中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
隧道地質(zhì)條件非常復(fù)雜，施工中常遇有不確定的地質(zhì)因素，容易造成各種突發(fā)事故，應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，可以防止和減少突發(fā)事故的出現(xiàn)，確保施工質(zhì)量和安全。本文針對巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)進(jìn)行了探討，其中主要分析了地質(zhì)雷達(dá)法的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：巖溶隧道；超前地質(zhì)預(yù)報；技術(shù)；地質(zhì)雷達(dá)法
前言
隨著經(jīng)濟(jì)水平以及科學(xué)技術(shù)的增強(qiáng)，地鐵包括隧道等一系列地下工程也得到了相應(yīng)的進(jìn)步，由于隧道的地質(zhì)條件非常復(fù)雜，所以，在施工過程中應(yīng)用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)非常重要。
1超前地質(zhì)預(yù)報的目的
（1）復(fù)查隧道地質(zhì)情況，以便更好的指導(dǎo)隧道施工。
（2）降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的機(jī)率和危害程度。
（3）為優(yōu)化工程設(shè)計提供依據(jù)。
（4）保障施工安全，預(yù)防質(zhì)量事故和安全事故的發(fā)生。
（5）為編制竣工文件、繪制竣工圖提供依據(jù)和相關(guān)資料。
2超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)的方法
目前，人們普遍都很關(guān)注隧道超前地質(zhì)預(yù)報問題，其預(yù)報技術(shù)和方法也非常多，各種方式都具有其自身的特征，怎樣得到更加準(zhǔn)確合理的預(yù)報結(jié)果，關(guān)鍵是要按照地質(zhì)條件和環(huán)境使用相應(yīng)的預(yù)報方法。巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報是以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，采用鉆探法、物探法相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方法。
2.1地質(zhì)調(diào)查法
地質(zhì)調(diào)查法是一種傳統(tǒng)的、實用和基本的超前地質(zhì)預(yù)報方法，具有綜合和指導(dǎo)其它預(yù)報方法的作用。此種方法操作非常簡單，對施工不會造成很大影響和干擾，可是其適用范圍非常有限，一般多用在埋深淺并且地質(zhì)條件簡單的隧道，準(zhǔn)確性非常高。如果隧道構(gòu)造非常復(fù)雜或者屬于深埋性，那么這個方法操作難度非常大，只能進(jìn)行定性分析，所得結(jié)果準(zhǔn)確性有所欠缺。
2.2物探法
（1）地震波反射法（TSP）
TSP技術(shù)是通過事先在隧道里使用小量炸藥，把其用作震源，當(dāng)震源傳出的地震波遇到節(jié)理面和地層界面時，會有相應(yīng)的反射波存在，而有關(guān)界面產(chǎn)狀以及其性質(zhì)關(guān)系到反射波的傳播方向、波形、速度、延遲時間等。通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)收集和處理，然后實施計算，最后形成能夠體現(xiàn)地質(zhì)體或者界面狀況的平面圖、隧道剖面圖以及地震記錄圖。
（2）地質(zhì)雷達(dá)法
地質(zhì)雷達(dá)法指的是通過應(yīng)用連續(xù)掃描電磁波反射曲線疊加法，經(jīng)過在隧道掌子面前方電磁波的反射和傳播，利用所測反射脈沖波實施反射面和隧道掌子面間的距離計算。由于電磁波對水十分敏感，所以在斷裂帶，特別是破碎帶或者含水帶，地質(zhì)雷達(dá)識別能力非常高。但這種方法也有一定的不足存在，其探測距離相對非常短，并且極易遭受隧道內(nèi)機(jī)電設(shè)備和金屬的影響、干擾，最終影響到探測的精度。本文主要針對地質(zhì)雷達(dá)法的應(yīng)用進(jìn)行深入的討論。
（3）紅外探測法
紅外探測法主要適用于定性判斷探測點前方有無水體存在及其方位，不能定量給出水量大小等參數(shù)，每25m一次，一次范圍為30m，兩次重疊長度應(yīng)在5m以上。
2.3鉆探法
（1）加深炮孔
加深炮孔是利用風(fēng)鉆或鑿巖臺車等在隧道開挖面鉆小而淺的孔獲取地質(zhì)信息的一種方法，各種隧道的地質(zhì)探測均適用，特別適用于巖溶發(fā)育區(qū)。加深炮孔不得在爆破殘眼中實施，其孔徑宜與爆破孔相同，孔深較爆破孔加深3m以上。孔數(shù)、孔位應(yīng)根據(jù)開挖斷面大小和地質(zhì)復(fù)雜程度確定，在復(fù)雜地段根據(jù)具體情況適當(dāng)增加加深炮孔的孔數(shù)。
（2）超前鉆孔
超前鉆孔就是要通過鉆孔來探明開挖面前方有無不良地質(zhì)和特殊巖土及其發(fā)育情況，有無斷層破碎帶及其發(fā)育規(guī)模，有無發(fā)生突水、突泥的可能，以及其它特殊目的探測。根據(jù)探測目的，盡可能采用沖擊鉆，必要時采用回轉(zhuǎn)取芯鉆。地質(zhì)情況的判別要根據(jù)鉆進(jìn)的速度、卡鉆情況、鉆桿震動情況、回轉(zhuǎn)取芯的巖芯、沖擊鉆產(chǎn)生的巖粉、沖擊器工作時的聲響等來判斷。
3超前地質(zhì)預(yù)報中應(yīng)該注意的問題
3.1物探的前提
由于巖溶隧道中出現(xiàn)的不良地質(zhì)體，例如溶蝕裂隙帶、溶洞和富水巖溶管道等，和周圍介質(zhì)存在明顯的介電常數(shù)差異，進(jìn)而在雷達(dá)剖面上形成明顯的雷達(dá)異常反射信號。通過分析異常信號特征，實現(xiàn)對隧道掌子面前方不良地質(zhì)體性質(zhì)的判釋。
3.2適用的條件
盡管地質(zhì)雷達(dá)法廣泛應(yīng)用于巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報中，但其并不是在任何情況下都能適用并取得好的探測效果，其關(guān)鍵的兩個電性參數(shù)為介質(zhì)的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率。巖溶隧道超前探測中，圍巖的含水情況對介質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率影響較大。所以，一般情況下，在電導(dǎo)率較小的灰?guī)r隧道掌子面上探測，地質(zhì)雷達(dá)法能獲得更遠(yuǎn)的探測距離，從而優(yōu)于其它短距離超前預(yù)報方法。反之，地質(zhì)雷達(dá)探測距離受限，效率不高。
3.3測線布置和數(shù)據(jù)采集模式
原則上，隧道掌子面地質(zhì)雷達(dá)測線的布置采用“#”或“豐”字形。然而，當(dāng)隧道采用臺階法開挖或預(yù)留核心土開挖時，測線的布置受隧道空間位置和現(xiàn)場條件的限制，變得相對艱難。即使如此，地質(zhì)雷達(dá)探測應(yīng)在掌子面至少布置2條水平測線，增大探測范圍和驗證雷達(dá)異常。必要的時候，應(yīng)在隧道兩側(cè)邊墻部位適當(dāng)距離范圍內(nèi)增加測線。
隧道掌子面較平整時，多采用連續(xù)掃描的測量方式。當(dāng)掌子面平整度較差時，多通過點測方式（測點間距應(yīng)控制在10～20cm）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。綜合考慮雷達(dá)探測效果、可實施性和安全等因素，數(shù)據(jù)采集宜采用點測和連續(xù)掃描測量相結(jié)合的方式進(jìn)行。
3.4參數(shù)的選擇
隧道掌子面地質(zhì)雷達(dá)探測中，為獲得較大的探測深度（距離），一般使用中心頻率為100MHz或低于100MHz的天線?，F(xiàn)場具體工作中，常使用中心頻率100MHz的屏蔽天線。
時窗的選擇，一般可根據(jù)電磁波探測目標(biāo)體的最大距離雙程走時的1.2～1.3倍確定。目前，業(yè)內(nèi)人士多采用600～700ns的時窗設(shè)置。然而，在含水量較豐富的掌子面探測時，電磁波有效反射信號多在200ns以內(nèi)，時窗設(shè)置為600～700ns則不適宜。所以，為保證探測效果，讓大部分電磁波有效信號顯示在采集界面窗口中，時窗的設(shè)置要根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)試而確定，不要受“固定思維模式”的影響，為了出具長距離的技術(shù)報告而忽略了雷達(dá)數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。
3.5資料的后處理
完整的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理流程較多。然而，實際操作過程中，數(shù)據(jù)處理流程并不是一成不變的。正如之前所述，雷達(dá)測線受隧道空間位置和現(xiàn)場條件限制，往往測線長度較短，單洞雙線鐵路隧道跨度不過十幾米，輔助坑道則只有幾米，測量剖面獲取的雷達(dá)信號相對較少。固定的處理流程，可能會造成雷達(dá)剖面有效信息的過多丟失，不便于資料解譯。所以，數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)盡量保持原始數(shù)據(jù)原貌特征。
4典型實例和圖像特征分析
4.1完整巖體雷達(dá)圖像
掌子面較完整的灰?guī)r，巖體均一性較好，介電常數(shù)差異很小。電磁波在巖體中傳播時，能量衰減緩慢，雷達(dá)反射波強(qiáng)度很弱，沒有明顯的反射界面。雷達(dá)圖像中反射波形特征表現(xiàn)為：波形均勻且低幅高頻，僅在局部存在稍強(qiáng)反射亮點，如圖所示。
4.2溶蝕裂隙帶雷達(dá)圖像
溶蝕裂隙中或為空氣、泥質(zhì)等方式填充，巖體均一性差，介電常數(shù)差異較大。電磁波傳播中遇到溶蝕裂隙帶時，能量衰減較快，特別是高頻部分，增強(qiáng)了雷達(dá)反射波振幅且具有很大的變化，波形均一性差，同相軸斷斷續(xù)續(xù)不連續(xù)。電磁波在溶蝕裂隙帶內(nèi)產(chǎn)生的反射、繞射和散射等，使得雷達(dá)反射信號波形非常雜亂，并且同相軸連續(xù)性很差，反射波頻率成分復(fù)雜。如圖，其中虛線區(qū)域表示溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)。
4.3溶洞雷達(dá)圖像
溶洞的雷達(dá)圖像特征跟溶洞形態(tài)、規(guī)模有關(guān)。在空溶洞的地質(zhì)模型上電磁波衰減相對較緩，溶洞邊界處常形成強(qiáng)烈的高頻反射波，且伴隨雙曲線形態(tài)的反射波組出現(xiàn)。由于在溶洞體內(nèi)幾乎沒有反射信號，溶洞的前界面位置容易確定，但溶洞的后界面不易識別。下面第一張圖中，電磁波在掌子面前方約370ns處形成連續(xù)的強(qiáng)烈反射界面，溶洞的前界面容易識別，但溶洞的后界面不易確定。綜合上述圖像特征，判釋為空溶洞（溶縫）。下面第二張圖中，電磁波在掌子面前方約210ns處形成2個強(qiáng)烈的雙曲線形反射界面，雙曲線頂端開口平緩，顯示溶洞規(guī)模較大。類似前面所述圖像特征，判釋為大型空溶洞或溶洞群。如圖。其中虛線表
4.4富水巖溶管道雷達(dá)圖像
灰?guī)r地層中巖溶發(fā)育強(qiáng)烈時，巖溶的發(fā)育已成規(guī)模，隧道開挖過程中，可能遇到已形成的較為大型的巖溶暗河和管道等。由于圍巖中富含水，電性差異大，電磁波衰減快，雷達(dá)反射波形成強(qiáng)烈的低頻反射。如下圖所示，電磁波在掌子面前方約300ns之后的反射波波形寬闊，振幅強(qiáng)烈，表現(xiàn)為強(qiáng)烈的低頻反射振蕩信號（虛線區(qū)域所示），判釋為巖溶管道富水區(qū)域。
5超前地質(zhì)預(yù)報注意事項
（1）施工過程中應(yīng)遵循動態(tài)調(diào)整原則，根據(jù)具體掌子面的開挖地質(zhì)情況和超前地質(zhì)預(yù)報成果，及時調(diào)整超前地質(zhì)預(yù)報方法和技術(shù)。
（2）施工中應(yīng)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報的結(jié)果，進(jìn)行綜合分析研究，制定相應(yīng)的工程預(yù)案。
（3）由于巖溶隧道部分地段穿越可溶巖地層，隧道開挖后，仰拱施作前應(yīng)對隧道基底隱伏巖溶進(jìn)行探測，并根據(jù)探測結(jié)果采取合理可行的處理措施。
6結(jié)論
（1）超前地質(zhì)預(yù)報中，適當(dāng)決定數(shù)據(jù)的采集方式和設(shè)置時窗，優(yōu)化數(shù)據(jù)后處理過程，能最大程度發(fā)揮地質(zhì)雷達(dá)的有效性。
（2）溶蝕裂隙帶的雷達(dá)圖像特征主要為波形均一性差，同相軸斷斷續(xù)續(xù)，振幅增強(qiáng)且變化大。溶洞的雷達(dá)圖像特征主要為溶洞邊界處常形成強(qiáng)烈的高頻反射波，且伴隨雙曲線形態(tài)的反射波組。富水巖溶管道的雷達(dá)圖像特征主要為低頻強(qiáng)烈反射，信號衰減快。進(jìn)行雷達(dá)圖像中波形、頻率、振幅和信號能量衰減等特點的對比分析。
7結(jié)語
隧道巖溶問題是隧道施工過程中的突出問題。在隧道工程中利用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，利用各種手段和技術(shù)預(yù)報隧道掌子面前方地質(zhì)狀況，能夠保障順利完成隧道的施工和安全，在一定程度上還能夠防止影響和破壞周圍的生態(tài)環(huán)境。
