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超前地质预报在超大断面岩溶性隧道中的应用李耀

发表时间：2021/4/14 来源：《中国科技信息》2021年4月作者：李耀

[导读] 超大断面岩溶隧道施工难度大，安全隐患高，对施工技术提出了很高的要求。本文介绍了先进的地质预报技术在这些隧道中的实际应用，通过对监测结果的分析发现异常的地质区域，并及时调整支护技术参数，以确保隧道施工的安全性。

上海勘察设计研究院（集团）有限公司青岛分公司李耀 266199

摘要：超大断面岩溶隧道施工难度大，安全隐患高，对施工技术提出了很高的要求。本文介绍了先进的地质预报技术在这些隧道中的实际应用，通过对监测结果的分析发现异常的地质区域，并及时调整支护技术参数，以确保隧道施工的安全性。
关键词：特大断面；岩溶；隧道；地质预报
        1海拔高度地质预测常用地球物理勘探方法的比较
        1.1隧道地震波法
        测量系统使用高灵敏度地震检波器来收集和预测从放置在隧道单个侧壁上的多个地震激发点产生的地震波以及遇到与周围岩石传播不同的反射界面的反射波。断层，岩石裂隙区域和周围的岩石向前方变化。该系统的最大检测范围是掌子前方100-150米，最高垂直分辨率是1米或以上的地质物体。
        1.2探地雷达方法
        发射器使用微波电磁波发射宽带短脉冲波，接收器接收从地下目标边界反射的反射波，以此来检测前向目标的信息。使用100 MHz天线的GPR的最大检测范围在掌子和纵向分辨率0.15 m的地质体前方为20-30 m。
        对于具有复杂地质条件的隧道，在开挖过程中应格外注意前方的地质变化，因此在施工过程中经常将雷达用于临近度预测。
        2雷达检测原理
        当地面发射雷达使用高频脉冲电磁波传播介质时，其路径，场强和波形会根据其通过的介质的电学和几何学变化而变化。只要目标物体与周围介质之间存在电气差异，就可以在雷达图像轮廓中反映出来，并且可以通过跟踪同相轴来确定目标物体的反射波传播的时间。取决于地下介质的电磁波速度和反射波传播时间。
        3项目概述
        港姑隧道位于太平庄村的东北济南市历城区，入口在港姑村的西南侧，出口在南侧。济南民兵训练中心的隧道是在隧道的入口和出口处通过双向隧道施工而成的。左行的里程为K10 + 460-K11 + 565，总长度为1105m，右行的里程为YK10 + 459.2-YK11 + 550.6，总长度为1091.4m。该隧道设计为在一个方向上有4条车道，在两个方向上有8条车道，这是一个非常大的断面隧道，开挖宽度为20m，高度为13.5m，开挖断面为220m2，在国内是罕见的。和国外。
        隧道地势起伏较大，围岩以奥陶系寒武纪石灰岩和白云岩石灰岩为主，在局部地质构造活动的影响下，发育了区域密集的节理或构造裂缝区，坡度范围为-五。隧道现场有两个裂缝性断裂带，沿结构产生的缝隙破裂，形成了一个岩溶洞穴。
        隧道的大横截面和不良的岩石学对隧道施工技术的控制提出了更高的要求。在根据图纸施工的基础上，有必要根据隧道现场施工的实际工程地质条件调整设计参数。确保施工安全。
        4地质雷达超前预报
        在隧道施工主管面前，为了及时准确地了解围岩的工程地质，减少地质灾害的可能性和破坏，并优化工程设计和施工计划，隧道施工公司引用了SIR-3000雷达。由美国GSSI公司生产，并执行高级地质预测。
        探地雷达，也称为探地雷达，是一种电磁感应技术，利用地下介质对广谱电磁波的各种响应来确定地下介质的分布特性。检测目的主要是通过观察位移电流的变化来实现的。发射天线在定向方向上向地下发射高频短脉冲电磁波。在传播过程中，电磁波击中有电差异的地面或目标时会被反射和传输。波信号被数字化，计算机以反射波波形的形式记录下来。在对收集到的数据进行相应处理之后，可以分析这些携带地下基因组信息的电磁波，从而根据传播时间，振幅和波形确定地下目标的空间位置，结构和分布。
        为了保证检测结果的准确性，指导现场建设，将一次高度地质检测的预测长度设计为30m，估计重叠里程约为5m。
        5高空地质预报的现场应用
        5.1测量线和特定的感应步骤
        （1）在隧道外，完成设备连接和调试，一个人拿着数据接收设备，两个人拿着地质雷达。

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        （2）在测试过程中，我们停止了对隧道表面的工作，并协助现场工作人员清洁隧道表面，并拆除机械设备和挖掘手推车，以防止雷达信号干扰。
        （3）在检测时，使地质雷达垂直靠近隧道表面，并沿着隧道表面沿着预定的勘测线缓慢移动，以完成数据收集。
        5.2检测结果分析
        对检测结果的分析表明，雷达的反射波幅值较大，并且在里程站号K11 + 145-K11 + 137处反射波相对较大。这表明该部分的围岩已被相对破坏。节理和裂缝比较发达，围岩完好无损，性交较差，稳定性较差。里程文件编号为K11 + 137-K11 + 115，雷达反射波振幅稳定且低频，表明在此部分中，围岩的岩石完整性是常见的，节理和裂缝很少，并且周围稳定。
        6调整施工参数
        通过对K11 + 148-K11 + 146区段进行爆破和开挖，发现隧道面周围的岩石发生了变化，隧道面周围的岩石被破坏，其中包含泥土，验证了先进的地质预报的准确性。为确保施工安全，调整了隧道的初始初始支护参数，减小了拱门之间的间隙，并增加了先进的小导管的支护措施。
        7隧道断面收敛位移的观测
        为了确保施工安全，在桩号K11 + 140的部分增加了隧道变形观测点。在开挖隧道的上层后，对拱顶和路肩的控制点进行连续监测和测量。
        K11 + 140断面的下沉速率随着隧道表面的前进而逐渐减小，并且隧道的应变在开挖间歇表面后的8天内变得更加稳定。 35天后，顶部的累积沉降值为10.6 mm，两个肩托的相对位移值为13.2 mm。它表明共识更改在可接受的范围内，并且所采用的支持技术计划在技术上是可行的。
        8典型实例和图像特征分析
        8.1完整岩体雷达图像
        隧道表面较完整的石灰石具有良好的岩石均匀性，介电常数差异很小。当电磁波在岩体中传播时，能量衰减缓慢，雷达反射波的强度非常弱，并且没有明显的反射界面。雷达图像反射波形的特征为：波形是均匀的，低振幅和高频的，具有略强的反射亮点。
        8.2洗脱裂纹区域的雷达图像
        熔化的裂缝中可以充满空气，泥浆等，并且岩体的均匀度低，介电常数差异大。当电磁波传播遇到融化的裂纹区域时，能量衰减更快，尤其是在高频部分，能量提高了雷达反射波幅度，引起较大变化，波形均匀性差，并且时间轴间歇性不连续。电磁波在裂隙处的反射，衍射和散射使雷达反射信号的波形非常混乱，时间轴的连续性很差，并且反射波的频率成分很复杂。
        8.3岩溶洞穴雷达图像
        洞穴雷达图像的特征与洞穴的形状和大小有关。在空洞的地质模型中，电磁波的衰减相对较慢，在洞的边界经常形成强的高频反射波，并出现一组双曲线反射波。由于洞穴几乎没有反射，因此可以轻松确定洞穴前边界的位置，但不容易确定洞穴的后边界。在下面的第一张图片中，电磁波在掌子前形成约370 ns的连续强反射界面，被判断为是一个空洞（熔化的裂缝）隧道的前界面很容易识别，但是洞穴的后界面不容易确定。电磁波在掌子前方210 ns处形成两个强的双曲线反射界面，双曲线顶部的开口很平缓，表明洞穴很大，被判断为一个大的空洞或一组洞。
        8.4富含水的岩溶管道的雷达图像
        当石灰岩地层的岩溶发育强烈时，岩溶发展就已经规模化了，在隧道开挖过程中，可以遇到较大的岩溶河流和已形成的管道。由于周围的岩石富含水，因此它们的电特性不同，电磁波会迅速衰减，并且雷达反射会形成强烈的低频反射。在掌子前方约300 ns后，电磁波的反射波波形较宽且振幅很强，表现为较强的低频反射振荡信号（虚线）。它被认为是富含水体的岩溶管道。
        9结论
        超大型岩溶隧道的建设对隧道施工技术提出了更高的要求。采用先进的地质预报方法，可以更准确地掌握隧道表面前方围岩的真实情况，并得到先进的地质预报。支护参数降低了安全隐患，确保了施工安全，对于相似条件下的隧道施工具有一定的标准意义。
参考文献
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