地质雷达(GPR)在高速公路隧道掘进中掌子面围岩结构超前预报的应用

[摘要] 文章以江西赣（州）大（余）高速公路车里隧道在掘进中掌子面围岩结构的超前地质预报，结合TPS203探测以及开挖时掌子面的详细素描等，可以准确、实时、详细的了解对掌子面前方的围岩结构层，从而使施工单位合理的安排施工作业进度、提早作出应对措施对减少工程质量隐患提供科学依据。

[关键词] GPR；高速公路隧道；围岩结构；超前预报

中图分类号：U455

在现有的隧道施工当中，开挖是决定隧道支护参数的决定性条件，而开挖直接的反映是围岩结构、地质、水文等的变化。由于地质勘探不能对设计的隧道的所有围岩全面的分析，或多或少出现围岩设计类别与实际围岩类别的出入。因此围岩的变更直接涉及到隧道工程投资额的增减。事实上，隧道的一个变更可以让投资额增减十几万到几百万是很正常的。因此说隧道围岩的变化如能准确地提前了解掌子面前方岩体结构变化，一方面对施工单位可以及时合理安排掘进进度、改进施工方案、加强防护措施。另一方面可以避免不必要的险情，甚至人员机械的损失。笔者通过对赣（州）大（余）高速公路车里隧道在掘进的掌子面前方围岩结构的地质超前预报工作，结合实地钻孔取得的芯样分析，对GPR探测方法在隧道开挖掘进中超前地质预报的应用做如下介绍。

1.GPR探测的原理和方法

地质雷达也称探第雷达，作为一种电磁探测技术，它利用介质对广谱电磁波（107～109Hz）的不同影响来确定所测介质的分布特征。是通过观测位移电流的变化来达到探测的目的，对涉及到的工程如：公路、铁路、煤矿、水电站、矿产、地铁、隧道，甚至在考古方面，也有很重要的意义。随着科技的发展，地质雷达技术有了很大发展，技术的改进也日趋成熟，探测的范围已经达到100左右，甚至更长。探测时，地质雷达用天线向地下发射一中心频率附近的高频、宽带的短脉冲电磁波，电磁波在地下介质传播时，其振幅、相位、频率等波形特征会随着介质的电性、几何形状等变化而变化，当遇到电性界面即发生反射。地质雷达的接收天线则记录下反射回地面的电磁波面，通过分心这些携有地下介质电信息的电磁波，可以确定地下介质的空间分布特征，对下一步工作作好可靠的科学依据。在隧道施工现场，往往会出现断层破碎带、溶洞发育区、软弱岩层夹层区等不良的地质构造，假如在施工以前没有探明地质构造，就会对施工带来严重的安全事故，进而影响安全生产。通过一系列实践证明，地质雷达作为一种探测手段，在公路隧道围岩结构的超前地质预报中，可以准确提供相关资料，从而有效的保障施工安全。

1.2 仪器及现场工作方法

在该隧道检测的仪器为是美国产的GSSI公司的SIR-10H型雷达，现场检测配备100M频率的天线，利用探测前方的围岩特性以及现场工作条件，其探测距离为30～50米不等，根据掌子面的情况，一共检测了两条测线，水平和垂直两条。其中水平测线在掌子面上沿着平行与隧道底面方向，距一级台阶顶面1.2米左右，垂直测线在掌子面中心位置上，由于掌子面的不平整程度，每个测线测两个来回。

2.工作现场地质条件

车里隧道为一座左右分离的4车道高速公路浅埋隧道，左线ZK44+645～45+283，长度638米；右线YK44+660～45+316，长度656米。隧道区处于震旦系砂质板岩构成的构造剥蚀低山区，隧道的进、出口皆位于山腰地带，隧道最大埋深109米，在K45+060处有基岩裂隙水出露，水量为60～80ml/s. 该隧道本次雷达检测的掌子面在ZK44+970，开挖高度6.10米，宽度12.35米，开挖为台阶法施工，掌子面节理、裂隙发育，左侧底部裂隙处有水流出，经观测60ml/min，岩石呈破碎状，用手即可掰碎。

根据已有的资料，洞身穿越主要为弱风化地层，岩层节理裂隙发育，岩体完整，中厚层结构为主，块状镶嵌结构次之，并将该围岩结构定为III级。但是经现场确认岩体主要为层状结构，裂隙多呈现不闭合状，层理发育，裂隙发育，碳酸盐充填，抗剪强度低，岩层产状：走向NE65～75 °，倾向NW，倾角30～55°，岩层倾角不大，岩层走向与隧道轴向呈小角度相交，围岩不稳定。该隧道上部地表水体发育，地下水主要为基岩裂隙和第四系岩类孔隙水为主，第四系岩类孔隙水主要赋存于地表残积层中；基岩裂隙水主要赋存于下伏基岩裂隙中，裂隙发育，赋水性好，连通较好，大气降水有直接水力联系，即：雨季水量较大，旱季水量较小。根据已经开挖地段和开挖工作面的地质调查：孔隙潜水和基岩中的裂隙水连通性较好，在已开挖的隧道的拱不底部已有不同程度的渗水和滴水，尤其在裂隙密集和破碎带内形成线流，水量较大。

根据对开挖掌子面的地质调查，隧道围岩中主要发育2组节理裂隙， 其产状分别为40∠50；55∠154；70∠125，第一组岩层产状发育密度最大，间距在0.08～0.27之间具有微张特征；第二组显压扭行特征，在裂隙发育密集部位形成挤压破碎带，且分支复合明显，岩性为千枚状板岩及砂质板岩互层，岩芯呈破碎状少量短柱状，裂隙发育，在变化部位常有铁锰质染、岩质较软，同时有挤压片理现象；第三组则以扭性为主，沿结构面光滑平直，并伴有水平擦痕现象。3组裂隙交叉发育于隧道围岩当中，常将岩体切割为不规则的片状块体，从而导致了隧道围岩整体性能不差，多呈碎石镶嵌构造，对隧道的开挖极为不利。为此，为了准确的划定围岩的类别和切实的保障施工安全，需要进行岩体结构的超前地质预报工作。

3.探测资料说明

围岩反映出来的特性，就是围岩结构和完整程度，是对围岩被各种结构（节理、错动、裂隙、层理面、片理面等）切割成单元结构体的特征，它是评价围岩稳定程度最重要的标志。而围岩结构特征和完整程度，主要取决于地质构造运动的次数和强弱。通常来说，地质构造运动次数越多，越剧烈，围岩的节理裂隙就越发育，围岩就越破碎，稳定性就越差。地质构造运动的次数和强弱一般反映在地层岩体中各种间隙的间距，开裂的程度，填充状况以及被切割的块体的大小，组合状况和岩体理学的指标。因此，可以根据围岩受到地质构造影响的程度和围岩节理、裂隙发育的程度等对岩体进行分类。

根据雷达检测的结果成图，在车里隧道ZK44+970～+980段存在明显的地质异常带，结合地质资料和现场的实际勘察，初步断定为裂隙影响造成的破碎带，它位于掌子面前方2～12米范围内，其节理裂隙发育，围岩稳定性差。

根据GPR探测结果与已有的勘探资料中所述（构成隧道洞身围岩的主体为强-弱风化砂质板岩，围岩类别为IV类）存在一定的区别。可能是隧道围岩由于受到区域地质构造的应力作用影响较严重，节理裂隙及切层挤压破碎带发育，风化作用较强，因而使得岩石呈碎石镶嵌结构，岩体较为破碎，围岩类别明显降低，应该划为III较为准确。

4.结论以及建议

隧道施工阶段围岩级别的评定方法，目前主要有两种：一种是根据开挖暴露出来的掌子面观察的方法，另外一种是根据量测的方法。对于掌子面的观察来进行的是比较简便而现实的方法；而量测方法虽然是判定围岩状态的好方法，但是其量测的结果处理要很长的时间，特别是当地隧道地质条件变化比较激烈时很难在很短时间作出结论，因此很难适应。根据《公路隧道设计规范》中关于围岩的分类，是根据控制隧道围岩稳定性的围岩结构特征和完整状态为基本因素进行的，其次考虑了围岩岩石强度、地下水作用以及风化程度、围岩组合特征等因素。

本次超前地质预报工作，在进行GPR探测的同时，还进行了TPS203探测和超前水平钻孔等工作，特别是针对隧道施工过程中的地质调查，同时要对开挖掌子面进行地质素描。做存档工作。综上所述，针对资料来看，从围岩结构类型、节理发育程度、石质强度、构造影响、地下水影响状态、风化程度等各个方面来看，对此次超前地质预报工作所探测的掌子面前方围岩类别进行重新核定。

（1）根据资料查得隧道围岩平均抗压强度为15～30Mpa，属于中硬岩类，判定卡内相应的系数为-1.6468。

（2）根据已经开挖的掌子面围岩结构状态，岩体破碎，是碎裂结构，判定卡内相应的系数为0.7719。

（3）根据结构面地质调查，隧道围岩中，节理裂隙发育程度在三组以上，多数间距在0.08～0.27之间，大部分具有微张特征，部分裂隙内充填有铁锰物质，在其裂隙的密集处形成挤压破碎带，裂隙交叉发育于岩体内，因而导致岩石整体性变差。依据判定为节理裂隙发育，系数为0.0485。

可见该隧道的本次地质预报的工作地段的实际围岩类别与原设计时划分的围岩类别并不完全相同。从整体方面来考虑、评定，隧道围岩由原设计的IV类相应变更为III类较为适宜。因此建议：

（1）由于隧道洞身围岩主体实际为III类，其稳定性较差，建议采用台阶法施工，做到“管超前、短进尺、快支护、紧衬砌、勤量测”的原则，快速施工，及时支护，在局部破碎带注意加大支护力度。

（2）本次综合超前地质预报工作，在进行GPR探测的同时，还展开了详细的地质素描、TPS203探测、超前水平钻孔工作；通过钻孔验证，从总体上来说GPR探测和TPS203探测解释成果与超前水平钻孔成果吻合较好，建议在进行其他围岩施工和其他隧道的施工中也应用到超前地质预报工作时，采用多方法综合预报，则进而提高超前地质预报的准确性和可靠性的目的。为施工带来最大的应对措施。

参考文献

[1] JTJ042-94，公路隧道施工技术规范[S].

[2] 关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.