geological phenomenon, because of the development of the structural surface level is different, so it may lead to the actual surround rock grade inconsistencies in the design grade in some sections. In these cases we can quickly determine the surrounding rock grade of heading face by the density of the structure surface. Then we can conjecture the grade of surrounding rock in front of the heading face according to the detection result of the geological radar and the information of the heading face. The application of the way in Yanqian and Bawaiyang 2# tunnel whose surrounding rock grade need to be changed because of the design is not agreed with the reality whose surrounding rock grade is controlled by structure surface, the ten application result indicate that the way is reliable in judging the surrounding rock grade of heading face and a certain distance ahead of it. It can provide important guidance for following construction.

Key words：geology survey； geological radar； ahead forecast of heading face； the grade of surrounding rock

收稿日期：2015-10-18

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.027

中圖法分類號：U456.3+3