威东线大跨隧道局部破碎区超前地质探测及预报分析.pdf

DOI院10.13905/j. cnki. dwjz. 2019. 10. 027 威东线大跨隧道局部破碎区超前地质探测及预报分析 ADVANCE GEOLOGICAL EXPLORATION AND PREDICTION ANALYSIS OF THE LOCAL BROKEN AREA OF THE WEIDONG LINE LARGE-SPAN TUNNEL 王文， 张拥军， 刘思佳， 李文韬， 马强强 （青岛理工大学土木工程学院， 山东 青岛 266033） WANG Wen, ZHANG Yongjun, LIU Sijia, LI Wentao, MA Qiangqiang （School of Civil Engineering, Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266033, China） 【摘要】由于大跨隧道具有结构扁平、 拱顶不稳定及易出现偏载现象等特点， 大跨隧道施工过程中对不良地质带如断层破碎 带、 节理裂隙发育地带等的超前预报是十分重要的。准确地对隧道前方不良地质构造进行超前地质预报可以及时地做出预警， 在施工中采取相应的措施， 避免人员伤亡和经济损失。文中简要介绍地质雷达的探测原理， 并以威海 S201 威东线田和至温泉 段陶家夼隧道为例， 分析了该工程中地质雷达不同类型图谱所对应的不同围岩级别下破碎带及节理裂隙的发育特征， 对地质 雷达在大跨隧道施工中的运用提供一些经验。 【关键词】大跨隧道； 超前地质预报； 破碎带； 节理裂隙 【中图分类号】TU412【文献标志码】A【文章编号】1001-6864 （2019） 10-0105-04 Abstract Due to the characteristics of large-span tunnels with flat structure, unstable domes and partial loading, it is very important to per advance forecast of unfavorable geological zones such as faults and fracture zones, joints and fissures development zones during the construction of large-span tunnels.Accurately predicting the unfa鄄 vorable geological structure in front of the tunnel can provide us early warning. And then construction unit can take corresponding measures during construction to avoid casualties and economic losses.This article briefly introduces the detection principle of geological radar and takes Weihai S201 Weidong line to Wenquan section Taojiakuang tunnel as an example,analyzes the development characteristics of fracture zones and joint fissures in different sur鄄 rounding rock grades corresponding to different types of maps of geological radars in this project and hopes to pro鄄 vide some experience for the use of geological radar in the construction of large-span tunnels. Key words large-span tunnel; advance geological prediction; fracture zone; joint fissure 0引言 随着我国交通运输的不断发展， 大跨隧道修建工 程量也在不断增加。但由于大跨隧道施工难度大、 穿 越的地质构造复杂， 为保证施工安全， 需在施工前进 行必要的超前地质预报探测。当前国内常用的预报方 法主要有 TSP 法、 高分辨直流电法、 瞬变电磁法、 地质 雷达法、 钻探法及超前导坑法等手段。地质雷达法是 比较常用的无损、 便捷且较为准确的探测方法。由于 断层破碎带等不良地质体与完整性较好的围岩的相 对介电常数不同[ 1 ]， 使用雷达探测时不同地质构造在 图谱上反映出的同相轴的特性、 波幅、 频率等会有所 差异， 因而地质雷达对断层破碎带、 裂隙密集带等不 良地质条件具有良好的探测效果 [2-4]。在寒山水库隧 道、 武都西隧道及南峰隧道施工中， 地质雷达对该类 不良地质构造的超前预报与围岩实际揭露情况均可 基本吻合[5-7]。因此， 使用地质雷达进行超前地质预报 可及时对施工进行指导，针对不同类型地质构造， 作 出相应的施工调整并采取必要的应对措施， 以保证施 工的顺利进行[8]。 1地质雷达原理简介 地质雷达通过利用高频电磁波信号在地层中的 传播及反射， 对前方不同地质构造进行探测。 由于不同 介质之间介电常数不同，在不同介质的交界面会产生 明显的反射信号差异， 并反映在雷达采集的图像中[9 ]。 探测过程中应尽量避开隧道内的金属构件或高电导 屏蔽层， 以免对电磁波的发射和接收产生干扰。现场 探测时， 应根据隧道内掌子面形态大小、 围岩等级以 及施工工艺等情况合理布设测线， 并根据当地的地质 调查资料合理确定雷达的介电常数、 探测时窗、 增益 模式等参数。现场采样宜采用连预测与点测的方式进 ［基金项目］ 国家自然科学基金资助项目 （51674151， 51704173） 105 行测量， 连续测采样点数多但横向位置不明确； 点测 采样点少， 地质变换连续性差， 因此要求探测时雷达 横向移动不能太大， 最好控制在 25cm， 但点测对横 向距离的标定比较精确， 因此， 为保证探测精度， 常将 两种探测方法相结合， 以提高预报准确性。 由于地质雷达探测具有分辨率高、 快速、 无损、 图 像解译方便以及成本低等优点， 在隧道施工超前地质 预报工作中应用较广。 2工程应用 2.1工程概况 S201 威东线田和至温泉路段陶家夼隧道位于威 海市环翠区陶家夼村西，左线利用既有陶家夼隧道， 全长 1000m， 右线进口桩号为 YK7470， 出口桩号为 YK8910，全长 1440m，进出口洞门形式均采用削竹 式， 隧道形式采用分离式。隧道暗挖段采用新奥法施 工原理设计。 隧道最大埋深约 132m， 跨度约为 17.3m， 属于大跨公路隧道。隧道沿线地貌为剥蚀低山丘陵地 貌单元， 区间地下水类型主要为松散岩类孔隙水和碎 屑岩类基岩裂隙水， 裂隙水埋深较大， 富水性一般； 该 区域主要发育北东向和北西向断裂构造， 节理裂隙较 发育， 围岩级别为 III-V 级； 隧道沿线范围内地层分布 简单， 仅有第四系地层分布， 下覆为新元古代南华纪 荣成超单元威海单元的侵入岩， 山腰及山前平原区的 岩性以含砂、 砾石的碎石土为主， 山顶及山脊处的岩 性花岗质片麻岩为主。 根据现场地质调查， 未发现有崩塌、 滑坡、 泥石流 等不良地质作用， 但发现小规模断层四条， 在后期隧 道施工过程中可对断层分布地带适当增加超前地质 预报探测重叠长度； 隧道洞身穿越的岩体主要为弱风 化二长花岗质片麻岩， 洞口主要为强 弱风化二长花 岗质片麻岩， 围岩岩体破碎， 节理裂隙发育程度高， 围 岩自稳能力差。对于隧道超浅埋及浅埋区段受地表面 降水的影响较大， 埋深较深的区域局部区段地下水较 发育， 地下水以节理裂隙水为主。 2.2雷达图像分析 本工程超前地质预报采用 LTD-2100 地质雷达 （HJ-YQ-372） ， 在隧道施工过程中每掘进 30m 左右即 进行一次地质雷达探测， 测线布置如图 1 所示， 从左 往右为连续测， 从右到左为点测。探测前， 首先对掌子 面的具体桩号、 测线及掌子面揭露情况进行记录。进 行连续测时， 操作雷达人员尽量使雷达移动路径与测 线保持一致， 并匀速运动； 点测时在雷达静止状态下 采样， 测点间距控制在 2cm 左右。图像处理软件采用 RadarViewV17.12 版本。 2.2.1V 级围岩破碎带雷达图像分析 在右线隧道施工至里程 YK7640 时， 进行超前地 质预报地质雷达探测所得图像见图 2 （图 2 图 6 中纵 坐标为雷达探测深度） 。从图中可看出， 030m 范围 内， 电磁波反射整体较强， 能量团分布均匀性一般局 部较差， 电磁波整体呈高频高密反射， 局部振幅较高、 高亮显示， 反射波呈区域化分布， 如图 2 所示。掌子面 前方 822m 范围内， 电磁波反射强， 能量较高， 同相轴 错段， 预计该区段围岩破碎程度较其他区域高， 围岩 结构面差， 围岩整体性差， 地下水弱发育， 稳定性差； 推测掌子面前方 30m 范围内围岩级别为 V 级， 围岩以 强风化二长花岗质片麻岩为主。 实际开挖过程中， 发现围岩破碎， 地下水整体弱 发育， 围岩自稳能力差， 揭露时拱部易掉块， 与预报情 况基本吻合。 2.2.2V 级围岩多数雷达图像分析 隧道右线开挖至里程 YK8860 时， 雷达采集图像 如图 3 所示。由图像可知， 015m 范围电磁波反射强、 振幅大， 呈中 - 低频反射信号， 反射波呈区域化分布、 同向轴较连续， 预计节理裂隙发育； 深部信号 （1530m） 能量均一性较好、 反射规律性一般， 预计该区段围岩 为主要为强风化二长花岗质片麻岩，围岩自稳能力 差， 揭露时拱部易出现掉块、 坍塌冒顶等现象， 预计整 体范围内围岩级别为 V 级， 围岩以强风化二长花岗质 片麻岩为主。 后经开挖证实，岩层间结合性较差， 围 图 1雷达测线布置图 图 2V 级围岩破碎带雷达图像 106 岩自稳能力差， 节理裂隙发育， 揭露时发生岩体滑落、 坍塌冒顶等现象， 与预报现象吻合度较高。 2.2.3IV 级围岩破碎带雷达图像分析 隧道右线开挖至里程 YK8775 时， 雷达图像如图 4 所示。图中 015m 范围内电磁波反射较强，呈中 - 低频信号特征， 局部存在明显绕射、 折射现象， 反射波 较杂乱，同相轴存在错断，推测岩体较破碎； 1530m 范围内反射波较弱， 信号以中频为主、 局部呈低频特 征， 自动增益梯度较小， 局部存在强反射细亮条纹， 预 计围岩较破碎， 围岩自稳能力较差， 围岩以强 - 中风 化二长花岗质片麻岩为主， 围岩级别为 IV 级。后经实 际开挖揭露时， 拱部发生了掉块、 坍塌等现象， 岩体整 体破碎， 局部为块碎状结构， 围岩自稳能力差， 与预报 情况符合度较高。 2.2.4IV 级围岩多数雷达图像分析 隧道右线施工至里程 YK8641 时， 测得的地质雷 达图像如图 5 所示。根据图像， 030m 范围内电磁波 反射整体较强，掌子面前方左侧区域电磁波振幅较 高， 同向轴较连续， 反射波呈中 - 低频信号， 预计围岩 较破碎， 节理裂隙发育 - 较发育， 整体性较差， 自稳能 力较差。推测前方围岩为中等 - 弱风化二长花岗质片 麻岩， 围岩级别为 IV 级。实际开挖时， 该区段岩体整 体性较差， 围岩自稳能力较差， 节理呈倾斜走向， 局部 裂隙发育， 与前期预报基本吻合。 2.2.5方案变更区段图像分析 在该隧道右线出口掘进至里程 YK8690 时， 发现 预报到的围岩等级与设计方案中围岩等级出现不符。 根据前期现场地质调查，洞口边仰坡稳定性较好， 洞 内围岩以中风化二长花岗质片麻岩为主，围岩破碎， 节理裂隙发育， 拱部易发生掉块、 坍塌等现象。此时雷 达采集的图像如图 6 所示， 015m 范围内电磁波分布 杂乱， 呈中 - 低频反射特征， 推测节理裂隙发育 - 较 发育， 岩体破碎 - 较破碎， 预计围岩整体性较差， 自稳 图 3V 级围岩多数雷达图像 图 4IV 级围岩破碎带雷达图像 图 5IV 级围岩多数雷达图像 图 6方案变更区段图像 107 能力较差， 推测该范围内围岩级别为 IV 级， 而该里程 附近围岩原设计等级为 III 级。因此建议施工单位按 照实际围岩级别进行施工， 严格控制施工质量， 加强 支护措施严格控制爆破药量及掘进进尺， 并做好防掉 块、 防坍塌等措施。 根据实际开挖后围岩的揭露情况来看， 该段岩石 为中等 弱风化二长花岗质片麻岩，岩体较破碎， 结 构面结合一般， 为裂隙块状结构， 岩质不新鲜， 锤击可 碎， 围岩自稳能力差， 为 IV 级围岩。因施工单位及时 对施工支护方案作出调整， 在施工至该区段时并未发 生安全事故， 施工进行比较顺利。 3结语 （1） 在大跨隧道施工中， 结合地质调查采用地 质雷达进行隧道超前地质预报是一种比较理想且准 确率较高的方法。 （2） 结合地质调查资料使用地质雷达探测， 可以 对隧道掌子面前方不良地质体如破碎带、节理裂隙 结构以及围岩级别等作出较为准确的判断，并指导 施工。 （3） V 级围岩破碎带图像中电磁波呈高频高密 特征，同相轴错断； V 级围岩多数图像电磁波呈中低 频信号反射， 同相轴较连续。 （4） IV 级围岩破碎带图像局部存在明显绕射、 折射现象，同相轴错断； IV 级围岩多数图像无明显的 绕射、 折射现象， 且同相轴较连续。 参考文献 ［1］ 郑立斐,肖立拓,李小青.地质雷达超前预报正演模拟及应用 ［J］ .交通科技,2018 （2） 76-81. ［2］ 由广明,刘学增,汪成兵.地质雷达在公路隧道超前地质预报中 的应用 ［J］ .公路交通科技,2007 （8） 92-95. ［3］ 覃航,邱恒,杨庭伟.隧道超前地质预报中的地质雷达图像分析 ［J］ .勘察科学技术,2012 （2） 57-61. ［4］ 肖宏跃,雷宛,杨威.地质雷达特征图像与典型地质现象的对应 关系 ［J］ .煤田地质与勘探,2008 （4） 57-61. ［5］ 李焱,邹晨阳.地质雷达超前预报技术在小断面隧洞施工中的 应用 ［J］ .水利建设与管理,2018,38 （3） 37-404. ［6］ 赵香玲,王丰仓.地质雷达在武都西隧道预报中的应用研究 ［J］ . 河南科技,2017 （17） 105-107. ［7］ 缪宁,张绍量,袁翠萍.综合超前地质预报在隧道断层破碎带开 挖中的应用 ［J］ .山西建筑,2017,43 （26） 159-161. ［8］ 王振宇,程围峰,刘越,等.基于掌子面编录和地质雷达的综合超 前预报技术 ［J］ .岩石力学与工程学报,2010,29 （s2） 3549-3557. ［9］ 朱晓娟. 地质雷达原理及其在隧道超前预报中的应用 ［C］ // 中 国土木工程学会第十二届年会暨隧道及地下工程分会第十四 届年会论文集, 20063. ［收稿日期］2019-08-12 ［作者简介］王文 （1994-） ， 男， 山东潍坊人， 硕士研究生， 研究方向 隧 道与地下空间。 以标准助力高质量发展 70 年来， 中国标准化事业与共和国同步发展， 走过一段 光辉历程 起步探索期。从新中国成立到改革开放是我国标准化 发展的第一阶段， 标准主要服务工业生产， 由政府主导制定 并强制执行。 开放发展期。从改革开放到党的十八大是我国标准化 发展的第二阶段， 中国标准化开始放眼世界走向国际， 加大 了采用国际标准力度，标准化的工作也开始纳入法制管理 的轨道，同时确定了强制性标准与推荐性标准并存的标准 体系。 全面提升期。党的十八大以来， 我国进入新时代中国特 色社会主义建设时期，这一时期党中央国务院高度重视标 准化工作。标准化改革启动， 形成了政府主导制定标准与市 场自主制定标准协同发展、 协调配套的机制。 截至目前， 我国共有国家标准 36877 项、 备案行业标准 62262 项、 备案地方标准 37818 项、 团体标准 9790 项， 企业 自我声明公开的标准有 114 万项。组建全国标准化的专业 技术委员会、 分技术委员会 1321 个， 专家近 5 万名， 承担国 际标准组织的秘书处 89 个， 主导制定国际标准 583 项。 标准与计量、 认证认可、 检验检测共同构成了国家的质 量基础设施。可以说， 有什么样的标准， 就有什么样的质量。 70 年来， 在经济社会各领域， 标准都积极发挥了自身作用。 目前， 我国消费品质量标准体系基本建立， 相关标准近 6000 项，轻工、纺织行业的国际标准转化率达到了 86和 94， 有效提高了消费品供给质量。 坚持高标准、 严要求， 为国家发展、 人民安居乐业构筑 安全屏障。70 年来， 我国不断提升涉及人身健康、 生命财产 安全、生态环境安全以及经济社会管理等方面的强制性国 家标准水平， 牢牢兜住安全底线。截至目前， 我国强制性国 家标准共有近 4000 项， 涉及食品、 消费品、 安全生产、 环境 保护、 工程建设等领域。 坚持服务国家宏观调控目标和产业发展需求，高标准 引领产业转型升级。从农业看， 我国发布实施了 3400 余项 国家标准， 建设国家农业标准化示范区 4500 多个， 为推动 农业现代化发挥了重要作用。从工业看， 我国大力实施装备 制造业标准化和质量提升规划，在高端装备制造领域发布 实施了 1000 多项国家标准， 推动传统产业转型升级。从服 务业看， 发布实施国家标准 5000 多项， 对规范服务业发展、 提升服务质量发挥了积极作用。 同时， 作为国际贸易的通行证， 标准也有效促进了对外 贸易的发展。我国积极采用国际标准， 特别是在机械、 化工、 轻工、 电子等 41 个行业领域， 已经形成了较完备的采标体 系。 来源 人民日报 108