超前地质预报技术在大断面浅埋偏压隧道洞口段中的应用

■张林城

(福建省漳州市公路局，漳州 363000)

0 引言

浅埋偏压隧道常见于隧道洞口段，其偏压应力主要来源于隧道洞口地形、地质和洞口开挖[1-2]。因此，隧道洞口段常常是山岭隧道工程施工的重点和难点，对整条隧道的工期及施工安全有着重要影响。为了确保浅埋偏压隧道洞口段施工及后期运营安全，目前工程上常采用减轻洞口施工扰动、增加支护强度、对洞口进行预加固处理等措施进行处理。而超前地质预报技术是为了确保以上措施能否“对症下药”并取得良好技术经济效果的有效保障手段，是隧道施工中不可或缺的必要步骤，是降低浅埋偏压隧道洞口段施工地质灾害发生、减少灾害损失的重要手段[3-4]。

基于地质雷达的超前地质预报技术是目前隧道进洞前了解掌子面前方围岩地质及含水情况的主要超前地质预报手段，同时也是对隧道开挖施工、初期支护、二次衬砌支护等实体工程质量进行快速无损检测的有效手段，被广泛应用于我国当前隧道工程施工过程质量控制。本文以国道324线漳州九龙岭段公路工程花都Ⅰ号隧道为依托，介绍了地质雷达超前地质预报技术在该大断面浅埋偏压隧道洞口段施工中的应用，为该隧道洞口段施工动态设计和稳定性控制提供了有效参考和借鉴。

1 工程概况

花都Ⅰ号隧道为左右分离式的双向六车道隧道，按一级公路标准设计；隧道路线横穿九龙岭山脊，沿线地势中间高、两端低；隧道区内下伏基岩主要为燕山早期花岗岩，次生构造较为发育，有13条断裂构造与拟建隧道呈大角度通过。

隧道洞口段围岩主要为残坡积土、全-强风化岩，岩体总体呈松散结构，易坍塌；岩土层强度低，围岩基本质量指标修正值[BQ]<250，属于Ⅴ类围岩；岩体稳定性差，侧壁不稳定，部分地下水位高于洞身位置，拱部无支护时易产生坍塌、冒顶。隧道洞口段埋深较浅，监控量测数据揭示隧道洞口段围岩位移较大，初期支护表面易开裂，洞口段呈现浅埋偏压特性。为确保隧道施工期间安全，应彻底查明隧道掌子面前方工程地质和水文地质详细情况，以有效指导施工掘进。

2 地质雷达超前地质预报

2.1 预报原理

地质雷达是以电磁波理论为工作基础，基于不同介质对电磁波吸收和反射程度的不同来对隧道前方围岩地质情况进行超前预报，其工作原理如图1所示。

图1 探地雷达工作原理示意图

地质雷达超前地质预报的具体工作过程可以简要描述为：首先由设置在掌子面上方的发射天线向隧道前方掌子面发射一组高频电磁波；由于电磁波在介质中传播时的路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质电磁特性及其几何形态而发生变化，因此，当这一高频电磁波在隧道前方掌子面传播过程中遇到不同介电常数的土体界面或岩层界面时，其中一部分电磁波会发生反射并被安装在地表的接收天线所接收和记录下来；而剩下的一部分电磁波会继续向前方掌子面传播，直到发射出来的高频电磁波能量被围岩中的介质全部吸收为止。

由于隧道围岩不是均匀不变的，而是由许多不同介电常数的三相介质组成的，电磁波在不同介电常数的界面上不断发生反射和继续传播直至能量消耗殆尽，而接收天线和主机也就会接收并记录到地质雷达发射出来的高频电磁波在不同介质面上反射回来的很多波形，形成雷达剖面图，通过对这些雷达波形图进行处理，并结合不同物质的介电常数情况，可以快速定性地分析出隧道前方掌子面围岩分布情况、均匀情况，判断出是否存在断层、破碎带、溶洞、富水带等不良地质情况；同时对上述不良地质的深度、大小和方位进行定量预报。

2.2 测线布置

本项目选用美国Laurel地质雷达作为花都Ⅰ号隧道洞口段超期地质预报主要探测设备。天线发射频率设置为100MHz，时窗设置为640ns，采样频率设置为1024MHz，单次探测有限深度设置为30m，采用测距轮进行长度记录[5]。根据掌子面实际情况，选取距离地面约1m处的一条水平线作为测线，并在地质情况较差的区段增加测线；每条测线连续测量2次，以保证数据的准确性。

2.3 数据采集及结果预测

采用Laurel处理软件对地质雷达扫描探测采集到的隧道洞口前方围岩均匀情况及含水情况等数据进行处理，得到花都Ⅰ号隧道左、右洞洞口掌子面部分地质预报波形如图2所示，分析图2可以发现：

(1)该隧道左洞掌子面前方0～10m范围内的雷达反射信号强烈，同相轴间断连续，由此可以推测该段围岩为全风化岩层，节理裂隙比较发育，围岩完整性较差，含水；隧道左洞掌子面前方10～30m范围雷达波形图同相轴错乱，部分区域振幅强弱差别较大，推测此段围岩较为破碎，结合掌子面地质素描情况可以推测该段围岩质量等级为V级[5]。

图2 地质雷达探测波形图(处理后)

(2)隧道右洞掌子面前方0～5m范围内雷达反射信号强，同相轴间断连续，推测此段裂隙较为发育，且裂隙内含水；掌子面前方5～20m范围内雷达波形图较为错乱，部分区域振幅强弱差别较大，可能存在一条纵向裂隙；掌子面前方20～30m范围内雷达反射信号强，同相轴错乱，整个区域振幅强弱差别大，推测该区域围岩极为破碎，结合掌子面实际地质描述情况可以推测该段围岩质量等级为 V 级[5]。

3 施工验证与预报成果运用

同时经对洞口段掌子面现场开挖掘进施工揭示：

(1)在隧道左洞距探测时掌子面前方6m处钻炮眼时发现局部出现涌水；距探测时掌子面前方15～30m范围内钻进速度明显提高，围岩呈砂土状，易坍塌，属V级围岩。

(2)在隧道右洞距探测时掌子面前方5m处钻炮眼时发现局部出现涌水；距探测时掌子面前方20～35m范围内炮眼均易钻进，全风化围岩，呈土状，有裂隙水，属V级围岩。

可见前述地质雷达超前预报结果和隧道洞口段开挖掘进所揭示的围岩状况吻合度较高，地质雷达预报效果较好。

由上述地质预报结果可知，该隧道洞口段前30m围岩均较为破碎，且右洞前方围岩相对更为破碎，围岩级别均为V级，在不采用超前支护手段情况下很难保证隧道洞口段施工安全。故初步拟定左、右洞分别采用30m和40m管棚进行超前预支护，以确保隧道洞口段施工及运营安全。

4 结束语

山岭隧道洞口大多为浅埋段并常伴随着偏压，加之洞口段岩土结构松散、破碎，且富含地下水，围岩承载能力弱，对隧道进洞施工及结构安全带来了很大挑战。基于地质雷达的超前地质预报技术能够较好地掌握隧道洞口掌子面前方围岩地质情况，并且经工程施工实际验证，用地质雷达对隧道进行超前地质预报精度较好，和掘进施工所揭示的实际围岩性质较为温和，可为隧道动态设计和施工提供有效技术支撑。