地質雷達探測法在富水軟巖隧道施工中的應用

楊 宇，趙利杰

（中國有色金屬工業第六冶金建設有限公司，河南 鄭州 450006）

某隧道是寧蒗至永勝高速公路中一座控制性隧道工程，左線起訖樁號為ZK86+115～ZK90+251，長4136m，最大埋深408.8m；右線起訖樁號為K86+147～K90+286，長4139m，隧道最大埋深：右幅391.5m。根據行業規定和實際情況的要求，在隧道開挖過中需提前采取地質雷達探測法對前方地質水文情況進行詳細探測，以指導隧道的開挖支護工作。

1 工程地質條件

隧址區位于區域F7（二道坪斷裂）及F5斷裂之間。F7（二道坪斷裂）：斷裂走向南北，傾向西，傾角30°～70°，長約25公里。南西盤逆沖，出露地層為上二疊統玄武巖組中段（P2β2）、下三疊統臘美組（T1l）泥巖、砂巖及中三疊統北衙組下段（T2b1）灰巖、泥質灰巖，下盤出露地層為下二疊統棲霞茅口組（P1q+m）灰巖、上二疊統玄武巖組中段（P2β2）角礫狀玄武巖、玄武巖，該斷裂屬壓性斷裂。F5斷裂：該斷裂走向340°，傾向西，上盤逆沖，上三疊統新安村組上段（T3x2）覆蓋于下第三系，寧蒗組一段（E2n1）之上，兩側巖石破碎，砂頁巖被揉碎、牽拽，沿斷裂局部有二長斑巖脈（ηπ61）分布，屬圧扭性斷裂。結合EH4物探資料解譯成果及以往地質資料綜合解析出三個低阻異常帶，分別為:異常1（K89+460～K89+970）、異常2（K87+300～K87+800）、異常3（K86+650 ～ K88+900），巖破碎，為軟弱帶，易形成儲水構造，隧道圍巖級別低。

2 地質雷達探測依據、內容

2.1 探測依據

①《公路隧道設計規范》JTG 3370.1-2018。②《公路隧道施工技術細則》JTG/T F60-2009。③《鐵路隧道超前地質預報技術規程》Q/CR 9217-2015。④《工程巖體分級標準》（GB/T 50218-2014）。⑤《公路工程地質勘察規范》（JTG C20-2011）。⑥《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010）。⑦隧道兩階段施工圖設計及相關規范文件等。

2.2 探測內容

（1）探測掌子面正前方隧道主體及臨近周邊地質情況、詳細分布的變化情況及地質災害體的性質、分布。

（2）超前地質預報范圍段的圍巖級別判定。

3 ZK87+360～+385段超前地質預報

前期物探資料顯示本段處于低阻異常帶3區段，巖破碎，為軟弱帶，易形成儲水構造，隧道圍巖級別低。根據進度要求、行業規定以及實際需要，本段處于低阻異常帶3的情況，在隧道開挖過中需提前采取地質雷達探測法對前方地質水文情況進行詳細探測，以指導隧道的開挖支護工作。

3.1 探測方法

地質探測預報選用SIR-3000型地質雷達、100MHz地質羅盤，100MHz天線，根據現場條件，布設AB、CD兩條測線，采用連續方式探測，得到兩條雷達反射剖面。采集參數為：采集方式為連續，每掃描采樣數為1024，采集時窗為500ns。采集方向如圖1所示。

圖1 數據采集方向示意圖

3.2 探測結果分析

3.2.1 隧道掌子面地質情況

掌子面圍巖為淺灰色、灰黑色中薄層狀泥巖，為軟巖，巖體弱風化，巖層產狀：286°∠42°；掌子面右側拱腳處地下水呈小股狀出水；巖體遇水易軟化、泥化；圍巖節理裂隙較發育、巖體破碎，裂隙面間有黑色泥質物填充，掌子面有少量掉塊現象，層間結合力較差；總體上圍巖完整性和自穩能力差；巖體呈裂隙塊狀、局部碎裂狀結構。

主要發育3組節理：J1:88°∠55°：4-5條/m，延伸2m～3m，節理面平直，微張；J2:215°∠60°：5-6條/m，延伸3m～4m，節理面平直，微張；J3:315°∠12°：5-6條/m，延伸3m～4m，節理面平直，微張；

根據交通運輸行業《公路隧道設計細則》（JTG/T D70-2010）中6.3條款關于圍巖分級規定，初步判定掌子面地質情況基本符合Ⅴ2級圍巖條件。掌子面地質素描示意圖見圖2。

圖2 K87+360掌子面地質素描圖

3.2.2 探測結果

對現場采集到的數據，通過雷達處理分析系統軟件進行處理，繪制出雷達探測深度剖面圖。根據地質雷達探測剖面圖像，從電磁波的反射振幅變化來看，掌子面前方0m～25m（ZK87+360～+385）段整體電磁波振幅變化較大，同相軸連續性較差，反射頻率變化較強，根據設計資料及現場出露地質情況并結合地質雷達反射波，推測該段圍巖與掌子面基本一致，為泥巖，節理裂隙較發育，巖體破碎，層間夾泥，富水。

3.2.3 結論評價

綜合掌子面地質情況和地質雷達探測分析結果，得到如下結論：

（1）推測掌子面前方0m～25m（ZK87+360～+385）段圍巖與掌子面基本一致，為泥巖，巖體弱風化，屬軟巖，圍巖節理裂隙較發育、巖體破碎、層間夾泥，裂隙面有明顯泥質物填充，開挖時掌子面會有大的掉塊、右側易出現小的坍塌，層間結合力差；總體上圍巖完整性和自穩能力差；巖體呈裂隙塊狀、局部呈碎裂狀結構，局部富水。

（2）ZK87+360～+385段，設計圍巖級別為Ⅴ2級，預報ZK87+360～+385段圍巖級別為Ⅴ2級。

4 ZK87+360～+385段隧道施工應對措施

根據地質雷達探測分析結論“本段巖級別為Ⅴ2級，總體上圍巖完整性和自穩能力差；巖體呈裂隙塊狀、局部呈碎裂狀結構，局部富水?！钡膶嶋H情況，本著特殊地質地段隧道施工以“管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測”為指導原則，指導隧道安全施工，避免發生地質災害，本段采取以下具體措施保障隧道施工安全生產。

4.1 超前水平鉆孔

超前水平鉆孔是預測開挖工作面前一定長度范圍內圍巖的工程地質和水文地質情況，對地勘報告和地質雷達探測情況進行再次驗證，并根據鉆渣、鉆孔過程中遇到的實際情況（有無卡鉆、鉆進速度）等及時采取應對措施，確保斷層破碎帶施工安全。鉆孔過程目測觀測直觀明了，能夠有效驗證超前地質預報結果是否準確，同時能夠直接探明含水地段圍巖地段的涌水壓力及其含水量。由于隧道水文地質情況比較復雜，超前水平鉆孔作為隧道開挖施工的一項重要工序，全程作為隧道開挖施工循環網絡中一道規定動作進行實現。超前水平鉆孔按隧道全長進行探測，具體實施時，按照在隧道拱頂、大跨距開挖輪廓線1.5m處，布置三個孔，利用潛孔鉆機進行鉆孔，孔深25m～30m，孔徑108mm，鉆進方向沿隧道輪廓傾斜。必要時進行掌子面前方主體巖體進行鉆孔取芯分析判別，鉆進過程中將鉆孔的詳細巖體、水文等情況記錄在超前鉆孔原始記錄表。根據超前水平鉆孔原始記錄綜合分析，其作用有三，一是探測前方有無水隱患，水的賦存狀態、分布專范圍、水質等；二是前方地層，巖性及其變化、厚度等；其三是跟蹤層位，為隧道施工提供有效依據等。

4.2 周邊小導管注漿施工

根據隧道施工專項方案、地勘報告、地質探測預報，洞壁圍巖出水形式等，制定施工階段具有快速決策性的處治原則，對滲滴水、線狀滲水和高壓集中突水針對性的分別采取超前周邊注漿、徑向注漿、定點注漿等不同方式或復合形式進行注漿處理。本段綜合設計圖紙、地質雷達探測結果及掌子面現狀的情況選用超前周邊小導管注漿。

圖3 超前小導管支護布置圖

4.2.1 鉆孔

小導管孔位定位和標注后，鉆孔的方向垂直于開挖掌子面，鉆進角度符合小導管外插角的設計角度。采用制式鑿巖臺車鉆進成孔。鉆進過程中必須時刻避免鉆桿擺動，保證孔位順直。鉆進設計成孔深度后，用高壓吹管將孔內碎碴吹出。

4.2.2 頂管

鉆孔內安裝鋼花管前，在鋼花管末端約30cm處，將麻絲纏繞在鋼花管管壁上呈錐型狀，并用膠帶或繩類物品纏緊。開動鉆機，利用鉆機的沖擊力將鋼花管頂推入圍巖中，鋼管頂進長度不小于設計管長90%。

4.2.3 固定

頂管至設計孔深后，將孔口用塑料膠泥將鋼花管與孔壁之間的縫隙封堵。孔口露出噴射混凝土面15cm，安裝鋼拱架后與拱架焊接在一起。

4.2.4 壓水

注漿管道連接完成后，進行常規壓水試驗并調試，檢查注漿管道及工作面是否有滲漏現象。

4.2.5 小導管注漿

（1）注漿設備選擇：超前小導管注漿采用TGBHG90/90型注漿泵。

（2）漿液的選擇：注漿漿液采用水泥漿液，水灰比1:1（重量比），施工前由試驗室試配并驗證，使用強度指標不低于42.5強度的水泥。

（3）注漿量：為了達到并良好的固結封閉效果，足夠漿液量的注入是重要保證，為確保注漿擴散到一定的有效范圍。注漿有效范圍按隧道開挖輪廓線外0.3～0.5m設計并且漿液在隧道巖層中均勻擴散。注漿壓力與隧道巖層裂隙的關系見圖4。

圖4 注漿壓力與巖層裂隙的關系圖

漿液單孔注入量Q和圍巖的孔隙率有關，根據擴散半徑及巖層的裂隙進行估算，其值為：

Q=ΠR2ηL(m3)

式中：R—漿液擴散半徑(m)；L—壓漿段長度(m)；η—巖層孔隙率，風化巖層取2%～3%，斷層破碎帶5%。

（4）注漿壓力：注漿壓力為0.5Mpa～1.0Mpa，施工現場試驗確定較合理的注漿參數。

4.3 鉆爆開挖施工

隧道施工采用三臺階七步法開挖的方法，隧道鉆爆開挖按新奧法原理組織施工，施工原則為“管超前、嚴注漿、短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測”的原則。

隧道實施開挖以減輕對圍巖的振動為原則，充分發揮隧道主體外圍的圍巖自承能力。采用線形微震爆破新技術和光面爆破技術進行爆破作業，根據施工過程中圍巖詳細情況，及時調整修正爆破參數，以達到最佳爆破效果，形成整齊順直的開挖斷面輪廓線。

4.3.1 測量

測量定位是控制鉆爆開挖輪廓準確與否至關重的的關鍵環節。每一爆破開挖循環都由測量技術人員在掌子面測量標注出開挖輪廓和炮孔位置，并在掌子面拱頂及兩側起拱線處設置三臺激光指向儀，以減少測量時間及保證隧道開挖輪廓線準確度。

4.3.2 鉆孔

爆破孔位鉆孔用風槍，并按以下要求鉆孔。

（1）按照爆破設計炮眼布置圖正確對孔和鉆進。

（2）掏槽眼比其它眼深20cm，對孔誤差不大于3cm，并保持平行。

（3）周邊眼位置在設計斷面輪廓線上，其環向誤差不大于5cm，眼底不超出開挖面輪廓線10cm，孔深誤差小于10cm。

（4）鉆眼完畢，按爆破設計炮眼布置圖進行檢查，有不符合要求的炮眼重新鉆孔，經檢查合格后進行裝藥。

4.3.3 裝藥

裝藥前必須先用高壓風槍將爆破孔內巖石粉碴吹凈，并用木質炮棍檢查爆破孔內是否有雜物影響裝炸藥，裝藥分片分組，嚴格按爆破設計參數表及爆破設計炮孔布置圖規定的單孔裝藥量。爆破網路連接、檢查及起爆，按照爆破設計要求執行。

4.3.4 堵塞

炮孔進口堵塞即可以有效提高炸藥能量利用率，也可以減少炸藥使用量和降低爆破振動有害效應。炸藥裝填后將炮孔進口進行堵塞，光面爆破孔孔口堵塞長度不小于20cm，掏槽孔不裝藥部分全堵滿，其余掘進孔堵塞長度大于抵抗線的80%。裝藥和堵塞工作按交通行業和爆破行業相關關安全規定執行，以確保爆破施工安全。

4.3.5 聯結起爆網路

為了保證起爆準確可靠，采用塑料導爆管傳爆雷管復式網路。爆破網路聯好后必須由持證專人檢查驗收，檢查結果合格后才可以實施起爆。

5 注意事項

（1）采用有效注漿方案，將大部分地下水盡可能封堵在圍巖外，少量水通過隧道排水設施排放，避免隧道洞內出現大量水而影響施工進展。

（2）隧道開挖時盡可能采用機械開挖，不宜采用爆破開挖，若必須采用爆破開挖時，堅持多打眼、少裝藥的弱爆破施工技術的原則，減小對隧道外圍巖體的擾動。

（3）小導管鉆孔前，按測定好鉆孔的范圍、平面位置。鉆孔由高孔位向低孔位進行。開鉆時應低速低壓。下管時按照編號分段施工。

（4）施工期間必須遵守交通行業和爆破行業相關關安全規定執行，加強監控量測，確保施工安全。

（5）地表量測與洞內各項量測應同步進行，以利于資料的分析。

6 結語

不同地質條件、水壓和涌水量等實際情況，可以采取徑向注漿、周邊帷幕注漿、全斷面帷幕注漿、超前管棚注漿等多種注漿堵水處理措施。實踐證明，本段在采用地質雷達探測的基礎上，綜合利用水平超前鉆孔、周邊小導管注漿施工及弱爆破等注漿堵水技術、參數和開挖方法解決軟巖隧道施工的防涌水與防塌方技術難題，同時初期支護結構施工也加強了洞體巖土結構實現快速掘進的效果，有效確保隧道施工安全。