RIS—K2型地質雷達在隧道超前地質預報中的應用

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

引言

隨著我國國民經濟和社會的高速發展，鐵路、公路、水利等關系到國計發生的基礎建設迎來了新的建設高潮。這其中大量鐵路和公路隧道工程建設實踐表明，由于受地質勘察精度、手段等諸多條件的限制，根據地質勘察資料作出的設計與實際不符的情況屢有發生，由此而來塌方、涌水、涌泥、涌砂、巖爆等災害時有發生，給施工造成極大的危害。這就對怎樣能夠解決加快隧道開挖、掘進的速度提出了新的課題，而掌子面前方地質環境、工程地質條件、水文地質條件等控制著掘進的速度，如何攻取掌子面前方的地質信息成為關鍵，隧道地質超前預報就是解決該難題的方法，通過對前方不良地質災害進行準確的超前預報，以便及時地修正開挖和支護設計方案，避免施工事故發生。貴州省德江到習水高速公路正安至習水段在建高速公路隧道群沿線地質情況復雜，隧道穿越碳酸巖、斷層破碎帶、結構面復雜及軟弱不穩定巖層，施工和運營存在較多安全隱患。因此，在施工期間，通過隧道地質超前預報，及時發現異常情況，預報掌子面前方不良地質體的位置、產狀及其圍巖結構的完整性與含水的可能性，從而為隧道施工單位優化施工方案提供依據，為預防隧道突水、突泥、塌方和落石等可能形成的災害性事故及時提供信息，使工程單位提前做好施工準備。

一、RIS—K2型地質雷達的原理及預報內容

(一)基本原理

地質雷達是采用電磁波探測地下介質分布和對不可見目標體或地下界面進行掃描，以確定其內部結構形態或位置的電磁技術。其工作原理為：電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發射天線發射，經目標體反射或透射，被接收天線所接收，如圖1所示。

圖1 雷達工作原理及基本組成

電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性中有電導率 μ 和介電常數 ε，前者主要影響電磁波的穿透深度，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，因此，所謂電性介面也就是電磁波傳播的速度介面。不同的地質體具有不同的電性，因此，在不同電性的地質體的分界面上，都會形成電性介面，雷達信號傳播到電性介面時產生反射信號返回地面，通過接收反射信號到達地面的時間和信號強弱就可以推測地下介質的分布及變化情況。

(二)預報內容

隧道地質超前預報主要是預報掌子面前方的不良地質狀況，它的內容包括以下幾個方面：不良地質預報及災害地質預報、水文地質預報、斷層及其破碎帶的預報以及圍巖類別及其穩定性的預報。

二、工程應用

(一)工程概況

該隧道為分離式長隧道，左右幅隧道進口段線間距約 36m、洞身段線間距約34m、出口段約26m。左幅隧道起終點樁號為 ZK56+730～ZK61+830，長度為5100m，最大埋深約978m；右幅隧道起終點樁號為YK56+770～YK61+840，長度5070m，最大埋深約 960m。

隧址區地質構造極其復雜，以北北向褶皺及斷裂組成級別構造格局。隧址區地層眾多，巖性多樣，組合復雜。上覆第四系土層分布零星，厚度不大，有碎屑地段的含碎石粉質粘土以及可容巖地段的粘土。

(二)現場情況

進口左幅 ZK56+842：掌子面揭露主要為灰黑色強～中風化粉砂質泥巖，巖質較軟；巖體節理裂隙發育，裂隙間巖石碎屑充填；巖體整體破碎；掌子面潮濕，拱頂局部存在點滴狀滲水；圍巖自穩能力差～較差，無支護時拱頂易發生掉塊、坍塌現象。

(三)雷達圖像的判釋解譯

探地雷達圖像的物性解譯是把注意力放在單個反射層或一個小的反射層組上，利用各種雷達技術提取探地雷達參數，并緊密結合地質、工程資料研究目標的物性。

知道上述探地雷達剖面上電磁波的標志以及雷達圖像物性解譯后，再根據波速、波長、頻率 三者之間的關系可知：當反射信號頻率一定時，隨地層介質波速增加，接收天線所接收到的反射波波長加大；反之，當地層介質的波速降低時，反射波的波長變小，一些特征反映在探地雷達記錄的剖面上，波速低的介質層其雷達反射波形的脈寬小，呈細密齒狀；當地層波速加大時，雷達反射波形的脈寬也相應加大。

根據以上原理及掌子面現場觀察情況綜合分析可得以上結論：

左幅ZK56+842掌子面前方預報區段巖性主要為強～中風化粉砂質泥巖，巖質較軟；節理裂隙發育，巖石碎屑充填；巖體整體破碎～較破碎，呈碎裂狀～塊碎狀結構；地下水較發育，開挖過程中可能出現點滴狀～淋雨狀滲水，且易受大氣降水補給影響較大；圍巖自穩能力差～較差，無支護時，拱頂易掉塊、小范圍坍塌。掌子面前方 4～22m 范圍內電磁波反射波形雜亂，整體振幅較高，能量團分布不均勻，同相軸連續較差，時斷時續。推測掌子面前方4～22m范圍內圍巖節理裂隙發育，完整性相對較差，巖體相對破碎，自穩能力差，揭露時易掉塊﹑坍塌。

三、結語

1.隧道超前地預報是隧道施工階段非常重要的一環，是對地質勘察工作的一種延續和補充，通過隧道超前地質預報可以為設計的變更提供有效且重要的數據資料，從而減少或避免重大安全事故的發生。

2.地質雷達是目目前前分辨率較高的一種工程地球物理方法，左工程質量檢測、場地勘察中廣泛采用，近年來也廣泛用于隧道超前地質預報的工作，且得到了很好的效果。地質雷達能發現掌子面前方地層的變化，對于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識別能力。在深埋隧道和富水地層以及溶洞發育地區，地質雷達是一個很好的預測手段。

3.地質雷達探測便捷、快速、精確度高且便于實施，便于在不同施工、建設階段使用，對復雜地質條件下的隧道，根據需要可進行隧道側壁的雷達掃描，排除安全隱患，提高施工效率，縮短施工周期，避免事故損失。