超前地质预报在隧道工程中的应用

骆明进 周广文 刘水林

超前地质预报在隧道工程中的应用

骆明进 周广文 刘水林

近年来，随着隧道施工技术的不断发展和完善，地质雷达技术在隧道工程应用领域发展迅速，特别是在超前地质预报和工程质量检测工作中成为极其重要的角色。当前，地质雷达技术在工程检测中具有显著的应用效果，其前景也被许多专业人士所看好。然而，地质雷达虽然具有广泛的用途和强大的功能，但是要想获取准确的预报结果仍然是困扰工程技术人员的一大难题。在实际隧道工程施工实例中，在综合各方面基本信息的基础上，更应注重现场围岩岩性区分、地质雷达参数设置和扫描图像判读等方面的深入探究。

超前地质预报地质雷达法是利用发射天线向前方介质发射广谱、高频电磁波，当电磁波遇到电性（介电常数、电导率）差异界面时将发生透射、折射和反射现象，同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用。用接收天线接收并记录来自前方的反射波，采用相应的处理软件进行数据处理，然后根据处理后的数据图像结合工程地质及地球物理特征进行推断解释，对前方的工程地质情况（围岩性质、地质结构构造、围岩完整性、地下水和溶洞等情况）进行预测。

一、工程实例

1.①号隧道工程地质概况

围岩岩性为黄褐色含碎石粉质粘土，下伏强风化板岩，局部夹灰岩，呈松散状或角砾状镶嵌结构；地下水以松散裂隙水和基岩裂隙水为主，围岩基本质量指标BQ=199，基本质量指标修正值[BQ]=98，电阻率值200～500 Ω·m。

2. ②号隧道工程地质概况

测区位于云贵高原中部，属构造侵蚀、溶蚀高中山地貌，地形波状起伏，海拔在1800～3500m之间。周边地形险峻，大雪山并耸立于金沙江两岸，东南部有哈巴雪山、玉龙雪山，西部为怒山山脉，北部为梅里雪山。隧道区下伏基岩为二叠系虎跳峡涧区片理化玄武岩，可分为如下两种：

（1）强风化玄武岩：呈灰绿色，致密状构造，碎块状，裂隙发育，承载力基本容许值为680kPa，摩阻力标准值为200kPa。

（2）中风化玄武岩：灰绿色，致密构造，呈大块状。承载力基本容许值为1200kPa。

根据现场采集到的岩块样本（见下图1、2、3），进行表面观察，地质放大镜详细观察，可得结果如表1所示：

表1 隧道掌子面岩样特性

图1 ①号隧道掌子面岩样A

图2 ①号隧道掌子面岩样B

图3 ②号隧道掌子面岩样

①号隧道掌子面岩样A长度约为5cm，由于呈灰黑色板状构造，节理裂隙发育，岩体破碎且表面无明显气孔和矿物晶体，与稀盐酸反应亦无明显现象。结合相关地质知识，初步判定为泥质板岩。①号隧道掌子面岩样B长度约为4cm，为深灰色块状构造，节理发育，岩体较破碎，与稀盐酸反应剧烈且有大量气泡产生，且岩样表面用小刀能划动，溶蚀面较为平整光滑，初步判定为以方解石为主要成分的石灰岩。②号隧道掌子面岩样长度约为3cm，在外观方面与①号隧道掌子面岩样A较为相似，节理发育，岩体破碎，与稀盐酸作用无明显现象。但通过地质放大镜观察可知其表面存在少量气孔及矿物晶体，结合地质相关知识可初步判定为二叠系玄武岩。

二、掌子面岩性定性评价分析

利用测井曲线形态特征和曲线值相对大小，结合从长期实践过程中积累的划分岩性的规律来定性划分岩性。通过钻井取石和岩屑的录井资料等与测井资料做对比分析，可总结出测井资料划分岩性的地区规律。因此，为了进一步确定所选取样本岩性，根据已知的各种岩石部分测井特征范围（表2），分别对三组岩样进行测井试验，通过操作成型组合的测井仪器，统计所得测井结果值，可得部分测井特征如下表3所示：

表2 各种岩石部分测井特征范围

表3 隧道掌子面岩样材料测井特性近似值

根据上表测井特征值结合不同岩样测井特征标准（表2）对照来看，①号隧道掌子面岩样A声波时差与体积密度在泥质板岩的测井特征范围内，且孔隙度和电阻率较低，可明显区别于②号隧道掌子面岩样，符合泥质板岩的推测；①号隧道掌子面岩样B声波时差与体积密度相对较小，孔隙度和电阻率与岩样A相比显著增大，对照表2可知，与推测的石灰岩测井特征相同；②号隧道掌子面岩样声波时差和体积密度相比前二者偏大，电阻率也相对较大，根据表2中的参考值，不难看出较为符合玄武岩的测井特征值。

三、地质雷达介电常数影响性分析

隧道施工掌子面超前地质预报的深度与介质的相对介电常数密不可分。相对介电常数表示介质与以真空为介质制形成的同尺寸电容器电容量之比。根据过往的文献资料，可知：石灰岩相对介电常数为6～7（本工程选取的参考值为7），玄武岩相对介电常数约为4（本工程选取的参考值为4），板岩的相对介电常数为6～7.5（本工程选取的参考值为7）。由于介电常数的大小受许多因素的影响，不仅与岩性有关，而且跟岩体的含泥量、含水量也有密不可分的关系。本工程中所采集岩样的含水量均较低，无法比较其影响程度，故在此不讨论。测定泥质含量不同的岩石介电常数与含泥量的关系如下图4所示：

图4 含泥量与岩石相对介电常数的关系

从图4中可以看出，对于同种岩性而言，含泥量的百分比越大，其相对介电常数值也越高。针对不同岩性，相对介电常数的变化规律呈现出一致性。

地下介质中电磁波波速v可根据近似的公式计算：

式中：c为光速；

式中：H为反射点的埋深；

v为电磁波在地下介质中的波速。

由（1.1）、（1.2）以上2式，可得：

结合本工程所选定的3种不同类别岩性的相对介电常数参考值，可分别计算出泥质板岩和石灰岩岩性区超前地质预报最大深度约为20m，而二叠系玄武岩岩性区超前地质预报最大深度约为25m。通过之前含泥量与岩石相对介电常数的关系分析，地下介质中电磁波波速减小，预报深度H值也随之相应减小。施工现场实际所能预报的准确深度低于理论值，导致超出部分存在预报的误差性和不确定性，在后续的开挖追踪中，得到了有效可靠的实践验证。

5 结论

通过掌握某国家高速公路①号隧道和②号隧道掌子面地质情况，现场快速识别掌子面岩性，并结合相关测井试验特征结果，在定性的基础上，定量分析出不同隧道掌子面岩性。根据不同介质对应的相对介电常数的差异以及其影响因素，得出不同岩性区地质预报最大理论深度。根据含泥量与岩石相对介电常数的关系分析，确定出实际所能预报的准确深度低于理论值，导致超出部分存在预报的误差性和不确定性。在本工程开挖追踪中得到了有效可靠的实践验证，为后续的超前地质预报工作提供了理论依据与参考。

(作者单位：骆明进，湖北星晨工程技术有限公司；周广文、刘水林，湖北城市建设职业技术学院)