地下空间三维探测车

一  装备功能

1、大功率低频雷达，全自动仰角波列相位旋转扫描

   2、配置天线（75Mhz）

   3、测控范围：窗口2800ns，大于100次叠加。半球状空间全覆盖，水文地质有效解译范围：里程长度120m，周边围岩宽左右各50~70m，高上下各50~70m

   4、供电系统：220V

5、数据采集约需2小时，现场干扰环境允容度高（大面积金属遮蔽物除外）

6、特点全域空间覆盖、大探深、非接触、抗干扰、弱信号提取、物性智能识别、量化计算。

二  地下空间水文地质情况探测

三  工程应用

1.硬岩诱发岩爆

诱发岩爆的条件主要是地层应力过大，隧道开挖形成临空面造成地应力失衡，尤以硬岩地层易发生岩爆。为此掌握较高地应力地层里程段规模，适时采取预防措施，就是地质超前预报的任务内容。

地质背景：草果山隧道属于大埋深，掌子面岩性为灰色～灰白色黑云母石英二长岩，微风化，硬质岩石；岩体节理裂隙不发育，有两组X型剪切节理，结构面结合好；掌子面揭露围岩显示地层内应力偏高，时常出现小型岩爆现象。

解译结果：（ZK35+775～ZK35+875段）隧道周边围岩完整性较好，破碎松散区规模不大，呈零散分布，隧道洞身周边围岩10m范围内呈贫水状，不利于地层内应力释放条件；推断测区范围内岩爆隐患呈较高发生率。（如图1）

图1 岩体完整贫水易于内应力聚集

建议采取相应措施（如大当量控制爆破，扩大松动圈，卸载内应力）减小安全风险；针对其无规律性和随机性的问题，主要对策为改善围岩物理力学性能、围岩应力条件、加固围岩、加强设备和人员防护等。

2.硬软岩诱发大变形

针对高应力软岩大变形地层的超前预报，可通过开挖揭露出的软岩物性特征，预报掌子面前方地层岩性变化界面，预判易产生软岩大变形围岩的延伸规模及变化趋势，进而有针对性地采取相应措施，如减少围岩扰动，主动控制围岩变形，支护宁强勿弱及宁补勿拆，施工快挖、快支、快封闭、少分步，大断面机械化作业等，科学安排工艺工法，指导安全、高效、合理施工。

（三）地层赋存有害气体

诱发地下工程安全危害的有害气体隐患的生成条件：产生有害气体源的地层（如煤系地层），达到构成安全危害浓度的赋存条件（如封闭型构造）。通过物探方法对地层内部存在的封闭型构造进行探查，即可有效地圈定出地下气体存储状态及规模，预防可能危害地下工程安全的有害气体存在（如瓦斯毒气）。

地质背景：扎西胜利隧道进口左幅掌子面前方以泥灰岩为主，夹有薄煤层，弱风化，属较坚硬岩，呈中薄层状结构，岩体较破碎，节理裂隙较发育，拱顶偶有小块掉落，层间结合一般，自稳能力一般。掌子面潮湿，岩层产状：172°∠63°，节理发育程度：掌子面见两组节理，J1：274°∠35°5条/m，J2：172°∠48°3条/m。

解译结果：（1）隧道ZK36+855里程为岩性变化界面，ZK36+795～ZK36+855段围岩为泥灰岩，有溶腔、溶洞，岩溶积水；ZK36+855～ZK36+895段节理裂隙发育，岩体较破碎,裂隙水呈零星分布。（图2）

图2 扎西胜利隧道进口左幅周边围岩水文地质探测结果

（2）隧道ZK36+795～K36+855段左侧岩溶裂隙水存在两处较明显的积水溶腔，其中ZK36+810里程洞身左侧底脚积水溶腔侵入设计洞身；ZK36+815～K36+835段右侧斜下方3m外有一规模约4500m³的溶洞、溶蚀发育区；ZK36+815里程左右拱顶上方2m外存在一溶蚀发育区，影响围岩完整性。（图3）

图3 扎西胜利隧道进口左幅ZK36+795～K36+855段周边围岩富含水及溶蚀发育区分布探测结果

（3）掌子面前方ZK36+795～ZK36+855（60m）围岩里程段岩性没有变化，周边围岩有多处封闭型空腔洞室和富积存水囊，易于有害气体积存，建议采取措施，靶向排查预排，降低有害气体的浓度；ZK36+855～ZK36+895（40m）围岩里程段岩体呈较破碎不完整，表现为开放型破碎带，易诱发掉块坍塌事故发生的潜在隐患（如图4）。

图4 封闭型地层构造与开放型破碎带

（四）岩溶发育

查明隧道开挖前方溶洞、地下水分布的水文地质情况，预报突泥涌水等地质灾害易发段，以确保施工安全。

地质背景：翠屏隧道隧址区属于构造剥蚀—溶蚀低山地貌区，易于剥蚀和溶蚀；出口右幅掌子面出露地层为奥陶系中统上巧家组（O2s），岩性为白云质灰岩，属较坚硬岩，岩层层间结合一般，岩体较完整，为块状砌体和块状镶嵌结构，隧道出水形式以潮湿或点滴状为主。

解译结果：（1）测控区空间范围近洞身周边存在影响洞身稳定的3处岩溶裂隙发育和3处岩溶裂隙水径流通道，其中①号（图5（a））岩溶裂隙水径流通道异常区位于掌子面K52+161～K52+146里程段前后洞身左侧及底部，推断为自上向下的裂隙水径流通道；②号（图5（b））岩溶裂隙水径流通道异常位于K52+136～K52+126里程段前后洞身左侧及上方，推断为自上向下的裂隙水径流通道；③号（图5（c））岩溶裂隙水径流通道异常位于K52+086～K52+076里程段前后洞身左侧及底部，推断为自上向下的裂隙水径流通道；3处岩溶裂隙发育：K52+147里程附件距洞身约2～3m左侧斜上方，K52+133里程附件洞身右侧，K52+083里程附件洞身洞身右侧。

（a）掌子面K52+161～K52+146里程段前后洞身左侧及底部岩溶裂隙水径流通道异常区

（b）K52+136～K52+126里程段前后洞身左侧及上方岩溶裂隙水径流通道异常区

（c）K52+086～K52+076里程段前后洞身左侧及底部岩溶裂隙水径流通道异常区

图5 翠屏隧道右幅出口周边围岩岩溶裂隙发育及岩溶裂隙水径流通道分布探测结果

（2）洞身K52+176～K52+161段周边岩体较破碎，含水；洞身K52+161～K52+126段周边围岩岩溶裂隙发育，其中K52+161～K52+146段、K52+136～K52+126段围岩富含水并存在岩溶裂隙水通道；洞身K52+126～K52+076段周边围岩岩溶裂隙较发育，其中K52+086～K52+076段围岩富含水并存在岩溶裂隙水通道。（图6）

图6翠屏隧道右幅出口洞身中轴线纵剖面水文地质分布图

开挖验证：超前预报出口右幅岩溶裂隙水径流通道异常区位于掌子面K52+161～K52+146里程段前后洞身左侧及底部，推断为自上向下的裂隙水径流通道，与预报结果吻合。（图7）

图7 掌子面K52+161岩溶裂隙水径流通道异常

在以构造剥蚀—溶蚀为主的低山地貌区域，极易出现剥蚀和溶蚀现象。岩溶发育无规律、勘察困难、易产生突水突泥灾害，主要对策为加强超前预报工作，探明溶蚀发育规模、形态，排水泄压。

（五）抢险救援

地下空间施工作业偶遇突发事故，抢险救灾的第一要务就是查明事故影响规模、范围及被埋前方的状态，为科学施救提供依据。

1.事故概况

2021年8月23日上午7时许，元绿高速公路在建哈达东1号隧道因持续降雨，山体滑移，导致隧道洞口冒顶坍方。洞内五名作业人员被困。

接省交通厅安监司指示，新老澳门香港原料网站派出《地下空间三维探测车》物探装备（主要设备参数见表1）赶赴现场，对塌方封堵洞身前方坍塌体规模及工程结构受损状况，进行了三维成像探测，为现场指挥部制定营救方案，及时提供决策依据。

表1  配置的主要仪器、设备信息

2.数据采集

使用地下空间三维探测车，基于伞角回旋自动扫描叠加点测模式，雷达波束以环向扫描间距5°，空间扫描伞角分别为10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°，根据现场了解的事故现状，对探测点YK38+345里程沿隧道施工掘进前方呈半球状对右幅测区空间全覆盖，探测点ZK38+345.5里程向左斜交隧道施工掘进方向约30°呈半球状对左幅测区空间交叉覆盖。

3.数据分析解译

3.1雷达波数字信号预处理

根据坍塌现场的坍塌主要物质分布情况，有针对性的对围岩含水率、围岩孔隙度、松散坍落物、砼/坚硬岩块、金属构件5种影响打通救援通道的目标介质进行频谱响应特征标定（目标介质标定参数见表2）。

表2 75MHz雷达天线频率响应参数标定值

通过介质分析处理软件，对空间质点的目标介质谱能占比强度值进行计算（图17），分别获取各空间质点的目标介质谱能强度值。

图17 目标介质分析软件

3.2三维成像结果分析

（1）通过空间质点坐标建模软件，根据空间质点不同介质的谱能强度差异，重构在测区空间中，获得不同物性分布的三维成像结果，以便解译各类物质在测区空间内的分布及量化关系。

图8 三维成像探测综合结果

从图8结果反映出：哈达东1号隧道K38+345～K38+225段围岩以全风化粉砂泥岩为主。岩体为强风化，中厚层状构造，局部互层状。岩体富水性一般，开挖时可能存在较小量的滴水、渗水等现象，雨季渗水量会有所变化。

探测结果显示，测控区K38+335～K38+225里程段内，洞身周边围岩岩体风化程度严重，岩体破碎松散，含水一般。

（2）受地质灾害影响，坍塌届时造成出口右幅坍落堆积填充段为K38+337～K38+290（约47m）；出口左幅坍落堆积填充段为K38+337～K38+305（约32米）。  

从洞内坍落堆积填充物分类看，松散坍塌物约1272m³，约占洞身空间比28%；砼/ 坚硬岩块约320m³，约占洞身空间比7%；金属构件约96.5m³，约占洞身空间比2%（图9）。

图9 洞室坍塌段坍落物分布状况

（3）从坍落堆积填充物在左右洞身内的分布形态及洞身上方坍塌冒顶的状况推测：坍塌方向来自洞身上方偏右的位置（图10）。

图10 推断坍塌滑动方向

（4）从坍落物分布情况及冒顶位置分析，隧道洞身结构受损状况主要是左洞外侧边墙，连拱中隔墙受力坍塌，右洞外侧边墙受影响较轻（图11）。

图11 推断洞身结构受损状况

（5）将坍落堆积物填充洞身段横向分为A、B、C、D、E、F六个单元，对每个单元中的各目标物体积进行比较（图12），选取主要影响打通通道的“砼/坚硬岩”、“金属”体积（占比）较小的A、B单元，可作为优选救援通道位置。

图12 洞室分单元空间坍塌物单元分析

表3 洞室分单元空间坍塌物体积（占比）对比表

（6）在A、B单元上中下再进行细化分析，各子单元中，A①、A②、B①子单元各类坍落物占比相对更小，且洞身结构受损较轻，其支撑自稳性更佳，即在水平方向上，右幅洞身右侧边墙底脚A①位置最适合开展打通救援通道工作（图13）。

图13 探测结果分析

表4 A、B子单元坍塌物体积（占比）对比表

3.3探测结果

（1本次坍塌造成出口右幅坍落堆积填充段为K38+337～K38+290（约47m）；出口左幅坍落堆积填充段为K38+337～K38+305（约32米）。

（2在水平方向上，右幅洞身右侧边墙底脚位置适合开展打通救援通道工作（图14）。

                     （a）立体相对位置                                          （b）断面相对位置

为确保被困人员及施救人员的安全，综合对比多方探测及论证，因隧道埋深浅，经被困工人了解到洞室内安全空间相对较大，现场指挥部在3套救援方案中，决定选用旋挖竖井模式，跨过坍塌体，打穿35米埋深地层，建立起救援通道的方案。经过四天三夜奋战，成功将全部5名工人安全升井救出，所有被困人员生命体征良好。

通过参与本次救援和后期复盘总结，地质雷达三维成像技术，对地下洞室坍塌事故分辨坍塌状况及规模，解析坍落体分布，为救援方案提供决策依据，具有快速、结果形象具体等特点。

随着后期复工作业的开展，需及时核对救援现场给出判断结论的准确性和差误，完善探测方法的科学性，为今后类似情况的发生，多提供一种救援方案决策依据。