曹洪坤
【摘 要】随着我国基础设施建设深入,隧道施工环境越来越复杂,如何有效预测复杂地质条件下的隧道不良地质体对防范施工安全事故具有重要意义.分别介绍了地质雷达法、高密度电法和地震波法在复杂地质条件下隧道的超前地质预报的应用,并对测试结果进行对比.结果表明:以电磁波传播理论为原理的地质雷达法是一种耗时少的无损检测手段,可有效探测空洞,但测试长度有限;以电性差异为原理的高密度电法测含水体最优,但依赖于半空间和测区横向长度;地震波法可测试空洞和含水体,并可直观读取岩性变化,预测距离长.因此,解决复杂条件下隧道超前地质预报应该以多手段结合最好,可很大程度提高隧道不良地质体预测准确度. 【期刊名称】《宜春学院学报》
【年(卷),期】2018(040)003
【总页数】4页(P34-37)恩斯特迈尔
【关键词】隧道;地质雷达法;高密度电法;地震波法
【作 者】曹洪坤
【作者单位】中铁十九局第七工程有限公司,广东珠海519020
【正文语种】中 文
【中图分类】U452
随着我国一带一路战略提出，更多的隧道及其它地下工程相应开展建设，这些基础设施的稳定性成为关键问题。然而，隧道围岩赋存环境变化多端，围岩均质性差，多存在节理、溶洞，含水构造和断层等不良地质体，如若不事先预测，将给现场施工带来不可估量后果。比如，渝怀铁路圆梁山隧道就在施工过程发生了岩溶涌水突泥灾害[1]，给施工技术人员带来很烦，并延误工程工期。宜万铁路大支坪隧道多处发现了溶洞及蓄水体，不仅给隧道防排水带来困难，也危及着现场施工人员安危[2]。沪蓉西高速的齐岳山隧道经过事先预报探测，成功预报出一直径约70 cm的向下孔洞[3]。可见，隧道在开挖过程不良地质体随时可能碰到，采用科学有效的手段去预测复杂条件下的隧道不良地质构造具有重要意义。
隧道超前地质预报主要分两类，一是测试手段，如地震波法、超前钻探法、高密度电法和地质雷达法等[4，5]，黄小城等[6]对云桂铁路弥勒境内的六郎隧道进行了超前预报，并结合了地质雷达和红外进行多手段结合，提供了可靠的工程经验。李术才等[3]采用TSP203plus系统对沪蓉西高速的齐岳山隧道进行了不良地质探测，发现了大溶洞，为工程提供可靠预警。曲海峰等[7]认为多种物探手段结合可显著提高预报准确性，并将提出方法应用于广仁岭公路隧道，提高了预报精度。另外一类是通过理论分析，但也是基于实际测试结果来系统分析，最终大多以风险等级来输出预报结果，黄小城等[8]采用可拓理论对云桂铁路的岩溶隧道进行了风险评估，并与实际开挖反馈进行比较，结果发现该风险评价具有一定准确性。许振浩[9]等通过统计与理论分析提出了三阶段风险评估与控制，石钰锋[10]等针对超浅覆大断面富水隧道进行了数值模拟，一定程度上降低了施工风险，安永林[11]借助人机工程学，利用人-机-环境对隧道施工风险进行了综合评估。总结发现，国内学者对高密度电法及多手段结合来预测复杂条件下隧道的不良地质体较少。
首先详细介绍了地质雷达法、高密度电法和地震波法的基本原理，然后采用三种方法对太行山高速东坡隧道进行了超前地质预报，并对测试结果进行对比，以此总结出三种方法的适用性和优缺点。最后提出最有效的组合测试方法。
1 超前地质预报方法简介
1.1 地质雷达法
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禄来hy6地质雷达法是基于电磁波理论，如图1所示，图中发射天线Tx产生的单谐电磁波场经过探测区，经过接收天线Rx接收，由于围岩的介电常数差异，甚至空洞或溶洞，经过后期处理的波形图可分辨出来。
图1 雷达探测基本原理
假设探测围岩深度为L，它与发射和接收天线偏移距(x)存在以下关系，
(1)
式中：v为电磁波传播速度；△t为行程走时，单位ns；电磁波的速度已知。
其中，с为光速；ε为相对介电常数。对于介电常数的不同探测体，可出现明显反射变化，如散、能量衰减等，反射系数r为
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东坡隧道超前地质预报采用测试仪器为意大利RIS地质雷达，如图2所示，该仪器防潮轻便，可适应恶劣环境。
图2 意大利RIS地质雷达
1.2 地震波法
bgc地震波法主要原理是纵横波波速变化来反推岩体力学参数，综合泊松比，动(静)态杨氏模量，密度，及波速等系统地判断围岩变化。人工制造一排固定距离1.5m的炮眼于隧道已开挖边墙，逐渐引爆后形成一系列轻微震源，在炮眼布置后方采用灵敏度高的接收器接收所有隧道前方及四周区域传播而遭遇不良地质体(如地层层面、节理面、岩溶面，特别是断层破碎带界面等)被反射返回的地震波数据。这些回波信号的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向是与相应的不良地质体的性质和分布状况紧密相关的，通过分析可以得到前方地层的地质力学参数。
图3 地震波测试现场
测试仪器多采用瑞士安伯格的TSP203plus，TSP303等。地震波法测试现场如图3所示。
1.3 高密度电法
高密度电法的原理是基于围岩的电阻率不同，如图4所示，在测试边墙布置等间距测试点(图中竖线)，通过供电电极，即A、B电极向测试区围岩提供电流，此电流场通过隧道围岩的电性差异地质体时会形成不同的电位差V，然后由测量电极(即M、N电极)测量每段电位差值的分布，并求得每段记录点的视电阻率。最终可得到一张倒梯形的云图，经过工程人员解译来判断复杂条件下隧道的不良地质体。
图4 电极排列图
测试仪器采用重庆奔腾数控技术研究所研制的WGMD-9超级高密度电法系统，具有体积小，重量轻等特点，系统如图5所示。
图5 高密度电法测试系统
2 东坡隧道测试
东坡隧道位于太行山高速邯郸段，隧道坐落于武安市领底村南～七水领村东～涉县东坡村
东北处，为分离式特长隧道，隧道右幅K38+642～K41+770，长3128m，左幅ZK38+624～ZK41+740，长3116m，最大埋深约176m。隧道地处太行山山前地区，属中低山区，区内地形起伏较大，沟壑纵横。山体微地貌呈东西走向展布，地表标高为585.2～849.5m，相对高差264.3m，出口端洞口坡度为13°～20°，山体植被较多，出口主要为梯田。五标段施工里程为隧道右幅K40+476～K41+776，长1300米，左幅ZK40+440～ZK41+740，长1300米。隧道地处太行山山前地区，属低山区，隧道区内地形起伏较大，沟壑纵横。山体微地貌呈东西走向展布，地表标高为585.2～849.5m，相对高差264.3m，入口端洞口坡度为15°～25°，出口端洞口坡度为13°～20°，山体植被较多，进出口主要为梯田。隧道区地层主要为第四系覆盖层及古生界奥陶系中统马家沟中厚层～厚层白云质灰岩、寒武系上统凤山组中厚层泥岩夹中厚层砂岩、薄层泥灰岩。隧址区属暖温带大陆性季风气候，四季分明，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季气候凉爽，冬季寒冷少雪。年平均气温13.5℃，一月平均气温-2.3℃，七月平均气温26.9℃，年均降雨量540-600mm左右。最大冻土深度为0.53m。
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本次测试集中在ZK39+850～ZK39+950里程段，分别采用地质雷达法、高密度电法和地震波法对太行山高速东坡隧道进行了超前地质预报。
高密度电法：根据现场探孔资料，沿隧道走向分别在左拱腰布置水平测线，拱腰测线离路面高度约1m高处用带勾膨胀螺栓布置电极，具体布置图见下图6所示，每个电极间距4m，共布置25个点。
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