地質(zhì)雷達(dá)在海螺峪隧道軟弱夾層發(fā)育段的應(yīng)用

黃 慶

(江西東通交通科技股份有限公司，江西 南昌 330013)

以濟(jì)南為中心的東南地區(qū)，山地丘陵石灰?guī)r裸露，降水量較大，地表溶蝕現(xiàn)象明顯，溶溝、溶槽、溶蝕裂隙普遍發(fā)育，地下巖溶裂隙發(fā)育良好，且連通性強(qiáng)，為軟弱夾層發(fā)育提供了良好的形成條件。而在隧道施工中，因軟弱夾層發(fā)育導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害會(huì)導(dǎo)致較大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)主要是為了預(yù)防隧道施工過(guò)程中可能遇到的地質(zhì)災(zāi)害而興起的一種勘探方法，常用的方法有地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、紅外探水法等，每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)與不足。

1 工程概況

海螺峪隧道屬于濟(jì)泰高速公路建設(shè)工程的關(guān)鍵部分，工程位于金象山東部紅葉谷生態(tài)區(qū)北部，呈南北走向，因穿過(guò)海螺峪北臺(tái)得名。隧道最大埋深為380 m，全長(zhǎng)5 850 m，V級(jí)圍巖占比達(dá)86%，場(chǎng)地屬于低山地貌，隧道段地勢(shì)起伏較大，地下水主要為上層滯水和基巖裂隙水，未發(fā)現(xiàn)明顯暗河。

2 地質(zhì)雷達(dá)基本原理

應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行實(shí)地探測(cè)預(yù)報(bào)之前，需要掌握雷達(dá)的工作原理和相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，這樣才能更加精確的勘測(cè)地質(zhì)情況。

2.1 雷達(dá)的探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是多種地球物理探測(cè)方法中的一種，它的原理是基于地下不同介質(zhì)發(fā)射的不同電磁寬屏帶波。地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)原理是通過(guò)天線向地層下以寬頻短脈沖的形式發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波在傳播過(guò)程中遇到不同介質(zhì)時(shí)反射并被接收所用的時(shí)間也各不相同，從而可以推斷出反射物的深度。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)示意圖

2.2 參數(shù)設(shè)置方法

在進(jìn)行勘探采樣之前，應(yīng)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行一系列的參數(shù)設(shè)置，其中主要包括采樣頻率、采樣間隔、測(cè)距、接受發(fā)射天線之間的距離、道間距等。

3 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)情況，預(yù)報(bào)工作采用地質(zhì)雷達(dá)勘探與地質(zhì)調(diào)查相結(jié)合的方法對(duì)里程Z1K12+655 m進(jìn)行勘探。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際開(kāi)挖方法為臺(tái)階法，地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置示意圖見(jiàn)圖2，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線近于各臺(tái)階水平線。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置示意圖

4 探測(cè)成果

4.1 掌子面地質(zhì)描述

進(jìn)口Z1K12+655 m圍巖以泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r及頁(yè)巖互層為主。地層巖性軟硬變化不一，巖體錘擊聲較清脆，輕微回彈，稍震手，較難擊碎，浸水后有輕微吸水反應(yīng)，巖性整體較堅(jiān)硬。中～薄層狀構(gòu)造為主，主要發(fā)育一組結(jié)構(gòu)面，其產(chǎn)狀為189°∠6°。巖體裂隙較發(fā)育，裂隙微張，裂隙間多夾泥質(zhì)填充物，其中掌子面底部泥化較嚴(yán)重，掌子面發(fā)育1組軟弱泥質(zhì)夾層，巖體間結(jié)合較差，巖體較破碎，局部破碎，圍巖完整性較差。無(wú)巖溶發(fā)育，掌子面整體較干燥，圍巖穩(wěn)定性較差。掌子面素描圖如圖3所示。

圖3 Z1K12+655 m掌子面素描圖

4.2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)距離為30 m，里程樁號(hào)為Z1K12+655 m，掌子面左→右方向?yàn)闇y(cè)線正方向，雷達(dá)測(cè)線圖譜見(jiàn)圖4。

測(cè)線0.0～16.2 m，掌子面前方0.0～20.0 m范圍。推測(cè)圍巖較當(dāng)前掌子面基本一致。巖體以泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r及頁(yè)巖互層為主，地層巖性變化不一。層狀構(gòu)造為主，巖體裂隙較發(fā)育，裂隙微張，圍巖層間、裂隙間多泥質(zhì)填充物，局部含泥較嚴(yán)重、泥化，軟弱夾層較發(fā)育，巖體間結(jié)合較差，圍巖較破碎，局部破碎，圍巖完整性整體較差。無(wú)巖溶發(fā)育，地下水不太發(fā)育，局部滲、滴水，圍巖穩(wěn)定性較差。

測(cè)線0.0～16.2 m，掌子面前方20.0～30.0 m范圍。推測(cè)圍巖較前段稍好。巖體以泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r互層為主，地層巖性變化不一。層狀構(gòu)造為主，巖體裂隙較發(fā)育，裂隙微張，圍巖層間、裂隙間多泥質(zhì)填充物，軟弱夾層弱發(fā)育，巖體間結(jié)合較差，圍巖較破碎，局部破碎，圍巖完整性整體較差。無(wú)巖溶發(fā)育，地下水不太發(fā)育，局部滲、滴水，圍巖穩(wěn)定性較差。

4.3 成果解釋

(1)預(yù)報(bào)段圍巖以泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r互層為主，為巖性接觸帶，地層巖性變化不一，巖性整體較堅(jiān)硬。層狀構(gòu)造為主，主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為189°∠6°。巖體裂隙較發(fā)育，裂隙微張、裂隙間多泥質(zhì)填充物填充，局部含泥較嚴(yán)重，軟弱泥質(zhì)夾層較發(fā)育，夾層極不穩(wěn)定、無(wú)自穩(wěn)能力，遇水泥化，巖體間結(jié)合較差，圍巖較破碎，圍巖完整性整體較差，含泥。無(wú)巖溶發(fā)育，地下水不太發(fā)育，局部滲、滴水，圍巖穩(wěn)定性較差。

(2)受巖性、地質(zhì)、巖溶及地下水等因素影響Z1K12+655 m段圍巖穩(wěn)定性較差，建議圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。

(3)預(yù)報(bào)段巖體以中風(fēng)化石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r為主。施工中，注意開(kāi)挖擾動(dòng)易引起拱頂順層軟巖區(qū)掉渣掉塊或失穩(wěn)坍塌。軟巖巖體強(qiáng)度低，在地下水作用下，具有“易滲流、易膨脹、易崩解”等特性。建議遵循“短進(jìn)尺、少擾動(dòng)、快支護(hù)、勤量測(cè)、早成環(huán)”的原則施工，嚴(yán)格控制施工工藝，注意初期支護(hù)的及時(shí)性和強(qiáng)度，并加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)工作，綜合考慮隧道埋深、監(jiān)測(cè)結(jié)果等其他因素，采取合理可靠的開(kāi)挖方式。

(4)由于本次預(yù)報(bào)受掌子面平整度對(duì)雷達(dá)探測(cè)效果的影響，以上預(yù)報(bào)結(jié)論與圍巖級(jí)別建議值僅供參考，實(shí)際情況以隧道開(kāi)挖揭露為準(zhǔn)，施工過(guò)程中密切關(guān)注圍巖變化情況并采取及時(shí)的應(yīng)對(duì)措施。

圖4 Z1K12+655 m雷達(dá)測(cè)線圖譜

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)在勘測(cè)過(guò)程中會(huì)存在諸多干擾因素，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析時(shí)需要結(jié)合掘進(jìn)面現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行綜合判斷，因此干擾波的濾去判斷對(duì)探測(cè)的精度也是至關(guān)重要的。

(2)采用地質(zhì)雷達(dá)法，對(duì)隧道軟弱夾層發(fā)育段進(jìn)行高精度探測(cè)，并通過(guò)隧道開(kāi)挖揭露驗(yàn)證，充分體現(xiàn)了地質(zhì)雷達(dá)法具有高精度、效率高等優(yōu)點(diǎn)，并可以提前做出預(yù)警，為隧道后續(xù)施工提供精確的地質(zhì)資料，從而預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

(3)在軟弱夾層的勘探過(guò)程中地質(zhì)雷達(dá)法彌補(bǔ)了其他勘探方法的不足，在實(shí)際運(yùn)用中與其他勘探方法相結(jié)合會(huì)取得更好的效果。

(4)勘探工作為地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)積累了一定經(jīng)驗(yàn)。