引水隧道工程地質(zhì)雷達的應用

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隨著我國交通運輸行業(yè)的不斷發(fā)展，全國公路隧道的通車里程在逐年不斷攀升，截止到2020年，公路隧道通車里程達1.9萬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，施工過程中的涌水、突泥現(xiàn)象造成的破壞力極強，嚴重影響施工現(xiàn)場的財產(chǎn)和生命安全。國內(nèi)某運營隧道，受強降雨的影響，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，路面一時如匯集洪流的河道。為了減小地下巖溶水對隧道襯砌和仰拱造成的壓力，需在隧道主洞斜下方開通一條引水隧道，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圍巖和襯砌造成的壓力。引水隧道開挖至主洞洞身周邊附近時，為了有效的將洞身周圍巖溶通道的地下水成功通過引水隧道引出洞外，引水橫洞開挖位置的選擇就成為了關(guān)鍵。隧道施工過程中的超前地質(zhì)預報常用的方法主要有地質(zhì)雷達法、地震波法、超前鉆探等。結(jié)合現(xiàn)場情況，因引水隧道開挖掌子面較小，無法實現(xiàn)超前鉆探工作；主洞隧道于引水隧道最近距離小于3m，以及引水橫洞開挖位置需要精準到米，故地震波也不適用；地質(zhì)雷達法是一種基于電磁波法為基礎(chǔ)的短距離預報方法，因其預報速度快、準確率高、預報結(jié)果現(xiàn)場可視等原因，近年來在巖溶區(qū)和富水巖溶區(qū)的超前地質(zhì)預報工作中應用越來越廣泛。

地質(zhì)雷達法檢測原理

地質(zhì)雷達又稱探地雷達，其用于隧道超前地質(zhì)預報探測時，主要采用主頻100MHz或者低于100MHz的天線?，F(xiàn)場開展探測工作時，雷達發(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，電磁波信號在圍巖體中傳播過程中遇到節(jié)理裂隙、溶蝕裂隙、含水、夾泥、溶腔、溶洞等不良地質(zhì)體時，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，一部分電磁波信號在交界面處發(fā)生透射繼續(xù)傳播，另一部分電磁波信號則發(fā)生反射，地質(zhì)雷達接收天線接收反射回來的脈沖電磁波信號，通過接收信號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。

工程實例及其資料解譯

以國內(nèi)某運營隧道斜下方開挖的引水隧道為例，驗證地質(zhì)雷達法在引水隧道巖溶裂隙水和巖溶通道水探測中的應用效果。

某現(xiàn)澆梁橋

該引水隧道開挖的主要目的在于通過該隧道的建設，將主洞運營隧道洞身周圍的地下巖溶水排出洞外，以緩解地下水壓力對隧道洞身結(jié)構(gòu)造成的破壞。引水隧道全長704m，橫洞開挖的作用主要是用于打通主洞洞身周圍的巖溶通道，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。在對橫洞開挖位置探測工作中，采用中心頻率為100MHz的地質(zhì)雷達天線，以連續(xù)采集的方式進行現(xiàn)場數(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。測線布置位置見圖2，其中左拱肩地質(zhì)雷達探測結(jié)果圖見圖3，在里程樁號K0+566－575，深度約8m～21m位置，呈現(xiàn)不規(guī)則、同相軸連續(xù)的強反射信號，推測該區(qū)段范圍節(jié)理裂隙和溶蝕裂隙（腔體）發(fā)育，反射信號強弱交替且頻率較高，推測該范圍目標體含水。

綜上所述：

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

開窗驗證

為了驗證引水隧道不良地質(zhì)目標體類型和解譯結(jié)果的準確性，對超前地質(zhì)預報工作中所探測出的異常信號目標體進行排水橫洞鉆爆開挖驗證，開挖掌子面中心樁號為K570，橫洞掌子面寬度3m，不良地質(zhì)體開挖結(jié)果見圖3。在引水橫洞開挖過程中，開挖深度約12m左右處開始，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后的巖溶通道排水情況。排水橫洞的開挖結(jié)果驗證了采用地質(zhì)雷達法探測地下巖溶裂隙水方法的有效性和準確性。該引水橫洞準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)引水隧道洞門處圍堰法測算，引水隧道最大排水量可達77932Tt/d，引水隧道的開挖，極大的改善了主洞隧道洞身的水文地質(zhì)環(huán)境。

結(jié)語

采用地質(zhì)雷達法配合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現(xiàn)圍巖體內(nèi)不良地質(zhì)體探測。結(jié)合現(xiàn)場隧道開挖結(jié)果，驗證了該方法的準確性和有效性。地質(zhì)雷達法是一種速度快、準確率高、預報結(jié)果現(xiàn)場可視的隧道不良地質(zhì)體超前預報方法，該方法為施工隧道不良地質(zhì)體的有效探測提供了技術(shù)支持，對隧道隧道開挖過程中的施工安全和避免涌水、突泥等不良地質(zhì)情況具有指導意義。

作者：冷志明 張家松 李陽帆 單位：湖南致力工程科技有限公司