地質(zhì)雷達在地鐵隧道深度探測中的應用

李金奎，吳 凱

(大連大學 建筑工程學院， 遼寧 大連 116622)

地質(zhì)雷達在地鐵隧道深度探測中的應用

李金奎，吳 凱

(大連大學 建筑工程學院， 遼寧 大連 116622)

根據(jù)大連地鐵5號的工程實例，運用瑞典地質(zhì)雷達對隧道區(qū)間進行深度探測，分別介紹了溶洞、裂隙、富含水以及軟弱夾層探測中雷達圖像的特征。給予了一些施工建議，提早預防工程災害?？梢詾榈刭|(zhì)雷達在隧道不良地質(zhì)深度探測中積累一些經(jīng)驗并為以后相似工程提供借鑒。

地質(zhì)雷達；深度探測；隧道；不良地質(zhì)

近年來，為了振興東北經(jīng)濟，國家在東北交通基礎設施上投入巨資，隧道作為道路的重要工程，在項目中所占的比例越來越大[1-2]，隧道深度探測技術也迅速的發(fā)展起來。目前，隨著人們生活水平的提高，全國更多的城市需要建設地鐵，，建設過程中安全事故時有發(fā)生，隧道建設安全形勢嚴峻[3]。地鐵在建設的過程中，往往會由于許多不良的地質(zhì)災害給工程帶來事故災害。在修建過程中也經(jīng)常發(fā)生一些比較大的事故，例如隧道地下突涌水、甚至還有因為地質(zhì)不良造成塌方[4-5]。為了避免由于地質(zhì)不良而給工程帶來事故，造成財產(chǎn)和生命的損失，對地鐵隧道進行不良地質(zhì)的深度預報的將越發(fā)重要，也很有實際意義。

由于大連地鐵5號線隧道施工區(qū)域地質(zhì)條件非常復雜，并且本區(qū)間段沿線路段西邊為住宅區(qū)，下鋪設管線多，是人流、車流的密集區(qū)域，為了能給大連地鐵5號線隧道施工提供更加準確的地質(zhì)情況，需要對隧道上方地質(zhì)進行勘測。雷達在工程探測中有許多優(yōu)點，它使用比較方便而且快捷，并且不擾動土層，在處理結(jié)果中分辨率也很高，除此之外，最大的優(yōu)點就是在探測過程中不影響施工。損傷、探測和處理數(shù)據(jù)速度快、不影響施工的特點[6-11]，因此該工程運用了地質(zhì)雷達在隧道施工區(qū)間進行了深度探測預報。

1 基本原理

在應用地質(zhì)雷達深度探測預報時，需要掌握雷達的工作原理以及參數(shù)的設置，這樣才能更好的準確勘測地質(zhì)情況。

1.1 雷達的探測原理

地質(zhì)雷達探測是地球物理探測的一部分，它屬于地下不同介質(zhì)發(fā)射的寬屏帶波不同的電磁的方法[12]。地質(zhì)雷達的使用原理是它通過天線向地層下面以寬頻短脈沖的形式發(fā)射高頻電磁波，當電磁波向下傳播過程中遇到目的物就會返回到地面，最后被雷達上的接受天線接受。假設電磁波在地層中傳播的時間為t,并且地下介質(zhì)的波速在可知的情況下，就可以精確算出反射物的深度。因此可以由發(fā)射和接受波時間t，以及一些波形資料，就可以推斷出地下地質(zhì)情況[13]，雷達系統(tǒng)的基本部分如圖1所示。

圖1 雷達系統(tǒng)示意圖

(1) 電磁波脈沖波旅行時程

t=4z2+4x2/v≈2z/v

(1)

式中：z為勘查目標體的埋深；x為發(fā)射、接收天線的距離；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

(2) 電磁波地下不同介質(zhì)中的傳播速度。

(2)

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度(0.29979 m/ns)；ε為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；μ為介質(zhì)的相對磁導率(一般μ≈1)

(3) 電磁波在地下不同介質(zhì)的反射系數(shù)

(3)

式中：r為不同界面的電磁波反射系數(shù)；ε1為第一層介質(zhì)的相對介質(zhì)常數(shù)；ε2為第二層介質(zhì)的相對介質(zhì)常數(shù)。

電磁波在地下不同介質(zhì)中的傳播過程中，當遇到明顯不同的目標體時，電磁波就會發(fā)生反射有一部分發(fā)生透射，它的反射和透射的能量上的分配取決于異常變化界面的電磁波的反射系數(shù)。

(4) 地質(zhì)雷達記錄時間和勘測深度的關系

(4)

式中：z為地層反射物的深度；t為雷達上的顯示時間。

1.2 設置參數(shù)的方法

地質(zhì)雷達參數(shù)的設置一般有采樣的頻率、采樣的間隔、道間距、時窗和對于探測結(jié)果至關重要的中心頻率、測點之間的間距、接受發(fā)射天線之間的距離。

在調(diào)整時窗的時候，每20 ns就等于1 m的探測深度，但實際工作時，都要超出既定深度的10%～20%的范圍，以免測試深度達不到需要的測深。

2 應用實例

地鐵5號線區(qū)處于千山山脈南延的丘陵區(qū)，由于長期受地質(zhì)構造、風化剝蝕及水流侵蝕堆積等內(nèi)外營力的作用形成了不同地貌單元，地形復雜多變。區(qū)內(nèi)可分為低丘陵、山前傾斜平原、坡殘積臺地、山間谷地、河谷及海岸等地貌單元。

2.1 工程概況

本文將對大連地鐵五號線泉水東站—前鹽站區(qū)間進行雷達探測。它位于大連市甘井子區(qū)大連灣街道，沿匯泉路鋪設區(qū)間起訖里程為K19+265.180—K20+089.029，全長823.849 m，設計頂板高程4.76 m～11.08 m，設計底板高程-1.44 m～4.87 m，擬采用盾構法施工。

2.2 布線及參數(shù)選擇

本區(qū)間為泉水東站—鹽站區(qū)間，有兩條并行隧道貫穿其區(qū)間。每條隧道的直徑為6 m，相隔14 m。每個隧道頂面布線方式采用中心線兩側(cè)各2 m的方式布線，測量布線如圖2所示。對地鐵5號線進行了實地考察后，根據(jù)地鐵隧道的實際工作環(huán)境，決定采用瑞典MALA地質(zhì)雷達對其進行測量，主機用CUⅡ型號,設置時的主要技術參數(shù)為：天線類型為100 MHz屏蔽天線;采樣頻率1 113.64 MHz;采樣點數(shù)為786;時窗長度705.796560 ns;觸發(fā)方式滾輪觸發(fā)自動采集;道間距為0.1 m。

圖2 測量布線圖

2.3 典型雷達圖像

在大連隧道工程中常見的地質(zhì)不良情況有：斷層破碎帶、大型溶洞、富含水區(qū)、裂隙發(fā)育、涌水和溶蝕發(fā)育等。

2.3.1 溶洞的地質(zhì)雷達圖像

探地雷達對于巖洞探測效果十分明顯，余中明等[14]對巖溶的探測工程有十幾項的成果，并取得較好的效果。如圖3所示，兩條黑色虛線為此段盾構的高度，溶洞發(fā)生在盾構高度的中下部。其波形主要特征：在13 m～16.5 m的深度范圍內(nèi)；從雷達波形圖上可知，黑色圓形框內(nèi)界面反射強烈，反射波極性反轉(zhuǎn)，存在大量多次震蕩，相位不同軸、不均勻，幅值弱比較均勻，低頻均勻，判斷它為溶洞。

圖3 溶洞的雷達圖像

施工建議：預報后，要求施工方進行從地表深層注漿，達到穩(wěn)固漏斗型溶洞上下部，防止在施工過程中發(fā)生塌方事件。

2.3.2 裂隙的地質(zhì)雷達圖像

當?shù)叵聦幽程幗Y(jié)構受損，而導致裂隙延長，最終成為塌方時，塌方處反射波會明顯比其他地方波的強度大，在波形圖上明顯的呈現(xiàn)出與周圍地層波同向軸不連續(xù)、錯位的現(xiàn)象。如圖4所示，其波形主要特征：在隧道下方15.6 m～22.5 m范圍內(nèi)，即黑色矩形框內(nèi)，裂隙界面反射強烈，反射面附近波幅顯著增強，反射波的相位同相軸錯斷， 幅值強弱不均勻，頻率在高中頻混亂，裂隙面上反射波高頻部分衰減很快，初步判斷為裂隙發(fā)育區(qū)。

施工建議：預報后要求施工方在進行隧道盾構時采用超前注漿拱底加固，使得隧道順利通過。

2.3.3 富含水的地質(zhì)雷達圖像

如圖5所示，其波形主要特征：在3 m～24 m的深度范圍內(nèi)，從雷達波形圖5可知，黑色矩形框內(nèi)雷達波在含水層介面發(fā)生較強振幅的反射波，當穿透含水層時高頻波被濾掉很大部分，有低頻段波可穿透，波形相位有序連續(xù)，幅值變化均勻，且頻率低頻有序，初步判斷為富含水區(qū)。

圖4 裂隙的雷達圖像

施工建議：在盾構高度11 m～17 m范圍內(nèi)含有大量水，預報后要求施工方在進行隧道盾構時用泵抽取地下水，做好排水工作，防止在盾構施工時發(fā)生涌水現(xiàn)象。

2.3.4 軟弱夾層及溶蝕發(fā)育的地質(zhì)雷達圖像

如圖6所示，軟弱夾層含水其波形主要特征：在3.5 m～9.8 m的深度范圍內(nèi)，從雷達波形圖6可知，黑色矩形框內(nèi)雷達波對稱性很好，界面反射強烈，在深度方向上9.5 m～12 m范圍內(nèi)，反射波信號比較差，相位同軸、比較均勻，幅值強度不勻，中低頻不均勻，初步判斷為軟弱夾層含水；溶蝕發(fā)育其波形主要特征：盾構高度范圍為10.6 m～16.8 m，而溶蝕發(fā)育區(qū)高度范圍在12 m～16 m內(nèi)，其在盾構高度范圍，黑色矩形框內(nèi)雷達波高頻波衰減很快，界面反射較強烈，反射波的相位軸錯斷不連接， 幅值強弱不均勻，頻率在中低頻混亂不均勻，初步判斷為溶蝕發(fā)育。

施工建議：在盾構縱向區(qū)域上方3.8 m～9.8 m范圍內(nèi)有軟弱夾層含水層并且在盾構高度10.6 m～16.8 m范圍內(nèi)含有溶蝕發(fā)育區(qū)，預報后要求施工方在進行隧道盾構時隧道上方用超前小導管進行支護且在掘進時緩慢進行。

圖5 富含水的雷達圖像

圖6 軟弱夾層含水及溶蝕發(fā)育的地質(zhì)雷達圖像

3 結(jié) 論

(1) 在勘測過程中經(jīng)常會有許多干擾因素存在，如車輛、電線桿等。因此，數(shù)據(jù)處理時干擾波的濾去判斷對于探測的精確度也是至關重要的[15]。

(2) 對地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理時波形圖更準確的解釋和判斷，就必須積累大量各種不良地質(zhì)條件下的各種介質(zhì)雷達波形圖像資料，并對它的特征進行反復研究，以實現(xiàn)與真實隧道不良地質(zhì)災情相對于某種現(xiàn)象需要反復實踐才能取得較滿意的雷達波形圖。

(3) 該地質(zhì)雷達探測工作，為地質(zhì)雷達應用于隧道施工超前地質(zhì)預報積累了一些經(jīng)驗。

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Application of Geological Radar in Metro Tunnel Depth Detection

LI Jinkui, WU Kai

(CollegeofCivilEngineering,DalianUniversity,Dalian,Liaoning116622,China)

With the rapid development of subway construction, accidents occur frequently during the subway construction, so it is very important to detect the bad geological condition and its depth to the ground. Taking Dalian Metro Line 5 project as an example, the Swedish geological radar was adopted to detect the tunnel depth, the cave, fissure water rich soft interlayer , according to the radar image some construction suggestions were given, to prevent engineering disasters. The research can provide some experience for the geological radar in the detection of bad geological condition of tunnel and provide reference for similar projects in the future.

geological radar; depth detection; tunnel; unfavorable geology

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.027

2017-02-10

2017-03-10

李金奎(1972—)，男，遼寧大連人，博士，教授，主要從事巖土、礦業(yè)等方面的工作。E-mail:120803591@qq.com

U452.1

A

1672—1144(2017)03—0134—04