1、超前地质预报在小断面隧道施工中的应用摘要：作为隧道监控量测的重要组成部分，超前地质预报主要是在隧道施工过程中，根据岩土工程勘察及设计资料和已经揭露的地质情况，采用仪器设备和地质数学方法，对隧道掌子面前方一定范围内围岩级别变化、不良地质做出预测，根据预测的结果优化方案并指导施工，有效的控制灾害。本文以西气东输三线东段管道隧道工程为例，对超前预报中地质雷达在小断面隧道施工中的应用做了阐述。 关键字：地质雷达 管道隧道 超前地质预报 地质构造 中图分类号：F407.1 文献标识码：A 文章编号： 1、前言 超前地质预报技术出现在上个世纪中后期，是工程地质的一个分支，我国从上个世纪 70 年代后期逐渐
2、开始重视这一方面的研究和应用。进人21 世纪，伴随着西部大开发战略的启动，隧道工程也明显增多。由于隧道长度、埋深等各方面因素的影响，地质条件越趋复杂，隧道施工中遇到的问题也会相应地增多，不可预料的地质灾害如突泥、突水、塌方等成为困扰工程施工的主要难题。近十几年来，隧道施工技术已经有了很大的发展，为了保证在隧道施工时的安全和高效，超前地质预报的研究及应用工作显得越来越重要。 2、 隧道超前地质预报（地质雷达）的主要内容 根据工程所处的地质环境，隧道超前地质预报（地质雷达）的主要内容包括： （1）预报掌子面前方的围岩级别与设计是否吻合，并判断其稳定性，提供修改设计参数、调整支护类型、确定二次衬砌施
3、做时间的建议等； （2）预报前方可能出现塌方、滑动的部位、形式、规模及发展趋势；（3）预报围岩裂隙发育状态，可能出现突然涌水的地点、涌水量的大小及对施工的影响； （4）对隧道将要穿过不稳定岩层或较大的断层破碎带做出预报，以便提早改变施工方法，做好应急预案。 3、 地质雷达探测原理 地质雷达与探空雷达技术相似，也是利用高频电磁脉冲波的反射来探测目标体，是通过对电磁波在地下介质中传播规律的研究与波场特点的分析，查明介质结构、属性、几何形态及其空间分布特征。 地质雷达由地面发射天线 T 将高频电磁波（主频为 Hz）以宽频带短脉冲形式送入地下，经地下目标体或不同电磁性质的介质分界面反射后返回地面，为另
4、一接收天线 R 所接收，而其余电磁能量则穿过界面继续向下传播，在更深的界面上继续反射和折射，直至电磁能量被地下介质全部吸收，如图 1 所示。 图 1 反射探测原理 根据图 1，回波走时（电磁波行程所需时间）t 为： （1） 式中，x 为两天线的间距；z 为反射点 A 的法线深度；v 为电磁波在地下介质中波速。 当地下介质的波速 v 为已知时，则可根据天线间距（已知值）x 和雷达记录的回波走时 t，由式（1）可求出反射体的埋深。反射体或目标体的埋深及其变化，是描述其空间分布最重要的参数之一，因此也是探地雷达方法必须获得的基本数据，雷达所记录的回波走时 t 是从雷达剖面上读取的。 图 2 为一地质
5、模型及其对应的雷达记录（即雷达剖面）示意图。设发射天线 T 与接收天线 R 的中点为记录点，则测线上各测点的接收天线所接收的反射波均记录在各自记录点的下方，从而形成雷达剖面。在雷达剖面上，横坐标为测点点位，纵坐标为双程走时，各点的反射均以波的形式被记录下来。波形的正、负峰分别以黑、白色表示，或以灰色或彩色表示。这样，同相轴、等灰度或等色线即可直观地表示地下反射界面的形态及深度变化。根据雷达图像上波的传播时间和波速资料，经时深转换，便可获得目标体和地层的深度剖面，从而达到探测的目的。 图 2 雷达记录示意图 4、 地质雷达应用实例 以西气东输三线东段隧道工程项目小池隧道 K1+059-K1+03
6、8 段为例，对地质雷达在小断面隧道施工中的应用做一简单介绍。 4.1 工程概况 西气东输三线东段（江西吉安福建福州）工程起于西二线江西吉安分输清管站，途经江西、福建两省，终于福建福州末站。沿线穿越长江中下游流域赣东南水系和东南沿海诸河流域，经过赣中丘陵区、赣南闽西丘陵低山区、闽东南丘陵台地。西三线东段沿线共有 52 条山岭隧道穿越工程，其中 13 条隧道为控制性工程。 小池隧道为西三线管道专用隧道。隧道位于福建龙岩市小池镇，进口位于小池镇南山村，出口亦位于小池镇南山村。隧道水平长度732.29m，实长 733.30m，纵向坡度采用“一”字坡设计，坡度为5.7%（约 3.26o） 。隧道洞身净断
7、面尺寸为 3.2m4.0m。 图 3 小池隧道位置图 隧道施工过程中防涌水、防塌方是整个施工的关键问题，整个隧道施工要始终贯彻超前预报。为保证隧道安全施工，及时了解掌子面前方围岩岩性及不良地质赋存情况，中国矿业大学于 2012 年 11 月 24 日对小池隧道出口端掌子面 K1+059 进行了地质雷达探测，探测里程为 K1+059-K1+038。 4.2 掌子面揭露情况描述 通过对施工揭露的掌子面的观察，小池隧道掌子面以浅灰色花岗岩为主，节理裂隙错综发育，但无成组现象；围岩多呈巨块状或块状，无松散或破碎现象；洞内潮湿并伴有滴水， K1+059 掌子面照片如图 4 所示。图 4 小池隧道 K1+
8、059 里程掌子面揭露图 4.3 地质雷达探测方法 本次超前地质预报探测采用瑞典 MALA 公司生产的地质雷达，X3M 主机；由于隧道空间相对狭小，且在掌子面附近有作业台车及其它施工机械，为减小环境电磁波、增加测量精度，采用 250 兆屏蔽天线进行测试，如图 5 所示。本次超前地质探测距离为 21m。由于掌子面平整性较差，触发方式为点测触发，面向掌子面从左向右测，测点间距 0.05m，测线布置如图 6 所示。 图 5 MALA 地质雷达主机及其天线图 6 地质雷达超前预报探测测线 4.4 地质雷达图像分析 小池隧道出口端（K1+059-K1+038 段）雷达探测剖面图如图 7 所示。 掌子面前
9、方存在振幅较大的电磁波反射面，且同相轴连续，说明前方存在明显的裂隙发育。整体范围电磁波反射波形无异常变化，表明前方围岩岩性相对均一，无太大异常。从图中可见，溶洞及破碎反应不明显，大范围低频宽幅反射亦不明显。 4.5 结 论 掌子面前方 K1+059-K1+038 段范围内存在破碎及断层带发育的可能性小，含大量涌水的可能性亦不大；围岩较坚硬，但存在节理及裂隙发育，与已揭露的掌子面相比，围岩条件变化不大；围岩含水性一般，存在裂隙水发育，但大量涌水的可能性很小。 5、结束语 开挖结果表明，围岩变化与预报结果基本相吻合(如图 8 所示)，说明采用地质雷达进行超前地质预报是十分有效的。作为一种科学严谨的
10、隧道监测手段，采用地质雷达对小断面隧道施工进行测试具有以下优点：简单，全程测试只需 15 分钟左右即可完成，完全可以做到在不影响施工的情况下进行测试； 经济，相对于 TSP、水平超前探孔等方案，既可以降低成本，节省资源；又可以节省时间，不影响正常施工； 准确，能科学有效地预报隧道掌子面前方一定范围内围岩级别变化、不良地质等情况（测定范围与天线有关） 。为施工和设计变更提供参考，为人员及工程安全提供保障。 图 8 小池隧道出口端 K1+040 里程掌子面揭露图 附图：地质雷达测试流程 地质雷达组装地质雷达调试 地质雷达测试 参考文献 王毅才， 隧道工程 ，人民交通出版社，2000 吕康成， 隧道工程试验检测技术 ，人民交通出版社，2000 李晓红， 隧道新奥法及其量测技术 ，科学出版社，2002 彭智佳男 1984.08.11 本科
