地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

趙俊杰，李 妮

(1.山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心(有限公司)，山西 太原 030032；2.晉能集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037000)

1 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)基本原理

在隧道工程建設(shè)中，隧道掌子面前方的圍巖情況十分復(fù)雜，時(shí)常遇到不良地質(zhì)體，如巖溶發(fā)育、斷層破碎和地下水資源富集等，可能會(huì)使隧道產(chǎn)生突泥突水、坍塌及巖爆等災(zāi)害。對(duì)此，隧道工程建設(shè)初期，通常都會(huì)開(kāi)展地質(zhì)勘察工作，然而，由于受到成本、條件和技術(shù)等方面的限制或影響，地勘結(jié)果可能和實(shí)際狀況存在明顯偏差。由此可見(jiàn)，在隧道工程建設(shè)中開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是十分重要且必要的。就目前來(lái)看，對(duì)基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作進(jìn)行的研究有很多，比如對(duì)典型地質(zhì)現(xiàn)象雷達(dá)圖像和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況實(shí)施對(duì)比，取得了顯著的成果，但對(duì)圖像振幅、頻率和地質(zhì)情況之間的關(guān)系的分析還有待于進(jìn)一步深入，怎樣根據(jù)波形圖對(duì)地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行識(shí)別還需要進(jìn)行完善。

地質(zhì)雷達(dá)是由發(fā)射天線向介質(zhì)持續(xù)發(fā)射高頻電磁波，如果發(fā)射出去的電磁波遇到在電性上存在明顯差別的界面，則會(huì)產(chǎn)生折射與反射，并且介質(zhì)本身也會(huì)對(duì)電磁波進(jìn)行散射、吸收與濾波，此時(shí)利用接收天線對(duì)反射波進(jìn)行接收與記錄，并借助專門的處理軟件開(kāi)展數(shù)據(jù)信息處理，以處理之后的圖像為依據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)有的工程地質(zhì)報(bào)告和各類地球物理特征等完成推斷解釋，最終對(duì)掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

2 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法和步驟

2.1 前期準(zhǔn)備

在正式采用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)開(kāi)展探測(cè)工作之前，應(yīng)先對(duì)探測(cè)場(chǎng)地實(shí)施全面清理，使掌子面盡可能保持平整，同時(shí)確保周邊環(huán)境對(duì)探測(cè)的正常開(kāi)展是有利的，然后對(duì)地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行安裝與連接，并對(duì)其功能進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，以保證各項(xiàng)功能使用正常。做好前期準(zhǔn)備工作是確保地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)工作順利完成，并取得理想的探測(cè)結(jié)果的關(guān)鍵，必須引起相關(guān)人員的高度重視，按照相關(guān)規(guī)定完成各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

2.2 測(cè)線布置

在確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境達(dá)到良好，同時(shí)地質(zhì)雷達(dá)的各項(xiàng)功能均保持正常狀態(tài)以后，方可開(kāi)始測(cè)線布置工作。對(duì)于測(cè)線布置，其方式可謂多種多樣，但必須嚴(yán)格遵循可以探測(cè)掌子面前方開(kāi)挖斷面實(shí)際地質(zhì)情況的基本原則，通常在沒(méi)有特殊規(guī)定的情況下采用十字形的測(cè)線布置方式，也就是將隧道的拱頂作為中心，然后在橫向與豎向分別布置測(cè)線；此外還可以采用類似于等號(hào)的測(cè)線布置方式，按照從左到右和從右到左的方向分別布置測(cè)線。無(wú)論采用何種測(cè)線布置方式，都要注意在圍巖條件相對(duì)較差的地方對(duì)測(cè)線予以適當(dāng)加密處理，確保測(cè)線布置滿足探測(cè)基本要求，保證探測(cè)結(jié)果的全面性和真實(shí)性，為之后的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)奠定良好基礎(chǔ)。

2.3 數(shù)據(jù)采集

在完成了各項(xiàng)前期準(zhǔn)備工作并將測(cè)線布置完成且通過(guò)檢查合格后，方可開(kāi)始數(shù)據(jù)采集，在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，雷達(dá)信號(hào)主要有三種觸發(fā)方式：第一種為測(cè)距輪方式，該方式要求掌子面必須保持光滑和平整，確保測(cè)距輪能在掌子面上自由滾動(dòng)；第二種為時(shí)間觸發(fā)方式，即數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以一定時(shí)間間隔自動(dòng)發(fā)出電磁波，同時(shí)對(duì)發(fā)出的電磁波的反射信號(hào)進(jìn)行采集；第三種為點(diǎn)觸發(fā)方式，即利用電腦鍵盤生成并發(fā)送指令，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到指令后，工作人員每操作一次鍵盤雷達(dá)天線即向外發(fā)射一次電磁波，并采集一次電磁波反射后的數(shù)據(jù)，之后按照固定的間隔距離對(duì)屏蔽天線進(jìn)行移動(dòng)，采用相同的方式再次采集數(shù)據(jù)。該方式適合開(kāi)挖掌子面平整度較差且不容易處理的情況。數(shù)據(jù)采集方式的選擇一方面要明確不同采集方式的特點(diǎn)和性質(zhì)，然后充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，保證所選數(shù)據(jù)采集方式的適宜性對(duì)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性和流暢性有重要作用。

2.4 參數(shù)選取

根據(jù)以往工作經(jīng)驗(yàn)，地質(zhì)雷達(dá)以由IDS公司研發(fā)的RIS-K2型最為常用，其主要參數(shù)包括：(1)天線頻率為80 mHz；(2)點(diǎn)之間的距離為0.10 m；(3)

采樣點(diǎn)數(shù)為1 024；(4)時(shí)窗為600 ns。具體的疊加次數(shù)、記錄時(shí)間和采樣頻率等均可根據(jù)隧道實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，并在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作開(kāi)展初期予以標(biāo)定。

2.5 數(shù)據(jù)處理與解譯

在數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，應(yīng)立即對(duì)采集到的數(shù)據(jù)予以后處理，常用的處理軟件為Reflexw，數(shù)據(jù)后處理步驟為：(1)減平均值，并去除偏移的信號(hào)；(2)靜校正；(3)去除水平信號(hào)并進(jìn)行背景去噪；(4)增益；第五步為帶通濾波；(5)去除毛刺噪聲，并取滑動(dòng)平均。

由于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)達(dá)到比較普遍的程度，所以為基于地質(zhì)雷達(dá)的圖像解譯工作提供了一些寶貴經(jīng)驗(yàn)。然而，考慮到不同隧道工程的地質(zhì)情況不盡相同，而且往往隧道中的地質(zhì)情況十分復(fù)雜，所以只從雷達(dá)波形這一個(gè)角度對(duì)隧道圍巖進(jìn)行解譯往往是不準(zhǔn)確的，需要充分結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀察結(jié)果、現(xiàn)有地勘資料和圖像解譯三者進(jìn)行分析，以此提高解譯與預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖像解譯實(shí)際上是對(duì)完成后處理的波形圖實(shí)施深入分析與解讀，需判斷的參數(shù)包括波形、波速、振幅、振頻與相位變化，此外還應(yīng)確定同相軸是否保持連續(xù)和電磁波能量實(shí)際吸收狀況。

2.6 開(kāi)挖驗(yàn)證

將隧道開(kāi)挖至之前地質(zhì)預(yù)報(bào)的里程后，需要對(duì)之前得到的圖像解譯結(jié)果予以驗(yàn)證，具體的驗(yàn)證方法為對(duì)比預(yù)測(cè)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后的各項(xiàng)地質(zhì)情況，這實(shí)際上是一個(gè)不斷累積相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程。如果預(yù)測(cè)的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖后的情況基本相符，則說(shuō)明基于地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法合理可行，能實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道開(kāi)挖掌子面之前地質(zhì)情況的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，為下一步的開(kāi)挖施工提供可靠參考依據(jù)，之后的施工都可以運(yùn)用這一方法。

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，在隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中引入地質(zhì)雷達(dá)是一種先進(jìn)可行的做法，能在順利完成地質(zhì)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，保證預(yù)測(cè)結(jié)果的真實(shí)性與完整性。基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作需嚴(yán)格按照前期準(zhǔn)備、測(cè)線布置、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)選取、數(shù)據(jù)處理與解釋、開(kāi)挖驗(yàn)證的步驟進(jìn)行，并在實(shí)際工作中加強(qiáng)管控，保證探測(cè)過(guò)程順利完成和探測(cè)結(jié)果的真實(shí)性與準(zhǔn)確性，為之后的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)奠定良好基礎(chǔ)。