地質雷達在隧道地質超前預報中的應用

胡先進，王　爭，任梓綺

(貴州省交通科學研究院股份有限公司,貴州 貴陽　550001)

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地質雷達在隧道地質超前預報中的應用

胡先進，王爭，任梓綺

(貴州省交通科學研究院股份有限公司,貴州 貴陽550001)

摘要：隧道地質超前預報在隧道施工中十分重要，逐漸列為隧道施工作業(yè)循環(huán)的重點工序。結合具體工程，通過地質雷達在隧道地質超前預報中應用，對其預報成果的分析研究及開挖驗證，證明了地質雷達在隧道地質超前預報中的實用性和有效性，同時為以后地質超前預報工作積累經驗。

關鍵詞：隧道；地質超前預報；地質雷達

1工程實例

實際工程中采用美國GSSI 生產的SIR20 型地質雷達，100 MHz主頻天線，采樣點數為1024 ，采樣時窗長度為400 ns，介電常數、掃描率等參數根據隧道掌子面地質情況做相應調整。采用高速地質透視雷達現場采集數據時，隧道掌子面較光滑、平整時采用連測方式，將天線貼緊掌子面沿測線緩慢勻速地移動，通過雷達主機進行自動采集；當隧道掌子面粗糙、凹凸不平時采用點測方式，將天線按固定的距離進行移動，通過雷達主機進行手動采集。

1.1巖溶

巖溶是水對可溶性巖石(碳酸鹽巖、石膏、巖鹽等)進行以化學溶蝕作用為主，流水的沖蝕、潛蝕和崩塌等機械作用為輔的地質作用，以及由這些作用所產生的現象的總稱。

某隧道為貴州省畢都高速公路一公路隧道，隧道基巖主要為二疊系下統棲霞-茅口組灰?guī)r，巖溶較發(fā)育。圖1為該隧道探測的雷達圖像，從圖中可以看出雷達波在16～18 m深度內有一明顯雷達波反射異常區(qū)，該段雷達波反射較強，振幅較大，左側、中部同相軸連續(xù)、平緩，界面反射明顯，右側同相軸錯斷，能量整體衰減較慢。結合隧道掌子面地質情況與地勘資料推測該深度范圍內發(fā)育一溶洞，少量充水或充泥。后經開挖驗證，該段發(fā)育一溶洞，溶洞底有少量水與原巖碎塊充填，如圖2所示。

圖1　巖溶雷達圖

圖2　巖溶照片

1.2斷層

巖體受構造應力作用超過其強度時就會發(fā)生裂縫或錯斷，破壞了巖體的完整性而形成斷裂構造，斷層是巖層或巖體順破裂面發(fā)生明顯位移的構造，在地殼中廣泛發(fā)育，斷層帶上往往巖石破碎，易被風化侵蝕。

某隧道為貴州省思劍高速公路一公路隧道，隧道橫穿一斷層，斷層性質不明，破碎帶寬3～6 m。圖3為在該隧道斷層附近探測的雷達圖像，從圖中可以看出雷達波在5～10 m 深度內有一明顯雷達波反射異常區(qū)，該段雷達波反射強烈，振幅較大，同相軸連續(xù)，異常界面明顯，能量衰減一般。推測該深度范圍內發(fā)育一斷層，斷距不明，沿斷層面巖體破碎夾泥。后經開挖驗證，該段發(fā)育一斷層，斷層產狀130°∠45°，與隧道斜交，斷面平直但不光滑，上、下盤巖層脫空明顯，距離10～50 cm，斷層面局部被粘土充填，如圖4所示。

圖3　斷層雷達圖

圖4　斷層照片

1.3節(jié)理裂隙密集帶

節(jié)理是巖體沿破裂面沒有明顯位移或僅有微量位移的斷裂構造，節(jié)理裂隙密集帶主要存在于斷層影響帶、巖脈帶及軟弱夾層中，對隧道圍巖的穩(wěn)定性影響很大，給隧道工程建設帶來隱患和災害。

某隧道為貴州省思劍高速公路一公路隧道，隧道主要穿越寒武系杷榔組頁巖。圖5為該隧道探測的雷達圖像，雷達波在0～13 m 深度內反射較為強烈，反射波同相軸錯斷、交錯，且波形雜亂，振幅變化大，能量衰減較快，結合隧道掌子面地質情況與地勘資料推測該深度范圍內為節(jié)理裂隙密集帶，裂隙內夾泥，圍巖穩(wěn)定性差，施工中易產生塌方。后經開挖驗證，該段巖體呈薄層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，層間夾泥，圍巖穩(wěn)定性差，如圖6所示。

圖5　節(jié)理裂隙密集帶雷達圖

圖6　節(jié)理裂隙密集帶照片

1.4富水帶

隧道富水帶是指含水量大，開挖后可能產生涌水現象的段落，富水帶一般巖體較破碎，結構面發(fā)育，貫通性較好，圍巖自穩(wěn)能力差，隧道開挖后頂部易冒落破壞，形成安全事故。

某隧道為貴州省望安高速公路一公路隧道，隧道基巖為三疊系許滿組四段下亞段中—厚層含鈣質泥巖夾砂巖。圖8為該隧道探測的雷達圖像，從圖中可以看出雷達波在0～14 m深度內出現強反射，同相軸較為連續(xù)，電磁波高頻成分被吸收，以低頻成分為主，能量衰減速度增快。推測該深度范圍內為富水帶，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力差。后經開挖驗證，該段地下水發(fā)育，呈線流狀出水，巖體破碎，如圖9所示。

圖7　富水帶雷達圖

圖8　富水帶照片

2結語

(1)地質雷達有較高的分辨率，在短距離內預報中準確率較高，能有效地探測到隧道掌子面前方不良地質情況，如巖溶、斷層、節(jié)理裂隙密集帶、富水帶等，可以對隧道安全施工提供可靠的依據；

(2)地質雷達在現場采集原始數據時，如何根據預報人員經驗，結合現場地質條件，有效地規(guī)避現場干擾影響，合理選擇儀器參數，從而采集到高質量的原始數據至關重要；

(3)隧道地質超前預報是地質勘察工作的延續(xù)和補充，數據處理與預報成果解釋必須在地勘資料和現場地質情況的基礎上進行綜合分析；

(4)地質雷達的運用與預報成果解釋涉及的知識面廣，全面提高預報人員地質、物探等知識，通過反復實踐，積累經驗，對提高預報準確性具有重要的意義。

參考文獻：

[1]李鎬，仲曉杰，韓煜.地質雷達在隧道富水區(qū)超前預報中的應用[J].土工基礎，2010，24(4).

[2]白哲.地質雷達在隧道超前預報中的應用[D].武漢理工大學，2006.

[3]趙永貴.地質雷達技術與應用[R].勞雷公司，2005.

Application of geological radar in advanced geological prediction

HU Xian-jin,WANG Zheng,REN Zi-qi

(Guizhou Traffic Science Research Institute Co., Ltd.，Guiyang,Guizhou ,China)

Abstract:Advanced geological prediction is very important in tunnel construction, which is gradually listed as key procedure of tunnel construction cycle. Combining with the concrete engineering, the paper analyzes prediction results through geologic radar application in tunnel advanced geological prediction, proves the practicability and effectiveness of geological radar in advanced geological prediction, which accumulates experience in later geological prediction.

Keywords:tunnel; advanced geological prediction; geological radar

中圖分類號：U457

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)03-0118-02

作者簡介：胡先進(1983-)，貴州思南人，工程師，研究方向：隧道檢測、監(jiān)控、地質超前預報。

收稿日期：2015-08-30