柏岭寺隧道超前地质预报检测方法

范占超,王宇轩,张 如

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

柏岭寺隧道超前地质预报检测方法

范占超,王宇轩,张 如

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

柏岭寺隧道为黄土高原土石中低山地貌，位于柏岭寺水库下游约200 m处，可能出现含水地质，影响隧道施工安全。为保证施工进度与安全，在隧道开挖前对掌子面前方需进行超前地质预报，本文以柏岭寺隧道为工程背景，介绍地质雷达的工作原理以及在超前地质预报中的应用，更准确的提供地质信息和科学依据，从而更好的指导施工。

公路隧道；超前预报；地质雷达；施工安全

由于隧道长度、复杂的地质条件和技术的限制，又有岩溶、破碎岩石不良地质体隐蔽性强的的影响, 建设项目早期阶段对于工程区域的地质条件很难有全面、准确地了解。因此，隧道开挖时可能在不了解掌子面前方情况时随意开挖，若遇到不良地质时可能造成不可预知的严重后果。

为了在开挖前，对前方地质有充分详细地了解，以便于在随后的施工中针对前方存在的可能情况，提前制定一些防范措施，这样可以一定程度上加快施工进度，保证施工的安全，避免一些不必要的事故。在隧道施工时，采用一定的技术手段检测前方一定范围有没有水、破碎带、瓦斯等不良情况是十分必要的。因此,先进的隧道施工地质预报是不可或缺的一步,是一个减少施工过程中的地质灾害损失的重要手段[1-4]。

李术才[5]在国内外研究的基础上，从钻爆法和TBM两种施工方法角度总结了超前地质预报的研究现状，并预测了隧道施工超前地质预报的未来4个发展趋势及其中的亟待解决的关键问题。薛翊国[6]从地质信息采集、超前预报与数据解译等3个方面讨论了超前预报的整体工作情况，并开发了地质预报自动选择程序，为超前地质预报的自动化做出一定贡献。雷坚强[7]总结了目前超前地质预报的现状以及存在的问题，并针对存在的问题提出了一些改进的建议。张庆松[8]介绍了目前常用的超前地质预报方法，并探讨了今后超前地质预报的发展方向。

1 柏岭寺隧道工程地质概况

旬邑县城至马栏红色旅游公路柏岭寺隧道位于柏岭寺大坝下游约200 m处，为黄土高原土石中低山地貌，属构造侵蚀中山区，地势陡峭，地形起伏较大，总体呈西北高东南低、中间高两侧低趋势，海拔高度1 040.00 m～1 280.00 m，相对高差240 m，坡面坡度15°～70°，植被发育。隧道进出口段基岩裸露，形成近于直立陡坎，高度约为60.0 m，坡度一般在65°～75°之间。

隧道地层为上部第4系风积黄土及下部白垩系洛河组砂岩、砾岩。

洞口为白垩系洛河组砂岩、砾岩，浅红色，青灰色，钙质胶结，近水平层理，强风化—中风化，节理裂隙较发育，岩体完整性较差。

洞室内围岩为白垩系洛河组砂岩，棕红色，且交错层理，青灰色，钙质胶结，近水平层理，中风化，节理裂隙发育，岩体完整性较差。

2 地质雷达工作原理

超前地质预报的方法很多，总的来说分为3大类，即直接预报法、地址分析法、物探法。在此基础上还有很多细小的分支。其中，最为有效的方法是直接预报法，采用平行导洞探测主洞前方的地质情况，对垂直方向地质预测比较准确，但水平方向存在很大的缺陷，并且测试费用高。地质分析法是根据之前已有的断层影响带，预测隧道前方的地质情况，其缺点是对于不是直线的隧道预报不准确。相比来说物探法采用的是利用现代科学技术手段，在已有理论的基础上进行了相关的实践，其具有结果准确、快速、方便的特点，目前应用非常广泛。主要利用的技术有TSP超前预报技术、TST反射成像技术、声纳、地质雷达技术等。这些技术大多都是利用波在不同介质中的传播速度不同，从而引起频率的变化。地质雷达特点有以下3个方面。

(1)操作简便、预测距离短准确率很高，一般预测范围为20 m～30 m。

(2)对于空洞、破碎带、尤其是水反应异常灵敏。

(3)对于测试环境的要求低。

根据地质雷达的特点，结合本隧道的实际地质情况，水的出现会对黄土隧道的安全性产生极大地影响，选用地质雷达进行超前地质预报能得到更为准确的结果。

地质雷达是利用高频电磁脉冲波的反射来探测目的体，它通过发射天线向地下或目的体发射高频宽带短脉冲电磁波，经过地下地层或目的体反射后返回地面，为接收天线所接收。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态的变化而变化。因此，根据接收到波的旅行时间、幅度与波形等资料，可探测地下介质或目标体的结构、构造及目标体的埋藏深度等。地质雷达系统的基本组成部分及工作原理如图1、图2所示。

图1 地质雷达系统组成及现场使用仪器 图2 地质雷达系统工作原理

图3 柏岭寺隧道地质雷达测线布置示意图

地质雷达将高频电磁波以宽频带短脉冲形式，由地面天线送入目标体，经地下地层或目标体反射回地面，由另一天线所接收，脉冲波行程需要的时间为:

(1)

当地下介质中的波速v为已知时，可根据测得的t,由式(1)式求得目标体的深度z。速度v的确定可采用公式(2)。

(2)

3 隧道超前地质预报方法

柏岭寺隧道，按二级公路标准建设。隧道为单洞双向形式，里程桩号K13+806～K14+845，全长1 039 m。根据勘探资料，在隧道开挖前，先对隧道进行雷达超前预报。测线布置示意图如图3所示。

(1)测线布置。

柏岭寺隧道掌子面上共布置了3条测线：1条水平测线、左侧垂直测线以及右侧垂直测线。

(2)探测结果集分析。

在测试过程中，使用100 MHz的发射天线，可以探测掌子面前方20 m范围内围岩的情况。先沿水平测线自左到右缓慢连续移动发射和接收天线之后，再沿左侧垂直测线先下而上，最后沿右侧垂直测线自下而上。由于主机接收的波受到外界各种因素的波影响，显示出的图像杂乱无章，因此必须经过计算机上的后处理，排除其他波长的影响，只留下100 MHz相邻波段的波，显示出来的图像才是最后得到的结果。隧道K14+172处掌子面处地质雷达扫描图像如图4所示。

图4 隧道K14+172处掌子面地质雷达扫描图像

根据地质雷达波谱图来看，掌子面前方0 m～20 m范围内，即从K14+172至K14+192电磁波反射能量较强，同相轴连续性较差，局部存在较强反射界面，结合地质情况综合分析推测里程段以内的围岩岩性主要为以中风化灰岩为主，局部为散体状-碎块状强风化灰岩，围岩节理裂隙较发育-发育，裂隙间可能存在充填式溶隙,岩体破碎，裂岩体呈散体-碎裂结构多以含粉质粘土全填充-半填充或散体状-碎块状强风化灰岩，容易形成塌腔，15 m～20 m可能会存溶洞，建议提前钻孔，在开挖后长期暴露或施工措施控制不当，在隧道拱部及侧壁易发生掉块、局部小坍塌等地质灾害。

根据预报结果，要求掌子面掘进支护尺寸缩短，后经开挖证实，围岩发育破碎夹层内含土。若不调整施工进度，可能会引起坍塌的危险。

4 结 语

(1)柏岭寺隧道施工过程中，地质雷达检测很好地探明了前方的地质情况，根据探测的地质情况及时地制订了相关的措施，保证了隧道的施工安全。围岩侵蚀中山岩为主，局部为散体状-碎块状强风化岩，围岩节理裂隙较发育-发育，隙间可能存在充填式溶隙，岩体破碎，岩体碎裂结构。

(2)公路黄土隧道建设中，在对水的探测预报方面，地质雷达具有很高的准确率，这极大地提高了隧道开挖工作水平。工程实例表明，采用地质雷达预报掌子面前方破碎的不良地质灾害是比较准确和可行的，对保证隧道安全施工具有重要的指导作用。

[1] 夏才初.土木工程监测技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2001:156-162.

[2] 郑文宁.地质雷达在隧道施工短期超前地质预报中的应用[J].公路,2005,(4):191-194.

[3] 代高飞,夏才初,毛海河.地质雷达在隧道超前预报中的应用[J].西部探矿工程，2004,(9):116-118.

[4] 李盼,黄仁东,杨光,等.地质雷达在隧道施工超前地质预报中的应用[J].西部探矿工程，2011,(4):140-144.

[5] 李术才,刘斌,孙怀风,等.隧道施工超前地质预报研究现状及发展趋势[J].岩石力学与工程学报，2014,33(6):1090-1114.

[6] 薛翊国,李术才,苏茂鑫,等.隧道施工期超前地质预报实施方法研究[J].岩土力学,2011,32(8):2416-2423.

[7] 雷坚强,丁彰芳.公路隧道施工监控量测与超前地质预报技术现状及思考[J].现代隧道技术,2013,50(6):32-39.

[8] 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(4):766-772.

Detection Method of Advance Geological Prediction in Bailing Temple Tunnel

FAN Zhanchao, WANG Yuxuan, ZHANG Ru

(Chang′an University, Xi′an 710064, China)

Bailing Temple Tunnel is Located at about 200 meters downstream of the Bailing Temple Reservoir. Bailing Temple Tunnel is the Low Mountain Landform in the Loess Plateau. There may be water-bearing geology, which easily influence the safety of tunnel construction, in Tunnel. In order to ensure the progress and safety of construction, geological forecast on the excavation in the front of the tunnel is done in time. In the paper, working principle of the geological radar and its application in the advanced geological forecasting are introduced, and the geological information and scientific basis, which more accurately to guide the construction, are put forward.

highway tunnel; advanced forecast; geological radar; construction safety

2017-03-30

范占超(1990-)，男，河南平顶山人，在读硕士研究生，主要从事隧道与地下工程方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.005

U451

B

1674-5403(2017)02-0017-03