引水隧道工程地质雷达的应用

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随着我国交通运输行业的不断发展，全国公路隧道的通车里程在逐年不断攀升，截止到2020年，公路隧道通车里程达1.9万km。受工程地质和水文地质的影响，尤其是岩溶区隧道，施工过程中的涌水、突泥现象造成的破坏力极强，严重影响施工现场的财产和生命安全。国内某运营隧道，受强降雨的影响，大量的岩溶地下水将隧道底板连同路面及混凝土仰拱顶托破坏，水流奔涌而出，携石带泥，路面一时如汇集洪流的河道。为了减小地下岩溶水对隧道衬砌和仰拱造成的压力，需在隧道主洞斜下方开通一条引水隧道，将隧道主洞洞身周边的地下水经引水隧道排出洞外，以释放洞身地下水对围岩和衬砌造成的压力。引水隧道开挖至主洞洞身周边附近时，为了有效的将洞身周围岩溶通道的地下水成功通过引水隧道引出洞外，引水横洞开挖位置的选择就成为了关键。隧道施工过程中的超前地质预报常用的方法主要有地质雷达法、地震波法、超前钻探等。结合现场情况，因引水隧道开挖掌子面较小，无法实现超前钻探工作；主洞隧道于引水隧道最近距离小于3m，以及引水横洞开挖位置需要精准到米，故地震波也不适用；地质雷达法是一种基于电磁波法为基础的短距离预报方法，因其预报速度快、准确率高、预报结果现场可视等原因，近年来在岩溶区和富水岩溶区的超前地质预报工作中应用越来越广泛。

地质雷达法检测原理

地质雷达又称探地雷达，其用于隧道超前地质预报探测时，主要采用主频100MHz或者低于100MHz的天线。现场开展探测工作时，雷达发射天线以高频脉冲电磁波的形式发射脉冲电磁波信号，电磁波信号在围岩体中传播过程中遇到节理裂隙、溶蚀裂隙、含水、夹泥、溶腔、溶洞等不良地质体时，在围岩体与不良地质体的交界面处，因两者介电常数的差异，一部分电磁波信号在交界面处发生透射继续传播，另一部分电磁波信号则发生反射，地质雷达接收天线接收反射回来的脉冲电磁波信号，通过接收信号的波形特征可判断围岩体内部不良地质体的发育特征和规模，其工作原理如图1所示。

工程实例及其资料解译

以国内某运营隧道斜下方开挖的引水隧道为例，验证地质雷达法在引水隧道岩溶裂隙水和岩溶通道水探测中的应用效果。

某现浇梁桥

该引水隧道开挖的主要目的在于通过该隧道的建设，将主洞运营隧道洞身周围的地下岩溶水排出洞外，以缓解地下水压力对隧道洞身结构造成的破坏。引水隧道全长704m，横洞开挖的作用主要是用于打通主洞洞身周围的岩溶通道，因此，横洞位置的选择将是该工程能否将地下岩溶水成功引出的关键。在对横洞开挖位置探测工作中，采用中心频率为100MHz的地质雷达天线，以连续采集的方式进行现场数据采集，在沿洞身轴向方向分别在拱顶、左右拱肩、左右拱腰和左右边墙布设。测线布置位置见图2，其中左拱肩地质雷达探测结果图见图3，在里程桩号K0+566－575，深度约8m～21m位置，呈现不规则、同相轴连续的强反射信号，推测该区段范围节理裂隙和溶蚀裂隙（腔体）发育，反射信号强弱交替且频率较高，推测该范围目标体含水。

综上所述：

根据不良地质目标体反射信号的反射强度和反射特征，推测在里程桩号K0+566－575，深度约8m～21m位置处的反射目标体节理裂隙和溶蚀裂隙（腔体）发育，且含水。

开窗验证

为了验证引水隧道不良地质目标体类型和解译结果的准确性，对超前地质预报工作中所探测出的异常信号目标体进行排水横洞钻爆开挖验证，开挖掌子面中心桩号为K570，横洞掌子面宽度3m，不良地质体开挖结果见图3。在引水横洞开挖过程中，开挖深度约12m左右处开始，岩体节理裂隙和溶蚀裂隙逐渐发育，并伴有溶蚀裂隙水；开挖深度至15m左右处，岩溶溶蚀裂隙和溶蚀腔体发育，伴生溶蚀裂隙水，图4所示的溶蚀裂隙水为暴雨过后的岩溶通道排水情况。排水横洞的开挖结果验证了采用地质雷达法探测地下岩溶裂隙水方法的有效性和准确性。该引水横洞准确的打通了隧道主洞洞身周边地下水的岩溶通道，在极端降雨情况下，经引水隧道洞门处围堰法测算，引水隧道最大排水量可达77932Tt/d，引水隧道的开挖，极大的改善了主洞隧道洞身的水文地质环境。

结语

采用地质雷达法配合100MHz天线，根据隧道围岩节理裂隙、溶蚀裂隙、含水、夹泥、溶腔、溶洞等不良地质体的反射位置和反射特征可实现围岩体内不良地质体探测。结合现场隧道开挖结果，验证了该方法的准确性和有效性。地质雷达法是一种速度快、准确率高、预报结果现场可视的隧道不良地质体超前预报方法，该方法为施工隧道不良地质体的有效探测提供了技术支持，对隧道隧道开挖过程中的施工安全和避免涌水、突泥等不良地质情况具有指导意义。

作者：冷志明 张家松 李阳帆 单位：湖南致力工程科技有限公司