地质雷达探测法在富水软岩隧道施工中的应用

杨 宇，赵利杰

（中国有色金属工业第六冶金建设有限公司，河南 郑州 450006）

某隧道是宁蒗至永胜高速公路中一座控制性隧道工程，左线起讫桩号为ZK86+115～ZK90+251，长4136m，最大埋深408.8m；右线起讫桩号为K86+147～K90+286，长4139m，隧道最大埋深：右幅391.5m。根据行业规定和实际情况的要求，在隧道开挖过中需提前采取地质雷达探测法对前方地质水文情况进行详细探测，以指导隧道的开挖支护工作。

1 工程地质条件

隧址区位于区域F7（二道坪断裂）及F5断裂之间。F7（二道坪断裂）：断裂走向南北，倾向西，倾角30°～70°，长约25公里。南西盘逆冲，出露地层为上二叠统玄武岩组中段（P2β2）、下三叠统腊美组（T1l）泥岩、砂岩及中三叠统北衙组下段（T2b1）灰岩、泥质灰岩，下盘出露地层为下二叠统栖霞茅口组（P1q+m）灰岩、上二叠统玄武岩组中段（P2β2）角砾状玄武岩、玄武岩，该断裂属压性断裂。F5断裂：该断裂走向340°，倾向西，上盘逆冲，上三叠统新安村组上段（T3x2）覆盖于下第三系，宁蒗组一段（E2n1）之上，两侧岩石破碎，砂页岩被揉碎、牵拽，沿断裂局部有二长斑岩脉（ηπ61）分布，属圧扭性断裂。结合EH4物探资料解译成果及以往地质资料综合解析出三个低阻异常带，分别为:异常1（K89+460～K89+970）、异常2（K87+300～K87+800）、异常3（K86+650 ～ K88+900），岩破碎，为软弱带，易形成储水构造，隧道围岩级别低。

2 地质雷达探测依据、内容

2.1 探测依据

①《公路隧道设计规范》JTG 3370.1-2018。②《公路隧道施工技术细则》JTG/T F60-2009。③《铁路隧道超前地质预报技术规程》Q/CR 9217-2015。④《工程岩体分级标准》（GB/T 50218-2014）。⑤《公路工程地质勘察规范》（JTG C20-2011）。⑥《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）。⑦隧道两阶段施工图设计及相关规范文件等。

2.2 探测内容

（1）探测掌子面正前方隧道主体及临近周边地质情况、详细分布的变化情况及地质灾害体的性质、分布。

（2）超前地质预报范围段的围岩级别判定。

3 ZK87+360～+385段超前地质预报

前期物探资料显示本段处于低阻异常带3区段，岩破碎，为软弱带，易形成储水构造，隧道围岩级别低。根据进度要求、行业规定以及实际需要，本段处于低阻异常带3的情况，在隧道开挖过中需提前采取地质雷达探测法对前方地质水文情况进行详细探测，以指导隧道的开挖支护工作。

3.1 探测方法

地质探测预报选用SIR-3000型地质雷达、100MHz地质罗盘，100MHz天线，根据现场条件，布设AB、CD两条测线，采用连续方式探测，得到两条雷达反射剖面。采集参数为：采集方式为连续，每扫描采样数为1024，采集时窗为500ns。采集方向如图1所示。

图1 数据采集方向示意图

3.2 探测结果分析

3.2.1 隧道掌子面地质情况

掌子面围岩为浅灰色、灰黑色中薄层状泥岩，为软岩，岩体弱风化，岩层产状：286°∠42°；掌子面右侧拱脚处地下水呈小股状出水；岩体遇水易软化、泥化；围岩节理裂隙较发育、岩体破碎，裂隙面间有黑色泥质物填充，掌子面有少量掉块现象，层间结合力较差；总体上围岩完整性和自稳能力差；岩体呈裂隙块状、局部碎裂状结构。

主要发育3组节理：J1:88°∠55°：4-5条/m，延伸2m～3m，节理面平直，微张；J2:215°∠60°：5-6条/m，延伸3m～4m，节理面平直，微张；J3:315°∠12°：5-6条/m，延伸3m～4m，节理面平直，微张；

根据交通运输行业《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）中6.3条款关于围岩分级规定，初步判定掌子面地质情况基本符合Ⅴ2级围岩条件。掌子面地质素描示意图见图2。

图2 K87+360掌子面地质素描图

3.2.2 探测结果

对现场采集到的数据，通过雷达处理分析系统软件进行处理，绘制出雷达探测深度剖面图。根据地质雷达探测剖面图像，从电磁波的反射振幅变化来看，掌子面前方0m～25m（ZK87+360～+385）段整体电磁波振幅变化较大，同相轴连续性较差，反射频率变化较强，根据设计资料及现场出露地质情况并结合地质雷达反射波，推测该段围岩与掌子面基本一致，为泥岩，节理裂隙较发育，岩体破碎，层间夹泥，富水。

3.2.3 结论评价

综合掌子面地质情况和地质雷达探测分析结果，得到如下结论：

（1）推测掌子面前方0m～25m（ZK87+360～+385）段围岩与掌子面基本一致，为泥岩，岩体弱风化，属软岩，围岩节理裂隙较发育、岩体破碎、层间夹泥，裂隙面有明显泥质物填充，开挖时掌子面会有大的掉块、右侧易出现小的坍塌，层间结合力差；总体上围岩完整性和自稳能力差；岩体呈裂隙块状、局部呈碎裂状结构，局部富水。

（2）ZK87+360～+385段，设计围岩级别为Ⅴ2级，预报ZK87+360～+385段围岩级别为Ⅴ2级。

4 ZK87+360～+385段隧道施工应对措施

根据地质雷达探测分析结论“本段岩级别为Ⅴ2级，总体上围岩完整性和自稳能力差；岩体呈裂隙块状、局部呈碎裂状结构，局部富水。”的实际情况，本着特殊地质地段隧道施工以“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”为指导原则，指导隧道安全施工，避免发生地质灾害，本段采取以下具体措施保障隧道施工安全生产。

4.1 超前水平钻孔

超前水平钻孔是预测开挖工作面前一定长度范围内围岩的工程地质和水文地质情况，对地勘报告和地质雷达探测情况进行再次验证，并根据钻渣、钻孔过程中遇到的实际情况（有无卡钻、钻进速度）等及时采取应对措施，确保断层破碎带施工安全。钻孔过程目测观测直观明了，能够有效验证超前地质预报结果是否准确，同时能够直接探明含水地段围岩地段的涌水压力及其含水量。由于隧道水文地质情况比较复杂，超前水平钻孔作为隧道开挖施工的一项重要工序，全程作为隧道开挖施工循环网络中一道规定动作进行实现。超前水平钻孔按隧道全长进行探测，具体实施时，按照在隧道拱顶、大跨距开挖轮廓线1.5m处，布置三个孔，利用潜孔钻机进行钻孔，孔深25m～30m，孔径108mm，钻进方向沿隧道轮廓倾斜。必要时进行掌子面前方主体岩体进行钻孔取芯分析判别，钻进过程中将钻孔的详细岩体、水文等情况记录在超前钻孔原始记录表。根据超前水平钻孔原始记录综合分析，其作用有三，一是探测前方有无水隐患，水的赋存状态、分布专范围、水质等；二是前方地层，岩性及其变化、厚度等；其三是跟踪层位，为隧道施工提供有效依据等。

4.2 周边小导管注浆施工

根据隧道施工专项方案、地勘报告、地质探测预报，洞壁围岩出水形式等，制定施工阶段具有快速决策性的处治原则，对渗滴水、线状渗水和高压集中突水针对性的分别采取超前周边注浆、径向注浆、定点注浆等不同方式或复合形式进行注浆处理。本段综合设计图纸、地质雷达探测结果及掌子面现状的情况选用超前周边小导管注浆。

图3 超前小导管支护布置图

4.2.1 钻孔

小导管孔位定位和标注后，钻孔的方向垂直于开挖掌子面，钻进角度符合小导管外插角的设计角度。采用制式凿岩台车钻进成孔。钻进过程中必须时刻避免钻杆摆动，保证孔位顺直。钻进设计成孔深度后，用高压吹管将孔内碎碴吹出。

4.2.2 顶管

钻孔内安装钢花管前，在钢花管末端约30cm处，将麻丝缠绕在钢花管管壁上呈锥型状，并用胶带或绳类物品缠紧。开动钻机，利用钻机的冲击力将钢花管顶推入围岩中，钢管顶进长度不小于设计管长90%。

4.2.3 固定

顶管至设计孔深后，将孔口用塑料胶泥将钢花管与孔壁之间的缝隙封堵。孔口露出喷射混凝土面15cm，安装钢拱架后与拱架焊接在一起。

4.2.4 压水

注浆管道连接完成后，进行常规压水试验并调试，检查注浆管道及工作面是否有渗漏现象。

4.2.5 小导管注浆

（1）注浆设备选择：超前小导管注浆采用TGBHG90/90型注浆泵。

（2）浆液的选择：注浆浆液采用水泥浆液，水灰比1:1（重量比），施工前由试验室试配并验证，使用强度指标不低于42.5强度的水泥。

（3）注浆量：为了达到并良好的固结封闭效果，足够浆液量的注入是重要保证，为确保注浆扩散到一定的有效范围。注浆有效范围按隧道开挖轮廓线外0.3～0.5m设计并且浆液在隧道岩层中均匀扩散。注浆压力与隧道岩层裂隙的关系见图4。

图4 注浆压力与岩层裂隙的关系图

浆液单孔注入量Q和围岩的孔隙率有关，根据扩散半径及岩层的裂隙进行估算，其值为：

Q=ΠR2ηL(m3)

式中：R—浆液扩散半径(m)；L—压浆段长度(m)；η—岩层孔隙率，风化岩层取2%～3%，断层破碎带5%。

（4）注浆压力：注浆压力为0.5Mpa～1.0Mpa，施工现场试验确定较合理的注浆参数。

4.3 钻爆开挖施工

隧道施工采用三台阶七步法开挖的方法，隧道钻爆开挖按新奥法原理组织施工，施工原则为“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的原则。

隧道实施开挖以减轻对围岩的振动为原则，充分发挥隧道主体外围的围岩自承能力。采用线形微震爆破新技术和光面爆破技术进行爆破作业，根据施工过程中围岩详细情况，及时调整修正爆破参数，以达到最佳爆破效果，形成整齐顺直的开挖断面轮廓线。

4.3.1 测量

测量定位是控制钻爆开挖轮廓准确与否至关重的的关键环节。每一爆破开挖循环都由测量技术人员在掌子面测量标注出开挖轮廓和炮孔位置，并在掌子面拱顶及两侧起拱线处设置三台激光指向仪，以减少测量时间及保证隧道开挖轮廓线准确度。

4.3.2 钻孔

爆破孔位钻孔用风枪，并按以下要求钻孔。

（1）按照爆破设计炮眼布置图正确对孔和钻进。

（2）掏槽眼比其它眼深20cm，对孔误差不大于3cm，并保持平行。

（3）周边眼位置在设计断面轮廓线上，其环向误差不大于5cm，眼底不超出开挖面轮廓线10cm，孔深误差小于10cm。

（4）钻眼完毕，按爆破设计炮眼布置图进行检查，有不符合要求的炮眼重新钻孔，经检查合格后进行装药。

4.3.3 装药

装药前必须先用高压风枪将爆破孔内岩石粉碴吹净，并用木质炮棍检查爆破孔内是否有杂物影响装炸药，装药分片分组，严格按爆破设计参数表及爆破设计炮孔布置图规定的单孔装药量。爆破网路连接、检查及起爆，按照爆破设计要求执行。

4.3.4 堵塞

炮孔进口堵塞即可以有效提高炸药能量利用率，也可以减少炸药使用量和降低爆破振动有害效应。炸药装填后将炮孔进口进行堵塞，光面爆破孔孔口堵塞长度不小于20cm，掏槽孔不装药部分全堵满，其余掘进孔堵塞长度大于抵抗线的80%。装药和堵塞工作按交通行业和爆破行业相关关安全规定执行，以确保爆破施工安全。

4.3.5 联结起爆网路

为了保证起爆准确可靠，采用塑料导爆管传爆雷管复式网路。爆破网路联好后必须由持证专人检查验收，检查结果合格后才可以实施起爆。

5 注意事项

（1）采用有效注浆方案，将大部分地下水尽可能封堵在围岩外，少量水通过隧道排水设施排放，避免隧道洞内出现大量水而影响施工进展。

（2）隧道开挖时尽可能采用机械开挖，不宜采用爆破开挖，若必须采用爆破开挖时，坚持多打眼、少装药的弱爆破施工技术的原则，减小对隧道外围岩体的扰动。

（3）小导管钻孔前，按测定好钻孔的范围、平面位置。钻孔由高孔位向低孔位进行。开钻时应低速低压。下管时按照编号分段施工。

（4）施工期间必须遵守交通行业和爆破行业相关关安全规定执行，加强监控量测，确保施工安全。

（5）地表量测与洞内各项量测应同步进行，以利于资料的分析。

6 结语

不同地质条件、水压和涌水量等实际情况，可以采取径向注浆、周边帷幕注浆、全断面帷幕注浆、超前管棚注浆等多种注浆堵水处理措施。实践证明，本段在采用地质雷达探测的基础上，综合利用水平超前钻孔、周边小导管注浆施工及弱爆破等注浆堵水技术、参数和开挖方法解决软岩隧道施工的防涌水与防塌方技术难题，同时初期支护结构施工也加强了洞体岩土结构实现快速掘进的效果，有效确保隧道施工安全。