超前地质预报在超大断面岩溶性隧道中的应用

超前地质预报在超大断面岩溶性隧道中的应用

杨若霖

重庆市市政设计研究院重庆市400020

摘要：超大断面岩溶隧道施工难度大，安全风险高，对施工技术提出了更高的要求。本文介绍了超前地质预报技术在此类隧道中的实际应用，通过对监测结果的分析，发现异常地质区域，及时调整支护技术参数，确保隧道施工安全。

关键词：超大断面；岩溶隧道；地质预报

隧道开挖过程中进行超前地质预报可以预测前方地质变化情况，以便及时调整施工方法，最大限度地防止和减少事故的发生。大断面埋深隧道的施工难度、风险都很大，尤其需要进行超前地质预报。

1常见地球物理探测超前地质预报方法比较

目前，广泛应用的地球物理探测超前地质预报方法，主要有隧道地震波法和探地雷达法。

1.1隧道地震波法

该测量系统利用高灵敏度的地震检波接收器，收集由布置在隧道单侧壁上多个地震激发点产生的地震波及其在围岩传播中遇到不同反射界面时的反射波，并据此预测前方的断层、岩石破碎带及围岩变化。该系统最大探测距离为掌子面前方100-150米，垂直最高分辨率为大于等于1米的地质体。

1.2探地雷达法

它是利用超高频电磁波，由发射器发射宽频带短脉冲波，接收器接收经地下目的体的界面反射返波，并据此探测前方目标体信息。使用100MHz天线的GPR最大探测距离为掌子面前方20-30米，纵向分辨率为≥0.15米的地质体。

对于地质条件复杂的隧道，开挖时要密切地关注前方地质变化情况，因此，施工时常用雷达进行近距离预测。

2雷达检测原理

探地雷达是利用高频脉冲电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性及几何形态的变化而变化。只要目的体与周边介质中存在电性差异，就可以在雷达图像剖面中反映出来，通过同相轴追踪可以测定目的体的反射波旅行时间T。根据地下介质的电磁波速V和反射波旅行时间T，由公式（1）可计算目的层的深度h：

式中：V为介质中的电磁波速度；c为真空中的光速（m/ns）；为介质的相对介电常数；为介质的电磁率。

3工程概况

港沟隧道位于济南市历城区太平庄村东北侧，进口位于港沟村西南侧，出口位于济南民兵训练中心南侧，采用上、下行分离的独立双洞，采用隧道进、出口双向掘进的方法进行施工。左线里程K10+460-K11+565，总长1105m；右线里程YK10+459.2-YK11+550.6，总长1091.4m。隧道设计为单向4车道，双向8车道，开挖净宽为20m，高度13.5m，开挖断面为220m2，属超大断面隧道，断面之大国内外实属罕见。

隧址区地势起伏较大，围岩以奥陶系寒武纪灰岩、白云质灰岩为主，受局部地质构造活动影响，局部节理密集带或构造断裂带发育，等级范围为Ⅲ-Ⅴ。隧址区发育2条断裂破碎带，沿构造产生的节理裂隙发育形成溶洞。

隧道断面跨度大、围岩岩性差对隧道施工技术控制提出了更高的要求，在依据图纸施工的基础上还必须根据隧道现场施工的实际工程地质条件调整设计参数、保障施工安全。

4地质雷达超前预报

为及时准确的了解隧道施工掌子面前方围岩的工程地质情况，降低地质灾害发生的机率和危害程度，优化工程设计及施工方案，隧道施工引进了美国GSSI公司设计生产的SIR-3000型雷达进行超前地质预报。

地质雷达也称作探地雷达，是一种电磁探测技术，它利用地下介质对广谱电磁波的不同响应来确定地下介质的分布特征。主要是通过观测位移电流的变化来实现其探测目的。发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下，电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射，接收天线收到反射波信号并将其数字化，然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。对所采集的数据进行相应的处理后，通过分析这些携有地下介质电信息的电磁波，可根据其旅行时间、幅度和波形，判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。

为保障探测结果的准确度并能够指导现场施工，超前地质探测一次预报长度设计为30m，预报搭接里程为5m左右。

5超前地质预报的现场应用

隧道左洞施工至K11+145桩号时，隧道围岩为Ⅲ级，采用台阶法开挖，对掌子面进行超前地质探测，探测长度为30m。

5.1测线及探测具体步骤

（1）在洞外完成设备连接调试，一人持数据接收设备，两人持地质雷达。

（2）测试时掌子面工作暂停，由现场工人协助，清理掌子面、移走机械设备及开挖台车，防止对雷达信号造成干扰。

（3）探测时使地质雷达垂直紧贴掌子面，沿预定测线沿掌子面缓慢移动，完成数据采集。

5.2探测结果分析

对探测结果分析可得出，里程桩号K11+145-K11+137段，雷达反射波振幅相对较大，反射波强烈，表明该段围岩岩体较破碎，节理裂隙较发育，围岩完整性差，稳定性较差。里程桩号K11+137-K11+115段，雷达反射波波幅稳定，频率较低，表明该段围岩岩体完整性一般，节理裂隙较少，围岩稳定性较好。

6施工参数的调整

对桩号K11+148-K11+146段进行爆破开挖后，发现掌子面围岩岩性出现变化，掌子面围岩破碎且存在夹泥情况。证实了超前地质预报的准确性。为保障施工安全，对隧道原初期支护参数进行调整，减小拱架间距并增加超前小导管支护措施。

7隧道断面收敛位移观测

为保障施工安全，在桩号K11+140断面加设隧道收敛变形观测点。隧道上台阶开挖后，对拱顶及两肩窝控制点进行持续的监控量测。

断面K11+140沉降速率随隧道掌子面推进逐渐减小，其中断面开挖8d内隧道变形速率较大后趋于平稳。35d后拱顶累计沉降值10.6mm，两肩窝相对位移值为13.2mm。沉降变化量在允许范围内，表明采取的支护技术方案在技术上是可行的。

8结语

超大断面岩溶性隧道的建设对隧道施工技术提出了更高的要求，通过采用超前地质预报的方式，能够较准确的了解隧道掌子面前方围岩的实际状况，并通过超前地质预报情况及时调整支护参数，降低了安全风险，保障了施工安全，对类似条件下的隧道施工具有一定的借鉴意义。

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