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1、公路隧道 2 0 0 8年第 1 期( 总第 6 1 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7 1 0 0 6 4 ) 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 隧道工程 以其 自身具有 的改善线形 、 缩短里程 和行车时间、 提高运营效益等方面的优势 ， 已经越来 越多地为道路建设
2、 者和设计 者所公认 而被大量采 纳 。在隧道设计施工 中， 地质 问题是首先要克服 的 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 术等原因， 在勘察设计 阶段往往是难 以全面掌握这 些地质情况及其变化 。这就需要在施工 阶段开展有 效的超前地质预报 。 隧道工程 中施工条件恶劣 ， 隐蔽工程多 ， 这给隧 道施工质量管理带来不小 的难度。大量在建工程和 已建工程的经验表明， 隧道初期支护背后空洞、 钢拱 架缺失 、 二次衬砌厚度不足 、 钢筋缺失 、 衬砌脱空等 各种质量问题时有发生。 。 无论是隧道施工中的地质问题 ，
3、还是上述施工 质量问题 ， 都可 以通过借助地质雷达来解决 。实践 证 明， 在隧道施工过程 中配备地质雷达， 对隧道施工 大有好处。 2 地质 雷达探测原理 地质雷达是一种对地下或物体内不可见的 目标 或界面进行定位的电磁技术 。其工作原理是高频电 磁波以宽频带脉冲形式 ， 通过发射天线定 向发射 到 介质中。在介质中传播的入射电磁波， 若遇上两种 电性不一的介质界面， 就会产生反射； 界面电性差异 越大， 即介质中介电常数差异越大， 其反射就越强。 反射信号被接收天线接收并处理后， 就可以用于判 断反射界面的方位与距离 ， 并根据发射电磁波至发 射波返 回的时间差与介质中电磁波传播 的速度
4、来确 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 溶 、 夹层等 ； 在 已竣工 隧道 中的各种病 害体 ， 如顶部 脱空 、 漏水裂隙等 ， 由于和周 围的介质都有很大的电 性差异 ， 故都是 良好 的电磁反射体 。这些介 电常数 的变化 ， 给地质雷达探测提供了基本条件。 3 工程实例 3 1 工 程概 况 长坞岭隧道是安徽省 目前为止在建最长的山区 3车道隧道 ， 全长 7 6 9 m， 为左右 分离式 曲线 隧道。 穿越的地层主要有第 四系全新统冲积层 ( Q4 孙 ) ， 第 四系全新统残坡 积 ( Q
5、4 + d ) ， 元古界木坑组 ( P t 。 一 。 m) 千枚岩 、 泥质粉砂岩 ， 地质条件较差 。施工期间 采用了美国劳雷公司的 S I R一3 0 0 0型雷达对其 进 行了全程超前预报 、 初期支护与二次衬砌 的质量检 测 ， 并对局部特征部位进行 了爆破后松动 圈的确定 等 。 3 2 超前预报 对不 良地质体进行预报是超前预报工作的主要 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 在有较明显的差异， 具有 良好的测试基础 ， 故预报准 确性也较高 。通过开挖验证 ， 各项不 良地质体 预报 准确率都达到 9
6、0 以上。 通过施工过程 中的超前地质预报 ， 判断掌子 面 前方是否需要加强支护 ， 对预防隧道施工灾害起到 重要作用 。特别是在长坞岭隧道尝试从浅埋段地表 向下进行探测 ， 是一个很好的尝试 ， 值得其它类似工 程借鉴。图 2是在长坞岭隧道右线沿隧道轴线方 向 ( K0 9 +0 3 4 K0 9 +0 5 4 ) 进行扫描的波形图； 图 3是 39 公路隧道 2 0 0 8年第 1 期 ( 总第 6 1 期) 在长坞岭隧道右线 K0 9 +0 3 5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 图 2 沿隧道轴线进行雷达 图象 图3 垂直隧道轴线沿坡面进行雷达图象 通
7、过对图像进行分析 ， 预测 ： ( 1 ) K0 9 +0 3 5处拱顶坡积层厚度 7 5 8 m， 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 ) K0 9 +0 3 7处 隧 道拱顶 坡 积层 厚度 1 1 1 2 m， 隧道拱顶 1 2 m处于坡积层或全 一强风化千 枚岩中。 ( 3 ) K0 9 +0 3 8 K0 9 +0 4 5段坡 积层厚 度大于 1 5 m， 隧道上半 断面处于坡积层或全 一强风化千枚 岩中。 ( 4 ) K0 9 +0 4 5以后 ， 埋深逐步增大 ， 坡积层厚度 4 O 逐渐减小 ， 隧道范 围及覆盖层 以全风化 一强风
8、化千 枚岩为主 ， 没有明显分层。 ( 5 ) K0 9 +0 5 2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 由原设计的级 一般支护变更为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 。 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 1 7 m， 围岩基本 以 千枚岩为主 ， 施工中容易造成超挖 ， 对超挖部
9、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 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 。 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
10、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
11、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 Z K0 8 +8 1 0处埋 设轴力锚 杆测试的成果 ， 测点松动范围 2 - 5 2
12、 5 m。 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 1 O是用地质 雷达在长坞岭隧道左线 Z K0 8 +8 1 0处扫描 的成果 ， 从 中也可以粗略估计松动范围 2 2 5 m。 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 公路隧道 2 0 0 8年第 1 期
13、( 总第 6 1 期) 器 槲， ； 搓 想 一j _上L 王 m 松动 范围 图 1 0用地质雷达扫描围岩松动圈 4 结语 地质 雷达是一种先进的物探设备， 通过 配备不 同的天线 ， 可以在隧道施工过程 中发挥多方面 的作 用： ( 1 ) 采用低频天线 ， 可应用于隧道掌子面的超前 地质预报 ， 尤其是短距离预报 ， 也可用于浅埋隧道洞 顶覆盖层 的探测 ， 对掌握隧道地质条件大有好处 ； ( 2 ) 采用 中高频天线 ， 可应用于隧道初期支护和 二次衬砌 的各种质量缺陷 的检测， 通过施工过程 中 的检测 ， 尽早发现 问题 ， 将隐患消灭在下一道工序之 前 。 ( 3 ) 通过对开挖
14、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 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E J 云南现代科技， 2 0 0 4 ( 4 ) ： 5 3 5 8 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E J 公路隧道， 2 0 0 5 ( 2 ) ： 3 2 3 6 杨峰， 苏红旗等 地质雷达技术及其在公路隧道质量 检测 中的应 用E J 筑路机械 与施工机 械化， 2 0 0 5 ( 1 0 ) ： 8 1 0 葛增超， 刘东升等 应用地质雷达检测地下工程衬砌的 施工质量 E
15、J 四川建筑科学研究， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 1 1 5 11 7 李二兵， 潭跃虎， 段建立等 地质雷达在隧道工程检测 中的应用E J 地下空间与工程学报， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 2 6 7 2 70 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 8 0 m 速度 向长兴 岛前进 。截 至 2 0 0 7年 8月上旬 ， 东西两线 的掘进度总和达到 5 k m， 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 3 7 5 m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 4 2 口
