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地下空間三維探測(cè)車

一  裝備功能

1、大功率低頻雷達(dá)，全自動(dòng)仰角波列相位旋轉(zhuǎn)掃描

   2、配置天線（75Mhz）

   3、測(cè)控范圍：窗口2800ns，大于100次疊加。半球狀空間全覆蓋，水文地質(zhì)有效解譯范圍：里程長(zhǎng)度120m，周邊圍巖寬左右各50~70m，高上下各50~70m

   4、供電系統(tǒng)：220V

5、數(shù)據(jù)采集約需2小時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)干擾環(huán)境允容度高（大面積金屬遮蔽物除外）

6、特點(diǎn)全域空間覆蓋、大探深、非接觸、抗干擾、弱信號(hào)提取、物性智能識(shí)別、量化計(jì)算。

二  地下空間水文地質(zhì)情況探測(cè)

三  工程應(yīng)用

1.硬巖誘發(fā)巖爆

誘發(fā)巖爆的條件主要是地層應(yīng)力過(guò)大，隧道開(kāi)挖形成臨空面造成地應(yīng)力失衡，尤以硬巖地層易發(fā)生巖爆。為此掌握較高地應(yīng)力地層里程段規(guī)模，適時(shí)采取預(yù)防措施，就是地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的任務(wù)內(nèi)容。

地質(zhì)背景：草果山隧道屬于大埋深，掌子面巖性為灰色～灰白色黑云母石英二長(zhǎng)巖，微風(fēng)化，硬質(zhì)巖石；巖體節(jié)理裂隙不發(fā)育，有兩組X型剪切節(jié)理，結(jié)構(gòu)面結(jié)合好；掌子面揭露圍巖顯示地層內(nèi)應(yīng)力偏高，時(shí)常出現(xiàn)小型巖爆現(xiàn)象。

解譯結(jié)果：（ZK35+775～ZK35+875段）隧道周邊圍巖完整性較好，破碎松散區(qū)規(guī)模不大，呈零散分布，隧道洞身周邊圍巖10m范圍內(nèi)呈貧水狀，不利于地層內(nèi)應(yīng)力釋放條件；推斷測(cè)區(qū)范圍內(nèi)巖爆隱患呈較高發(fā)生率。（如圖1）

圖1 巖體完整貧水易于內(nèi)應(yīng)力聚集

建議采取相應(yīng)措施（如大當(dāng)量控制爆破，擴(kuò)大松動(dòng)圈，卸載內(nèi)應(yīng)力）減小安全風(fēng)險(xiǎn)；針對(duì)其無(wú)規(guī)律性和隨機(jī)性的問(wèn)題，主要對(duì)策為改善圍巖物理力學(xué)性能、圍巖應(yīng)力條件、加固圍巖、加強(qiáng)設(shè)備和人員防護(hù)等。

2.硬軟巖誘發(fā)大變形

針對(duì)高應(yīng)力軟巖大變形地層的超前預(yù)報(bào)，可通過(guò)開(kāi)挖揭露出的軟巖物性特征，預(yù)報(bào)掌子面前方地層巖性變化界面，預(yù)判易產(chǎn)生軟巖大變形圍巖的延伸規(guī)模及變化趨勢(shì)，進(jìn)而有針對(duì)性地采取相應(yīng)措施，如減少圍巖擾動(dòng)，主動(dòng)控制圍巖變形，支護(hù)寧強(qiáng)勿弱及寧補(bǔ)勿拆，施工快挖、快支、快封閉、少分步，大斷面機(jī)械化作業(yè)等，科學(xué)安排工藝工法，指導(dǎo)安全、高效、合理施工。

（三）地層賦存有害氣體

誘發(fā)地下工程安全危害的有害氣體隱患的生成條件：產(chǎn)生有害氣體源的地層（如煤系地層），達(dá)到構(gòu)成安全危害濃度的賦存條件（如封閉型構(gòu)造）。通過(guò)物探方法對(duì)地層內(nèi)部存在的封閉型構(gòu)造進(jìn)行探查，即可有效地圈定出地下氣體存儲(chǔ)狀態(tài)及規(guī)模，預(yù)防可能危害地下工程安全的有害氣體存在（如瓦斯毒氣）。

地質(zhì)背景：扎西勝利隧道進(jìn)口左幅掌子面前方以泥灰?guī)r為主，夾有薄煤層，弱風(fēng)化，屬較堅(jiān)硬巖，呈中薄層狀結(jié)構(gòu)，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，拱頂偶有小塊掉落，層間結(jié)合一般，自穩(wěn)能力一般。掌子面潮濕，巖層產(chǎn)狀：172°∠63°，節(jié)理發(fā)育程度：掌子面見(jiàn)兩組節(jié)理，J1：274°∠35°5條/m，J2：172°∠48°3條/m。

解譯結(jié)果：（1）隧道ZK36+855里程為巖性變化界面，ZK36+795～ZK36+855段圍巖為泥灰?guī)r，有溶腔、溶洞，巖溶積水；ZK36+855～ZK36+895段節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎,裂隙水呈零星分布。（圖2）

圖2 扎西勝利隧道進(jìn)口左幅周邊圍巖水文地質(zhì)探測(cè)結(jié)果

（2）隧道ZK36+795～K36+855段左側(cè)巖溶裂隙水存在兩處較明顯的積水溶腔，其中ZK36+810里程洞身左側(cè)底腳積水溶腔侵入設(shè)計(jì)洞身；ZK36+815～K36+835段右側(cè)斜下方3m外有一規(guī)模約4500m³的溶洞、溶蝕發(fā)育區(qū)；ZK36+815里程左右拱頂上方2m外存在一溶蝕發(fā)育區(qū)，影響圍巖完整性。（圖3）

圖3 扎西勝利隧道進(jìn)口左幅ZK36+795～K36+855段周邊圍巖富含水及溶蝕發(fā)育區(qū)分布探測(cè)結(jié)果

（3）掌子面前方ZK36+795～ZK36+855（60m）圍巖里程段巖性沒(méi)有變化，周邊圍巖有多處封閉型空腔洞室和富積存水囊，易于有害氣體積存，建議采取措施，靶向排查預(yù)排，降低有害氣體的濃度；ZK36+855～ZK36+895（40m）圍巖里程段巖體呈較破碎不完整，表現(xiàn)為開(kāi)放型破碎帶，易誘發(fā)掉塊坍塌事故發(fā)生的潛在隱患（如圖4）。

圖4 封閉型地層構(gòu)造與開(kāi)放型破碎帶

（四）巖溶發(fā)育

查明隧道開(kāi)挖前方溶洞、地下水分布的水文地質(zhì)情況，預(yù)報(bào)突泥涌水等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)段，以確保施工安全。

地質(zhì)背景：翠屏隧道隧址區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕—溶蝕低山地貌區(qū)，易于剝蝕和溶蝕；出口右幅掌子面出露地層為奧陶系中統(tǒng)上巧家組（O2s），巖性為白云質(zhì)灰?guī)r，屬較堅(jiān)硬巖，巖層層間結(jié)合一般，巖體較完整，為塊狀砌體和塊狀鑲嵌結(jié)構(gòu)，隧道出水形式以潮濕或點(diǎn)滴狀為主。

解譯結(jié)果：（1）測(cè)控區(qū)空間范圍近洞身周邊存在影響洞身穩(wěn)定的3處巖溶裂隙發(fā)育和3處巖溶裂隙水徑流通道，其中①號(hào)（圖5（a））巖溶裂隙水徑流通道異常區(qū)位于掌子面K52+161～K52+146里程段前后洞身左側(cè)及底部，推斷為自上向下的裂隙水徑流通道；②號(hào)（圖5（b））巖溶裂隙水徑流通道異常位于K52+136～K52+126里程段前后洞身左側(cè)及上方，推斷為自上向下的裂隙水徑流通道；③號(hào)（圖5（c））巖溶裂隙水徑流通道異常位于K52+086～K52+076里程段前后洞身左側(cè)及底部，推斷為自上向下的裂隙水徑流通道；3處巖溶裂隙發(fā)育：K52+147里程附件距洞身約2～3m左側(cè)斜上方，K52+133里程附件洞身右側(cè)，K52+083里程附件洞身洞身右側(cè)。

（a）掌子面K52+161～K52+146里程段前后洞身左側(cè)及底部巖溶裂隙水徑流通道異常區(qū)

（b）K52+136～K52+126里程段前后洞身左側(cè)及上方巖溶裂隙水徑流通道異常區(qū)

（c）K52+086～K52+076里程段前后洞身左側(cè)及底部巖溶裂隙水徑流通道異常區(qū)

圖5 翠屏隧道右幅出口周邊圍巖巖溶裂隙發(fā)育及巖溶裂隙水徑流通道分布探測(cè)結(jié)果

（2）洞身K52+176～K52+161段周邊巖體較破碎，含水；洞身K52+161～K52+126段周邊圍巖巖溶裂隙發(fā)育，其中K52+161～K52+146段、K52+136～K52+126段圍巖富含水并存在巖溶裂隙水通道；洞身K52+126～K52+076段周邊圍巖巖溶裂隙較發(fā)育，其中K52+086～K52+076段圍巖富含水并存在巖溶裂隙水通道。（圖6）

圖6翠屏隧道右幅出口洞身中軸線縱剖面水文地質(zhì)分布圖

開(kāi)挖驗(yàn)證：超前預(yù)報(bào)出口右幅巖溶裂隙水徑流通道異常區(qū)位于掌子面K52+161～K52+146里程段前后洞身左側(cè)及底部，推斷為自上向下的裂隙水徑流通道，與預(yù)報(bào)結(jié)果吻合。（圖7）

圖7 掌子面K52+161巖溶裂隙水徑流通道異常

在以構(gòu)造剝蝕—溶蝕為主的低山地貌區(qū)域，極易出現(xiàn)剝蝕和溶蝕現(xiàn)象。巖溶發(fā)育無(wú)規(guī)律、勘察困難、易產(chǎn)生突水突泥災(zāi)害，主要對(duì)策為加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)工作，探明溶蝕發(fā)育規(guī)模、形態(tài)，排水泄壓。

（五）搶險(xiǎn)救援

地下空間施工作業(yè)偶遇突發(fā)事故，搶險(xiǎn)救災(zāi)的第一要?jiǎng)?wù)就是查明事故影響規(guī)模、范圍及被埋前方的狀態(tài)，為科學(xué)施救提供依據(jù)。

1.事故概況

2021年8月23日上午7時(shí)許，元綠高速公路在建哈達(dá)東1號(hào)隧道因持續(xù)降雨，山體滑移，導(dǎo)致隧道洞口冒頂坍方。洞內(nèi)五名作業(yè)人員被困。

接省交通廳安監(jiān)司指示，云南航天工程物探檢測(cè)股份有限公司派出《地下空間三維探測(cè)車》物探裝備（主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1）趕赴現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)塌方封堵洞身前方坍塌體規(guī)模及工程結(jié)構(gòu)受損狀況，進(jìn)行了三維成像探測(cè)，為現(xiàn)場(chǎng)指揮部制定營(yíng)救方案，及時(shí)提供決策依據(jù)。

表1  配置的主要儀器、設(shè)備信息

2.數(shù)據(jù)采集

使用地下空間三維探測(cè)車，基于傘角回旋自動(dòng)掃描疊加點(diǎn)測(cè)模式，雷達(dá)波束以環(huán)向掃描間距5°，空間掃描傘角分別為10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解的事故現(xiàn)狀，對(duì)探測(cè)點(diǎn)YK38+345里程沿隧道施工掘進(jìn)前方呈半球狀對(duì)右幅測(cè)區(qū)空間全覆蓋，探測(cè)點(diǎn)ZK38+345.5里程向左斜交隧道施工掘進(jìn)方向約30°呈半球狀對(duì)左幅測(cè)區(qū)空間交叉覆蓋。

3.數(shù)據(jù)分析解譯

3.1雷達(dá)波數(shù)字信號(hào)預(yù)處理

根據(jù)坍塌現(xiàn)場(chǎng)的坍塌主要物質(zhì)分布情況，有針對(duì)性的對(duì)圍巖含水率、圍巖孔隙度、松散坍落物、砼/堅(jiān)硬巖塊、金屬構(gòu)件5種影響打通救援通道的目標(biāo)介質(zhì)進(jìn)行頻譜響應(yīng)特征標(biāo)定（目標(biāo)介質(zhì)標(biāo)定參數(shù)見(jiàn)表2）。

表2 75MHz雷達(dá)天線頻率響應(yīng)參數(shù)標(biāo)定值

通過(guò)介質(zhì)分析處理軟件，對(duì)空間質(zhì)點(diǎn)的目標(biāo)介質(zhì)譜能占比強(qiáng)度值進(jìn)行計(jì)算（圖17），分別獲取各空間質(zhì)點(diǎn)的目標(biāo)介質(zhì)譜能強(qiáng)度值。

圖17 目標(biāo)介質(zhì)分析軟件

3.2三維成像結(jié)果分析

（1）通過(guò)空間質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)建模軟件，根據(jù)空間質(zhì)點(diǎn)不同介質(zhì)的譜能強(qiáng)度差異，重構(gòu)在測(cè)區(qū)空間中，獲得不同物性分布的三維成像結(jié)果，以便解譯各類物質(zhì)在測(cè)區(qū)空間內(nèi)的分布及量化關(guān)系。

圖8 三維成像探測(cè)綜合結(jié)果

從圖8結(jié)果反映出：哈達(dá)東1號(hào)隧道K38+345～K38+225段圍巖以全風(fēng)化粉砂泥巖為主。巖體為強(qiáng)風(fēng)化，中厚層狀構(gòu)造，局部互層狀。巖體富水性一般，開(kāi)挖時(shí)可能存在較小量的滴水、滲水等現(xiàn)象，雨季滲水量會(huì)有所變化。

探測(cè)結(jié)果顯示，測(cè)控區(qū)K38+335～K38+225里程段內(nèi)，洞身周邊圍巖巖體風(fēng)化程度嚴(yán)重，巖體破碎松散，含水一般。

（2）受地質(zhì)災(zāi)害影響，坍塌屆時(shí)造成出口右幅坍落堆積填充段為K38+337～K38+290（約47m）；出口左幅坍落堆積填充段為K38+337～K38+305（約32米）。  

從洞內(nèi)坍落堆積填充物分類看，松散坍塌物約1272m³，約占洞身空間比28%；砼/ 堅(jiān)硬巖塊約320m³，約占洞身空間比7%；金屬構(gòu)件約96.5m³，約占洞身空間比2%（圖9）。

圖9 洞室坍塌段坍落物分布狀況

（3）從坍落堆積填充物在左右洞身內(nèi)的分布形態(tài)及洞身上方坍塌冒頂?shù)臓顩r推測(cè)：坍塌方向來(lái)自洞身上方偏右的位置（圖10）。

圖10 推斷坍塌滑動(dòng)方向

（4）從坍落物分布情況及冒頂位置分析，隧道洞身結(jié)構(gòu)受損狀況主要是左洞外側(cè)邊墻，連拱中隔墻受力坍塌，右洞外側(cè)邊墻受影響較輕（圖11）。

圖11 推斷洞身結(jié)構(gòu)受損狀況

（5）將坍落堆積物填充洞身段橫向分為A、B、C、D、E、F六個(gè)單元，對(duì)每個(gè)單元中的各目標(biāo)物體積進(jìn)行比較（圖12），選取主要影響打通通道的“砼/堅(jiān)硬巖”、“金屬”體積（占比）較小的A、B單元，可作為優(yōu)選救援通道位置。

圖12 洞室分單元空間坍塌物單元分析

表3 洞室分單元空間坍塌物體積（占比）對(duì)比表

（6）在A、B單元上中下再進(jìn)行細(xì)化分析，各子單元中，A①、A②、B①子單元各類坍落物占比相對(duì)更小，且洞身結(jié)構(gòu)受損較輕，其支撐自穩(wěn)性更佳，即在水平方向上，右幅洞身右側(cè)邊墻底腳A①位置最適合開(kāi)展打通救援通道工作（圖13）。

圖13 探測(cè)結(jié)果分析

表4 A、B子單元坍塌物體積（占比）對(duì)比表

3.3探測(cè)結(jié)果

（1本次坍塌造成出口右幅坍落堆積填充段為K38+337～K38+290（約47m）；出口左幅坍落堆積填充段為K38+337～K38+305（約32米）。

（2在水平方向上，右幅洞身右側(cè)邊墻底腳位置適合開(kāi)展打通救援通道工作（圖14）。

                     （a）立體相對(duì)位置                                          （b）斷面相對(duì)位置

為確保被困人員及施救人員的安全，綜合對(duì)比多方探測(cè)及論證，因隧道埋深淺，經(jīng)被困工人了解到洞室內(nèi)安全空間相對(duì)較大，現(xiàn)場(chǎng)指揮部在3套救援方案中，決定選用旋挖豎井模式，跨過(guò)坍塌體，打穿35米埋深地層，建立起救援通道的方案。經(jīng)過(guò)四天三夜奮戰(zhàn)，成功將全部5名工人安全升井救出，所有被困人員生命體征良好。

通過(guò)參與本次救援和后期復(fù)盤總結(jié)，地質(zhì)雷達(dá)三維成像技術(shù)，對(duì)地下洞室坍塌事故分辨坍塌狀況及規(guī)模，解析坍落體分布，為救援方案提供決策依據(jù)，具有快速、結(jié)果形象具體等特點(diǎn)。

隨著后期復(fù)工作業(yè)的開(kāi)展，需及時(shí)核對(duì)救援現(xiàn)場(chǎng)給出判斷結(jié)論的準(zhǔn)確性和差誤，完善探測(cè)方法的科學(xué)性，為今后類似情況的發(fā)生，多提供一種救援方案決策依據(jù)。