基于地质雷达的隧道超前地质预报技术应用研究

黎一禾

(成都工贸职业技术学院 铁道工程学院,四川 成都 611731)

随着我国国民经济的高速发展和西部大开发战略的深入实施,高等级公路在西南山区的建设规模日益扩大,公路隧道数量也越来越多,随着全长10km以上通过复杂地质条件的特长隧道的增多,地层埋深的加深,常会遇到高温、高地应力、瓦斯、高压涌水、岩爆等情况,给设计和施工造成极大困难.为了避免这些地质灾害,超前地质预报就成了隧道施工中不可或缺的内容.目前,在隧道超前预报工作中遇到的主要难点问题是围岩完整情况、瓦斯与涌水预报等[1-2].

渝(重庆)广(四川广安)高速公路华蓥山隧道穿越观音峡背斜,并发育多条断层,地质构造较为复杂,最突出的地质问题不仅包括瓦斯煤层气和涌水问题,还有塌方、软岩变形以及有毒有害气体的监测预报问题[3-5].该隧道的不良地质体类型多、密度大,进行超前预报的难度极大,既有极高的研究价值,又对保障隧道掘进工程的顺利实施具有必不可少的现实意义[6-8].

常见的超前地质预报包括地质调查法、掌子面超前探孔法和地球物理探测法三大类,其中物理勘测方法分为电法、电磁法、地震波法和声波法,以及红外线地下探测法[9-10].地质雷达属于电磁法,适用于探测隐伏断层、破碎带、地下岩溶和洞穴以及地层划分等[11].

本文以华蓥山隧道为研究对象,采用地质雷达测试和掌子面开挖验证相结合的方式对隧道超前地质预报技术进行对比分析,为后续此类隧道施工提供参考.

1 研究区概况

隧址区位于四川盆地川东平行岭谷区的华蓥山山脉中段,山脉呈北东向南西延伸,与构造线的方向一致,地势为中间高,东西两侧低,属中低山地区,地貌以溶蚀-构造岩溶中低山和剥蚀丘陵为主,路线垂直山脉走向[12].隧道全长6.6km,山顶中部主要发育岩溶、槽谷和山地地形.山顶高程973～1385m,两侧洞口附近槽谷底部标高450m左右,相对高差900m左右.岩溶山地以仰天窝至凉帽顶一带为分水岭.地势分别向东和向西倾斜.山顶在红岩乡瓦店村一带形成一条与山谷线走向一致的岩溶槽谷,槽底标高740～760m.

隧址区内露出地层由新至老分别为第四系人工堆积层(Q4q)、第四系全新统崩坡积层(Q4col+dl)、残坡积层(Q4el+dl)、中统雷口坡组(T2l)、下统嘉陵江组(T1j)、飞仙关组(T1f)、二叠系上统长兴组(P2c)、龙潭组(P2l)、下统茅口组(P1m)、栖霞组(P1q)、石炭系中统黄龙组(Ch)、志留系中统韩家店组(Ssh)、下统小河坝组(Sx)和龙马溪组(S1l)[13].对线路方案影响较大的地下水有岩溶水、老窑水和基岩裂隙水.受构造及隔水层影响,隧址区存在多个独立的岩溶水文单位,彼此联系较差.煤矿巷道开挖、坍塌、堵塞,在采空区范围内积攒老窑水,与其他地下水存在一定联系.

隧址区主要的不良地质现象有岩爆、崩塌落石、岩体破碎、岩溶(水)、采空区、瓦斯和硫化氢有害气体及高地应力等.特殊岩土主要为矿渣(人工弃土).隧道施工期间应做好隧道涌水的施工预案,并做好有毒气体监测工作,隧道应加强通风工作,确保隧道施工安全.

2 地质雷达探测

2.1 地质雷达工作原理

地质雷达(Ground Penetrating Radar, GPR)作为一种先进的地下探测设备,其核心组成包括主机、天线及配套软件,主要利用高频电磁波技术来深入探测和分析地下结构与目标.在操作过程中,发射天线向地下介质发射高频电磁波,当电磁波遭遇电性差异显著的介质时,会产生反射波,随后由接收天线捕获并进行数字化记录,如图 1所示.

图1 地质雷达工作原理及其基本组成示意图

通常情况下,地质雷达采用剖面法进行检测,将固定间距的天线沿预设测线移动,并结合实时或后期处理软件,绘制地质雷达时间剖面图像,以此来直观展示地下目标和界面的分布状况.反射波的信息以图像形式呈现,其中横坐标记录天线在测线上的位置,纵坐标显示反射波的双程旅行时间,如图 2所示.通过对收集到的时域波形数据以及波形图的深入分析,可以推断出地下异常体的位置、材质属性和埋深.地质雷达技术的核心优势体现在其快速、高精度且无破坏性的特点上,特别适用于地质灾害预警、隧道施工等领域的实时监测与评估.在实际工程应用中,地质雷达能够有效识别隧道掌子面前方围岩的状况,为施工单位提供重要的数据支持.地质雷达通常在106～109Hz的频率范围内运作,依赖于目标介质内的电性差异产生强烈的反射信号.由于其快速便捷、探测精度高以及对原物体无破坏作用的特点,地质雷达在铁路、公路和水利质量检测领域已得到广泛的认可和应用,成为现代地球物理探测方法的重要组成部分[14].

图2 地质雷达反射测试系统及反射剖面示意图

2.2 现场工作测线布置

探测工作现场位于华蓥山公路隧道的出口右线,隧道断面高9m,宽12m.探测工作采用GSSI公司SIR～4000 主机和100 MHz 屏蔽天线组成的地质雷达探测系统.在掌子面布设横向①和②两条测线进行探测,测线长11m,高1.5m.现场实际测线布置示意如图 3所示.

图3 地质雷达探测测线布置示意图

2.3 超前地质预报内容

开挖前对地质情况的了解,对于隧道建设有着十分重要的作用.通过超前预报,及时发现异常情况,预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性,为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据,并为预防隧洞岩爆、涌水、瓦斯沼气等可能形成的灾害性事故及时提供信息,保证施工安全.隧洞施工超前预报的内容一般包括:不良地质预报及灾害地质预报、水文地质预报、断层及其破碎带的预报、围岩类别及其稳定性预报等.

华蓥山隧道伴随爆破开挖施工可能产生的变形或隐患很多,包括断层和背斜破碎带塌落、软弱岩体、溶洞塌方、煤矿采空区等;隧址区地下水丰富,存在溶洞、岩溶突水突泥的可能.本文中对华蓥山隧道超前预报的主要内容为:岩体破碎程度预报、隧道涌水(地下水发育)以及围岩稳定性的预报.

3 结果及分析

根据华蓥山隧道工程地质与水文地质条件、对施工安全影响程度和对环境影响程度等因素,利用地质雷达对华蓥山某隧道出口右线K11+401、K11+426和K11+451总计3处的隧道掌子面开展超前地质预报,将地质雷达监测图像与开挖后掌子面实际情况进行对比分析.

图4为探测范围K11+401～K11+371,总长度30m的探测图像.a为①测线探测图像,探测方向为从左至右;b为②测线实测图像,方向为从右向左.根据地质雷达沿测线移动实时收集电磁波反射信号,若反射信号强度均匀,说明围岩较完整,厚度均匀,若局部反射信号明显增强,说明该段有岩体破碎或地下水发育等情况.由图可知该掌子面后测段所收集到的电磁波反射强度总体一般,中段局部较强,可认为该30m段岩体呈薄层～中厚层状,岩体较完整～较破碎,总体呈层状、块状,节理裂隙较发育.其中在K11+386～K11+376总计10m的范围内岩体较破碎,软弱夹层、溶隙、溶腔较发育.该测试段地下水弱～较发育,主要以点滴状或线状产出,围岩整体稳定性较好.

K11+401～K11+371段开挖揭示以灰色灰岩为主,如图 5所示,节理裂隙较发育,方解石充填,岩体破碎～较完整,软弱夹层较发育,地下水弱～较发育.

图5 K11+401掌子面开挖照片

图6为探测范围K11+426～K11+396,长度30m的探测图像.由图可知该测段电磁波反射一般,局部较强,分析认为该段总体呈薄～中厚层状,岩体较破碎,呈碎裂状、块状,节理裂隙和软弱夹层均呈现较发育.其中在K11+426～K11+416这10m段内岩体破碎,软弱夹层较发育,节理裂隙和地下水较发育,地下水主要以点滴状或线状产出,围岩整体稳定性较差～较好.

K11+426～K11+396段开挖揭示以灰色灰岩、暗红色砂岩为主,如图 7所示,节理裂隙较发育～发育,填充物主要为方解石和泥质,岩体破碎,软弱夹层和地下水均较发育.

图7 K11+426掌子面开挖照片

图 8为探测范围K11+451～K11+421,长度30m的探测图像.由图可知该测段电磁波反射较强.电磁波信号反应了该30m段岩体碎裂、破碎,总体呈薄～中厚层状,节理裂隙发育,软弱夹层和地下水较发育,其中地下水主要以点滴状或线状产出,开挖后易出现掉块,整体围岩稳定性差.

K11+476～K11+451段开挖揭示以灰色灰岩、暗红色砂岩为主局部夹黑色页岩,如图 9所示,节理裂隙较发育～发育,方解石、泥质充填,岩体破碎,软弱夹层较发育,地下水弱发育.

图9 K11+451掌子面开挖照片

4 结论

华蓥山隧道地质条件复杂,地质灾害种类多、风险大,必须采取多种手段复合的地物整合预报.本文基于地质雷达技术,对华蓥山脉某隧道出口右线K11+401、K11+426和K11+451总计3处隧道掌子面开展超前地质预报.通过数据处理和图像输出对探测段内的岩体破碎程度、岩体结构、节理裂隙和地下水发育程度进行了预测和分析,并将预测推断结果与开挖后掌子面实际情况进行对比分析,得出以下结论:

(1)地质雷达能有效、清晰地探明隧道内岩体破碎情况,节理裂隙、软弱夹层和地下水的发育情况,以及整体围岩稳定性.

(2)结合开挖断面,地质雷达技术能够可靠、快速、准确地应用在山岭隧道的超前地质预报工作中.

(3)建议后期同类型的山岭隧道在施工开挖时遵循短进尺、弱爆破的原则,注意拱顶掉块、坍塌以及岩体沿不利结构面滑塌,做好排险、防护等工作.

(4)在施工过程中监控量测及时跟进,掌握监控隧道拱顶下沉、周边收敛等变化情况,并根据实际情况及时对施工方法和支护参数进行调整,以保证施工安全与工程质量.