地質(zhì)雷達(dá)在鳳凰山隧道中的應(yīng)用

朱瑞允 高文博 董曉明

(1.安徽省高速公路控股集團(tuán)有限公司，安徽合肥 230022;2.港珠澳大橋管理局，廣東廣州 510101;3.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064)

0 引言

黃土古稱“黃壤”，本源于土地之色，是一種第四紀(jì)沉積物，具有一系列內(nèi)部物質(zhì)成分和外部形態(tài)的特征，不同于同期的其他沉積物，在地理分布上也有一定的規(guī)律性。在我國(guó)，由于黃土地區(qū)地質(zhì)情況復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害較多，為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、擴(kuò)大內(nèi)需與國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，建設(shè)在黃土地區(qū)的隧道工程數(shù)量逐漸增多，由于黃土特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，黃土隧道的工程特征與普通巖石隧道有相當(dāng)大的差異［1］。

目前，對(duì)于黃土隧道初期的勘察不能完全認(rèn)識(shí)到隧址區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，導(dǎo)致開(kāi)挖過(guò)程中常常出現(xiàn)涌水、突泥、塌方及各種脫空、空洞等事故，造成不必要的經(jīng)濟(jì)和人力損失，但地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，能夠有效的避免以上隱患，減少不必要的損失，因此，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道開(kāi)挖過(guò)程中的重要工序之一。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)是近年來(lái)在中國(guó)開(kāi)始應(yīng)用于隧道工程中的一項(xiàng)新技術(shù)，是地質(zhì)研究與地震、雷達(dá)探測(cè)相結(jié)合的方法，在隧道工程襯砌質(zhì)量檢測(cè)中得到了廣泛應(yīng)用［2-5］。

本文以山西省澤州縣鳳凰山隧道為例，對(duì)隧道右線出口K81+478～K81+513段進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，給出了經(jīng)濟(jì)合理的預(yù)測(cè)方案。

1 工程概況

鳳凰山隧道位于澤州縣鳳凰山礦業(yè)有限公司西側(cè)的鳳凰山，設(shè)計(jì)為左右分離式，隧道左右線均屬長(zhǎng)隧道，兩洞中軸線最大間距約50 m，地形變化較小，總體走向近南北向。左洞地表最低海拔高程844.6 m，最高海拔高程936.779 m，相對(duì)高差92.179 m。右洞地表最低海拔高程847.20 m，最高海拔高程932.94 m，相對(duì)高差85.74 m。北端洞口位于鳳凰山西北面的斜坡上，沖溝較寬，呈“U”字形，溝岸為中陡坡;南端洞口位于小車(chē)渠村北側(cè)沖溝東岸斜坡上，沖溝較窄，呈“V”字形，溝岸陡峻，距現(xiàn)有鄉(xiāng)村公路約300 m，交通較為困難，南端洞口位于鳳凰山南面的斜坡上，距現(xiàn)有公路約500 m，交通較為困難。

隧道區(qū)地形坡度較大，地表徑流條件較好，表部殘坡積厚為0.5 m～3.0 m，疏松多孔，透水性較好。下伏基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，但連通性較差，閉合性較好，水量較貧乏。構(gòu)造破碎帶內(nèi)雖裂隙很發(fā)育，但大多閉合，含水量不大，地下水位受季節(jié)和地形的影響，流向與地形起伏一致，向低洼處排泄。

2 地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR)也稱為探地雷達(dá)，地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)原理與航空雷達(dá)相似，根據(jù)反射波的形狀、幅度及其在橫、縱向上的組合特征和變化情況并結(jié)合當(dāng)?shù)氐膸r層、土質(zhì)、其他物質(zhì)電導(dǎo)率和介電常數(shù)，判斷地下目標(biāo)體的分布形態(tài)及特征，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、分析、解譯來(lái)達(dá)到探測(cè)目的，是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜(1 MHz～1 GHz)的電磁波技術(shù)［6-8］。與其他類型預(yù)報(bào)相比，地質(zhì)雷達(dá)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、分辨率高、測(cè)量速度快、不受現(xiàn)場(chǎng)施工干擾等優(yōu)點(diǎn)，探測(cè)深度一般為20 m～30 m，適宜于對(duì)節(jié)理裂隙破碎帶的探測(cè)預(yù)報(bào)，同時(shí)對(duì)于地下水與地下溶洞的預(yù)報(bào)也有較好的效果。其工作原理見(jiàn)圖1［9］。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

根據(jù)波動(dòng)理論，電磁波的波動(dòng)方程為:

式(1)中第2個(gè)指數(shù)－βγ是一個(gè)與時(shí)間無(wú)關(guān)的項(xiàng)，它表示電磁波在空間各點(diǎn)的場(chǎng)值隨著離場(chǎng)源的距離增大而減小，β為吸收系數(shù)。式中第一個(gè)指數(shù)冪中αγ表示電磁波傳播時(shí)的相位項(xiàng)，α為相位系數(shù)，γ與電磁波傳播速度V的關(guān)系為:

當(dāng)電磁波的頻率極高時(shí)，式(2)可簡(jiǎn)略為:

其中，c為電磁波在真空中的傳播速度;ε為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

波動(dòng)的傳播實(shí)際上可以看成波前沿傳播方向推進(jìn)。波前的傳播時(shí)間可以看成空間位置的函數(shù)，即:

若知道上述函數(shù)關(guān)系，就可以確定波前到空間任一點(diǎn)M(ξ，ψ，ζ)的時(shí)間t。這種由函數(shù)關(guān)系確定的時(shí)空關(guān)系稱為時(shí)間場(chǎng)。在時(shí)間場(chǎng)內(nèi)，我們可以將時(shí)間t相同的點(diǎn)連系起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)等時(shí)面，等時(shí)面方程為:

按場(chǎng)論規(guī)則，射線實(shí)際上是沿時(shí)間場(chǎng)的梯度方向。根據(jù)梯度的定義有:

式(7)為射線方程式。欲求其解，除必須給出某個(gè)時(shí)間t=t0時(shí)，波前面Q位置的起始條件Q0=(ξ，ψ，ζ)=0，以及在某個(gè)界面Z=Z(ξ，ψ)上觀測(cè)的邊界條件 t(ξ，ψ，Z(ξ，ψ))=0。

3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法

3.1 探測(cè)注意事項(xiàng)

采用剖面法進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)過(guò)程中盡可能使天線貼近掌子面沿布設(shè)的測(cè)線移動(dòng)，以保證天線與掌子面之間的耦合性，檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)注意的幾點(diǎn):

1)為避免支護(hù)結(jié)構(gòu)的干擾，盡量選擇新鮮掌子面進(jìn)行探測(cè)。

2)在探測(cè)前，應(yīng)先對(duì)探測(cè)掌子面后方約50 m區(qū)域內(nèi)的隧道環(huán)境和掌子面的地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)記錄。

3)在進(jìn)行探測(cè)的過(guò)程中，施工臺(tái)架是探測(cè)中最常見(jiàn)的干擾物，探測(cè)時(shí)退離掌子面約40 m以減少其對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響。

4)一般在掌子面橫、豎方向呈“井”字形各布置兩條測(cè)線進(jìn)行探測(cè)，盡量使掌子面平整確保雷達(dá)天線充分接觸掌子面，為了便于后期數(shù)據(jù)分析，測(cè)試過(guò)程中應(yīng)盡量多采集數(shù)據(jù)。

5)采集數(shù)據(jù)前，應(yīng)查看天線附近是否有電磁波輻射源或金屬體存在，以確保后期解譯的準(zhǔn)確性。

6)完成現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)后并對(duì)預(yù)報(bào)過(guò)程如測(cè)點(diǎn)數(shù)、測(cè)點(diǎn)點(diǎn)距、測(cè)線長(zhǎng)度及測(cè)線距離左右邊墻的距離等進(jìn)行詳細(xì)的記錄，在圖像解釋時(shí)應(yīng)著眼整條波形線，重點(diǎn)研究對(duì)繞波、散波、同相軸現(xiàn)象不連續(xù)的波進(jìn)行解析，把預(yù)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)掌子面情況進(jìn)行對(duì)比，不斷檢驗(yàn)和修正。

按照操作程序，每次接收的記錄便構(gòu)成了地質(zhì)雷達(dá)反射波時(shí)間剖面圖像，反映掌子面前方圍巖各個(gè)反射面的狀況。

3.2 測(cè)線布置

一般情況隧道檢測(cè)對(duì)拱頂、拱腰、邊墻及隧底4個(gè)部位進(jìn)行檢測(cè)，準(zhǔn)確地說(shuō)，拱腰測(cè)線應(yīng)布置在起拱線1 m范圍內(nèi)，邊墻測(cè)線有兩種情況:對(duì)曲墻斷面，應(yīng)布置在邊墻腳1 m范圍內(nèi);對(duì)直墻斷面，應(yīng)在邊墻的中部和墻腳1 m范圍內(nèi)各布置1條測(cè)線。

由于鳳凰山隧道右線出口K81+478～K81+513段不屬于巖溶發(fā)育條件，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)測(cè)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)能夠準(zhǔn)確分析出掌子面前方的破碎帶、斷層、含水區(qū)等工程地質(zhì)情況，本隧道采用連續(xù)進(jìn)程測(cè)量，并且每次檢測(cè)的深度均為30 m，相隔兩次測(cè)得的長(zhǎng)度均為5 m，地質(zhì)雷達(dá)的測(cè)線布置方法相對(duì)比較靈活，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況布置一些測(cè)線、測(cè)點(diǎn)或網(wǎng)格，本隧道采用了一條測(cè)線加點(diǎn)測(cè)的方式，布置方式如圖2所示。在進(jìn)行測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)天的探測(cè)結(jié)果當(dāng)天進(jìn)行分析檢測(cè)并提交地質(zhì)預(yù)報(bào)。因巖石斷層、溶洞、破碎帶及地下水豐富區(qū)域的介電常數(shù)差異較大，所以雷達(dá)圖像對(duì)此類地質(zhì)條件有明顯的反映，因而利用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是有效的。

圖2 雷達(dá)測(cè)線與測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3.3 數(shù)據(jù)采集及處理

本文采用美國(guó)勞雷公司生產(chǎn)的SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)(見(jiàn)圖3)，采集數(shù)據(jù)過(guò)程中著重確定采樣窗口尺寸、增益點(diǎn)設(shè)置和選擇顯示效果，同時(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)記錄，這些都是資料解釋的基礎(chǔ)。在檢測(cè)中如果遇到干擾信號(hào)應(yīng)該記錄下來(lái)，進(jìn)行分析并注明其性質(zhì)、與測(cè)線的距離、位置關(guān)系等。

圖3 SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)

采用“RADAN5.0”軟件對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便對(duì)數(shù)據(jù)做出準(zhǔn)確、合理的解釋。數(shù)據(jù)處理為反射波時(shí)間剖面圖解譯提供了前期準(zhǔn)備，目的就是消除或抑制干擾(如有效信號(hào)中可能混有背景噪聲、雜波干擾及多次波干擾等)，以最大分辨率將有效信號(hào)顯示在雷達(dá)圖像上，為合理、準(zhǔn)確的地質(zhì)解譯工作提供可靠的實(shí)測(cè)資料［10］。

4 測(cè)試結(jié)果與分析

4.1 巖層含水區(qū)預(yù)測(cè)

本次雷達(dá)預(yù)報(bào)探測(cè)范圍K81+478～K81+513段計(jì)35 m，距掌子面18 m～30 m范圍內(nèi)，即K81+496～K81+508范圍內(nèi)，雷達(dá)電磁波衰減較快，局部存在強(qiáng)反射同相軸，預(yù)計(jì)該段圍巖與目前掌子面相比會(huì)稍有變化，巖性為灰?guī)r，厚層構(gòu)造為主，局部為中厚層，強(qiáng)～中風(fēng)化，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，呈塊～塊碎狀結(jié)構(gòu)，局部層間有次生礦物充填，雷達(dá)電磁波出現(xiàn)多組規(guī)律性較強(qiáng)的反射波同相軸，且反射波同相軸連續(xù)，振幅較大，以低頻為主，推斷該段圍巖破碎，可能存在滲水現(xiàn)象。通過(guò)開(kāi)挖證實(shí)，K81+490處圍巖破碎松散，掌子面出現(xiàn)股狀滲水并伴隨著掉塊現(xiàn)象。

4.2 裂隙破碎帶預(yù)測(cè)

由鳳凰山隧道右線出口處的雷達(dá)波形可知，與掌子面距離為10 m～25 m區(qū)域，雷達(dá)波信號(hào)相對(duì)較平靜，無(wú)連續(xù)同相軸與強(qiáng)反射波，證明該段圍巖與掌子面特征相近;與掌子面距離為5 m～10 m，25 m～30 m區(qū)域，內(nèi)反射界面較多，有同相軸錯(cuò)亂與多組區(qū)域強(qiáng)反射波出現(xiàn)，判斷該段圍巖存在節(jié)理裂隙發(fā)育現(xiàn)象，有可能存在斷層或軟弱夾層。開(kāi)挖實(shí)踐驗(yàn)證，該區(qū)域的掌子面局部破碎，拱頂層面組合容易局部掉塊，層面結(jié)合稍差，有條破碎帶且有軟弱夾層，這與預(yù)報(bào)的結(jié)果基本相一致。

5 結(jié)語(yǔ)

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)裂隙破碎帶、斷層、水及溶洞比較敏感，是一種比較準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)工具，可以為保障施工安全提供有效指導(dǎo);距掌子面18 m～30 m范圍有滲水現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，雷達(dá)電磁波快速衰減，局部有強(qiáng)反射同相軸存在，在含水區(qū)巖層中有強(qiáng)反射帶出現(xiàn);距掌子面前方5 m～10 m和25 m～30 m范圍內(nèi)，有同相軸錯(cuò)亂和多組區(qū)域強(qiáng)反射波出現(xiàn)，巖層存在局部掉塊現(xiàn)象，層面有條破碎帶出現(xiàn)并伴有軟弱夾層;綜合分析判讀雷達(dá)探測(cè)解釋和地質(zhì)特征解釋是一種有效提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度的方法，在解釋過(guò)程中，應(yīng)將探測(cè)成果與地質(zhì)勘探資料、掌子面地質(zhì)資料有機(jī)結(jié)合，以確保典型地質(zhì)標(biāo)體的雷達(dá)圖像識(shí)別能力得到加強(qiáng);工程技術(shù)人員應(yīng)不斷努力學(xué)習(xí)、積累工程經(jīng)驗(yàn)、提高專業(yè)技能，確保能夠準(zhǔn)確、可靠地進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)分析。

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