高速公路隧道不良地质超前探测预报研究.pdf

2 0 0 7 ．N O ． 1 1 总第4 9 期 施工技术 2 3 高速公路隧道不良地质超前探测预报研究 S t u d y o n Ad v a n c e d De t e c ti o n a n d P r e d i c ti o n o f Ad v e r s e Ge o l o g i c a l Co n d i ti o n in Hi g h wa y T u n n e l 郭保飞’ ， 谭华 ， 李良田。 ， 秦岭 1中铁十六局集 团第五工程 有限公 司 河北唐山0 6 3 0 3 0 2 ． 3 、 4 重庆高速公路发展有限公 司南方建设分公 司重庆 4 0 0 0 6 7 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 中应用地质雷迭和 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 中图分 类号 U4 5 2文献标识码 A文章编号 1 6 7 1 9 1 0 7 2 0 0 7 1 卜 0 0 2 3 0 3 Abs t r a c t Ad v a n c e d d e t e c t i o n me t ho d o f a d v e r s e g e o l o g i c a l c o nd it i o n i n t u n n e l s ma i n l y i n c l u d ．e s c o mp r e h e n s i v e g e o l o gic a l me tho d， e n gin e e r i n g p b y s i ca l g eo g r a ph y m e tho d，n u me ric a l a n a l y s i s me th o d，a mo n g wh i c h e n g ine e rin g p h y s i c a l g e o g r a p h y m e t h o d i s an i mp o r t a n t d e t e c t i o n me t ho d． I n the c o n s t r u c t i o n p r a c t i c e o f Wu l o n g t u n n e l in Wu l o n g S h u i j i ang h i g h w a y ， g e o l o gic a l md a r and mu l t i wa v e s e i s mo g r a p h w e r e u s e d f o r a d v anc e d d e t ect i n g the a d v e r s e g e o l o gic a l c o n d i t i o n t h i s t u n n e l ， the r e s u l t w a s s a t i s f a cto r y and p r o v i d e d e f f ect i v e g u i d a n c e for the t u n n e l const r u c ti o n ． K e y wo r d s t u n n e l ； adv e r s e g e o l o gic al c o n dit i o n ； a d v anc e d d e t e c t i o n 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I V V级 围岩分别 占隧道总长度的5 0 ％以上 预测 涌水 量 为1 5 0 0 m3 ／ d 右线 ～ 1 7 0 0 m3 ／ d 左线 ， 特别是 由相对 隔水 的 T 2 I 及T ’ 地层进 人T 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 收稿 日期 ． 2 0 0 7 9 2 6 地质雷达是一种电磁探 测技术 ． 它利用主频为数十兆赫 至 干兆赫波段 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 界面1 界面2 界面3 引 ／ 一 ＼ 图1 地面地质雷达工作原理示意图 雷达脉冲波的行程方程为 t 1 式中 t 脉冲波走时 n s ， 1 n s l O - 9 s z 反射体深度 m x _ T 与R 的距离 m 雷达脉冲波速 m， s 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 维普资讯 2 4 重庆建筑 Ch o n g q i n gAr c h i t e c t u r e 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 为 Ro 2 式中 ， p n 、 p 表示第n 层和n 一 1 层介质的密度 ， V n 、 V n ． ． 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 ≠ 0 时 ， 即p n V n ≠p 1 V ， 在该界面就会产生反射 ， R 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 质现象的。 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 有三个与工程质量检测有关的主要特征 在 分层 介质 中 。 瑞雷 波具有频散特性 瑞雷波 的波 长不同 ， 穿透深度 也不 同 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 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 ，频率为f R ，则瑞雷波的波长 为 V ． ／ f ， 当速度不变 时， 频 率越低 ， 测试深度就越大。 瑞雷波 波速V R 与横波 波速V 。 具 相关性 ，在岩石 中 ， V 0 ．9 0 0 ． 9 5 ＼ ， 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 图2 。 图2 雷达 测线布置图 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 发射和接收天线 ． 之后再 自右 测线 ’ 而 左移动。在纵 向上 ， 沿每一 而 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 图3 左隧道掌子面地质雷达扫描图 隧道左线掌子面Z K 9 8 0 0 地质雷 达扫描图像如 图3 所示 ． 其中le f t l 是 沿测线 1 自左向右连续 扫描结果 。 l e f t 2 是沿测线 1 自右而左扫描的结果 从 图3 可以看出 1 】在测试断面 前方5 0 m范 围内存在三 个电磁波 突变带 ． 即存 在三个介电常数异常界面 。 其分布深度 分别在探测时 间深度2 0 0 n s 电磁波在岩体中的传播速度 一般 为0 ． 1 ～ 0 ． 1 2 m／ n s 深度 约为1 1 m Z K 9 8 1 1 、 3 0 0 n s 深度约 为1 6 m Z K 9 8 1 6 、 5 0 0 n s 深度约为2 8 m Z K 9 8 2 8 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像 分析 ． 探测断面前方5 0 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YK 9 5 7 4 地质雷达扫描图像如图4 所示 。 其 中r ig h t 1 是沿测线1 自左向右连续扫描 的结果 。 r i g h t 2 测线 1 自右而左扫描的结果 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3 6 0 n s 深度约为2 0 m Y K 9 5 9 4 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5 0 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 图像分析 ． 探测断面前方5 0 m范 围内出现 大的不 良地质问 题 的可能性较 小 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． 每次使用两个检测器 3 -2 ．2探测结果及分析 左线 掌子面 Z K 9 7 9 4 m共 布设 反射波 水平 测点2 4 个 ． 瑞 雷 波水平测点1 2 个 隧道 反射 厶 激发点 接收点 探测波形如图6 ～ 7 所 示。在 图6 IM5掌子面测线布置示意图 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1 2 次 。 图6 ～ 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 维普资讯 2 0 0 7 ． N O ． 1 1总第4 9 高速公路隧道不良地质超前探测预报研 究 施工技术 2 5 I 【 二 l 【 k 二 L 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 ．0 8 0 0 1 0 0 0 图6隧道左洞反射探测波形 l J ■ } { 图7隧道 左洞 反射探 测的 叠 加波形及其综合解析 波时 间分别为 1 3 ． 2 ms 、 2 4 ． 4 ms 、 3 6 ． O ms 、 5 6 ． 4 ms 、 7 9 ． 4 ms 。 若 取 波 速 为2 5 O O m／ s 、 2 8 0 0 m／ s ⋯⋯ 则各 界 面 对 应 的深 度 为 2 2 ． 5 m Z K 9 81 6 ． 5 、 3 4． 1 6m Z K 98 2 8． 1 6 、 5 4 ． O m 、 8 4 ． 6 m 、 1 1 9 ． 1 m。可以看出 ， 地质雷达探测 的第二界面 Z K 9 8 1 6 ， 第 三界面 Z K 9 8 2 8 与 反射探测的第一界面 Z K 9 8 1 6 ． 5 、 第二 界面 Z K 9 8 2 8 ． 1 6 基本吻合 ， 误差 为O ． 5 m和O ． 1 6 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 5 0 0 01 n 1 n n1 E n n∞ f m 0 2 5 ∞n 0 1 O 一 ● - - 2 0 一 f 5 0 L一 } X H{ m 图8隧道左洞瑞雷波勘探特征频散 曲线 速 测 试 的 条件 下 ． 可 进 一 步 减 小 误 一 o 隧道 左洞瑞雷 波探 测特征频散 曲 线如 图8 显示 ． 在探 测 前方 约5 m左右 ． 即 ZK 9 8 O 5 m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Y K 9 5 6 7 m共布 设反射波 水平测 点2 8 个 ． 垂 直测点1 2 个 瑞雷波水平测点1 3 个 ， 垂直测点6 个。 隧道 反射探 测波形如图9 1 O n示 其 中图9 波形 图中前6 个通道为垂直测 试 的结果 共1 2 个测点 。从反射波波组综合特征看 ， 隧道右洞 图9隧道右洞反射探测波形 图1 O 中显示的距离为波速取值 为3 O O O m／ s 时的 解析结果 ． 探 测前方2 7 ． 9 m R K 1 2 2 5 9 4 ． 9 处有一 弱界面 ． 与地质雷达探测误差为O ．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 ， 无发育明显强反射 界面。 隧 道右洞瑞雷波探测特征频散 曲线 图1 1 表 明 探测断面前方1 O 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 瑞雷波 波速 在略 小于2 0 0 0 m／ s 范 围内波动 ， 这说明 探 测 断 面 前 方 1 O m 范 围 内 的 岩 层 岩 性 变 化 不 大 。 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 I l 图1 1隧道右洞瑞雷波勘探特征频散 曲线 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 ～ 、 、， ／ 、 ’ 饽．● 图1 0隧道右洞反射探测的叠加波形 及其综合解析 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 1 ．公 路 。 2 0 0 2． 1 2 ． 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 f 2 1 吴永清 。 何林生 ． 地 质雷达在公 路隧道 的应用【 J 1 ． 广东 现 为纵测线与水平测线不太吻合 ， 故可 靠性 不高 ， 在1 8 _ 6 ms 处 公路交通 ．1 9 9 8． s1 ． 存在一个弱界面 反射波组。 [ 3 1 高才坤 ， 郭 世明． 采用地质雷达进 行隧 道掌子面 前方地 责任编辑 余咏梅 维普资讯