莆炎高速公路蜈蚣山隧道地質雷達探測成果分析

魏 甦

(福建省交通建設工程試驗檢測有限公司，福州 350008)

莆炎高速公路三明段尤溪中仙至三元莘口段蜈蚣山隧道位于三明市大田縣廣平鎮境內，地質情況較為復雜，蜈蚣山隧道地質預報過程中發現的不良地質包括破碎帶、斷層、裂隙、涌水、溶洞，具有代表性。現將蜈蚣山隧道左洞施工期間的地質雷達超前預報結果結合地質調查情況，與隧道實際開挖地質情況進行對比分析。

1 工程概況

蜈蚣山隧道位于蘇橋村，為雙線小徑距隧道，右洞起止里程為K208+338～K208+895， 長557 m， 最大埋深115.6 m； 左洞起止里程為ZK208+331～ZK208+898，長567 m，最大埋深115.2 m，雙向六車道，隧道進口均采用削竹式洞門，出口均采用單壓式明洞門。

1.1 工程地質條件

根據現場調查和鉆探揭露， 隧址區地表分布第四系全新統坡殘積土層(Qdl+el)，下伏基巖為前震旦系建甌群麻源組(Pt3my)地層，隧址區構造相對穩定，無斷裂構造發育。 地表覆蓋層較厚，未見基巖出露，隧址區節理裂隙較發育，多為張開型，充填黏性土，巖體較破碎，基巖裂隙水主要賦存于強-中風化巖層中，受巖體結構、風化裂隙等控制，分布不均勻，主要呈脈狀分布，富水性中等，巖溶水主要賦存于隧道洞身灰巖透鏡體中， 主要賦存于溶蝕裂隙、溶洞中，分布不均勻，富水性中等。

1.2 工程地質調查

為了提高雷達測試的精度， 以及對雷達探測結果的準確分析，在隧道超前地質預報方案設計前，地質預報應先根據隧道的工程地質與水文地質條件、地形地貌、地質因素對隧道施工影響程度及誘發環境等問題， 觀察描述掌子面處圍巖巖性及結構、構造、強度或風化程度，處于地質構造的哪個部位，節理裂隙發育程度、滲漏水情況、圍巖完整性與穩定性等， 對測試剖面上的地質情況進行現場記錄， 并初步推測或判斷掌子面前方不良地質出現的可能性， 從而為接下來的超前地質預報提供基礎資料和依據，同時也為預報時調整所使用儀器及工作參數、工作方式提供依據。

2 地質雷達探測

隧道超前地質預報有多種方法， 例如鉆孔法、TSP法(地震波法)、瞬變電磁儀法、地質雷達法，其中地質雷達法是目前分辨率最高的地球物理方法，且易于操作，適用預報距離短，尤其對巖溶洞穴、含水帶和破碎帶的探測預報。

2.1 地質雷達探測原理

隧道地質雷達超前預報方法是利用電磁波在巖體介質中傳播過程中，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質(如介電常數εr)及幾何形態的變化差異， 根據接收到的回波旅行時間、 幅度和波形等信息， 來探測掌子面前方介質的地層結構與異常地質體的廣譜電磁波技術。

電磁波在物體或介質中的傳播速度v、走時t、與介質的相對介電常數εr是超前地質預報的3 個重要參數，參數之間有如下關系[1]：

式中：C 為電磁波在真空中的速度；H 為異常目標在圍巖中的埋深(通過雷達波形讀取)。

2.2 地質雷達探測方法

蜈蚣山隧道地質預報采用GSSI 公司生產的SIR-4000 地質雷達進行數據采集，配屬100 MHz 的屏蔽天線進行探測，確定軟弱圍巖、破碎帶、斷層、裂隙及溶洞、富水帶等異常地質體在洞身的分布。 根據探測的目的和需要在掌子面上布置雷達測線，可在掌子面上布置豎向、橫向測線，或者豎向、橫向組合測線。

相對介電常數(εr)的標定：為了準確判斷異常目標的埋深，預報前需要收集隧道詳細的地質信息，包括圍巖的巖性、完整性、風化程度及含水情況，并在已知厚度的目標體上標定相對介電常數。 表1 為不同介質的相對介電常數。

表1 不同介質的相對介電常數

2.3 地質雷達探測成果

2.3.1 破碎段雷達探測

本次地質預報探測在蜈蚣山隧道左洞掌子面上，里程為ZK208+487，圍巖為強-中風化灰巖，經過綜合測試，圍巖相對介電常數采用9，雷達探測時窗選擇選擇600 ns。

圖1～2 為本次超前地質探測的地質雷達記錄圖譜，根據雷達波形，K208+480 附近雷達波局部強反射， 振幅強，圍巖在該部位風化破碎，呈層狀、片狀、碎塊結構。 探測范圍內圍巖詳細情況如表2 所示。

經開挖證實，預報結果與實際圍巖地質情況接近，開挖至K208+480 附近圍巖破碎，局部出現層、片狀結構。

2.3.2 斷層、裂隙含水豐富段雷達探測

圖1 超前探測的地質雷達記錄(H1 雷達測線)

圖2 超前探測的地質雷達記錄(H2 雷達測線)

表2 預測范圍內探測成果詳細解釋

裂隙帶主要存在于斷層影響帶、 巖脈帶及軟弱夾層中，由于裂隙內有不同成分、不均勻的充填物，與周邊圍巖形成電性差異，當電磁波傳播到裂隙表面時，會產生較強的界面反射波，同相軸的連續性反映了裂面是否平直、連續；在穿越裂隙的過程中會產生繞射、散射、波形雜亂、波幅變化大。

水的相對介電常數較大，當巖體含水量較大時，介質的介電常數有較大的增大， 而電磁波在介質中的傳播速度則會降低，反射波表現較強的正峰異常，出現強反射，有時亦會內產生繞射、散射現象，導致波形紊亂，頻率成分由高頻向低頻劇變。

本次地質預報探測在蜈蚣山隧道左洞掌子面上，里程樁號為ZK208+735，該段落隧道圍巖為中風化灰巖，屬于巖溶發育段，含水豐富。 經過綜合測試，掌子面圍巖相對介電常數采用10，雷達探測時窗選擇選擇600 ns。

圖3 為本次超前地質探測的地質雷達記錄圖譜，根據雷達波形，在深度10 m 及20 m 處附近，雷達波反射較強，振幅強，綜合雷達波譜分析，圍巖在該部位斷層、裂隙發育，且斷層、裂隙內含水豐富。

圖3 ZK208+735 超前探測的地質雷達記錄

探測范圍內圍巖詳細情況如表3 所示。

表3 預測范圍內探測成果詳細解釋

經開挖證實，預報結果與實際圍巖地質情況接近，掌子面開挖至K208+715 附近出現斷層及裂隙，并出現涌水。

2.3.3 溶洞段雷達探測

溶洞與其周圍的介質存在著較明顯的物性差異，尤其是溶洞內的充填物與可溶性巖層之間存在的物性差異更明顯。這些充填物一般是碎石、土、水和空氣等，這些介質與可溶性巖層本身由于介電常數不同形成電性界面。

當有巖溶發育時， 反射波波幅和反射波組將隨溶洞形態的變化橫向上呈現出一定的變化。 溶洞雷達圖像的特征是被溶洞側壁的強反射所包圍的弱反射空間， 即界面反射是強反射，且常伴有弧形繞射現象；溶洞內的反射波則為弱反射：低幅、高頻、波型細密，但當溶洞中充填風化碎石或有水時，局部雷達反射波可變強。

本次地質預報探測在蜈蚣山隧道左洞掌子面上，里程為ZK208+678，圍巖主要為中風化灰巖，巖質較硬，節理裂隙發育，呈鑲嵌碎裂結構，含水豐富，巖溶中等發育。經過多次測試，掌子面圍巖相對介電常數采用12，雷達探測時窗選擇為660 ns。

圖4～5 為本次超前地質探測的地質雷達記錄圖譜(雷達測線采用2 條水平測線)。根據掌子面地質條件和雷達波譜分析： 地質雷達在本次探測的有效預報距離約為33 m，雷達記錄顯示掌子面(里程ZK208+678)前方及附近，里程樁號為ZK208+678～ZK208+645。

根據檢測圖像，ZK208+678～675 段雷達波同相軸連續，未見明顯反射，波幅弱，判定該段落為中風化灰巖，圍巖較完整。

圖4 ZK208+678 超前探測的地質雷達記錄(H1 雷達測線)

圖5 ZK208+678 超前探測的地質雷達記錄(H2 雷達測線)

ZK208+675～645 同相軸不連續， 反射能量分布不均勻，雷達波出現強反射，振幅強，綜合雷達波頻譜分析，結合掌子面的地質調查情況，初步判定該部位出現溶洞，且洞內積水；局部反射波雜亂，同相軸不連續，初步判定為破碎層或軟弱層填充。從掌子面邊緣的雷達波可以判定，溶洞斷面面積超出目前的開挖斷面， 溶洞實際的斷面及尺寸以實際開挖輪廓為準(圖6 為溶洞分布圖)。探測范圍內詳細情況見表4。

表4 預測范圍內探測成果詳細解釋

圖6 雷達探測溶洞示意圖

后經開挖證實， 對比分析預報結果與實際揭露圍巖地質情況，預報和實際地質情況基本吻合。

3 不良地段的施工和處治

針對圍巖局部破碎、斷層、裂隙發育且地下水豐富的不良地質段，根據軟弱圍巖強度、承載力低，自穩能力較差、洞身開挖后變形大的特點，洞身開挖前，采用超前小導管支護、注雙液漿或水泥漿等輔助工程措施，對軟弱圍巖進行預加固， 減少出水量。 施工過程注重檢查注漿效果。開挖方案采用利于快封閉成環的雙側壁工法，光爆法工藝，弱爆破以減少圍巖擾動，最大限度地利用圍巖自身承載作用。 支護結構施工過程加強施工工藝及工序的銜接時間控制，合理控制各工序的步長，及時施作鋼拱架、徑向錨桿和鎖腳錨桿(管)、噴射砼，做到快速形成穩定的環狀封閉結構，控制圍巖變形量，通過監控量測，適時確認圍巖及支護結構的穩定性。

溶洞處治根據施工開挖揭露的實際情況， 按動態設計、動態施工的原則進行處治，溶洞水以排為主，堵排結合，將溶洞水引入隧道排水溝。 當開挖遇到巖溶現象時，嚴格按溶洞處治動態施工程序進行處理， 掌子面開挖前首先排水釋壓，施作φ42×4 mm 超前小導管(或管棚)，長度5 m、間距30 cm 進行超前支護，開挖采用預裂爆破，雙側壁工法方案。注意鋼架基腳處適當擴挖，保證基礎牢靠， 施作鎖腳錨桿， 鋪鋼筋網， 施工時注意預埋DN100HDPE 透水管引出地下水，二次襯砌可根據溶洞發育情況，釆用鋼筋混凝土結構。

4 結語

隧道超前地質預報是一項高度專業化的工作， 隧道工程地質情況復雜多變，不同的地質構造差異往往很大，對地質雷達波形圖的解釋和識別具有明顯的多解性，經過對蜈蚣山隧道不良地質雷達超前探測預報的結果分析和比對， 我們發現將雷達探測結果和地質調查相結合能有效提高預報的準確度。

施工中通過超前探測手段及時發現地質異常情況，預報掌子面前方巖土不良地質的位置、 產狀及其圍巖結構的完整性與含水的可能性， 因此在施工過程中采用地質雷達進行準確的超前地質預報具有重要意義， 為完善設計地質資料、優化施工方案、指導施工決策和保證施工人員和設備的安全提供可靠的依據。