探地雷達(dá)法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在某隧道施工中的應(yīng)用

黃 會(huì)

（貴州地質(zhì)工程勘察院，貴陽(yáng) 550008）

探地雷達(dá)法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在某隧道施工中的應(yīng)用

黃 會(huì)

（貴州地質(zhì)工程勘察院，貴陽(yáng) 550008）

為了給隧道施工提供指導(dǎo)性資料，對(duì)某隧道出口DK1095+975掌子面進(jìn)行了探地雷達(dá)法物探超前調(diào)查，目的是查明沿掌子面深度(前方)為30m范圍內(nèi)是否存在斷層、溶洞或松散區(qū)等不良地質(zhì)現(xiàn)象以及水文地質(zhì)條件，起到確保施工安全、降低地質(zhì)災(zāi)害和危害程度的目的，并為工程優(yōu)化設(shè)計(jì),提供地質(zhì)依據(jù)和編制竣工文件提供地質(zhì)資料。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)：探地雷達(dá)：隧道施工

1 工程與地質(zhì)概況

某工程隧道進(jìn)口里程為DK1093+685，隧道出口里程DK1095+975，全長(zhǎng)2290m。最大埋深162m，地形較陡峭，隧道穿越低山丘陵區(qū)，沖溝發(fā)育，地面高程309.2～504.1m之間，相對(duì)高差最大約為194.9m，丘陵自然坡度較陡。地表灰?guī)r溶蝕裂隙、溶溝、溶槽等溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育，雨季有涌水的可能，節(jié)理裂隙發(fā)育，發(fā)現(xiàn)灰?guī)r表面可見(jiàn)溶隙，溶槽發(fā)育，部分段落受構(gòu)造斷裂影響巖溶較發(fā)育。本次地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工作在里程為DK1095+975掌子面處布置探測(cè)曲線共8條。

本次隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)里程DK1095+975內(nèi)地質(zhì)特征的勘探結(jié)果詳見(jiàn)表1。

表1 隧道出口DK1095+975掌子面前段地質(zhì)勘探結(jié)果

2 探測(cè)儀器及其基本原理

（1）探測(cè)儀器

使用儀器為中國(guó)電波傳播研究所開(kāi)發(fā)的最新產(chǎn)品LTD-2100探地雷達(dá)（圖1），配置100MHz天線（圖2）。

圖1 LTD-2100探地雷達(dá)主機(jī)

圖2 配套100MHz天線

（2）基本原理

探地雷達(dá)工作時(shí)，向地下發(fā)射一定強(qiáng)度的高頻電磁脈沖（幾十MHz至上千MHz），電磁脈沖遇到不同電性介質(zhì)的分界面時(shí)即產(chǎn)生反射或繞射，探地雷達(dá)接收并記錄這些信號(hào)，再通過(guò)進(jìn)一步的信號(hào)處理和解釋即可了解地下介質(zhì)的情況[1]。

相對(duì)于探地雷達(dá)所用的高頻電磁脈沖而言，通常工程勘察和探測(cè)中所遇到的介質(zhì)都是以位移電流為主的低損耗介質(zhì)。在這類介質(zhì)中，反射系數(shù)和波速主要取決于介電常數(shù)，如下式：

式中： r為反射系數(shù)，ν為速度，ε為相對(duì)介電常數(shù)，с為光速，下角標(biāo)分別表示上、下介質(zhì)。在常見(jiàn)介質(zhì)中，相對(duì)介電常數(shù)最小的介質(zhì)是空氣，其相對(duì)介電常數(shù)為1。相對(duì)介電常數(shù)最大的介質(zhì)是水，其相對(duì)介電常數(shù)為81。當(dāng)電進(jìn)入地下遇到不同電性介質(zhì)的分界面時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反射[2]（圖3）。如果是規(guī)則的管線或空洞，在雷達(dá)剖面上將出現(xiàn)典型雙曲線圖像（圖4）。

圖3 探地雷達(dá)原理示意圖

圖4 探地雷達(dá)剖面記錄示意圖

3 探測(cè)方法

（1）野外探測(cè)方法

依據(jù)工程探測(cè)目標(biāo)體的材料特征和結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，選擇100MHz天線進(jìn)行探測(cè)，該天線通過(guò)光纖進(jìn)行光電隔離傳輸進(jìn)行觸發(fā)，以消除收發(fā)機(jī)的信號(hào)傳輸干擾，同時(shí)將上千伏的高壓脈沖饋入天線進(jìn)行探測(cè)。探測(cè)時(shí)，在布設(shè)的測(cè)線位置上使天線盡可能的貼近掌子面上移動(dòng)，以保證天線對(duì)掌子面的耦合性；主機(jī)由單人操作，隨天線均勻移動(dòng)[3]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試分析結(jié)果，確定主要參數(shù)如下：

1)每道（即每個(gè)地面采樣點(diǎn)）記錄長(zhǎng)度550 ns，2048個(gè)時(shí)間采樣點(diǎn)；

2)采用9點(diǎn)分段增益，由淺至深線性增益；

3)介電常數(shù)7。

4)為了消除外界干擾，選用5道平均的方式。

（2）測(cè)線布置

在掌子面上布置探測(cè)線，見(jiàn)表2。

（3）執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

探地雷達(dá)探測(cè)方法執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為：

1）中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《城市工程地球物理探測(cè)規(guī)范》（JJ7-2007）；

表2 測(cè)線布置一覽表

2）中華人民共和國(guó)水利水電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程物探規(guī)程》（SL326-2005）。

（4）數(shù)據(jù)處理

采用中國(guó)電波傳播研究所開(kāi)發(fā)的IDSP6.0探地雷達(dá)處理解釋軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理過(guò)程包括文件管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析與解釋、預(yù)處理和處理分析等步驟。

1）文件管理：①數(shù)據(jù)打開(kāi)；②工程管理；③位圖輸出；④數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。

2）參數(shù)設(shè)置：①文件頭編輯；②數(shù)據(jù)顯示；③標(biāo)記編輯等。

3）數(shù)據(jù)分析與解釋：①層位追蹤；②異常識(shí)別；③厚度計(jì)算；④最大深度；⑤報(bào)表生成等。

4）預(yù)處理步驟：①修改文件頭參數(shù)；②標(biāo)記和樁號(hào)校正；③數(shù)據(jù)合并與分割；④極性反轉(zhuǎn)；⑤剖面翻轉(zhuǎn)；⑥道內(nèi)重采樣；⑦道標(biāo)準(zhǔn)化；⑧添加標(biāo)題、標(biāo)識(shí)等。

5）處理分析步驟：①瀏覽整個(gè)剖面，查找明顯的異常；②一維濾波；③二維濾波；④反褶積；⑤速度分析；⑥零點(diǎn)矯正；⑦希爾伯特變換；⑧滑動(dòng)平均；振幅增強(qiáng)；⑨異常特征和面層對(duì)應(yīng)相位分析；⑩剖面修飾、自動(dòng)增益等。

4 探測(cè)結(jié)果與結(jié)論

（1）探測(cè)結(jié)果

本次雷達(dá)探測(cè)里程范圍為DK1095+975～DK1095+945，在里程為DK1095+975掌子面處分別布置了7條水平測(cè)線和1條豎直測(cè)線的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)工作，分析各測(cè)線雷達(dá)剖面圖像，各測(cè)線探測(cè)分析結(jié)果見(jiàn)測(cè)線分析結(jié)果表（表3）。

（2）結(jié)論

通過(guò)綜合對(duì)比分析得出掌子面地質(zhì)超前預(yù)報(bào)探測(cè)綜合結(jié)果，掌子面雷達(dá)探測(cè)綜合結(jié)果為：該探測(cè)區(qū)段巖體主要以弱風(fēng)化灰?guī)r夾薄層狀灰?guī)r為主，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體整體性一般，局部較破碎，巖體整體性強(qiáng)度較低，溶蝕現(xiàn)象呈較發(fā)育狀態(tài)，局部巖體巖質(zhì)不均，該段巖體存在巖溶裂隙、夾泥性巖層等不良地質(zhì)現(xiàn)象。沿掌子面開(kāi)挖方向，掌子面左右兩側(cè)巖溶裂隙發(fā)育形成粘土、填充隱伏巖溶、溶腔或溶槽，局部節(jié)理裂隙交錯(cuò)部位巖體較破碎，充泥。

表3 測(cè)線分析及異常解釋結(jié)果表

根據(jù)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析可知，該探測(cè)區(qū)段巖體含有裂隙水，在里程DK1095+975～DK1095+960里程處，該探測(cè)段巖體整體穩(wěn)定性較前段圍巖略有提高，受地質(zhì)構(gòu)造的影響，節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理裂隙交錯(cuò)部位巖體較破碎,巖質(zhì)不均，局部存在巖溶裂隙、巖體松散等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

綜合探測(cè)結(jié)果分析：該探測(cè)區(qū)段除圍巖整體性及完整性一般、局部破碎、巖質(zhì)不均，局部存在裂隙水等不良地質(zhì)現(xiàn)象外，還發(fā)育填充型溶隙及小型溶槽，隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中容易發(fā)生掉塊和坍塌等工程地質(zhì)問(wèn)題，具體結(jié)果如下表4。

表4 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)解釋結(jié)果表

（3）建議

由雷達(dá)探測(cè)結(jié)果，結(jié)合掌子面的地質(zhì)狀況，該施工段為隧道口淺埋與深埋交接處，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照圍巖等級(jí)進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)。在靠近拱頂處圍巖穩(wěn)定性差，破碎，易發(fā)生掉塊等工程地質(zhì)問(wèn)題，尤其在溶蝕發(fā)育的地段應(yīng)注意雨季施工對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。建議盡量采用短進(jìn)尺、弱爆破、超前支護(hù)等強(qiáng)支護(hù)形式加強(qiáng)拱頂?shù)闹ёo(hù)，以確保施工的安全。

[1] 郭付印，探地雷達(dá)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究[D].華南理工大學(xué)，2011.

[2] 孫計(jì)同，探地雷達(dá)技術(shù)在青島地鐵隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究[D]. 中國(guó)海洋大學(xué)，2012.

[3] 羅安海，SIR高精度探地雷達(dá)在朝家山1號(hào)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]. 國(guó)防交通工程與技術(shù)，2012（S2）：99～101.

A research on GPR Geological Prediction Application in a Tunnel Construction of Large Grange

HUANG Hui

（Guizhou Institute of Geo-engineering Investigation, Guiyang 550008）

For providing guidance in tunnel construction, on the export DK1095+975 the GPR (ground penetrating radar) survey is carried on prior construction, which aim is to identify harmful geological structures such as fault, karst caves, loose body, hydrogeologic condition along the working face, and to ensure construction safety, reduce harmful degree of geological disasters, provide basic geological data for optimal design of tunnel construction.

Geological prediction；G round penetrating radar；No.1 Tunnel of Large Grange

P631

A

1007-1903（2014）01-0062-03

黃 會(huì)（1977- ），女，工程師，研究方向：地質(zhì)災(zāi)害（評(píng)估、治理等），水文地質(zhì)、工程地質(zhì)治理等。