引水隧道工程地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用

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隨著我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的不斷發(fā)展，全國(guó)公路隧道的通車(chē)?yán)锍淘谥鹉瓴粩嗯噬?，截止?020年，公路隧道通車(chē)?yán)锍踢_(dá)1.9萬(wàn)km。受工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的影響，尤其是巖溶區(qū)隧道，施工過(guò)程中的涌水、突泥現(xiàn)象造成的破壞力極強(qiáng)，嚴(yán)重影響施工現(xiàn)場(chǎng)的財(cái)產(chǎn)和生命安全。國(guó)內(nèi)某運(yùn)營(yíng)隧道，受強(qiáng)降雨的影響，大量的巖溶地下水將隧道底板連同路面及混凝土仰拱頂托破壞，水流奔涌而出，攜石帶泥，路面一時(shí)如匯集洪流的河道。為了減小地下巖溶水對(duì)隧道襯砌和仰拱造成的壓力，需在隧道主洞斜下方開(kāi)通一條引水隧道，將隧道主洞洞身周邊的地下水經(jīng)引水隧道排出洞外，以釋放洞身地下水對(duì)圍巖和襯砌造成的壓力。引水隧道開(kāi)挖至主洞洞身周邊附近時(shí)，為了有效的將洞身周?chē)鷰r溶通道的地下水成功通過(guò)引水隧道引出洞外，引水橫洞開(kāi)挖位置的選擇就成為了關(guān)鍵。隧道施工過(guò)程中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用的方法主要有地質(zhì)雷達(dá)法、地震波法、超前鉆探等。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，因引水隧道開(kāi)挖掌子面較小，無(wú)法實(shí)現(xiàn)超前鉆探工作；主洞隧道于引水隧道最近距離小于3m，以及引水橫洞開(kāi)挖位置需要精準(zhǔn)到米，故地震波也不適用；地質(zhì)雷達(dá)法是一種基于電磁波法為基礎(chǔ)的短距離預(yù)報(bào)方法，因其預(yù)報(bào)速度快、準(zhǔn)確率高、預(yù)報(bào)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)可視等原因，近年來(lái)在巖溶區(qū)和富水巖溶區(qū)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

地質(zhì)雷達(dá)法檢測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)又稱(chēng)探地雷達(dá)，其用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)時(shí)，主要采用主頻100MHz或者低于100MHz的天線?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展探測(cè)工作時(shí)，雷達(dá)發(fā)射天線以高頻脈沖電磁波的形式發(fā)射脈沖電磁波信號(hào)，電磁波信號(hào)在圍巖體中傳播過(guò)程中遇到節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙、含水、夾泥、溶腔、溶洞等不良地質(zhì)體時(shí)，在圍巖體與不良地質(zhì)體的交界面處，因兩者介電常數(shù)的差異，一部分電磁波信號(hào)在交界面處發(fā)生透射繼續(xù)傳播，另一部分電磁波信號(hào)則發(fā)生反射，地質(zhì)雷達(dá)接收天線接收反射回來(lái)的脈沖電磁波信號(hào)，通過(guò)接收信號(hào)的波形特征可判斷圍巖體內(nèi)部不良地質(zhì)體的發(fā)育特征和規(guī)模，其工作原理如圖1所示。

工程實(shí)例及其資料解譯

以國(guó)內(nèi)某運(yùn)營(yíng)隧道斜下方開(kāi)挖的引水隧道為例，驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)法在引水隧道巖溶裂隙水和巖溶通道水探測(cè)中的應(yīng)用效果。

某現(xiàn)澆梁橋

該引水隧道開(kāi)挖的主要目的在于通過(guò)該隧道的建設(shè)，將主洞運(yùn)營(yíng)隧道洞身周?chē)牡叵聨r溶水排出洞外，以緩解地下水壓力對(duì)隧道洞身結(jié)構(gòu)造成的破壞。引水隧道全長(zhǎng)704m，橫洞開(kāi)挖的作用主要是用于打通主洞洞身周?chē)膸r溶通道，因此，橫洞位置的選擇將是該工程能否將地下巖溶水成功引出的關(guān)鍵。在對(duì)橫洞開(kāi)挖位置探測(cè)工作中，采用中心頻率為100MHz的地質(zhì)雷達(dá)天線，以連續(xù)采集的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，在沿洞身軸向方向分別在拱頂、左右拱肩、左右拱腰和左右邊墻布設(shè)。測(cè)線布置位置見(jiàn)圖2，其中左拱肩地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果圖見(jiàn)圖3，在里程樁號(hào)K0+566－575，深度約8m～21m位置，呈現(xiàn)不規(guī)則、同相軸連續(xù)的強(qiáng)反射信號(hào)，推測(cè)該區(qū)段范圍節(jié)理裂隙和溶蝕裂隙（腔體）發(fā)育，反射信號(hào)強(qiáng)弱交替且頻率較高，推測(cè)該范圍目標(biāo)體含水。

綜上所述：

根據(jù)不良地質(zhì)目標(biāo)體反射信號(hào)的反射強(qiáng)度和反射特征，推測(cè)在里程樁號(hào)K0+566－575，深度約8m～21m位置處的反射目標(biāo)體節(jié)理裂隙和溶蝕裂隙（腔體）發(fā)育，且含水。

開(kāi)窗驗(yàn)證

為了驗(yàn)證引水隧道不良地質(zhì)目標(biāo)體類(lèi)型和解譯結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中所探測(cè)出的異常信號(hào)目標(biāo)體進(jìn)行排水橫洞鉆爆開(kāi)挖驗(yàn)證，開(kāi)挖掌子面中心樁號(hào)為K570，橫洞掌子面寬度3m，不良地質(zhì)體開(kāi)挖結(jié)果見(jiàn)圖3。在引水橫洞開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖深度約12m左右處開(kāi)始，巖體節(jié)理裂隙和溶蝕裂隙逐漸發(fā)育，并伴有溶蝕裂隙水；開(kāi)挖深度至15m左右處，巖溶溶蝕裂隙和溶蝕腔體發(fā)育，伴生溶蝕裂隙水，圖4所示的溶蝕裂隙水為暴雨過(guò)后的巖溶通道排水情況。排水橫洞的開(kāi)挖結(jié)果驗(yàn)證了采用地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)地下巖溶裂隙水方法的有效性和準(zhǔn)確性。該引水橫洞準(zhǔn)確的打通了隧道主洞洞身周邊地下水的巖溶通道，在極端降雨情況下，經(jīng)引水隧道洞門(mén)處圍堰法測(cè)算，引水隧道最大排水量可達(dá)77932Tt/d，引水隧道的開(kāi)挖，極大的改善了主洞隧道洞身的水文地質(zhì)環(huán)境。

結(jié)語(yǔ)

采用地質(zhì)雷達(dá)法配合100MHz天線，根據(jù)隧道圍巖節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙、含水、夾泥、溶腔、溶洞等不良地質(zhì)體的反射位置和反射特征可實(shí)現(xiàn)圍巖體內(nèi)不良地質(zhì)體探測(cè)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)隧道開(kāi)挖結(jié)果，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和有效性。地質(zhì)雷達(dá)法是一種速度快、準(zhǔn)確率高、預(yù)報(bào)結(jié)果現(xiàn)場(chǎng)可視的隧道不良地質(zhì)體超前預(yù)報(bào)方法，該方法為施工隧道不良地質(zhì)體的有效探測(cè)提供了技術(shù)支持，對(duì)隧道隧道開(kāi)挖過(guò)程中的施工安全和避免涌水、突泥等不良地質(zhì)情況具有指導(dǎo)意義。

作者：冷志明 張家松 李陽(yáng)帆 單位：湖南致力工程科技有限公司