超前地質預報在隧道工程中的應用

駱明進 周廣文 劉水林

超前地質預報在隧道工程中的應用

駱明進 周廣文 劉水林

近年來，隨著隧道施工技術的不斷發展和完善，地質雷達技術在隧道工程應用領域發展迅速，特別是在超前地質預報和工程質量檢測工作中成為極其重要的角色。當前，地質雷達技術在工程檢測中具有顯著的應用效果，其前景也被許多專業人士所看好。然而，地質雷達雖然具有廣泛的用途和強大的功能，但是要想獲取準確的預報結果仍然是困擾工程技術人員的一大難題。在實際隧道工程施工實例中，在綜合各方面基本信息的基礎上，更應注重現場圍巖巖性區分、地質雷達參數設置和掃描圖像判讀等方面的深入探究。

超前地質預報地質雷達法是利用發射天線向前方介質發射廣譜、高頻電磁波，當電磁波遇到電性（介電常數、電導率）差異界面時將發生透射、折射和反射現象，同時介質對傳播的電磁波也會產生吸收濾波和散射作用。用接收天線接收并記錄來自前方的反射波，采用相應的處理軟件進行數據處理，然后根據處理后的數據圖像結合工程地質及地球物理特征進行推斷解釋，對前方的工程地質情況（圍巖性質、地質結構構造、圍巖完整性、地下水和溶洞等情況）進行預測。

一、工程實例

1.①號隧道工程地質概況

圍巖巖性為黃褐色含碎石粉質粘土，下伏強風化板巖，局部夾灰巖，呈松散狀或角礫狀鑲嵌結構；地下水以松散裂隙水和基巖裂隙水為主，圍巖基本質量指標BQ=199，基本質量指標修正值[BQ]=98，電阻率值200～500 Ω·m。

2. ②號隧道工程地質概況

測區位于云貴高原中部，屬構造侵蝕、溶蝕高中山地貌，地形波狀起伏，海拔在1800～3500m之間。周邊地形險峻，大雪山并聳立于金沙江兩岸，東南部有哈巴雪山、玉龍雪山，西部為怒山山脈，北部為梅里雪山。隧道區下伏基巖為二疊系虎跳峽澗區片理化玄武巖，可分為如下兩種：

（1）強風化玄武巖：呈灰綠色，致密狀構造，碎塊狀，裂隙發育，承載力基本容許值為680kPa，摩阻力標準值為200kPa。

（2）中風化玄武巖：灰綠色，致密構造，呈大塊狀。承載力基本容許值為1200kPa。

根據現場采集到的巖塊樣本（見下圖1、2、3），進行表面觀察，地質放大鏡詳細觀察，可得結果如表1所示：

表1 隧道掌子面巖樣特性

圖1 ①號隧道掌子面巖樣A

圖2 ①號隧道掌子面巖樣B

圖3 ②號隧道掌子面巖樣

①號隧道掌子面巖樣A長度約為5cm，由于呈灰黑色板狀構造，節理裂隙發育，巖體破碎且表面無明顯氣孔和礦物晶體，與稀鹽酸反應亦無明顯現象。結合相關地質知識，初步判定為泥質板巖。①號隧道掌子面巖樣B長度約為4cm，為深灰色塊狀構造，節理發育，巖體較破碎，與稀鹽酸反應劇烈且有大量氣泡產生，且巖樣表面用小刀能劃動，溶蝕面較為平整光滑，初步判定為以方解石為主要成分的石灰巖。②號隧道掌子面巖樣長度約為3cm，在外觀方面與①號隧道掌子面巖樣A較為相似，節理發育，巖體破碎，與稀鹽酸作用無明顯現象。但通過地質放大鏡觀察可知其表面存在少量氣孔及礦物晶體，結合地質相關知識可初步判定為二疊系玄武巖。

二、掌子面巖性定性評價分析

利用測井曲線形態特征和曲線值相對大小，結合從長期實踐過程中積累的劃分巖性的規律來定性劃分巖性。通過鉆井取石和巖屑的錄井資料等與測井資料做對比分析，可總結出測井資料劃分巖性的地區規律。因此，為了進一步確定所選取樣本巖性，根據已知的各種巖石部分測井特征范圍（表2），分別對三組巖樣進行測井試驗，通過操作成型組合的測井儀器，統計所得測井結果值，可得部分測井特征如下表3所示：

表2 各種巖石部分測井特征范圍

表3 隧道掌子面巖樣材料測井特性近似值

根據上表測井特征值結合不同巖樣測井特征標準（表2）對照來看，①號隧道掌子面巖樣A聲波時差與體積密度在泥質板巖的測井特征范圍內，且孔隙度和電阻率較低，可明顯區別于②號隧道掌子面巖樣，符合泥質板巖的推測；①號隧道掌子面巖樣B聲波時差與體積密度相對較小，孔隙度和電阻率與巖樣A相比顯著增大，對照表2可知，與推測的石灰巖測井特征相同；②號隧道掌子面巖樣聲波時差和體積密度相比前二者偏大，電阻率也相對較大，根據表2中的參考值，不難看出較為符合玄武巖的測井特征值。

三、地質雷達介電常數影響性分析

隧道施工掌子面超前地質預報的深度與介質的相對介電常數密不可分。相對介電常數表示介質與以真空為介質制形成的同尺寸電容器電容量之比。根據過往的文獻資料，可知：石灰巖相對介電常數為6～7（本工程選取的參考值為7），玄武巖相對介電常數約為4（本工程選取的參考值為4），板巖的相對介電常數為6～7.5（本工程選取的參考值為7）。由于介電常數的大小受許多因素的影響，不僅與巖性有關，而且跟巖體的含泥量、含水量也有密不可分的關系。本工程中所采集巖樣的含水量均較低，無法比較其影響程度，故在此不討論。測定泥質含量不同的巖石介電常數與含泥量的關系如下圖4所示：

圖4 含泥量與巖石相對介電常數的關系

從圖4中可以看出，對于同種巖性而言，含泥量的百分比越大，其相對介電常數值也越高。針對不同巖性，相對介電常數的變化規律呈現出一致性。

地下介質中電磁波波速v可根據近似的公式計算：

式中：c為光速；

式中：H為反射點的埋深；

v為電磁波在地下介質中的波速。

由（1.1）、（1.2）以上2式，可得：

結合本工程所選定的3種不同類別巖性的相對介電常數參考值，可分別計算出泥質板巖和石灰巖巖性區超前地質預報最大深度約為20m，而二疊系玄武巖巖性區超前地質預報最大深度約為25m。通過之前含泥量與巖石相對介電常數的關系分析，地下介質中電磁波波速減小，預報深度H值也隨之相應減小。施工現場實際所能預報的準確深度低于理論值，導致超出部分存在預報的誤差性和不確定性，在后續的開挖追蹤中，得到了有效可靠的實踐驗證。

5 結論

通過掌握某國家高速公路①號隧道和②號隧道掌子面地質情況，現場快速識別掌子面巖性，并結合相關測井試驗特征結果，在定性的基礎上，定量分析出不同隧道掌子面巖性。根據不同介質對應的相對介電常數的差異以及其影響因素，得出不同巖性區地質預報最大理論深度。根據含泥量與巖石相對介電常數的關系分析，確定出實際所能預報的準確深度低于理論值，導致超出部分存在預報的誤差性和不確定性。在本工程開挖追蹤中得到了有效可靠的實踐驗證，為后續的超前地質預報工作提供了理論依據與參考。

(作者單位：駱明進，湖北星晨工程技術有限公司；周廣文、劉水林，湖北城市建設職業技術學院)