超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在小斷面隧道施工中的應(yīng)用

1、<p>　　超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在小斷面隧道施工中的應(yīng)用</p><p>　　摘要：作為隧道監(jiān)控量測(cè)的重要組成部分，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要是在隧道施工過程中，根據(jù)巖土工程勘察及設(shè)計(jì)資料和已經(jīng)揭露的地質(zhì)情況，采用儀器設(shè)備和地質(zhì)數(shù)學(xué)方法，對(duì)隧道掌子面前方一定范圍內(nèi)圍巖級(jí)別變化、不良地質(zhì)做出預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)的結(jié)果優(yōu)化方案并指導(dǎo)施工，有效的控制災(zāi)害。本文以西氣東輸三線東段管道隧道工程為例，對(duì)超前預(yù)報(bào)中地質(zhì)雷達(dá)在小斷面隧道施工中

2、的應(yīng)用做了闡述。 </p><p>　　關(guān)鍵字：地質(zhì)雷達(dá) 管道隧道 超前地質(zhì)預(yù)報(bào) 地質(zhì)構(gòu)造 </p><p>　　中圖分類號(hào)：F407.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p><b>　　1、前言 </b></p><p>　　超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)出現(xiàn)在上個(gè)世紀(jì)中后期，是工程地質(zhì)的一個(gè)分支，我國(guó)從上個(gè)世紀(jì)70年代后

3、期逐漸開始重視這一方面的研究和應(yīng)用。進(jìn)人21世紀(jì)，伴隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的啟動(dòng)，隧道工程也明顯增多。由于隧道長(zhǎng)度、埋深等各方面因素的影響，地質(zhì)條件越趨復(fù)雜，隧道施工中遇到的問題也會(huì)相應(yīng)地增多，不可預(yù)料的地質(zhì)災(zāi)害如突泥、突水、塌方等成為困擾工程施工的主要難題。近十幾年來，隧道施工技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，為了保證在隧道施工時(shí)的安全和高效，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究及應(yīng)用工作顯得越來越重要。 </p><p>　　2、 隧道超前

4、地質(zhì)預(yù)報(bào)（地質(zhì)雷達(dá)）的主要內(nèi)容 </p><p>　　根據(jù)工程所處的地質(zhì)環(huán)境，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（地質(zhì)雷達(dá)）的主要內(nèi)容包括： </p><p>　?。?）預(yù)報(bào)掌子面前方的圍巖級(jí)別與設(shè)計(jì)是否吻合，并判斷其穩(wěn)定性，提供修改設(shè)計(jì)參數(shù)、調(diào)整支護(hù)類型、確定二次襯砌施做時(shí)間的建議等； </p><p>　?。?）預(yù)報(bào)前方可能出現(xiàn)塌方、滑動(dòng)的部位、形式、規(guī)模及發(fā)展趨勢(shì)； </

5、p><p>　?。?）預(yù)報(bào)圍巖裂隙發(fā)育狀態(tài)，可能出現(xiàn)突然涌水的地點(diǎn)、涌水量的大小及對(duì)施工的影響； </p><p>　?。?）對(duì)隧道將要穿過不穩(wěn)定巖層或較大的斷層破碎帶做出預(yù)報(bào)，以便提早改變施工方法，做好應(yīng)急預(yù)案。 </p><p>　　3、 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理 </p><p>　　地質(zhì)雷達(dá)與探空雷達(dá)技術(shù)相似，也是利用高頻電磁脈沖波的反射來探測(cè)目

6、標(biāo)體，是通過對(duì)電磁波在地下介質(zhì)中傳播規(guī)律的研究與波場(chǎng)特點(diǎn)的分析，查明介質(zhì)結(jié)構(gòu)、屬性、幾何形態(tài)及其空間分布特征。 </p><p>　　地質(zhì)雷達(dá)由地面發(fā)射天線T將高頻電磁波（主頻為Hz）以寬頻帶短脈沖形式送入地下，經(jīng)地下目標(biāo)體或不同電磁性質(zhì)的介質(zhì)分界面反射后返回地面，為另一接收天線R所接收，而其余電磁能量則穿過界面繼續(xù)向下傳播，在更深的界面上繼續(xù)反射和折射，直至電磁能量被地下介質(zhì)全部吸收，如圖1所示。 </p

7、><p>　　圖1 反射探測(cè)原理 </p><p>　　根據(jù)圖1，回波走時(shí)（電磁波行程所需時(shí)間）t為： </p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　式中，x為兩天線的間距；z為反射點(diǎn)A的法線深度；v為電磁波在地下介質(zhì)中波速。 </p><p>　　當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速v為已知時(shí)，則

8、可根據(jù)天線間距（已知值）x和雷達(dá)記錄的回波走時(shí)t，由式（1）可求出反射體的埋深。反射體或目標(biāo)體的埋深及其變化，是描述其空間分布最重要的參數(shù)之一，因此也是探地雷達(dá)方法必須獲得的基本數(shù)據(jù)，雷達(dá)所記錄的回波走時(shí)t是從雷達(dá)剖面上讀取的。 </p><p>　　圖2為一地質(zhì)模型及其對(duì)應(yīng)的雷達(dá)記錄（即雷達(dá)剖面）示意圖。設(shè)發(fā)射天線T與接收天線R的中點(diǎn)為記錄點(diǎn)，則測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)的接收天線所接收的反射波均記錄在各自記錄點(diǎn)的下方，從而

9、形成雷達(dá)剖面。在雷達(dá)剖面上，橫坐標(biāo)為測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位，縱坐標(biāo)為雙程走時(shí)，各點(diǎn)的反射均以波的形式被記錄下來。波形的正、負(fù)峰分別以黑、白色表示，或以灰色或彩色表示。這樣，同相軸、等灰度或等色線即可直觀地表示地下反射界面的形態(tài)及深度變化。根據(jù)雷達(dá)圖像上波的傳播時(shí)間和波速資料，經(jīng)時(shí)深轉(zhuǎn)換，便可獲得目標(biāo)體和地層的深度剖面，從而達(dá)到探測(cè)的目的。 </p><p>　　圖2 雷達(dá)記錄示意圖 </p><p>　

10、　4、 地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用實(shí)例 </p><p>　　以西氣東輸三線東段隧道工程項(xiàng)目小池隧道K1+059-K1+038段為例，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)在小斷面隧道施工中的應(yīng)用做一簡(jiǎn)單介紹。 </p><p><b>　　4.1工程概況 </b></p><p>　　西氣東輸三線東段（江西吉安—福建福州）工程起于西二線江西吉安分輸清管站，途經(jīng)江西、福建兩省，終于福建

11、福州末站。沿線穿越長(zhǎng)江中下游流域贛東南水系和東南沿海諸河流域，經(jīng)過贛中丘陵區(qū)、贛南閩西丘陵低山區(qū)、閩東南丘陵臺(tái)地。西三線東段沿線共有52條山嶺隧道穿越工程，其中13條隧道為控制性工程。 </p><p>　　小池隧道為西三線管道專用隧道。隧道位于福建龍巖市小池鎮(zhèn)，進(jìn)口位于小池鎮(zhèn)南山村，出口亦位于小池鎮(zhèn)南山村。隧道水平長(zhǎng)度732.29m，實(shí)長(zhǎng)733.30m，縱向坡度采用“一”字坡設(shè)計(jì)，坡度為5.7%（約3.26o）

12、。隧道洞身凈斷面尺寸為3.2m×4.0m。 </p><p>　　圖3 小池隧道位置圖 </p><p>　　隧道施工過程中防涌水、防塌方是整個(gè)施工的關(guān)鍵問題，整個(gè)隧道施工要始終貫徹超前預(yù)報(bào)。為保證隧道安全施工，及時(shí)了解掌子面前方圍巖巖性及不良地質(zhì)賦存情況，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)于2012年11月24日對(duì)小池隧道出口端掌子面K1+059進(jìn)行了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)，探測(cè)里程為K1+059-K1+03

13、8。 </p><p>　　4.2掌子面揭露情況描述 </p><p>　　通過對(duì)施工揭露的掌子面的觀察，小池隧道掌子面以淺灰色花崗巖為主，節(jié)理裂隙錯(cuò)綜發(fā)育，但無成組現(xiàn)象；圍巖多呈巨塊狀或塊狀，無松散或破碎現(xiàn)象；洞內(nèi)潮濕并伴有滴水， K1+059掌子面照片如圖4所示。 </p><p>　　圖4 小池隧道K1+059里程掌子面揭露圖 </p><

14、p>　　4.3地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法 </p><p>　　本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的地質(zhì)雷達(dá)，X3M主機(jī)；由于隧道空間相對(duì)狹小，且在掌子面附近有作業(yè)臺(tái)車及其它施工機(jī)械，為減小環(huán)境電磁波、增加測(cè)量精度，采用250兆屏蔽天線進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示。本次超前地質(zhì)探測(cè)距離為21m。由于掌子面平整性較差，觸發(fā)方式為點(diǎn)測(cè)觸發(fā)，面向掌子面從左向右測(cè)，測(cè)點(diǎn)間距0.05m，測(cè)線布置如圖6所示。 </p&g

15、t;<p>　　圖5 MALA地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)及其天線圖6 地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)探測(cè)測(cè)線 </p><p>　　4.4地質(zhì)雷達(dá)圖像分析 </p><p>　　小池隧道出口端（K1+059-K1+038段）雷達(dá)探測(cè)剖面圖如圖7所示。 </p><p>　　掌子面前方存在振幅較大的電磁波反射面，且同相軸連續(xù)，說明前方存在明顯的裂隙發(fā)育。整體范圍電磁波反射波形無異常

16、變化，表明前方圍巖巖性相對(duì)均一，無太大異常。從圖中可見，溶洞及破碎反應(yīng)不明顯，大范圍低頻寬幅反射亦不明顯。 </p><p><b>　　4.5結(jié) 論 </b></p><p>　　掌子面前方K1+059-K1+038段范圍內(nèi)存在破碎及斷層帶發(fā)育的可能性小，含大量涌水的可能性亦不大；圍巖較堅(jiān)硬，但存在節(jié)理及裂隙發(fā)育，與已揭露的掌子面相比，圍巖條件變化不大；圍巖含水性一

17、般，存在裂隙水發(fā)育，但大量涌水的可能性很小。 </p><p><b>　　5、結(jié)束語 </b></p><p>　　開挖結(jié)果表明，圍巖變化與預(yù)報(bào)結(jié)果基本相吻合(如圖8所示)，說明采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是十分有效的。作為一種科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃淼辣O(jiān)測(cè)手段，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)小斷面隧道施工進(jìn)行測(cè)試具有以下優(yōu)點(diǎn)： </p><p>　　簡(jiǎn)單，全程測(cè)試只需

18、15分鐘左右即可完成，完全可以做到在不影響施工的情況下進(jìn)行測(cè)試； </p><p>　　經(jīng)濟(jì)，相對(duì)于TSP、水平超前探孔等方案，既可以降低成本，節(jié)省資源；又可以節(jié)省時(shí)間，不影響正常施工； </p><p>　　準(zhǔn)確，能科學(xué)有效地預(yù)報(bào)隧道掌子面前方一定范圍內(nèi)圍巖級(jí)別變化、不良地質(zhì)等情況（測(cè)定范圍與天線有關(guān)）。為施工和設(shè)計(jì)變更提供參考，為人員及工程安全提供保障。 </p><

19、;p>　　圖8 小池隧道出口端K1+040里程掌子面揭露圖 </p><p>　　附圖：地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試流程 </p><p>　　地質(zhì)雷達(dá)組裝地質(zhì)雷達(dá)調(diào)試 </p><p><b>　　地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試 </b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>