竖井工区地质超前预报Word格式.docx

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二○一一年八月二十二日

一、前言

受中铁一局集团有限公司太古高速S3标项目经理部的委托，太古高速检测项目部于2011年8月21日对太原至古交高速公路项目西山隧道S3标竖井工区左线ZK10+756～ZK10+791段计35米进行了地质超前预测工作。

任务要求：

超前探测掌子面前方地质变化情况。

二、工程概况及地质特征

西山隧道是拟建的太原到至古交高速公路第三合同段一座分离式隧道。

隧道位于山西省太原市西部的吕梁山脉东翼的石千峰山北麓，起于太原市东社镇大岩村东北300m处，终至太原市王封乡周家山村东南1400m处，是目前国内第二大公路隧道，属特长隧道。

隧道右线全长13570m，左线全长13654m。

隧道右线进口里程YK1+010，设计高程899.59米，出口里程YK14+580，设计高程924.36米，隧道底板最大埋深445.85米，位于YK6+960处，隧道全长13570米；

左线进口里程ZK1+006，设计高程923.94米，出口里程ZK14+690，设计高程899.77米，隧道底板最大埋深451.61米，位于ZK7+020处，隧道全长13654米，左右线均属特长隧道，最大间距55米，最小间距48米。

隧址区位于五台山块隆次级构造单元古交掀斜地块的中部，共有发育断层17条。

该地块位于以古交为中心的三角形地区，其中部被晋中新裂陷的北部断陷叠加而分割成两部分，地块内地层展布为南新北老，总体向南南东缓倾；

南部出露三叠系下统地层，产状平缓，倾角一般小于10°

，中部太原东山、太原西山、清徐和交城北部的地层以石灰系和二叠系为主，地层产状均较平缓，北部一带（包括汾河河谷两倾）广泛出露奥陶系、寒武系，地层产状较平缓。

局部地段显示一些规模不大的断裂和微弱的褶皱，构造线方向大多呈北东向，少数呈东西向或近南北向。

所以，使用地质雷达对隧道开挖前方地质情况进行超前预报，以便施工单位做到心中有数，及时采取有效的技术措施和安全措施。

三、地质雷达工作原理简介

地质雷达（GroundPenetratingRadar，简称GPR）方法是一种用于探测地下介质分布的广谱（1MHz—1GHz）电磁技术。

地质雷达用一个天线发射高频电磁波，另一个天线接收来自地下介质界面的反射波（如图1所示）。

通过对接收的反射波进行分析就可推断地下地质情况。

X

TR

VZ

目的体

图1地质雷达反射探测原理图

根据波动理论，电磁波的波动方程为：

P=│P│e-j（αx-αr）﹒e-βr

（1）

（1）式中第二个指数-βr是一个与时间无关的项，它表示电磁波在空间各点的场值随着离场源的距离增大而减小，β为吸收系数。

式中第一个指数幂中αr表示电磁波传播时的相位项，α为相位系数，与电磁波传播速度V的关系为：

V=ω/α

（2）

当电磁波的频率极高时，上式可简略为：

V=c/ε（3）

式中c为电磁波在真空中的传播速度；

ε为介质的相对介电常数。

地质雷达所使用的是高频电磁波，因此地质雷达在地下介质中的传播速度主要由介质中的相对介电常数确定。

电磁波向地下介质传播过程中，遇到不同的波阻抗界面时将产生反射波和透射波。

反射和透射遵循反射与透射定律。

反射波能量大小取决于反射系数R，反射系数的数学表达式为：

R=[（ε1）1/2-（ε2）1/2/（ε1）1/2+（ε2）1/2]（4）

式中ε1和ε2分别表示反射界面两侧的相对介电常数。

由（4）式可知：

预报过程中的反射系数的大小主要取决于反射界面两侧介质的相对介电常数的差异。

差异越大反射系数越大，探测出的异常越明显。

地质预报主要的探测内容为：

地下水、断层及其影响带等对施工不利的地质情况。

这些不利的介质与完好基岩的相对介电常数均有较大差异，为采用地质雷达对隧道掌子面前方进行地质预报提供了良好的地球物理基础。

四、检测设备、方法及测线布置

对于不同深度、不同岩性的探测目的层与目的物，在应用地质雷达检测时，需选择相应频率的天线和适当的仪器参数。

要探测到较深的地质情况，就必须选用相对较低频率的天线，本次检测选用了100MHz天线。

使用的设备：

美国劳雷公司SIR-3000型地质雷达（如图2所示）；

天线频率100MHZ。

检测方法是：

在掌子面上布设测线或测点，由天线向地层中发射一定强度的高频电磁波，电磁波在传播过程中遇到与周围电阻抗有差异的地层或目标体时，部分能量反射回来，被接收天线所接收，通过分析雷达图像特征，预测前方围岩情况。

该方法分辨率较高，方向性较好，能够分辨出较小规模的地质异常，能及时预报出掌子面附近的破碎带、溶洞及赋水等不良地质情况。

本次采用了连续线测及点测试方法，测线及测点布设见图3。

图2SIR—3000型地质雷达图3雷达测线及测点布设图

五、地质工程师判读法

地质工程师根据区域地质知识和经验，综合分析判断，对掌子面前方的地质情况进行预测，并对地质预报仪及地质雷达探测出的地质现象做出合理的解释。

现场预报时，采用SIR-3000型地质雷达沿掌子面进行测试，每次预报范围10～35米。

本次预报工作执行标准：

《公路隧道设计规范》JTGD70-2004、《公路隧道施工技术规范》JTGF60-2009、以及其它国家和地方颁布的有关规范和规章。

六、掌子面岩体特征

掌子面里程ZK10+756，岩性以灰岩为主，薄层状，中风化，节理、裂隙较发育，呈块～块碎状结构，局部层间有次生矿物充填，受构造影响严重，掌子面局部岩体较破碎，拱顶部分受震动易出现局部掉块，岩体结合性稍差，整体稳定性一般。

（如图4所示）

图4掌子面围岩

七、测试结果及分析

本次雷达预报探测范围ZK10+756～ZK10+791段计35米，岩性以灰岩为主，强风化～中风化，节理、裂隙较发育，呈块碎状结构，局部层间有次生矿物充填，受构造影响严重，掌子面局部岩体较破碎，拱顶部分受震动易出现局部掉块，岩体结合性稍差，整体稳定性一般。

相比较而言，距目前里程6～14米范围内（即ZK10+762～ZK10+770）、23～31（即ZK10+779～ZK10+787）雷达反射波稍强，反射界面较多，预计该段围岩特征与目前掌子面相比稍有变化，岩性以灰岩为主,呈块～块碎状结构，强风化～中风化，节理、裂隙较发育，局部层间有次生矿物充填，受构造影响严重，预计掌子面局部岩体较破碎，拱顶岩体受震动易掉块,整体稳定性一般。

应根据炮孔钻进情况谨慎掘进，并注意加强支护，做好施工安全监控。

建议本段围岩级别为Ⅳ级。

建议施工单位在拱顶处多打超前锚杆，对开挖断面及时补喷。

围岩设计对比表

里程

设计围岩

预报里程

建议围岩

Ⅲ级

Ⅳ级

图5雷达测试波形图（点测）

图6雷达测试波形图（线测）

八、结论及建议

综上所述，西山隧道S3标竖井工区左线在里程桩号为ZK10+756～ZK10+791范围内，岩性以灰岩为主，强风化～中风化，节理、裂隙较发育，呈块～块碎状结构，受构造影响严重，掌子面局部岩体较破碎，拱顶岩体组合受震动易掉块，岩体结合性稍差，整体稳定性一般，推断围岩级别为Ⅳ级。

本隧道围岩岩体较破碎，岩石强度一般，整体稳定性一般，所以应采取“弱爆破、短进尺、少扰动、早喷锚、紧封闭”等技术措施以确保施工安全。

以上结论仅为检测人员根据对采集的地质雷达图像进行技术分析后的初步推断，是否准确还待开挖后进行验证。

由于西山隧道地质情况比较复杂，且受掌子面开挖情况限制，本次检测在隧道的掌子面测试了1条剖面检测线及9个点测。

所以，采集的地质雷达图像数据只能反映掌子面前方局部地质变化情况。

受隧道中各种干扰因素和检测人员技术、经验所限，检测报告中作出的超前预报结果难免存在误差，仅供施工单位参考。