隧道施工期超前地質預報技術的應用

徐 凱

(廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420)

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隧道施工期超前地質預報技術的應用

徐 凱

(廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420)

結合佛祖坳隧道的工程實況，對隧道施工期進行了超前地質預報，介紹了超前地質預報的檢測設備及測試原理，并闡述了具體的檢測方案，旨在降低地質災害發生的幾率和危害程度，保障隧道施工安全。

隧道，超前地質預報，探地雷達，掌子面

0 引言

近十年來，隨著高速公路跨越式發展，隧道建設項目日益增多，相應隧道出現的問題也越來越多，有部分通車五年后就出現病害，甚至于部分隧道在交工驗收時，就已出現襯砌開裂漏水等現象。出現這些問題的原因是多種多樣，常見的質量問題主要是以下幾方面：

1)初期支護厚度不足；

2)初期支護背后空洞、回填不密實、與圍巖不密貼；

3)混凝土強度達不到設計要求；

4)鋼支撐間距，架設不符合規范要求等；

5)欠挖嚴重，使巖體侵入支護結構凈空，直接影響支護結構厚度；

6)二次襯砌厚度不符合設計要求；

7)二襯后脫空；

8)配筋不符合設計要求等質量問題。

如果不及時對其進行檢測發現和處理，將給隧道留下安全隱患，并且可能在施工過程中就會出現坍方事故，或在今后的營運中出現二襯開裂和漏水等情況，甚至于襯砌結構坍塌等，直接威脅營運安全。

正是基于此考慮，本文結合佛祖坳隧道工程具體情況，對隧道開挖過程中超前地質預報等進行深入的探討。

1 工程概況

佛祖坳隧道工程位于原惠深高速公路K22 km處左側，設計為上下行分離式單洞隧道，左線隧道起止樁號為ZK22+535～ZK23+565，全長1 030 m；該隧道進出口均采用端墻式洞門，隧道呈近南北向展布。

隧道經過區處低山丘陵，隧道區地形起伏大，地面植被發育。進口位于山谷坡地部位，坡面較陡峭，最大坡度40°～45°；出洞口位于一小山間小沖溝上，地勢低洼，洞口接洞身側為一近于直立的陡懸崖，沖溝常有地表水流淌。隧道區西側有近北西向的新圩斷裂經過，形成一狹長帶狀山谷，兩側巖石陡峭。受構造影響，區內巖石節理裂隙較發育，據調繪成果，巖層主要發育三組節理裂隙，其產狀為80°～120°∠65°～75°，175°～195°∠58°～70°，275°～320°∠60°～88°，裂隙傾角普遍較陡，傾角多為60°～80°。

據鉆孔揭露，隧道區地層覆蓋層主要為坡積粉質粘土，基底主要由侏羅系上統凝灰巖風化層組成。

為保障隧道施工安全，降低地質災害發生的幾率和危害程度，需要對隧道K22+679掌子面前方約0 m～30 m范圍內的圍巖情況進行地質超前預報。

2 檢測目的

1)進一步查清隧道左線ZK22+679掌子面前方約30 m范圍內的工程地質及水文地質條件，指導施工的順利進行；2)降低地質災害發生的幾率和危害程度，保障隧道施工的安全；3)為優化工程設計提供地質依據。

3 檢測設備及測試原理

本次地質超前預報工作使用世界領先的美國GSSI公司SIR-20型探地雷達，選用中心頻率為100 MHz的雷達天線對隧道掌子面前方圍巖狀況進行探測。

探地雷達系統主要由以下幾部分組成：

1)控制單元：控制單元是整個雷達系統的管理器，計算機(32位處理器)對如何測量給出詳細的指令。系統由控制單元控制著發射機和接收機，同時跟蹤當前的位置和時間。

2)發射機：發射機根據控制單元的指令，產生相應頻率的電信號并由發射天線將一定頻率的電信號轉換為電磁波信號向地下發射，其中電磁波信號主要能量集中于被研究的介質方向傳播。

3)接收機：接收機把接收天線接收到的電磁波信號轉換成電信號并以數字信息方式進行存貯。

4)電源、光纜、通訊電纜、觸發盒、測量輪等輔助元件。

探地雷達工作時，向圍巖介質發射一定強度的高頻電磁脈沖，高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式，通過發射天線被定向送入掌子面前方圍巖，由接收天線所接收。高頻電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性特性及幾何形態而變化。故通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定圍巖界面或地質體的空間位置及范圍。探地雷達檢測原理如圖1所示。

4 檢測方案

針對本次隧道的斷面形式及現場掌子面施工情況在兩個掌子面布置測線。現場檢測根據現場的條件用100 MHz的天線以點測或連續測量方式進行探測，通過雷達采集脈沖反射波，在數據處理后所得的探地雷達圖像剖面中，根據反射波組的波形與強度特征，通過對同相軸的追蹤，確定反射波組的含義，分析掌子面測線前方約30 m范圍內的地質情況。測線布置圖如圖2所示。由于隧道內檢測環境相對惡劣，掌子面不平整等原因造成雷達天線在檢測時脫離隧道掌子面，對雷達檢測產生一定的影響，探測結果難免存在一定的誤差。

5 探測結果

1)圍巖設計情況：根據隧道工程地質資料，佛祖坳隧道ZK22+679～ZK22+700段綜合圍巖級別為Ⅲ級，由中風化凝灰巖及微風化凝灰巖組成，巖石較完整，呈短柱狀，少量碎塊狀，強度較高。ZK22+700～ZK22+709段綜合圍巖級別為Ⅳ級，由中風化凝灰巖及微風化凝灰巖組成，巖石較完整，呈塊狀。

2)隧道掌子面圍巖情況：巖性由中風化凝灰巖及微風化凝灰巖組成，呈褐黃色和深灰色，凝灰質結構，巖石較完整，呈塊狀，巖面局部潮濕，未發現有明水。隧道掌子面情況如圖3所示。

3)地質雷達探測結果：通過對佛祖坳隧道ZK22+679掌子面的探地雷達數據的處理、分析，結合掌子面的地質情況推斷隧道掌子面前方的圍巖分布，以此對圍巖級別進行判別，掌子面前方地質預報雷達剖視圖如圖4～圖6所示。

從圖4可看出，掌子面前方0 m～15 m雷達波特征基本相同，波幅和相位變化不大，推斷該測線所在位置前方0 m～15 m范圍內圍巖特征與掌子面基本相似，圖像的局部反射波較為雜亂，振幅較大，可能因凝灰巖局部存在節理裂隙發育所致；掌子面前方15 m～20 m范圍內雷達波波幅和相位有一定的變化，尤其是斷面右幅，推斷該測線所在位置前方15 m～20 m范圍內圍巖較掌子面圍巖差，裂隙和節理較發育；掌子面前方20 m～30 m范圍內雷達波波幅和相位較掌子面前方20 m處變化不大，推斷該測線所在位置與掌子面前方20 m處的圍巖相似。

從圖5可看出，掌子面前方0 m～15 m雷達波特征基本相同，波幅和相位變化不大，推斷該測線所在位置前方0 m～15 m范圍內圍巖特征與掌子面基本相似，測線所在位置上斷面底部雷達波波幅和相位變化明顯(測線前方4 m后，推斷可能存在破碎帶或夾層，節理和裂隙發育)；掌子面前方15 m～20 m范圍內雷達波波幅和相位有一定的變化，推斷該測線所在位置前方15 m～20 m范圍內圍巖較掌子面圍巖差，裂隙和節理較發育；掌子面前方20 m～30 m范圍內雷達波波幅和相位較20 m處變化不大，推斷該測線所在位置與掌子面前方20 m處的圍巖相似。

從圖6可看出，雷達波特征基本相同，波幅和相位變化不大，推斷該測線所在位置前方0 m～30 m范圍內圍巖特征與掌子面基本相似。圖像的局部反射波較為雜亂，振幅較大，尤其在測線所在位置的隧道頂部向下4 m～6 m處，掌子面前方5 m后推斷前方可能存在破碎帶或夾層，節理和裂隙發育。

綜合上述掌子面的測線雷達圖像來看，建議對掌子面前方ZK22+679～ZK22+694范圍內圍巖級別與設計相同，為Ⅲ級；ZK22+694～ZK22+709范圍內圍巖較破碎，為Ⅳ級。

6 建議

通過對佛祖坳隧道ZK22+679掌子面實施超前地質預報工作，結合掌子面的地質情況，為保證隧道的順利實施，需在隧道施工過程中做好以下工作：

1)根據圍巖結構的變化及完整性與穩定性情況合理把握短開挖進尺。2)ZK22+694～ZK22+700段圍巖節理和裂隙發育，巖體條件變化，易塌方，建議按照Ⅳ級圍巖施工，其他段嚴格按照設計施工。3)掌子面前方4 m后可能存在一條較小的破碎帶或夾層，易發生落石甚至塌方，施工時應加以注意并做好支護工作。4)早支護，開挖后應及時對圍巖進行封閉，之后再進行下一個循環開挖，避免發生掉塊傷人或塌方事件；弱爆破，采用光面爆破技術，嚴格控制藥量，減少對圍巖的擾動。

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Application of advanced geological forecast technology in tunnel construction

Xu Kai

(GuangdongHualuTransportTechnologyCo.,Ltd，Guangzhou510420,China)

Combining with the engineering status of Fozu’ao Tunnel, the paper undertakes the advanced geological forecasting of the tunnel construction period, introduces the testing equipment and test principle for the advanced geological forecasting, and illustrates its test scheme, so as to lower the chances of the geological disasters and their hazardous levels, and ensure the safety of the tunnel projects.

tunnel, advanced geological forecasting, ground radar, tunnel face

1009-6825(2016)18-0163-03

2016-04-12

徐 凱(1986- )，男，工程師

U456.33

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