【導(dǎo)讀】蕆蒄袀芇芆螀螆袃荿薃螞袂蒁螈羀袂膁薁袆袁芃螆螂羀蒞蕿蚈罿蕆莂羇羈膇薇羃羇荿莀衿羆蒂蚆螅羆膁葿蟻羅芄蚄羀羄莆蕆袆肅蒈螞螂肂膈蒅蚈肁芀蟻薃肀蒃蒃肀膂蝿袈聿芅薂螄肈莇螇蝕肇葿薀罿膆腿莃裊膅芁薈螁膄莃莁螇膄膃薇蚃膃芅葿羈膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃蠆艿節(jié)蒆羈羋莄蟻襖羋蕆蒄袀芇芆螀螆袃荿薃螞袂蒁螈羀袂膁薁袆袁芃螆螂羀蒞蕿蚈罿蕆莂羇羈膇薇羃羇荿莀衿羆蒂蚆螅羆膁葿蟻羅芄蚄羀羄莆蕆袆肅蒈螞螂肂膈蒅蚈肁芀蟻薃肀蒃蒃肀膂蝿袈聿芅薂螄肈莇螇蝕肇葿薀罿膆腿莃裊膅芁薈螁膄莃莁螇膄膃薇蚃膃芅葿羈膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃蠆艿節(jié)蒆羈羋莄蟻襖羋蕆蒄袀芇芆螀螆袃荿薃螞袂蒁螈羀袂膁薁袆袁芃螆螂羀蒞蕿蚈罿蕆莂羇羈膇薇羃羇荿莀衿羆蒂蚆螅羆膁葿蟻羅芄蚄羀羄莆蕆袆肅蒈螞螂肂膈蒅蚈肁芀蟻薃肀蒃蒃肀膂蝿袈聿芅薂螄肈莇螇蝕肇葿薀罿膆腿莃裊膅芁薈螁膄莃莁螇膄膃薇蚃膃芅葿羈膂莈蚅袇膁蒀蒈螃膀膀蚃蠆艿節(jié)蒆羈羋莄蟻襖羋蕆蒄袀芇芆螀螆袃荿薃螞袂蒁螈羀袂膁薁袆

　　

【正文】 探測目的。其應(yīng)用范圍涉及公路、鐵路、水電站、煤礦、隧道、礦產(chǎn)資源和考古等各個領(lǐng)域。 發(fā)射天線將高頻短脈沖電磁波定向送入地下，電磁波在傳播過程中遇到存在隧道監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報實施大綱 25 電性差異的地層或目標(biāo)體就會發(fā)生反射和透射，接收天線收到反射 波信號并將其數(shù)字化，然后由電腦以反射波波形的形式記錄下來。對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理后，通過分析這些攜有地下介質(zhì)電信息的電磁波，可根據(jù)其旅行時間、幅度和波形，判斷地下目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)及其分布。探地雷達(dá)是在對反射波形特性分析的基礎(chǔ)上來判斷地下目標(biāo)體的，所以其探測效果主要取決于地下目標(biāo)體與周圍介質(zhì)的電性差異、電磁波的衰減程度、目標(biāo)體的埋深以及外部干擾的強(qiáng)弱等。其中，目標(biāo)體與介質(zhì)間的電性差異越大，二者的界面就越清晰，表現(xiàn)在雷達(dá)剖面圖上就是同相軸不連續(xù)?？梢哉f，目標(biāo)體與周圍介質(zhì)之間的電性差異是探地雷達(dá)探測的 基本條件。 地質(zhì)雷達(dá)能預(yù)報掌子面前方地層巖性的變化，對于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識別能力。在深埋隧道和富水地層以及溶洞發(fā)育地區(qū)，地質(zhì)雷達(dá)是一個很好的預(yù)報手段。但是地質(zhì)雷達(dá)目前探測的距離較短，大約在 20～ 30m 之間，對于長距離隧道的預(yù)報只能分段進(jìn)行，同時雷達(dá)記錄易受洞內(nèi)機(jī)器干擾，探測分析中要特別注意波相識別，排除干擾。 (3)探測方法 在隧道進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)探測時主要按照以下流程進(jìn)行： 1） 檢查和記錄隧道掌子面的圍巖情況； 2） 完成雷達(dá)主機(jī)和天線以及專用采集筆記本電腦的連接和調(diào)試； 3） 準(zhǔn)備進(jìn)入采集模 式，盡量避免各種電磁的干擾和串?dāng)_； 4） 根據(jù)采集方式，確定天線的運(yùn)動方式，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 隧道監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報實施大綱 26 圖 19 地質(zhì)雷達(dá)法現(xiàn)場工作 3）資料分析與處理 采用美國雷達(dá)專用處理軟件和我單位自行開發(fā)的二次處理軟件，根據(jù)雷達(dá)波波形、相位、頻率和能量等參數(shù)可以基本準(zhǔn)確的預(yù)報掌子面前方中小型溶洞、斷層破碎帶和地下水，且探地雷達(dá)相對于 TSP 來說，具有探小溶洞和探水優(yōu)勢。 探地雷達(dá)是用發(fā)射天線向巖體發(fā)射有一定寬度的高頻電磁波，巖體中的介質(zhì)因介電常數(shù) ε 的不同而反射雷達(dá)波被接收天 線接收。介電常數(shù)差是雷達(dá)工作的基礎(chǔ)?？諝獾慕殡姵?shù)為 1，巖石的介電常數(shù)為 4～ 20，水的介電常數(shù)為 81，水的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于灰?guī)r、砂巖等巖石，因而探地雷達(dá)對水有特別的敏感性。 ａ .雷達(dá)波對水和含水率高的介質(zhì)的反射強(qiáng)烈，反射波強(qiáng)度大 ； ｂ .雷達(dá)波從其它介質(zhì)到含水層界面的反射波相位與入射波相反 ； ｃ .雷達(dá)波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優(yōu)勢頻率降低 ； ｄ .雷達(dá)波遇中小型溶洞有明顯的 “雙曲線 ”反映。 超前 水平 鉆探 超前水平巖芯鉆孔，可視為隧道中的微形導(dǎo)坑，可能探測了解隧道開挖工作隧道監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報實施大綱 27 面前方幾十米乃至上百米范 圍內(nèi)圍巖的地質(zhì)情況。在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)盡可能避免鉆頭發(fā)生偏移而導(dǎo)致的探測結(jié)果誤差。應(yīng)根據(jù)巖石的堅硬程度，調(diào)整鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速和較低的鉆壓。堅硬的巖石，應(yīng)采用較低的轉(zhuǎn)速和較高的鉆壓；較軟的巖石，則應(yīng)采用較高的轉(zhuǎn)速和較低的鉆壓。也可利用開挖工作面上的炮眼孔或深水孔、聲波探測孔的鉆進(jìn)情況來探測了解圍巖地質(zhì)情況。 （ 1） 超前水平鉆 探 的必要性 1） 由于前期工程地質(zhì)勘察階段鉆孔數(shù)量有限，即使加上必要的物化探等手段也不可能涵蓋所有地層的地質(zhì)信息，因此在正式施工后也需要根據(jù)新奧法的基本理念：即通過反饋施工過程中遇到的重要信息達(dá)到動 態(tài)的設(shè)計，和施工協(xié)調(diào)一致，良性互動。在施工階段，幾乎所有的地球物理探測技術(shù)（物探）的精度和準(zhǔn)確性都有待提高，在遇到地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，其他手段推測前方存在較大地質(zhì)缺陷或者隱伏水體存在而又無法驗證時，超前水平鉆探作為最為直觀和有效的勘察手段顯得尤為必要。 2） 作為重要的地質(zhì)資料的補(bǔ)充和收集手段，超前水平鉆探的重要性極顯而易見。通過超前水平鉆進(jìn)，預(yù)報人員可以獲取除物探信息以外的現(xiàn)場信息。經(jīng)驗豐富的鉆機(jī)操作人員通過孔底鉆壓的異常波動可以預(yù)測前方巖體質(zhì)量的好壞。如果前方有水體存在，則鉆進(jìn)中會有更加明顯的征兆。因此超前水平 鉆進(jìn)除了補(bǔ)充驗證物探預(yù)測的正確性，自身的作用也不容忽視。 （ 2） 超前鉆探設(shè)計 超前鉆探距離 一般 為 30m，搭接 10m，以保證有足夠的安全巖柱 ， 鉆探設(shè)備使用潛孔鉆 或地質(zhì)鉆機(jī) 。 超前鉆探 布置 在物探異常段 落 、設(shè)計 中存在不良地質(zhì)體段落、地質(zhì)情況需要進(jìn)一步探明的復(fù)雜段落和其它存在突水突泥危險的段落 。 一般地段在掌子面中部打一個垂直于掌子面 的 30m 探孔，關(guān)鍵地段打 3~5 個與掌子面垂直或外傾的 30m探孔，具體外傾角度根據(jù)現(xiàn)場預(yù)報和地質(zhì)資料分析 確定 ，如圖 20。 隧道監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報實施大綱 28 搭接長度掌子面掌子面搭接長度掌子面掌子面 圖 20 超前鉆探探孔布置圖 （ 3） 超前鉆探資料分析 通過 鉆探過程中鉆孔返水情況及軟弱層等的直觀記錄資料的分析 ， 可以 獲得如下信息 ： 1）掌子面前方 巖體完整性及裂隙發(fā)育情況； 2）掌子面前方 圍巖級別、 巖性變化情況及巖性分界面 ； 3）掌子面前方溶腔的具體位置及溶腔的充填情況； 4）重點(diǎn)地段的巖石力學(xué)參數(shù)； 5）掌子面前方 含水情況及涌水量； 6）隧道突水突泥危險性判斷 。 通過鉆探的結(jié)果，對照物探結(jié)論和施工開挖過程揭示的地質(zhì)情況，可進(jìn)一步分析地層的軟硬、完整性、穩(wěn)定性等對施工安全影響的地質(zhì)因素，不斷地糾正鉆探的初步結(jié) 論和調(diào)整施工措施。 （ 4）工程量統(tǒng)計 鉆探施工 由施工單位實施、監(jiān)測預(yù)報單位咨詢，在隧道 巖溶發(fā)育 地段 計劃 施作 181 次超前水平鉆探工作，共計 5430m。 我單位將實時跟蹤調(diào)查隧道開挖情況，根據(jù)開挖結(jié)果做好超前水平鉆探咨詢工作，與施工單位一同做好超前水平鉆探工作，確保施工安全。 紅外探測超前地質(zhì)預(yù)報 紅外探水法 是一種探水的輔助方法。短距離預(yù)報， 25m以內(nèi)，所有物體都發(fā)隧道監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報實施大綱 29 射出不可見的紅外線能量；當(dāng)前面存在隱伏含水構(gòu)造或有水時，正常場產(chǎn)生畸變；繪制相應(yīng)的紅外輻射曲線，根據(jù)曲線的趨勢判斷前方有無含水。 （ 1） 測試 儀器 紅外探水是通過巖層或煤層等的輻射場來確定隱藏目標(biāo)體的存在及性質(zhì)的一種儀器 ，見圖 21。 圖 21 紅外探水儀 （ 2） 探測原理 由于所有物體都發(fā)射出不可見的紅外線能量，這能量的大小與物體的發(fā)射率成正比。而發(fā)射率的大小取決于物體的物質(zhì)和它的表面狀況。當(dāng)隧道掌子面前方及周邊介質(zhì)單一時，所測得的紅外場為正常場，當(dāng)前面存在隱伏含水構(gòu)造或有水時，他們所產(chǎn)生的場強(qiáng)要疊加到正常場上，從而使正常場產(chǎn)生畸變。據(jù)此判斷掌子面前方一定范圍內(nèi)有無含水構(gòu)造。現(xiàn)場測試有兩種方法：一是在掌子面上，分上、中、下及左、中、右六條測線的 交點(diǎn)測取 9 個數(shù)據(jù)，根據(jù)這 9 個數(shù)據(jù)之間的最大差值來判斷是否有水；二是由掌子面向掘進(jìn)后方（或洞口）按左邊墻、拱部、右邊墻的順序進(jìn)行測試，每 5m或 3m測取一組數(shù)據(jù)，共測取 50m或 30m，并繪制相應(yīng)的紅外輻射曲線，根據(jù)曲線的趨勢判斷前方有無含水。 掌子面上 9 個數(shù)據(jù)的最大差值大于 10μw/cm2，就可以判定有水；紅外輻射曲線上升或下降均可以判定有水，其他情況判定無水。紅外探測的特點(diǎn)是可以實現(xiàn)對隧道全空間、全方位的探測，儀器操作簡單，能預(yù)測到隧道外圍空間及掘進(jìn)前方 25m范圍內(nèi)是否存在隱伏水體或含水構(gòu)造，而且可利用施工間 歇期測試，基本不占用施工時間。但這種方法只能確定有無水，至于水量大小、水體寬度、具隧道監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報實施大綱 30 體的位置沒有定量的解釋。 （ 3） 探測方法 在現(xiàn)場紅外探水的過程中，首先根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件情況調(diào)整好參數(shù)， 由掘進(jìn)斷面向后方以 5 米點(diǎn)距，布 12 個探測 斷面 ，探測線一般為洞頂、 拱腳、左右邊墻、 洞底 分別布置測線 ；若掌子面后方由于襯砌施工等原因造成無法布置測線，可在掌子面進(jìn)行探測。布點(diǎn)可以均勻布 4 行，每行 5 個測點(diǎn)。 將觀測到的數(shù)據(jù)記錄成表，繪制曲線圖， 然后做相應(yīng)的處理、分析和解釋 ，就可 通過正常場推斷異常場，進(jìn)而 預(yù)測掌子面前方 30m 左右圍巖含 水情況。如圖 22 與圖 23。 圖 22 紅外探水測點(diǎn)布置圖 圖 23 紅外探水法現(xiàn)場探測 隧道監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報實施大綱 31 （ 4）工程量統(tǒng)計 紅外探測 由施工單位實施、監(jiān)測預(yù)報單位咨詢 ，在隧道地下水豐富地段 施作70 次紅外探測，共計 1810m。 我單位將實時跟蹤調(diào)查隧道開挖情況，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報和開挖結(jié)果做好紅外探測咨詢工作，與施工單位一同做好地下水的預(yù)報工作，確保施工安全。 4 超前地質(zhì)預(yù)報質(zhì)量 與安全 保證措施 超前地質(zhì)預(yù)報質(zhì)量保證措施 為保證超前地質(zhì)預(yù)報資料的真實可靠及連續(xù)性，應(yīng)遵 循以下各項質(zhì)量保證措施： (1) 超前地質(zhì)預(yù)報與監(jiān)理工程師密切配合工作，及時向監(jiān)理工程師報告情況和問題，并提供有關(guān)切實可靠的數(shù)據(jù)記錄。 (2) 制定切實可行的超前地質(zhì)預(yù)報實施方案，并將其納入工程的施工進(jìn)度控制計劃中。 (3)