山岭隧道围岩分级超前预报新方法研究*

张云冬　王　浩　张国华

(中交天津港航勘察设计研究院有限公司1)　天津　300461)

(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室2)　武汉　430071)



山岭隧道围岩分级超前预报新方法研究*

张云冬1)王浩2)张国华2)

(中交天津港航勘察设计研究院有限公司1)天津300461)

(中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室2)武汉430071)

摘要：针对岩浆岩、变质岩等硬质岩地区的隧道，在无不良地质的情况下，由于结构面发育程度不同而导致围岩实际级别与设计级别不一致的区段，提出了以掌子面的结构面线密度快速判断掌子面围岩级别，然后根据地质雷达探测结果对掌子面前方一定距离的围岩级别进行定性与定量综合判断的方法．将上述方法应用于在建京台高速公路的岩前隧道和八外洋2#隧道的8个受结构面发育程度控制的围岩级别变更断面的结果表明，上述方法对由于结构面发育程度不同而导致的围岩级别变更预报有较高的可靠性，对后续的隧道施工具有较好的指导意义．

关键词：地质调查 ；地质雷达；超前预报；围岩分级

张云冬(1988- ) ：男，硕士，主要研究领域为隧道施工超前地质预报.

*国家自然科学基金项目资助(批准号：41172287，51139004)

0引言

隧道围岩分级是隧道设计、施工的依据．由于地质环境复杂多变,勘察精度有限，地质不确定因素又很多,常常使得原设计的支护方案与施工现场实际需要的支护方案有一定的出入[1-2]．在施工阶段,由于隧道开挖,各种地质问题暴露无遗,可获得更多在设计阶段不能获得的地质资料．对于由不良地质如断层破碎带、节理裂隙密集带等造成隧道围岩级别变更是容易判断的，但在不存在不良地质的情况下，尤其是岩浆岩及变质岩地区的长隧道，某些地段由于结构面的发育程度不同而导致围岩实际级别比设计的好或差，因此需要根据掌子面信息及超前探测结果的分析，及时对掌子面前方一定距离的围岩级别做出合理可靠的预报，以及时调整支护参数，从而满足信息化施工的要求．

隧道各围岩级别均有一定的结构面体密度差异，这种差异体现在掌子面上就是结构面有一定的间距特征，也即有一定的结构面线密度特征，体现在地质雷达上的定性特征是随围岩变差，波幅变化增大，同相轴连续性变差，波形错段、分叉增多，同相轴数量增多；因此对地质雷达探测结果的解译一方面通过对波形图的波幅变化、同相轴连续性、波形的错断、分叉等现象进行定性判断[3-7]，另一方面需要对一定范围的同相轴数量进行统计，然后综合以上两方面信息对掌子面前方围岩级别进行定性或定量的评价．

基于上述认识，对于硬质的岩浆岩和变质岩，在岩性基本不变时，超前地质预报可以根据掌子面结构面的线密度特征及地质雷达定性和定量的解译对前方一定距离的围岩级别做出较准确的判断，为后续的施工及围岩级别变更等提供指导依据．

1工程概况及场区结构面发育情况

京台高速公路(南平段)的岩前隧道(左线ZK30+535～ZK37+330，共6 795 m；右线YK30+550～YK37+335，共6 785 m)，八外洋2#隧道(左线ZK29+735～ZK30+437，共702 m；YK29+700～YK30+400，共700 m)，均采用双洞分离式隧道方案，按双向4车道公路标准建设，两个隧道的围岩全部为变质岩中的云母石英片岩，属坚硬岩．

隧址区地处闽西北隆起带、闽东火山断拗带的次级构造单元松溪～建溪拗陷带，北东向及北北东向构造发育，并且历经多次构造运动及火山岩浆活动．地层产状进口段270°∠22°，中间段300°∠25°，出口段18°∠25°．

结合前人工作成果及隧道20个掌子面的结构面实测统计结果可知，场区发育6组结构面，具体结构面走向玫瑰图见图1～2．

图1　前人各走向结构面发育密度统计成果

图2　实测结构面统计结果

由图1、图2可见，2张结构面统计结果图有较好的对应关系，差别在于场区发育较好走向约为310°的一组结构面未在结构面密度走向玫瑰图中反映出来，但其结构面发育情况在实测结果图2中得到了很好反映，其发育密度从统计结果来看，应该是2～3条，因而在做超前预报时应注意此组结构面的影响．各组结构面的具体产状如下: 168°(348°)∠90°，45°∠76°，196°(16°)∠82°，60°∠65°，256°(76°)∠75°，130°(310°)∠28°．

2围岩分级预报方法

2.1掌子面围岩快速分级

对于硬质的云母石英片岩，在地下水较少、风化微弱、围岩级别主要受结构面发育程度控制时，参照各种围岩分级方法[8]及文献[9-10]中各级围岩对结构面间距的划分并结合现场对Ⅳ级围岩的结构面线密度的统计分析(见图3)，

图3　Ⅳ级围岩的线密度分布特征

可认为硬质的云母石英片岩的各级围岩结构面线密度有如下特征，见表1．

表1　各级围岩的结构面及完整性特征一览表

在掌子面围岩分级时，可以测线法得到掌子面岩体的结构面线密度，进而结合上表1划分掌子面围岩级别．

2.2各等级围岩的地质雷达波谱响应特征

探测中所使用的地质雷达是美国GSSI公司产SIR-20地质雷达系统，数据采集使用的是100 MHz接地耦合天线，采用时间触发的连续测量，每秒扫描100次；通过对场区前期的探测结果与开挖结果的对比表明，介电常数取6比较合适，从实际探测效果来看，波形叠加16 次的效果比较好，在不存在重大干扰的情况下，数据处理尽量采用相同或类似的方式．

2.2.1各级别围岩的同相轴形态特征

由于根据掌子面围岩的分级对掌子面前方5 m之内的围岩级别预报[11]是比较准确的．因而，首先对地质雷达探测深度5 m内信号的特征，如同相轴连续性、波幅的变化、是否有分叉、错段等不良特征进行分析，然后对5 m之外的信号进行同样的分析，最后将5 m之内的信号特征与5 m之外的信号特征进行比较．围岩向好或向差的判断依据是：围岩越差，波形连续性越差(同相轴越短)，波幅变化增大，波形分叉、错段等现象越多．可根据5 m内外的同相轴形态特征大致判断探测深度内的每一段围岩相对掌子面的好坏．

2.2.2各级别围岩的同相轴数量特征

在波形图增益调整至同相轴清晰，又不出现同相轴互相重叠或稍有重叠的情况下，通过对场区前期的Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ级围岩共119张地质雷达线扫描图片的同相轴数量特征进行统计，统计方法如下：(1)统计窗口深度为20 m，宽度为50个扫描信号．(2)统计大于或等于连续4个扫描的可识别同相轴数量，(错段的，分叉的，合并的各增加计数一次)．统计结果见表2.

表2　各级围岩同相轴数量分布表

以上统计结果表明，随围岩变差，同相轴数量增多，其增多原因主要是由于波形连续性变差，错段及分叉现象增多造成的，与定性分析结果是一致的．

3应用实例

岩前隧道和八外洋2#隧道围岩均存在由于勘察阶段对围岩完整性评价不足或过度而导致的开挖与设计不符的情况，因而需要根据掌子面地质调查及地质雷达探测结果对围岩等级进行合理、可靠的预报．

在掌子面上下布置2条各10 m的测线A1和A2，统计通过测线的结构面条数；随后用地质雷沿测线A1和A2各扫描一次，对探测结果进行分析．

以下对8个典型围岩变更断面的掌子面围岩级别及地质雷达围岩级别预报的具体分析，综合分析成果见表3.

4讨论与分析

4.1预报结果与开挖结果的综合对比分析

从以上综合对比表中掌子面围岩级别的划分结果与最终的围岩支护级别可看出，在云母石英片岩中，当地下水较少、围岩风化微弱，围岩分级受结构面的发育程度控制时,采用掌子面结构面的线密度指标可以对掌子面围岩的级别做出合理、可靠的划分．此方法是将各种隧道围岩分级方法综合灵活应用的典型，且取得了较好的效果．

从地质雷达探测结果的定性与定量预报与开挖之后围岩的实际支护级别的对比可以看出，定性结果与开挖结果符合的很好，能反映前方围岩相对掌子面围岩向好或向差；依据统计窗口的同相轴数量对掌子面前方围岩级别的划分存在一定的偏差(如4、6号断面)，出现此偏差的原因一方面可能是掌子面周围铁质物质如台车及周围电流产生的电磁波干扰有关，另一方面是结构面的走向与隧道走向小角度相交，接收到的反射信号较少，因此为提高探测结果的可靠性，一方面应尽量将台车及电线等干扰源远离掌子面，另一方面是在条件允许时，应多扫描几条测线．

因此根据掌子面的地质信息及地质雷达探测结果的定性与定量解释结果结合起来，更能对前方围岩的级别给出合理且可靠性较高的评价．

4.2掌子面结构面发育情况对探测结果的影响

从以上第4和7断面同相轴数量与开挖支护的围岩的不符情况可看出：上述两个断面的共同特点是掌子面发育的均是走向为310°的结构面，而此组结构面从前面的统计结果来看在场区很发育，且在两个断面上的结构面走向与隧道轴线的夹角在两个断面处均小于30°．由于结构面与隧道轴线交角越小，同样长度的结构面在掌子面上的投影就越短，而且在掌子面前方一定距离内出现的结构面可能也增多，因而地质雷达探测到的由结构面反射形成的同相轴会变短，同相轴数量也会变多，所以探测结果与实际有所偏离．因而当出现发育好的一组结构面与隧道轴线小角度相交这种情况时，对于前方围岩级别的判断还要结合5 m内外的波形变化、波幅特征等定性分析特征，才能做出合理且可靠的判断．因而出现偏差的原因据此可以推测是由于结构面发育好且与隧道轴线小角度相交造成的．

4.3不足之处

掌子面围岩快速分级及围岩的地质雷达定性与定量级别预报适用性较好，但依据统计窗口的同相轴数量对围岩进行分级，有一定的实用性；其不足之处主要是地质雷达连续测量时，反射面容易受天线移动速度的影响而被拉长或缩短，导致符合统计要求的同相轴的数量必然会受到一定的影响，所以同相轴数量的分析可以作为一个参考依据，需要结合定性分析的结果，才能对前方围岩的级别给出合理且可靠的判断．

5结论

1) 当硬质围岩级别主要受结构面控制时，使用掌子面的结构面线密度指标并结合场区结构面发育情况统计结果能够对掌子面围岩级别进行合理、可靠的划分，而且测量简便、易行、速度快，少占用掌子面施工时间．因而在对掌子面围岩进行划分时，要抓住影响分级的关键因素，灵活运用各种围岩分级方法．

表3　综合成果对比表

2) 当使用地质雷达对掌子面前方围岩的级别进行预报时，使用定性及定量相结合的方式并结合掌子面围岩划分结果，能够对前方一定距离的围岩级别给出比较可靠的预报，可以为隧道施工提供很好的指导依据．

3) 上述方法在变质岩区及岩浆岩区应该都有较好的适用性，对于沉积岩地层的适用性需要经过进一步的总结及验证．

参 考 文 献

[1]宋先海，顾汉明，肖柏勋.我国隧道地质超前预报技术述评[J].地球物理学进展，2006(2)：605-613.

[2]张庆松，李术才，孙克国，等.公路隧道超前地质预报应用现状与技术分析[J].地下空间与工程学报，2008(4)：766-771.

[3]李大心.探地雷达方法与应用[M].北京：地质出版社，1994.

[4]任全.半定量分析在公路隧道地质雷达超前预报数据处理中的应用[J].交通标准化，2012(18):96-99.

[5]黄振，刘成宇.地质雷达波频率与围岩等级相关关系统计分析[J].隧道建设,2012(1)：61-65.

[6]张平松，刘盛东.地球物理勘探教程[M].淮南：安徽理工大学出版社,2007.

[7]王国斌，利奕年，杨文东.隧道地质超前预报综合方法及应用研究[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2010,34(3):59-61.

[8]刘佑荣，唐辉明.岩体力学[M].武汉：中国地质大学出版社,2008.

[9] 中华人民共和国交通部.JTG D70-2004公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[10]中华人民共和国水利部.GB50218-94工程岩体分级标准[S].北京:中国计划出版社,1995.

[11]刘志刚.隧道隧洞超前地质预报[M].北京：人民交通出版社,2011.

New Forecast Method of Surround

Rock Classification of Mountain Tunnel

ZHANG Yundong1)WANG Hao2)ZHANG Guohua2)

(CCCCTianjinPortandWaterwayProspectingandDesignResearchInstitute,

Tianjin300461，China)1)(StateKeyLaboratoryofGeomechanicsandGeotechnicalEngineering,

InstituteofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430071，China)2)

Abstract：Aiming at igneous rock and metamorphic rock which is hard, when there is no disadvantageous geological phenomenon, because of the development of the structural surface level is different, so it may lead to the actual surround rock grade inconsistencies in the design grade in some sections. In these cases we can quickly determine the surrounding rock grade of heading face by the density of the structure surface. Then we can conjecture the grade of surrounding rock in front of the heading face according to the detection result of the geological radar and the information of the heading face. The application of the way in Yanqian and Bawaiyang 2# tunnel whose surrounding rock grade need to be changed because of the design is not agreed with the reality whose surrounding rock grade is controlled by structure surface, the ten application result indicate that the way is reliable in judging the surrounding rock grade of heading face and a certain distance ahead of it. It can provide important guidance for following construction.

Key words：geology survey； geological radar； ahead forecast of heading face； the grade of surrounding rock

收稿日期：2015-10-18

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.01.027

中图法分类号：U456.3+3