武隆隧道不良地质超前探测预报研究

武隆隧道不良地质超前探测预报研究

孙立东　吴万佳　王心飞

（重庆高速公路发展有限公司南方建设分公司　重庆　400067）

摘　要　隧道不良地质超前探测技术方法主要包括综合地质方法、工程物探方法、数值分析方法等，其中工程物探方法是一种重要的探测方法。本文结合武水高速公路武隆隧道建设实践，在施工过程中应用地质雷达和多波工程地震仪对隧道不良地质进行了超前探测，得到了比较满意的结果，有效地指导了施工。

关键词　隧道　不良地质　超前探测

1　前　言

我国西南地区多为山区或重丘区，地质条件复杂，在山岭高速公路隧道建设中经常遇到岩溶、高地应力、松散地层、膨胀地层、断层、岩爆、流沙等不良地质和特殊地质问题。为确保施工安全，保证施工进度和质量，必须对不良地质和特殊地质进行超前探测预报研究。纵观国内外研究成果，隧道不良地质超前探测技术方法主要包括综合地质方法、工程物探方法、数值分析方法等。

正在建设中的武隆隧道是武水高速公路建设中的控制性工程，地质条件较为复杂。据工程地质详勘资料，武隆隧道左、右线IV＋V级围岩分别占隧道总长度的50%以上；预测涌水量为1 500 m³/d（右线）～1 700 m³/d（左线），特别是由相对隔水的T₂ l²及T₃ xj¹地层进入T₃ xj富水岩层时，可能产生突发性的涌水；在施工中，有遇煤线变厚、变密的可能。在施工过程中发现，隧道围岩类别有进一步恶化的趋势。

工程物探方法是隧道不良地质和特殊地质超前探测预报的重要方法。在武隆隧道施工过程中，课题组结合工程地质分析，进行了地质雷达和多波工程地震超前探测预报研究。

2　地质雷达和多波工程地震仪探测原理

2．1　地质雷达工作原理

地质雷达是一种电磁探测技术，它利用主频为数十兆赫至千兆赫波段的电磁波，以宽频带短脉冲的形式，由地面通过天线发射器（T）送至地下，经地下目的体或地层的界面反射后返回地面，为雷达天线接收器（R）所接收，通过对所接收的雷达信号进行处理和图像解译，达到探测前方目的体的目的。地质雷达的工作原理如图1所示。

雷达脉冲波的行程方程为：

式中，t为脉冲波走时（ns，1 ns＝10^－9 s）；z为反射体深度（m）；x为T与R的距离（m）；v为雷达脉冲波速（m/s）。

图1　地面地质雷达工作原理示意图

地质雷达的天线发射及接收器有单置式和双置式之分，单置式为发射与接收器同置一体，双置式为发射与接收分体。

2．2　多波工程地震仪工作原理

多波工程地震仪测试方法有自激自收（反射波）法和瑞雷波法两种。自激自收法和地质雷达的探测方法相近，是零（或极小）偏移距状态下的反射波法探测。由震源激发的地震波在向下传播时，当遇到不同的波阻抗界面，如空洞、断层破碎带和岩性界面等，就会在界面上发生反射，其反射系数R_n为：

式中，ρ_n，ρ_n－1表示第n层和n－1层介质的密度；V_n，V_n－1表示两层介质中地震波传播的速度。从公式中可以看出，当R_n≠0时，即ρ_n V_n≠ρ_n－1 V_n－1，在该界面就会产生反射，R_n越大，反射信号能量越强。自激自收反射波法探测就是基于这一原理，通过激发和接收地震反射波信号来研究各种地质现象。

瑞雷波法是一种利用瑞雷波的运动学特征和动力学特征来进行工程质量检测及工程地质勘察的物探方法。在自由界面上进行竖向激振时，均会在其表面附近产生瑞雷波。瑞雷波有3个与工程质量检测有关的主要特征：一是，在分层介质中，瑞雷波具有频散特性；二是，瑞雷波的波长不同，穿透深度也不同；三是，瑞雷波的传播速度与介质的物理力学性质密切相关。瑞雷波能量主要集中在地表下一个波长的范围内，而传播速度代表着半个波长（λ_R/2）范围内介质震动的平均传播速度。因此，一般认为瑞雷波法的测试深度和波长密切相关，而波长与速度及频率有如下关系：

设瑞雷波的传播速度为V _R，频率为f _R，则瑞雷波的波长λ_R为λ_R＝V _R/f _R，当速度不变时，频率越低，测试深度就越大。

图2　雷达测线布置图

瑞雷波波速V _R与横波波速V _S具相关性。在岩石中，V _R≈0．90～0．95V _S，故可以利用V _R与反射波波速联合求解岩层的岩土力学参数。

3　隧道不良地质超前探测

3．1　地质雷达探测

3．1．1　测线布置

根据掌子面的实际情况，探测中应用双置式天线，采用十字方式布置测线，如图2所示。

3．1．2　探测结果及分析

在测试过程中，先沿横向测线1自左到右缓慢连续移动发射和接受天线，之后再自右向左移动。在纵向上，沿每一条测线先自下而上，再自上而下进行探测。隧道左线掌子面ZK9＋800地质雷达扫描图象如图3所示，其中left1是沿测线1自左向右连续扫描结果，left2是沿测线1自右向左扫描的结果。

图3　左隧道掌子面地质雷达扫描图

从图3可以看出：

①在测试断面前方50m范围内存在3个电磁波突变带，既存在3个介电常数异常界面，其分布深度分别在探测时间深度200 ns（电磁波在岩体中的传播速度一般为0．1～0．12 m/ns）（深度约为11m（ZK9＋811）），300 ns（深度约为16 m（ZK9＋816）），500 ns（深度约为28 m（ZK9＋828））处。结合施工隧道区域地质情况，认为在施工前方的岩石夹层较多，岩性变化较大。

②超前探测对象对雷达波的吸收作用明显，表明部分夹层岩体较为破碎。

③从整个地质雷达的探测图象分析，探测断面前方50 m范围内出现大的不良地质问题的可能性较小。

右隧道掌子面YK9＋574地质雷达扫描图象如图4所示，其中right1是沿测线1自左向右连续扫描的结果，right2是沿测线1自右向左扫描的结果。

图4　右隧道掌子面地质雷达扫描图

从图4可以看出：

①在探测时间深度360 ns（深度约为20 m（YK9＋594））出现明显的电磁波反射能量突变界面，其原因是由于岩性变化的结果。其余部分也出现局部夹层反射，但不连续。这表明探测前方50 m范围内的岩石以破碎为主，岩性纵向变化平缓，而横向有一定的起伏变化。

②从整个地质雷达的探测图象分析，探测断面前方50 m范围内出现大的不良地质问题的可能性较小。

图5　掌子面测线布置示意图

3．2　多波工程地震探测

3．2．1　测线布置

根据掌子面的实际情况，测线布置如图5所示。声波探测时，偏移距和道间距均为1 m，每次使用2个检测器。

3．2．2　探测结果及分析

左线掌子面ZK9＋794共布设反射波水平测点24个，瑞雷波水平测点12个。隧道反射探测波形如图6和图7所示。在图6中，横坐标代表时间，单位为ms，纵坐标代表工作时地震波激励次数（共12次）。

图6　隧道左洞反射探测波形

图7　隧道左洞反射探测的叠加波形及其综合解析

图6和图7显示隧道左洞探测断面前方可能存在5个波形变化较强烈的界面，对应于5个相应的岩性变异界面，各界面反射波时间分别为：13．2，24．4，36．0，56．4，79．4 ms。若取波速为2 500m/s，2 800m/s……，则各界面对应的深度为：22．5m（ZK9＋816．5），34．16m（ZK9＋828．16），54．0 m，84．6 m，119．1 m。可以看出，地质雷达探测的第二界面（ZK9＋816）、第三界面（ZK9＋828）与反射探测的第一界面（ZK9＋816．5）、第二界面（ZK9＋828．16）基本吻合，误差为0．5 m和0．16 m，地质雷达探测的第二界面在反射探测中无反映。在开展岩体声波波速测试的条件下，可进一步减小误差。

图8　隧道左洞瑞雷波勘探特征频散曲线

隧道左洞瑞雷波探测特征频散曲线如图8所示，在探测前方约5 m，即ZK9＋805处出现瑞雷波波速降低带，说明可能存在一个松散的岩性界面。其后的施工结果验证了这一结论。

右线掌子面YK9＋567共布设反射波水平测点28个，垂直测点12个；瑞雷波水平测点13个，垂直测点6个。隧道反射探测波形如图9和图10所示。其中图9波形图中前6个通道为垂直测试的结果（共12个测点）。从反射波波组综合特征看，隧道右洞掌子面前方岩性变化界面分布不明显，在8．8 ms处的弱反射表现为纵测线与水平测线不太吻合，故可靠性不高，在18．6 ms处存在一个弱界面反射波组。

图9　隧道右洞反射探测波形

图10中显示的距离为波速取值3 000 m/s时的解析结果，探测前方27．9 m（RK122＋594．9）处有一弱界面，与地质雷达探测误差为0．9 m。总体分析认为隧道右洞掌子面前方的反射波组以软硬夹层的反射扰动为主，不发育明显强反射界面。

隧道右洞瑞雷波探测特征频散曲线表明：

①探测断面前方10 m范围内瑞雷波变化比较平稳，无明显的突变段，表明在此范围内没有岩性突变面和构造面。

②瑞雷波波速在略小于2 000 m/s范围内波动，说明探测断面前方10 m范围内的岩层岩性变化不大。

图10　隧道右洞瑞雷波勘探特征频散曲线

总之，从左右隧道探测断面的超前探测结果来看，探测断面前方一定范围内无大溶洞和大型断裂等严重地质构造存在，只存在岩性变异界面。这有效地指导了施工，保障了施工进度和质量。

4　结　论

复杂地质条件隧道施工过程中，在加强工程地质分析的同时，应该结合工程物探法对隧道不良地质进行超前探测预报研究，及时、有效地指导施工。地质雷达和多波工程地震仪是目前隧道不良地质超前探测研究的有效方法之一。一般来讲，地质雷达探测范围较小，精度较高；多波工程地震仪探测范围较大，精度差别也很大。如果二者相互结合，不仅扩大了探测范围，而且探测结果可以相互验证，可得到比较正确的结论。

参考文献

［1］万千里．地质雷达探测在大茅左隧道施工中的应用［J］．公路，2002（12）．

［2］吴永清，何林生．地质雷达在公路隧道的应用［J］．广东公路交通，1998．

［3］高才坤，郭世明．采用地质雷达进行隧道掌子面前方地质情况预报［J］．水力发电，2000（3）．