基于地質雷達隧道超前地質預報及襯砌質量檢測研究

■林永旺

（福建省交設工程試驗檢測有限公司，福州 350000）

1 引言

隧道屬于地下隱蔽工程，施工現場的地質情況相對復雜，潛在不可預知的地質因素較多[1-2]。 若施工現場安全措施采取不當，會對隧道安全施工及支護結構帶來極大威脅， 直接影響隧道正常工期，嚴重時會造成人員安全事故，帶來巨大的經濟損失和惡劣的社會影響。 因此，有必要對隧道掌子面前方的地質隱患進行超前地質預報，提前了解隧道未施工段的地質構造，指導隧道安全施工[3]。 同時，隧道的主要受力部分為襯砌結構， 其施工質量的優劣，直接影響隧道運營期的安全使用，因此在隧道施工過程中對施工完成后的襯砌進行質量檢測也十分必要[4]。 地質雷達作為一種新型的地下探測無損檢測的新技術，具有檢測快速、高效、連續、無損、施工干擾性小等優勢[5-6]，可在隧道超前地質預報及襯砌質量檢測中發揮重要作用。

本文以福建某隧道工程為例，對具體里程的超前預報和部分地段的襯砌質量檢測的地質雷達數據進行處理，分析隧道超前地質預報時不良地質分布情況及襯砌施工過程中的質量缺陷， 指導現場安全施工，控制工程施工質量，為同類工程提供技術借鑒。

2 地質雷達工作原理及參數設置

2.1 地質雷達工作原理

地質雷達采用的是高頻電磁脈沖波的反射原理。 通過無線波脈沖源向地下介質發射高頻電磁波，當電磁波遇到介質分界面（如初襯和二襯的界面，初襯和圍巖的界面等）、介質電性（介電常數、磁導率、電導率）差異較大的界面或地下異常體（如不密實、脫空、空洞等）時，電磁波在阻抗界面將產生反射、透射和折射現象[7]。 發生反射的部分返回地面后由接收天線接收，并由采集系統以數字形式記錄下來，其工作原理如圖1 所示。

圖1 地質雷達工作原理圖

地質雷達接收從介質分界面反射回的電磁波，其能量大小由反射系數R 表示

式中，ε1、ε2分別為介質界面兩側的相對介電常數。反射系數R 的大小取決于介質界面兩側的相對介電常數差異，差異越大，在雷達圖像中信號反應越強烈，異常信號越易被識別。

地質雷達從發射電磁波開始到接收到反射波所用雙程走時t 的計算公式為[8]：

式中，H 為目標體深度；L 為接收天線與發射天線之間的水平距離；v 為電磁波在介質中的傳播速度。 通過雙程走時、接收天線與發射天線之間的距離及電磁波在介質中的傳播速度可反算出探測目標的深度H 和范圍，從而實現不良地質條件及襯砌病害的定位。

2.2 地質雷達參數設置

地質雷達在工程使用中，需根據探測物深度及分辨率情況選擇不同的天線頻率。 天線頻率越大，分辨率越高，但探測深度越淺；天線頻率越小，分辨率越低，但探測深度越大。

本文采用的地質雷達為美國GSSI 公司生產的SIR-30E 型。 超前地質預報檢測時由于掌子面不平整，需采用點測法進行數據采集；襯砌質量檢測時沿測線采用距離觸發法進行數據采集，具體地質雷達主要測試參數如表1 所示。

表1 地質雷達主要測試參數

3 工程實例分析

3.1 工程概況

福建某隧道工程位于福州市西片區，為中心城區規劃南北向骨架路網之一，主線車行隧道為雙向8 車道，場區未見有空洞、臨空面、采空區等不良地質作用。 受施工單位委托，對該隧道工程進行施工超前地質預報及施工中襯砌質量檢測，指導施工進度、確保施工質量。

3.2 雷達測線布置

隧道超前預報測線布置需注意以下2 點：

（1）探測方式通常為線性連續測量方式，對于異常位置或不便到達位置，可采用小范圍連續測量和點測相結合的方式進行；

（2）為了保障探測信號的準確性，排除電磁干擾的和偶發因素，同一測線通常需進行多次復測。

根據上述測線布置原則和隧道施工現場情況，本項目在待測掌子面距隧道底部約3 m 處布置1條“一”字型水平測線。 測探時采用點測，每次點測相距10 cm，并保持天線與掌子面緊貼。隧道超前地質預報掌子面雷達測線布置示意如圖2 所示，現場檢測如圖3 所示。

圖2 隧道超前地質預報掌子面雷達測線布置圖

圖3 隧道超前地質預報現場檢測圖

在襯砌質量檢測時，為了使檢測結果更全面地反應隧道的襯砌質量情況，沿隧道左邊墻、左拱腰、拱頂、 右拱腰及右邊墻縱向部位各布置1 條測線，共5 條測線，編號為CD1～CD5，隧道襯砌質量檢測測線橫斷面布置示意如圖4 所示。 在襯砌拱頂及拱腰檢測時，為滿足作業高度的要求，可采用檢測車或者搭設鋼管架平臺，現場檢測如圖5 所示。

圖4 隧道襯砌質量檢測測線橫斷面布置圖

圖5 隧道襯砌質量現場檢測圖

4 檢測數據分析

4.1 超前預報檢測數據分析

本項目在對超前地質預報檢測數據分析時，采用二維成像技術及三維成像技術相結合的形式，對其地質情況進行預測判定。

4.1.1 地質雷達二維波形圖

本文采用掌子面里程樁號為ZK124+842 處雷達數據來進行分析說明。 經處理后的地質雷達二維波形圖如圖6 所示。

圖6 掌子面ZK124+842 處地質雷達二維波形圖

（1）在掌子面前方構造深度0～18 m，該范圍內橢圓標記處電磁波信號以較均勻中低頻為主，同相軸較連續，波形頻率變化較有規律，初步推斷存在裂隙水； 矩形標記處電磁波信號為較均勻中低頻，同相軸連續，波形頻率高低變化快，初步推斷為軟弱泥質夾層。

（2）在掌子面前方構造深度18～30 m，該區域范圍矩形標記處電磁波信號以較均勻中低頻為主，同相軸較連續，波形頻率變化較有規律，初步推斷存在裂隙水， 其他區域內電磁波信號以中低頻為主，波形頻率高低變化快，同相軸較連續，初步推斷該范圍圍巖節理裂隙發育，層間結合差，巖體破碎。

4.1.2 地質雷達三維成像圖

從地質雷達二維波形圖分析結果表明，掌子面前方0～30 m 區段有裂隙水及圍巖節理裂隙發育，但無法對裂隙水及圍巖節理裂隙發育的規模及位置進行定位。 此時需采用三維成像技術對不同方向采集的地質雷達波信號進行處理，分析裂隙水及圍巖節理裂隙發育的頻響譜能強度，獲得被探測目標的地質雷達三維成像圖，并對不良地質情況規模及位置進行判定[9-12]。

本文以里程ZK124+942 斷面與隧道軸線交點為中心， 周邊圍巖40 m 范圍， 探測隧道左幅ZK124+942～ZK124+842 段（約100 m）空間區域，綜合探測結果如圖7 所示，從三維圖中可直觀地發現里程ZK124+882 為隧道圍巖巖性變化界面。測控區空間范圍ZK124+942～ZK124+882 段巖性單一，巖體較破碎，圍巖節理裂隙較發育，穩定性稍好，含水量相對較小， 呈弱含水狀；ZK124+882～ZK124+842段周邊圍巖40 m 范圍為富含水區， 相對于拱頂左側含水量較大，同時左右拱頂上方有較大規模的破碎松散區，左側位于掌子面ZK124+842 結構向外約10 m 范圍，沿隧道軸線交點左側長度約20 m；右側位于在掌子面ZK124+842 結構向外約40 m 范圍，沿隧道軸線交點右側長度約30 m。在該區域巖體破碎較嚴重，節理裂隙發育，圍巖完整性及穩定性差，開挖時易產生突泥涌水，如圖8 所示。

圖7 地質雷達三維成像探測綜合結果

圖8 隧道周邊圍巖破碎松散、富含水區分布探測結果

根據探測結果，建議施工采取“短開挖、強支護、勤量測、早封閉”的開挖原則，在開挖過程中應盡量減少對圍巖的擾動， 避免產生嚴重的拱頂掉塊，甚至坍塌等破壞現象。 施工工程中及時噴射混凝土封閉掌子面進行加固處理，現場應加強支護工作，施工時應注意防排水。

4.2 襯砌質量檢測數據分析

本項目襯砌檢測數據采用隧道地段ZK124+750～Zk124+770 CD1、CD2、CD3 測線處數據進行分析，來說明地質雷達在襯砌檢測中的應用。

由于層間脫空及厚度大空洞中常含有空氣，電磁波從襯砌界面到達空氣界面后再經過襯砌界面，造成介電常數相差較大，在兩個接觸面都會產生強反射信號，形成雙曲線波形，同相軸連續，同時在混凝土空洞含有較多的空氣，電磁波透過襯砌到達空氣層時會產生一條反射波，而電磁波在空氣中衰減較小， 因此電磁波在空洞中易產生多次較強的反射，形成三角狀或帶狀波形，同相軸呈弧形且與相鄰軸不連續，因此可判斷本項目隧道拱頂襯砌背后出現脫空， 隧道邊墻襯砌鋼拱架后存在的空洞異常，典型地質雷達圖如圖9～10 所示。

圖9 隧道拱頂襯砌背后脫空

圖10 隧道邊墻襯砌鋼拱架后存在的空洞異常

在襯砌施工中，由于隧道掌子面超挖、混凝土配合比不規范或振搗不均勻，均有可能導致襯砌不密實，不密實的混凝土中易產生細小空洞或蜂窩麻面，在該空間內常含有水和空氣，由于混凝土、水及空氣三者相對介電常數差異較大，電磁波穿過該類區域，便會產生規模較小的多組反射信號，且同相軸錯亂不連續，整體剖面信號較雜亂，因此可判斷隧道拱腰處襯砌層存在不密實異常，典型地質雷達圖如圖11 所示。

圖11 隧道拱腰處襯砌層存在不密實異常

5 結論

本文以福建某隧道工程為例， 對具體里程的超前預報和部分地段的襯砌質量檢測的地質雷達數據進行處理， 分析隧道超前地質預報時不良地質分布情況及襯砌施工過程中的質量缺陷， 研究結果表明：

（1）利用地質雷達進行隧道超前地質預報，可以快速、便捷地識別掌子面前方的巖溶空腔、斷層破碎帶、涌水、含水裂隙等不良地質體，提前預警，及時調整隧道開挖方案，結合預報情況動態調整圍巖等級，從而達到動態設計、動態施工的目的。

（2）利用地質雷達進行隧道襯砌質量檢測，可高效、連續、無損地識別襯砌不密實、背后出現空洞或脫空、襯砌中的鋼筋及鋼拱架，判定鋼筋間距及鋼拱架數量是否滿足設計要求，為檢測隧道襯砌的質量提供依據。