地质雷达在长坞岭隧道施工中的综合应用

公路隧道　２００８年第１期（总第６１期）　地质雷达在长坞岭隧道施工中的综合应用　王　林　王　勇　（长安大学公路学院西安７１００６４）　摘　要　本文结合工程实例介绍地质雷达在隧道工程中的综合应用：ａ．使用低频天线进行隧道超前地质预报和　洞顶覆盖层探测的方法；ｂ．使用中高频天线进行隧道初期支护和二次衬砌缺陷检测的方法；Ｃ．使用中高频天线进　行隧道围岩松动圈测定的方法。　关键词　隧道地质雷达超前预报无损检测松动圈　１　概述　定反射体距表面的距离（图１）。在隧道工程施工中　遇到的掌子面前方不良地质体，如断层、裂隙带、岩　隧道工程以其自身具有的改善线形、缩短里程　溶、夹层等；在已竣工隧道中的各种病害体，如顶部　和行车时间、提高运营效益等方面的优势，已经越来　脱空、漏水裂隙等，由于和周围的介质都有很大的电　越多地为道路建设者和设计者所公认而被大量采　性差异，故都是良好的电磁反射体。这些介电常数　纳。在隧道设计施工中，地质问题是首先要克服的　的变化，给地质雷达探测提供了基本条件。　问题。隧道属线性结构物，穿越山体地质多有变化，　岩性、构造、地下水分布都会发生变化。由于经济技　３　工程实例　术等原因，在勘察设计阶段往往是难以全面掌握这　３．１　工程概况　些地质情况及其变化。这就需要在施工阶段开展有　长坞岭隧道是安徽省目前为止在建最长的山区　效的超前地质预报。　３车道隧道，全长７６９ｍ，为左右分离式曲线隧道。　隧道工程中施工条件恶劣，隐蔽工程多，这给隧　穿越的地层主要有第四系全新统冲积层（Ｑ４孙　），第　道施工质量管理带来不小的难度。大量在建工程和　四系全新统残坡积（Ｑ４　＋ｄ　），元古界木坑组（Ｐｔ。一。　已建工程的经验表明，隧道初期支护背后空洞、钢拱　ｍ）千枚岩、泥质粉砂岩，地质条件较差。施工期间　架缺失、二次衬砌厚度不足、钢筋缺失、衬砌脱空等　采用了美国劳雷公司的ＳＩＲ一３０００型雷达对其进　各种质量问题时有发生。　行了全程超前预报、初期支护与二次衬砌的质量检　无论是隧道施工中的地质问题，还是上述施工　测，并对局部特征部位进行了爆破后松动圈的确定　质量问题，都可以通过借助地质雷达来解决。实践　等。　证明，在隧道施工过程中配备地质雷达，对隧道施工　３．２超前预报　大有好处。　对不良地质体进行预报是超前预报工作的主要　２地质雷达探测原理　内容，包括断层、富水区、裂隙密集带、岩脉破碎带　等。由于这些不良地质体内介质与周边介质之间存　地质雷达是一种对地下或物体内不可见的目标　在有较明显的差异，具有良好的测试基础，故预报准　或界面进行定位的电磁技术。其工作原理是高频电　确性也较高。通过开挖验证，各项不良地质体预报　磁波以宽频带脉冲形式，通过发射天线定向发射到　准确率都达到９０　以上。　介质中。在介质中传播的入射电磁波，若遇上两种　通过施工过程中的超前地质预报，判断掌子面　电性不一的介质界面，就会产生反射；界面电性差异　前方是否需要加强支护，对预防隧道施工灾害起到　越大，即介质中介电常数差异越大，其反射就越强。　重要作用。特别是在长坞岭隧道尝试从浅埋段地表　反射信号被接收天线接收并处理后，就可以用于判　向下进行探测，是一个很好的尝试，值得其它类似工　断反射界面的方位与距离，并根据发射电磁波至发　程借鉴。图２是在长坞岭隧道右线沿隧道轴线方向　射波返回的时间差与介质中电磁波传播的速度来确　（Ｋ０９＋０３４￣Ｋ０９＋０５４）进行扫描的波形图；图３是　·　３９　‘　维普资讯 http://www.cqvip.com

公路隧道　２００８年第１期（总第６１期）　在长坞岭隧道右线Ｋ０９＋０３５处从地表垂直隧道轴　线扫描的图像。　图１探地雷达原理简图　逐渐减小，隧道范围及覆盖层以全风化一强风化千　枚岩为主，没有明显分层。　（５）Ｋ０９＋０５２处隧道拱顶上覆全风化一强风化　千枚岩，隧道上半断面右侧为全风化一强风化千枚　岩，左侧局部为弱风化千枚岩。　为保证隧道施工安全，该区段由原设计的Ⅳ级　般支护变更为Ｖ级加强支护，并采用双层超前小　导管加强拱顶支护。隧道开挖后证明上述预报十分　准确，采取的措施有效地保证了隧道施工安全。　图２沿隧道轴线进行雷达图象　３．３初期支护质量检测　隧道初期支护检测包括初期支护厚度、钢拱架　数量、支护背后空洞及回填情况。　长坞岭３车道隧道跨度达到１７ｍ，围岩基本以　千枚岩为主，施工中容易造成超挖，对超挖部分必须　进行回填处理，如果处理不当，将为隧道埋下严重的　隐患。通过地质雷达进行扫描，可以在二次衬砌前　及时发现存在的缺陷，尽早进行补救，避免埋下隐　患。图４是初期支护后面空洞的典型图像。　图３垂直隧道轴线沿坡面进行雷达图象　通过对图像进行分析，预测：　（１）Ｋ０９＋０３５处拱顶坡积层厚度７．５～８ｍ，拱　顶基本位于弱风化千枚岩与坡积层结合部，隧道右　拱肩可出现坡积层。　（２）Ｋ０９＋０３７处隧道拱顶坡积层厚度１１～　１２ｍ，隧道拱顶１～２ｍ处于坡积层或全一强风化千　枚岩中。　（３）Ｋ０９＋０３８～Ｋ０９＋０４５段坡积层厚度大于　１５ｍ，隧道上半断面处于坡积层或全一强风化千枚　岩中。　图４初支背后空洞　３．４二次衬砌质量检测　二次衬砌在隧道中的地位不言而喻，因此保证　它的质量也就至关重要。长坞岭隧道二次衬砌检测　主要包括二次衬砌厚度、二次衬砌背后脱空、二次衬　砌中的钢筋有无缺失等。　（４）Ｋ０９＋０４５以后，埋深逐步增大，坡积层厚度　４Ｏ·　维普资讯 http://www.cqvip.com

王　林等地质雷达在长坞岭隧道施工中的综合应用　实际探测时，如果初期支护与二次衬砌接触良　好，其分界面有时并不是很清晰，主要原因是两者都　是混凝土介电常数相差甚少，在接触良好部位不存　在反射界面所致。然而我们总可以借助其它反射较　明显的物体来判断，比如初期支护中的钢拱架就是　它们的分界，找到钢拱架的位置也就找到了其分界　面。如图５，通过借助于钢拱架位置来判断二次衬　砌与初期支护的分界面，由此发现该处二衬厚度　不足。　在隧道拱顶等部位，由于工艺特点及其他因素　影响，容易造成二次衬砌与初期支护之间的脱空。　二次衬砌的脱空，在图像上表现为雷达波的多次高　频反射，形成很强的反射。图６就是在检测中遇到　的明显脱空的图片，后为钻孔所验证。　混凝土内钢筋在雷达图象上呈现双曲线形态，　外层钢筋反射强烈，呈白色双曲线形态，内侧钢筋信　号受外层影响反射明显减弱，呈灰白色（图７）。因　此，从雷达图像上我们可以清楚的判断钢筋的缺失　情况，如图８。　３．５爆破松动圈确定　在岩质隧道施工中，爆破开挖导致的松动圈大　小对隧道安全性及支护结构强度有决定性影响。通　常通过测试锚杆的轴力分布来确定爆破松动圈的大　小，其方法是在围岩内埋设轴力锚杆，测试锚杆不同　部位的轴力，轴力峰值位置一般为松动圈位置。图　９为在长坞岭隧道左线ＺＫ０８＋８１０处埋设轴力锚　杆测试的成果，测点松动范围２－５２．５ｍ。　事实上，由于爆破震动导致松动圈范围内的岩　石松动，松动岩石与未松动岩石间也可能出现一个　界面，界面显著与否与岩石的整体强度等因素有关。　在不安装轴力锚杆的情况下，也可以通过地质雷达　浅部扫描来粗略测试松动圈范围。图１Ｏ是用地质　雷达在长坞岭隧道左线ＺＫ０８＋８１０处扫描的成果，　从中也可以粗略估计松动范围２～２．５ｍ。　图５利用钢拱架判断二次衬砌厚度不足　图６二次衬砌脱空　图７二衬中双层钢筋网反射典型图像　图８二衬中钢筋网局部缺失　图９轴力锚杆测试成果示意图　４１　·　维普资讯 http://www.cqvip.com 公路隧道　２００８年第１期（总第６１期）　器　槲，　｛｝｝；｝｛　搓　的检测，尽早发现问题，将隐患消灭在下一道工序之　前。　松动　范围　＿上Ｌ～　想　～　一ｊ　～　（３）通过对开挖后隧道周边的扫描，还可以粗略　测试隧道开挖后松动圈的范围，为设计施工优化提　供依据。　参考文献　ｍ　王　肖宽怀，赵永贵，刘浩等．公路隧道工程中的地质超前　预报与无损检测技术ＥＪ］．云南现代科技，２００４（４）：５３　５８．　图１０用地质雷达扫描围岩松动圈　王连成，王应富，蒋树屏等．地质雷达技术在公路隧道　工程中的应用ＥＪ］．公路隧道，２００５（２）：３２￣３６．　４　结语　杨峰，苏红旗等．地质雷达技术及其在公路隧道质量　地质雷达是一种先进的物探设备，通过配备不　检测中的应用ＥＪ］．筑路机械与施工机械化，２００５　（１０）：８～１０．　同的天线，可以在隧道施工过程中发挥多方面的作　葛增超，刘东升等．应用地质雷达检测地下工程衬砌的　用：　口　施工质量ＥＪ］．四川建筑科学研究，２００６（１）：１１５～　（１）采用低频天线，可应用于隧道掌子面的超前　］　］　］　］　１１７．］　　地质预报，尤其是短距离预报，也可用于浅埋隧道洞　李二兵，潭跃虎，段建立等．地质雷达在隧道工程检测　顶覆盖层的探测，对掌握隧道地质条件大有好处；　中的应用ＥＪ］．地下空间与工程学报，２００６（２）：２６７～　（２）采用中高频天线，可应用于隧道初期支护和　２７０．　二次衬砌的各种质量缺陷的检测，通过施工过程中　长江口江底隧道施工进展顺利　目前，上海长江口江底隧道“长江一号”和“长江二号”盾构分别以每周８０ｍ速度向长兴岛前进。截至　２００７年８月上旬，东西两线的掘进度总和达到５ｋｍ，完成了整个隧道长度的三分之一。根据设计，长江隧道　分为上、下两层，上层为机动车道，下层为轨道交通预留。但为防隧道内出现意外交通事故，在洞内每隔　３７５ｍ设置了一道逃生孔。如当上层隧道发生火灾等紧急情况，行人就经过上层逃生孔转移到下层隧道内　逃生；如下层隧道内发生突然事故，人们就可到上层隧道内逃生。此种逃生孔较为宽敞，可容纳两人并行通　过。此外，上下两层隧道之间还有８条联络通道。当一层隧道整体出现问题时，行人即可从这些联络通道转　移到另外一层隧道中避难，安全问题设计得十分周密。　孔祥金供稿　４２·