超前地质预报技术在北凹山隧道的应用研究

摘要：本文重点论述了北凹山隧道施工中应用地质雷达进行超前地质预报的测线布置方式、参数设置等；给出了不良地质体在雷达中的图像显现特征及判定依据；探讨了适用于北凹山隧道的围岩分级方法。

关键词：北凹山隧道 超前地质预报 雷达图像 围岩分级

引言

汾阳至邢台高速公路山西境内平遥至榆社段隧道工程众多，地质条件复杂，施工难度大，工期紧。断层破碎带、软弱夹层、富水带、溶洞等不良地质体给隧道施工造成极大的困难。因此在隧道施工过程中，提前探测隧道前方的地质变化，为施工提供相对准确的地质资料，及时调整施工工艺是非常重要的。

地质雷达凭借其具有速度快，成本低，分辨率高，无损伤性探测，经济方便等特点，在隧道工程的地质超前预报中具有广阔的应用前景。

1、工程概况

1.1概述

北凹山隧道位于榆社县河峪乡牛村和箕城镇桑家沟之间，左线全长1554米；右线全长1427米。地面海拔高程1168～1314米，相对高差146米，北凹山隧道洞身最大埋深157.8米[1]。北凹山隧道采用上下行分离4车道设计标准，设计行驶速度80公里/小时，有效净宽10.25m，净高5.00m。

1.2工程地质条件

北凹山隧道穿越构造剥蚀中山区，地形起伏较大，沟壑纵横；微地貌为基岩山梁、陡坎、冲沟缓坡；总体上具上陡下缓、局部有小型缓坡、平台分布的特征。隧址区基岩，其出露地层为中生界三叠系中统铜川组（T2t）砂岩、泥岩，二马营组（T2e）砂岩、泥岩，第四系全新统（Q4）松散堆积层。

隧址区地层主要有砂泥岩互层组成，节理裂隙发育，层间粘结力差，潜水位埋藏深，含水层岩性为三叠系砂岩、砂质泥岩。

1.3不良地质问题

1.3.1断层破碎带

位于隧道里程K72+110处有发育断层，断层走向30°，倾向120°，倾角80°，宽度5米，断距10―20米，上下盘均为三叠系二马营组砂岩、泥岩。

1.3.2软弱夹层

北凹山隧道岩性以砂岩泥岩互层为主，中厚层构造，中风化，呈块～块碎状结构，受构造影响，节理、裂隙较发育，层理明显。

1.3.3富水带

在北凹山隧道个别地段，存在砂岩碎石夹土状结构，节理裂隙较发育，呈碎裂状结构；此地质条件易产生裂隙水渗漏，围岩含水量较高，形成富水带。

2、雷达测线布置及参数设置

2.1测线的布置

为详细了解掌子面前方岩层的分布状况，并结合雷达天线发射电磁波的特征，水平方向和垂直方向各布置2条测线[2]。具体布置情况如图1所示。

2.2参数的设置

探地雷达的参数设置主要有：（1）天线频率f，探测深度随着天线中心频率的减少而增大，取f为100MHz；（2）时窗W，时窗选择主要取决于最大探测深度与地层电磁波速度，取W为610ns；（3）采样率 ，采样率是记录反射波采样点之间的时间间隔，采样速度至少要达到无线中心频率的3倍，故 为512samp/scan；（4）介电常数 描述了介质的极化特性，该隧道岩性主要为砂岩泥岩互层，故 定为6.8。

参数具体情况见表1：

3、不良地质体的探测结果

3.1断层破碎带

断层为当岩层受力破裂后，破裂两侧岩体发生了明显位移的断裂构造。在北凹山隧道里程为K72+110～K72+115段计5米，高度20多米的范围内，存在断层破碎带。由于断层破碎带引起的雷达图像震波，雷达波形图在该处的变化异常明显，呈同相轴断错的特征。具体情况见图2：

3.2软弱夹层

软弱夹层在雷达测试图像中的显现特征主要有：当雷达电磁波传播到软弱夹层时，会产生较强的界面反射波；在穿越软弱夹层的过程中会产生绕射、散射、波形杂乱、波幅变化大。具体情况见图3：

3.3富水带

在北凹山隧道个别地段，存在砂岩碎石夹土状结构，节理裂隙较发育，此地质条件易产生裂隙水渗漏，围岩含水量较高，易形成富水带。

富水带在雷达测试图像中的显现特征主要有：雷达反射波在该处出现强反射，波形紊乱，电磁波衰减速度加快，会产生一强反射面。具体情况见图4：

4、北凹山隧道的围岩分级

隧道围岩分级其主要依据是把握岩性和岩体结构，并结合施工中地质问题作为修正。岩性的判别上主要是判定岩石坚硬程度，并着重考虑岩石风化程度；岩体结构方面，主要观察其结构是否属于散体结构、碎裂结构、镶嵌结构、次块状结构、块状结构和整体结构。

根据北凹山隧道的实际工程特点，结合岩石的坚硬程度、完整性和声波纵波速度进行围岩基本分级，并考虑断裂破碎带、软弱夹层、富水带等因素进行修正。具体情况见表2：

从表2可以看出，北凹山隧道实际施工过程中围岩级别要比勘察设计阶段所预测的情况稍差一些，稳定性较差的Ⅵ、Ⅴ级围岩所占隧道长度比例大大增加。可见，根据探地雷达的探测结果，为施工提供相对准确的地质资料，及时调整施工工艺，减少和预防了工程事故的发生。

参考文献：

[1]山西交科公路勘察设计院．汾阳至邢台高速公路平榆段北凹山隧道设计文件[R]．2008.10．

[2]杨川福．探地雷达在攀田高速公路隧道施工中的应用研究[D]．西安：长安大学公路学院，2008．

[3]长安大学平榆高速公路隧道监控第三项目部．平榆高速公路工程地质超前预测报告[R]．2010

[4]周德存．地质雷达在基岩完整性探测中的应用[J]．西部交通科技，2006，5：58-60.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文