探地雷達在油竹山隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

章飛亮 趙 鵬

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300133)

探地雷達在油竹山隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

章飛亮 趙 鵬

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300133)

以貴廣高速鐵路中的油竹山隧道超前地質(zhì)預(yù)報探測工作為例，將探地雷達預(yù)報成果與超前地質(zhì)鉆孔成果進行對比，顯示了預(yù)報結(jié)果的準(zhǔn)確性，指出探地雷達作為一種快速高效、高分辨率的無損探測技術(shù)，在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中得到了廣泛應(yīng)用。

探地雷達，超前地質(zhì)預(yù)報，隧道，掌子面

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，新建的隧道工程越來越多。在隧道施工過程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，有很多潛在的、無法預(yù)知的地質(zhì)因素，如溶洞、斷層、地層破碎帶、富水巖層等。如果不能預(yù)見隧道掌子面前方的不良地質(zhì)情況，則可能在隧道掘進過程中會出現(xiàn)塌方等地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致人身傷亡，工期延誤，造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，提前發(fā)現(xiàn)掌子面前方的地質(zhì)變化情況，為施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，及時采取相應(yīng)的施工措施，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的幾率，保障隧道施工的安全是非常重要的。目前常用的超前地質(zhì)預(yù)報方法有工程地質(zhì)調(diào)查與推斷法，超前鉆探法，地震多波多分量反射法(Tunnel Seismic Predication)，探地雷達法(Ground Penetrating Radar)等[2，3]，而探地雷達因具有掃描速度快、操作簡便、重量輕、分辨率高、屏蔽效果好、圖像直觀等優(yōu)點而在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中得到廣泛的應(yīng)用。

1 工作原理

雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負(fù)峰分別以黑、白色表示，或者以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線即可形象地表征出地下反射面。圖2為波形記錄的示意圖。圖上對照一個簡單的地質(zhì)模型，畫出了波形的記錄。在波

形記錄圖上各測點均以測線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達剖面。

在超前地質(zhì)預(yù)報中，電磁波在向掌子面前方傳播過程中，當(dāng)遇到電性差異的目標(biāo)體(裂隙、巖溶和富水層等)時，電磁波會發(fā)生反射，反射信號通過接收天線接收。然后對獲得的地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)進行處理和分析，依據(jù)雷達波形，電磁場強度，振幅和雙程走時等參數(shù)，推斷掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造。

2 工作方法與技術(shù)

2.1 天線中心頻率的選擇

2.2 測線布置及信號觸發(fā)方式選擇

地質(zhì)雷達探測主要用于巖溶探測，現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集在施工揭露的掌子面或底板、邊墻巖體上進行。為了盡量少采集數(shù)據(jù)占用施工時間，按施工現(xiàn)場的具體地質(zhì)變化情況布置測線。由于在掌子面上部人工移動雷達天線困難，掌子面測線一般情況布置一條測線；特殊情況下需要在裝載機斗安裝有操作臺的裝載機配合布置十字或井字測線。本次測量布線方式如圖3所示，測線起點面對掌子面的右側(cè)。由于隧道掌子面寬度相對來說比較窄，可能出現(xiàn)凹凸不平等不利條件，選擇自動連續(xù)測量對數(shù)據(jù)質(zhì)量影響大，一般采用鍵盤觸發(fā)方式測量，即通過電腦鍵盤發(fā)出指令給雷達控制系統(tǒng)，按一下鍵盤采集一道數(shù)據(jù)，天線按固定間距移動，移動一次采集一道數(shù)據(jù)。

2.3 探地雷達圖像特征

隧道超前預(yù)報主要是確定掌子面前方的構(gòu)造斷裂、軟弱夾層、巖溶洞穴等分布位置以及掌子面前方地下水情況，巖溶洞穴填充物及其性質(zhì)的預(yù)報等。幾種主要的探地雷達圖像特征如下：

1)完整的巖體電磁波基本沒有反射信號，但往往由于風(fēng)化及含水率等影響，在巖體內(nèi)部會有些微弱的信號反射，其表現(xiàn)出來的特征就是一些中高頻的反射信號，整個范圍內(nèi)頻率變化小，同相軸連續(xù)且均一、平行，信號的振幅弱;

2)斷裂破碎帶的信號一般呈現(xiàn)不均勻的低頻和中頻特征，信號頻率在斷層破碎帶位置急劇變化，沒有規(guī)律性，同相軸不連續(xù)，存在錯段，呈帶狀區(qū)域化雜亂分布，信號振幅較強;

3)充填型巖溶的電磁波反射信號呈現(xiàn)出來的是均勻的低頻信號，頻率有規(guī)律的急劇變化，同相軸較為連續(xù)、規(guī)律，波形均一，信號振幅強，且存在多次震蕩信號。

3 工程實例

3.1 工程概況

油竹山隧道全長9 896m，位于貴州省黔南州貴定縣與都勻市交界處，地處苗嶺山脈的腹部區(qū)，隧區(qū)主山體呈東西走向，支脈向南北方向展布，線路與主山體走向一致。隧道區(qū)地貌受構(gòu)造及巖性控制明顯，兼有溶蝕、剝蝕類型，屬低中山山地地貌。最高點為轎子頂，海拔1 762.5m，最低點是隧道進出口端的沖溝，高程約有970m。地形起伏較大，相對高差350m～750m。本隧道通過可溶巖地段且洞身發(fā)育多條斷層，可能遇大型溶洞、大段溶蝕破碎帶、大型儲水溶巖管道，給施工安全帶來嚴(yán)重隱患并可能造成災(zāi)害性的環(huán)境地質(zhì)問題。

3.2 探測結(jié)果

圖4是使用RAMAC/GPR地質(zhì)雷達100MHz主頻天線采集的雷達數(shù)據(jù)，采集頻率995MHz,采集點數(shù)為512，天線間隔1m,采樣間隔0.1m；圖5是相對應(yīng)的地質(zhì)解釋成果圖。具體的預(yù)報結(jié)果如下:

掌子面前方探測范圍P1K82+906～P1K82+936段巖體破碎，溶蝕作用強烈發(fā)育，掌子面中部可見巖溶發(fā)育，為泥質(zhì)填充，大股狀出水，涌水量在10m3/h～12m3/h之間。

1)其中在P1K82+906～P1K82+909段推測為巖溶發(fā)育，泥質(zhì)填充，溶蝕作用強烈發(fā)育，巖體破碎，為富水體；

2)在P1K82+911～P1K82+913段巖體為溶蝕破碎帶，發(fā)育有小型溶腔的可能性較大，此外在P1K82+915處發(fā)育有一小型溶槽，泥質(zhì)填充，富水；

3)在P1K82+918～P1K82+935段整體較破碎，發(fā)育為一大型巖溶管道的可能性極大，溶蝕作用強烈發(fā)育。

4 超前地質(zhì)鉆孔結(jié)果對比

在隧道P1K82+906掌子面進行了超前地質(zhì)水平鉆探作業(yè)，共鉆3孔，其中1號孔深為30m，2號孔深為30m，3號孔深為21m，超前鉆孔終孔里程位置為30m。

通過鉆孔情況，基本了解了該段的地質(zhì)情況(見圖6)。

1)P1K82+906～P1K82+936巖性為白云巖，其中P1K82+906～P1K82+925巖體較破碎～破碎，巖溶作用發(fā)育，地下水發(fā)育，P1K82+910，P1K82+917，P1K82+921，P1K82+924四處水量分別約為20m3/h，20m3/h，25m3/h，20m3/h。P1K82+925～P1K82+936段巖性為白云巖，巖體較完整，地下水不發(fā)育。

2)P1K82+910～P1K82+911段發(fā)育溶蝕管道，富水，直徑約1m。P1K82+916～P1K82+917段隧洞左側(cè)發(fā)育溶蝕管道，富水，直徑約1m。P1K82+920～P1K82+923段隧洞左側(cè)發(fā)育一溶洞，洞徑大于3m，洞內(nèi)富水，有泥沙充填。

由此可見，超前地質(zhì)鉆孔結(jié)果與探地雷達的預(yù)報結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)語

通過對地質(zhì)雷達的圖像處理和解釋可知，完整巖體與溶洞、斷裂破碎帶及富水帶巖體之間存在明顯的電性差異，具有較好的地球物理探測條件，因此，我們在隧道掘進過程中采用地質(zhì)雷達進行超前預(yù)報掌子面前方的不良地質(zhì)體是可行的。

通過地質(zhì)雷達超前預(yù)報成果與超前地質(zhì)鉆孔結(jié)果的對比，地質(zhì)雷達對不良地質(zhì)體(巖溶、斷裂破碎帶和地下水發(fā)育等)的預(yù)報準(zhǔn)確度較高。這為隧道的施工提供了可靠的掌子面前方不良地質(zhì)體基礎(chǔ)資料，減少施工過程中因圍巖條件的變化而引起的安全事故的發(fā)生。

[1] 李大心.探地雷達方法與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.

[2] 何發(fā)亮,李蒼松.隧道施工期地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)的發(fā)展[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2001,38(3):12-16.

[3] 趙永貴,劉 浩,孫 宇.隧道地質(zhì)超前預(yù)報研究進展[J].地球物理學(xué)進展,2003,18(3):460-464.

[4] 鄭維忠.地質(zhì)雷達原理及其在隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用[J].山西建筑,2007,33(24):308-309.

[5] 李學(xué)明.隧道工程中探地雷達空洞探測機理研究與應(yīng)用[J].山西建筑，2011，37(21)：162-163.

Application of Ground Penetrating Radar to geological forecast for Youzhu mountain tunnel construction

ZHANG Fei-liang ZHAO Peng

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300133,China)

In this paper, the Youzhu mountain tunnel of Guiyang-Guangzhou high-speed railway geological prediction example, compared with the GPR results and geological drilling forecast results, illustrates the prediction accuracy of the results, point out Ground Penetrating Radar(GPR) as a fast and efficient, high-resolution non-destructive detection technology has been widely used in tunnel geological prediction.

Ground Penetrating Radar, tunnel geological prediction, tunnel, tunnel face

1009-6825(2014)03-0194-03

2013-11-13

章飛亮(1985- )，男，助理工程師； 趙 鵬(1983- )，男，工程師

U455

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