基于探地雷达的石灰岩地层隧道掌子面地质预测

鲍鑫鑫

(中国建筑材料工业地质勘查中心浙江总队，浙江 杭州 310022)

0 引言

典型岩溶地形下的隧道施工面临着雨水、地下水、空洞等未知地质条件的风险。在岩溶石灰岩中修建隧道经常会导致岩层的潜在过度破坏，并导致受影响区域的破坏[1]。由于工程和地质学家在分析阶段对岩石质量的错误评估以及施工阶段采用的方法不当，由大空洞组成的石灰岩的物理特性容易突然破坏并恶化。在隧道建设项目中，应充分规划和安排在岩石石灰岩中进行实验室和现场测试的考虑[2]。岩溶地区隧道施工中经常遇到的不良地质问题往往是由不同程度的岩溶问题引起的。由于地质条件的复杂性，在勘察设计阶段很难准确识别不良地质体的性质，尤其是深埋隧道的情况[3]。在隧道施工活动开始之前，特别是在岩溶石灰岩地区，重要的是采用风险评估，如隧道掌子面前的地质预测，识别地质反应、岩溶洞穴、破碎带、地下水压力、断层断裂的异常，并将期间可能发生的风险降至最低，隧道施工阶段包括结构坍塌、地下涌水等地质问题。近年来，随着科学技术的不断进步，探地雷达技术被广泛应用于隧道超前地质预报[4]。探地雷达是一种近地表地球物理技术，可以提供地球20 m左右的介电特性的高分辨率图像。这是一种非常有用的技术，它利用通常在16～2 000 MHz频率范围内的无线电波来研究埋在地下水、地下断层和地下洞穴中的结构和特征[5]。探地雷达无需钻孔、探测或挖掘就能产生连续的剖面图或地下特征记录[6]。隧道掌子面前方探地雷达预测结果(短程法)采用基于Q分类系统的地质掌子面测绘方法进行验证，能够识别现场实际地质条件和岩体分类。Q的数值范围从0.001(质量特别差的挤压地层)到1000(质量特别好的岩石)。岩体质量Q是六个参数的函数，每个参数都有一个重要等级，可以通过地表测绘进行估计，并可以在随后的挖掘过程中进行更新[7]。

1 地质背景

以浙江省某隧道为例。如图1所示，其所处位置的岩石包括结晶、硬脆、深色、厚层、不纯的结晶石灰岩，以及由石英岩、石板、碳质页岩、板岩和黑色燧石泥岩组成的次级碎屑相。石灰岩充满了许多天坑、溶解裂缝和空洞，而丘陵则被深深的裂缝纵横交错。该隧道长756 m，穿越岩溶石灰岩丘陵区(典型的岩溶地形和地层，雨水和地下水丰富，岩石地质条件未知)，断面近74 m2。本隧道工程进出口桩号从CH 3+590(出口)开始，至CH 4+346(进口)。

该研究区域的石灰岩由灰色至深灰色的精细结晶型石灰岩组成，薄层不连续，在初步阶段，观察到的岩溶地貌包括天坑、裂缝、洞穴等。由于地质的不确定性，穿越喀斯特石灰岩的施工变得具有挑战性且成本高昂。而且水洞将完全建在地下，可能需要将大量地下水排到地面，这将是施工活动需要克服的一个困难挑战。因此，在施工过程中，利用地质雷达和地质掌子面测绘来预测隧道掌子面前方的地质条件是非常重要的。

图1 隧道的位置和石灰岩

2 研究方法

2.1 探地雷达原理

探地雷达是一种利用电磁波的传播速度和反射脉冲在掌子面前方的传播时间进行地质信息探测的方法。该方法的工作原理是发射天线定向发射高频短脉冲电磁波。电磁波在遇到地层或电性不同的不良地质体时会发生反射或折射，如图2所示。

在隧道地质风险评估方面，采用SIR-3000型100兆赫天线，在隧道掌子面前方进行了探地雷达。使用该预测测试的波长反映了该岩溶石灰岩地层的最大深度为30 m。该方法的测试程序是从隧道面左侧向右侧传输20～30 m范围的波长。使用此方法的起点桩号为CH 3+590至CH 3+610，如图3所示，并持续进行，直到CH 4+346处的隧道终点。收集的数据将由分析软件包进行分析和处理，该软件包使用与该地球物理测量仪器系统匹配的Radan软件。在数据处理过程中，将对基础剖面进行分析。然后根据勘探对象的地质条件、性质和几何特征进行综合分析。这种测试可以预测裂隙岩体，能够通过反射雷达波的异常检测断层分带、溶洞和地下水。最后，准备雷达勘探报告。地质雷达输出提供了基于岩石条件异常的岩石质量初始预测，如断层破碎带、空洞、风化节理裂隙，这些都可能影响岩石质量。它分为4大类，A类、B类、C类和D类，分别代表好、中、差和非常差的状态。这种分类是根据波的频率、振幅和传播时间的结果进行分类的。

图2 探地雷达的原理

图3 对隧道进行探地雷达测试

2.2 地质测绘

地质雷达预测报告将通过地质掌子面测绘进行验证，地质掌子面测绘是在沿着756米隧道长度的一个地点进行的，以便在选择隧道支架之前使用Q值对岩体进行描述和分类。因此，地质测绘是地质描述的基础。通过地质测绘，可以展示场地的实际情况，因为Q值能够真实地描述岩体质量及其稳定性，其中高Q值表示岩石的高稳定性和良好质量。在此阶段，包括覆盖层在内的裸露岩石和土壤也将在测绘过程中进行观察和记录。不同颜色或符号显示的不同岩石类型、主要断层和断裂带也将被记录下来。还将描述地质结构，如层理、褶皱、断层和节理等，同时测量这些结构的倾斜方向。通过以下六个参数成得到地下洞室稳定性Q值。

(1)

RQD为岩石质量指标，从非常差到非常好分为五个等级。Jn代表的节理组数，Jr是节理粗糙度的参数，Ja是基于矿物充填厚度的节理矿化的参数，Jw描述减水系数。SRF描述隧道应力状况的应力降低系数。在收集所有参数后，将该值代入方程(1)以获得Q值，从而基于该值估计合适的支撑。

3 结果与讨论

图4显示了从探地雷达获得的结果，该雷达使用雷达软件在摆动模式下对CH3590至CH3610进行探测，从隧道面开始进入20 m预测，并持续到隧道结束。根据反射波的结果，从CH 3590到CH 3595(图4中的A和B)显示出明显的信号反应，被确定为轻微风化，有一些小的节理裂隙。地质异常表现为电磁波遇到不同介质的水分，发生衍射，振幅增大。当雷达波到达水和围岩之间的界面时，振幅增加。

与此同时，CH3600至CH3605(图4中的C)确定了一个具有强信号反应的地质异常，表现为中等风化，带有节理裂隙，这是由于CH3600至CH3605处整个隧道掌子面区域的电磁波振幅增加，因此预测该结构层填充有少量粘土和水，可能被归类为岩石状况不佳。这是由于当雷达波遇到水时，水的电导率增加，导致高频波的衰减系数和衰减速度增加。因此，雷达波的频率降低。

图4 CH 3590-CH 3610的探地雷达反射波

图5 隧道掌子面地质测绘成果 图6 测绘过程中获得的岩石图像

图7 CH 3550-CH 4346 的隧道剖面图

图8 地质雷达和隧道沿线测绘的岩体等级比较

图5显示了不利地质条件下隧道面的地质测绘结果。根据该位置的地质掌子面测绘，岩石被划分为强-中等风化和部分土壤、弱-中等强度岩石和沿节理局部有空洞的强风化。从该绘图参数获得的Q值为1.98，岩石被分类为低质量岩石，1≤Q<4范围内的C类。图6是从隧道面的实际观察中获得的，清楚地显示了地下水的流入。

图7显示了地质雷达和测绘的结果，以显示隧道断面上任何桩号的岩石等级和分类方法的差异，其中红色代表岩石质量非常差，而橙色代表岩石质量差，黄色代表岩石质量一般。同时，图8显示了从CH 3550到CH 4346的756 m隧道沿线地质雷达和测绘的组合数据的岩体等级与桩号的关系。从数据观察和分析来看，结果显示，在来自地质雷达的224个数据中，有34个被确定为与地质掌子面测绘不兼容。因此，在本案例研究中，15%的地质雷达无法通过参考地质掌子面测绘来确定岩体分类。

4 结语

隧道施工需要考虑几个因素，以最大限度地降低破坏风险，特别是对于可能由空洞和裂缝组成的岩溶石灰岩。因此，包括隧道掌子面超前预报在内的风险评估对于划分施工阶段的风险区划具有重要意义。对于此隧道，地面穿透雷达测试在隧道面之前进行，通过喀斯特石灰岩地层中的反射波范围为20～30 m。然后，在现场每隔3至4米进行一次地质面测绘，以使用显示岩溶表面实际地质条件的Q值系统来确定岩体分类。结果表明：预测方法(地质雷达)和实际方法(掌子面地质测绘)在隧道沿线不会得到完全一致的岩体分类。两种方法的误差百分比为15%。从已进行的分析来看，数据显示当隧道面内部由地下水、粘土、大量节理和空洞组成，会导致地质雷达和地质面测绘在确定岩体分类和质量方面的结果不一致。