地質(zhì)雷達(dá)在山西某隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用

洪俊光,王東林

中交路橋技術(shù)有限公司試驗檢測中心，北京 100018

地質(zhì)雷達(dá)在山西某隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用

洪俊光,王東林

中交路橋技術(shù)有限公司試驗檢測中心，北京 100018

首先，介紹了地質(zhì)雷達(dá)的工作原理和參數(shù)要求。其次，采用美國SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)在某隧道進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報。最后表明，地質(zhì)雷達(dá)用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報具有真實可靠性。

地質(zhì)雷達(dá);地質(zhì)超前預(yù)報;隧道;電磁波

引言

目前，我國修建大量穿越山嶺的特長隧道。由于這些隧道大都處于地下各種復(fù)雜的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)巖體中。為了摸清和預(yù)知周圍的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，隧道地質(zhì)超前預(yù)報顯示出越來越重要的作用。在隧道開挖掘進(jìn)過程中，提前發(fā)現(xiàn)隧道前方的地質(zhì)變化，為施工提供較為準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，及時調(diào)整施工工藝，減少和預(yù)防工程事故的發(fā)生非常重要。

1 地質(zhì)雷達(dá)[1]探測原理

地質(zhì)雷達(dá)通過發(fā)射天線，按照確定的方向，以高頻脈沖電磁波的方式向目標(biāo)體方向發(fā)射電磁波，在同一均勻介質(zhì)中，電磁波以正常速度傳播，當(dāng)存在著不同物性的介質(zhì)時，諸如巖石破碎帶、富水區(qū)、溶洞、斷層等，電磁波便發(fā)生反射，返回到地面，由接收天線接受。在對雷達(dá)波進(jìn)行處理和分析的基礎(chǔ)上，可以大致計算出探測目標(biāo)的深度、位置、結(jié)構(gòu)等[2]。

地質(zhì)雷達(dá)工作時,由發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射一定中心頻率的高頻電磁脈沖波，經(jīng)地下地層或目標(biāo)體反射后返回地面，被接收天線所接收(圖1)。脈沖波旅行時間為

其中：h為探測體的深度；v是電磁波在介質(zhì)中的傳播速度；x為發(fā)射天線與接收天線的距離。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理示意圖

當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速v(m/ns) 已知時，可根據(jù)精確測得的走時t(ns)，由上式求出反射物的深度h(m)。

地質(zhì)雷達(dá)探測目的層深度的計算式為：

2 現(xiàn)場檢測

2.1 設(shè)備介紹

采用美國勞累工業(yè)公司的SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)。

SIR-20型地質(zhì)雷達(dá)主要技術(shù)特點如下：

(1) SIR-20型雷達(dá)主機800線/秒的掃描，是目前世界上掃描速度最快的雷達(dá)，可支持快速檢測，測量速度可達(dá)80公里/小時。

(2) 主機適配所有高中低頻的各類雷達(dá)天線，頻率范圍從16MHz到2.2GHz。

(3) 分辨率高，可達(dá)5ps。

(4) 具有公路面層自動追蹤軟件、結(jié)構(gòu)掃[3]描工具包、快速三維繪圖軟件等軟件模塊。

2.2 天線的選擇

目前廣泛使用的是900MHz、400MHz、100MHz天線。高頻天線，分辨率高，探測深度淺；低頻天線，分辨率相對較低，探測深度較深。根據(jù)檢測目的及探測目標(biāo)的深度來確定天線頻率。不同頻率天線的探測深度一般是：900MHz天線探測深度為1m～2m；400MHz天線探測深度為4m～6m；100MHz天線探測深度為20m～40m。900MHz天線主要用于結(jié)構(gòu)物檢測；400MHz天線主要用于市政、隧道襯砌檢測；100MHz天線主要用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報、考古等。

2.3 測線布置

用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報時，隧道掌子面前方常采用井字形或網(wǎng)格形測線布置。根據(jù)預(yù)報需要，可以增加測線數(shù)量，以便提高地質(zhì)預(yù)報的準(zhǔn)確性。

2.4 測量方式

用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報，常采用點測方式。由于隧道掌子面時常不平整，難以采用連續(xù)測量方式，所以經(jīng)常采用點測方式。點測時，每次通過人工方式將天線移動相對固定的距離，手動采集數(shù)據(jù)[4]。

3 實例分析與研究

下面介紹地質(zhì)雷達(dá)在山西省某隧道地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用情況。隧道全長約6000公里。隧道隧址區(qū)圍巖地層為中下太古界集寧群右堡組(Ar1-2y)黑云斜長片麻巖夾淺粒巖、紫蘇麻粒巖，呈現(xiàn)強～微風(fēng)化，巖體節(jié)量裂隙普遍較為發(fā)育，圍巖以較堅硬巖為主，巖體較破碎，局部較完整或極破碎，影響圍巖質(zhì)量的主要因素為強風(fēng)化巖層在洞體內(nèi)的分布范圍及巖體裂隙發(fā)育程度。圍巖級別為III～V級。

3.1 巖體破碎帶的地質(zhì)雷達(dá)圖像

圖2是破碎帶的探測圖像。測線方向為，面向掌子面從左向右。從圖像中可以看出，雷達(dá)波同相軸連續(xù)與錯斷并存，反射信號震蕩。掌子面前方，尤其是掌子面右側(cè)巖體較破碎，含有少量裂隙水。后經(jīng)開挖證實，掌子面前方巖體較破碎，預(yù)報結(jié)果與實際情況吻合，從而有效的指導(dǎo)了施工。

圖2 巖體為破碎帶的雷達(dá)圖像

3.2 含水裂隙的地質(zhì)雷達(dá)圖像

圖3是含水裂隙的探測圖像。測線方向為，面向掌子面從左向右。從圖像中可以看出，雷達(dá)波同相軸連續(xù)與錯斷并存，反射信號震蕩，振幅較強，頻率較低。掌子面前方巖體層理面較發(fā)育，巖體較破碎，巖石富含水。后經(jīng)開挖證實，掌子面前方巖體較破碎，含有裂隙水，預(yù)報結(jié)果與實際情況吻合，從而有效的指導(dǎo)了施工。

圖3 巖體為含水裂隙的雷達(dá)圖像

4 結(jié)語

(1) 地質(zhì)雷達(dá)用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報具有快速、便捷的特點。

(2) 地質(zhì)雷達(dá)由于發(fā)射的是超高頻電磁波, 故探測深度及廣度有限。

(3) 探測過程中經(jīng)常會有干擾因素存在，如隧道臺車、裝載機、照明電纜等的干擾。如何正確識別干擾，從而得到正確的分析結(jié)果尤為重要。

(4) 本次探測實例證明了地質(zhì)雷達(dá)用于隧道地質(zhì)超前預(yù)報有理有據(jù)，結(jié)果真是可靠。但是對雷達(dá)圖像異常情況的判斷解釋，需要積累大量的實際經(jīng)驗。

[1] 夏才初，潘國榮．土木工程監(jiān)測技術(shù)[M] ．北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2001：245～280

[2] 楊峰，彭蘇萍．地質(zhì)雷達(dá)探測原理與方法研究[M]．北京：科學(xué)出版社，2010：8～9

[3] 劉柱．地質(zhì)雷達(dá)無損檢測隧道施工質(zhì)量的圖像分析方法[J]．公路交通科技!應(yīng)用技術(shù)版，2012．2：21～22

[4] 由廣明，劉學(xué)增，汪成兵．地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用．公路交通科技，2007．8(24)：93

洪俊光(1980-)，男，碩士研究生，研究方向為公路工程檢測。

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.16.031