地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)在隧道進(jìn)口段超前探測中的應(yīng)用

【摘要】隨著交通建設(shè)的不斷發(fā)展，高速鐵路、公路等都進(jìn)入了新的建設(shè)時(shí)期，隧道的建設(shè)和使用也日漸增多。由于地質(zhì)條件復(fù)雜性等因素的影響，隧道的開挖進(jìn)洞經(jīng)常會(huì)遇到特殊的地質(zhì)問題，給后期的工程建設(shè)帶來一定的困難。隧道的超前探測工作可以提前對(duì)隧道地質(zhì)情況進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害，避免了隧道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)損失。地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)在隧道超前探測應(yīng)用中是比較理想的探測技術(shù)，能夠結(jié)合地形、地貌對(duì)地質(zhì)條件進(jìn)行分析，給隧道的安全建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】探地雷達(dá)；探測技術(shù)；隧道超前探測

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，高速公路和鐵路在交通運(yùn)輸建設(shè)中的地位越來越高，這也帶動(dòng)了隧道工程建設(shè)的發(fā)展。隧道建設(shè)質(zhì)量安全保障是隧道工程中非常注重的環(huán)節(jié)，為此，需要利用超前探測技術(shù)對(duì)隧道地質(zhì)進(jìn)行探測分析。目前常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有紅外探水、探地雷達(dá)、TSP隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、瞬變電磁法、地質(zhì)分析預(yù)報(bào)法等。探地雷達(dá)在地質(zhì)探測中具有很好的探測效果，有著快速、高效、精確、實(shí)時(shí)成像等優(yōu)點(diǎn)，是非常有發(fā)展前景的探測技術(shù)。在對(duì)隧道進(jìn)洞淺埋段進(jìn)行超前探測時(shí)，探地雷達(dá)是比較理想的技術(shù)。

1、探地雷達(dá)的探測原理

探地雷達(dá)方法是利用發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射廣譜、高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到電性（介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率）差異界面時(shí)將發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，同時(shí)介質(zhì)對(duì)傳播的電磁波也會(huì)產(chǎn)生吸收、濾波和散射作用。用接收天線接收來自地下的反射波并做記錄，采用相應(yīng)的雷達(dá)信號(hào)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)圖像結(jié)合工程地質(zhì)及地球物理特征進(jìn)行推斷解釋，對(duì)掌子面前方的工程地質(zhì)情況（圍巖性質(zhì)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)造、圍巖完整性、地下水和溶洞等情況）做出預(yù)測。

2、探地雷達(dá)的參數(shù)

探地雷達(dá)主要采用高頻率、短脈沖、寬頻帶、高速度進(jìn)行采樣工作。儀器配置有主機(jī)、天線、電池波發(fā)射機(jī)、電池波接收機(jī)、計(jì)算機(jī)、電池等。以美國GSSI-3000型雷達(dá)為例，其主要技術(shù)指標(biāo)為：

2.1主機(jī)

量程：50～2975ns；發(fā)射脈沖重復(fù)頻率：115kHz；掃描速度：56次/s；采樣：128，256，512點(diǎn)/s；增益控制范圍：0～80dB；動(dòng)態(tài)范圍：128dB；濾波：用戶可選；檢測模式：連續(xù)；轉(zhuǎn)換：16位；數(shù)據(jù)傳輸：以太網(wǎng)接口；輸入電源：12V；充電電池：10.5～13V；電池容量：6.5Ah；消耗電流：0.7A；尺寸：35cm×30cm×5.5cm；重量：3.0kg。

2.2天線

天線采用的是100MHz屏蔽天線。類型：藕極，空氣耦合；發(fā)射器輸出：200V；接收器敏感性：50mV；探測深度：20m（75M）；尺寸：95cm×12cm×4cm；重量：2～7kg。

2.3軟件

軟件具有采集和分析功能，同探測雷達(dá)系統(tǒng)相匹配。

3、工程實(shí)例

以荷包沖1號(hào)隧道作為地質(zhì)雷達(dá)超前探測的地點(diǎn)。該隧道洞口段埋深較淺，地形比較平緩，洞頂邊仰坡多處裂縫，截水溝局部存在破損。隧址區(qū)主要巖性為灰?guī)r，淺埋段巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，強(qiáng)風(fēng)化，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，薄～中厚層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)面間為黏土充填，掌子面潮濕，局部位置滲水，巖體完整性差、自穩(wěn)能力弱。

3.1探測過程

探地雷達(dá)在對(duì)隧道口進(jìn)行超前探測時(shí)，多采用“兩橫兩豎”或“一橫三豎”的布線方式。在對(duì)荷包沖1號(hào)隧道進(jìn)行探測時(shí)，布線要盡可能靠近掌子面圓心位置。結(jié)合現(xiàn)場施工和檢測條件，一般在最長的測線上對(duì)隧道圍巖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，為后期分析中發(fā)現(xiàn)異常問題提供便利。

在對(duì)掌子面進(jìn)行探測時(shí)，盡量保持掌子面的平整，給天線的移動(dòng)提供平穩(wěn)的條件，否則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)異常。對(duì)于采集中出現(xiàn)的干擾信號(hào)如金屬器件、?？寇囕v等反射的信號(hào)做好記錄，否則會(huì)被認(rèn)為是探測到的地質(zhì)異常體。

雷達(dá)發(fā)射的電磁波會(huì)被介質(zhì)反射回來，雷達(dá)接收后在可對(duì)其進(jìn)行處理分析，最后以脈沖反射波形顯示出來。隧道內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境和各種干擾導(dǎo)致電磁波被反射和吸收的程度不同，天線接收后的電磁波形比較雜亂，振幅也降低。此時(shí)不易直接判斷掌子面前方的地質(zhì)情況，需要進(jìn)行濾波和去噪等處理，最后得到地質(zhì)雷達(dá)的測線剖面圖。

3.2探測結(jié)果分析

通過地質(zhì)雷達(dá)的探測，結(jié)合測線剖面解譯成果和地勘資料可知：距掌子面0.8～2m范圍的電磁波反射同相軸錯(cuò)斷、振幅強(qiáng)、頻率中等，推測該段落受開挖擾動(dòng)影響，節(jié)理裂隙發(fā)育，為開挖擾動(dòng)區(qū)；距掌子面2～4m范圍的電磁波反射同相軸較連續(xù)、振幅較弱、頻率中等，推測該段落巖體節(jié)理、裂隙較發(fā)育，完整性較差，具有一定自穩(wěn)能力；距掌子面4～5.5m范圍的電磁波反射同相軸錯(cuò)斷、振幅很強(qiáng)、頻率中等偏低，推測此處溶蝕裂隙、巖溶發(fā)育，頻率偏低表明溶蝕裂隙或溶洞為黏土充填；距掌子面6m～20米范圍的電磁波反射同相軸基本連續(xù)、振幅較弱、頻率中等，說明本段落圍巖完整性較好，局部發(fā)育節(jié)理、裂隙，開挖后支護(hù)不及時(shí)可能出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象。

3.3工程措施建議

從地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果分析，進(jìn)口處的截水溝和洞頂邊仰坡都已經(jīng)出現(xiàn)開裂和局部破壞。應(yīng)對(duì)地表截水溝進(jìn)行修復(fù)，同時(shí)新增排水溝；洞頂邊仰坡出現(xiàn)的裂縫應(yīng)在施工過程中進(jìn)行加固和修補(bǔ)，建議對(duì)淺埋破碎帶地表巖土體進(jìn)行地表注漿加固，讓淺埋段圍巖的穩(wěn)定性得到提高。對(duì)于局部滲水區(qū)段，在掘進(jìn)過程中，可以采用縮小鋼拱架間距的處理措施，增強(qiáng)初期支護(hù)的承載能力。對(duì)于巖體裂隙發(fā)育地段，應(yīng)在拱腳加設(shè)鎖腳錨桿，增強(qiáng)拱架間縱向連接鋼筋，并嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施作超前支護(hù)。

結(jié)語：

地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)對(duì)隧道超前探測中具有重要的作用，能夠?qū)π枰綔y地段的地質(zhì)構(gòu)造做出定性的判斷，結(jié)合單位工程的設(shè)計(jì)及勘察資料綜合進(jìn)行解譯，更容易排查隧道施工過程中易出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害。地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)成本較低、易操作、干擾小，是現(xiàn)階段隧道工程超前探測應(yīng)用中比較理想的探測方法。但這項(xiàng)探測技術(shù)受到環(huán)境和操作技術(shù)水平的影響較大，依然需要在實(shí)踐中不斷創(chuàng)新，為隧道的超前探測提供可靠的數(shù)據(jù)，為工程施工安全提供有力的參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓桂武，王天佑，劉斌，等.地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)及檢測隧道病害的問題研究[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2007（2）：58-61.

[2]高陽，張慶松，原小帥，等.地質(zhì)雷達(dá)在巖溶隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2009，39（4）：82-86.

[3]黃秀成，秦之富，朱如榮，等.公路隧道地質(zhì)雷達(dá)地質(zhì)預(yù)報(bào)方法探討[J].公路交通技術(shù)，2004（5）：107-111.

[4]鄭文寧.地質(zhì)雷達(dá)在隧道施工短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].公路，2005（4）

[5]李天賦，孟陸波，朱勁，等.隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)綜合的分析方法[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（12）：2429-2436.

作者簡介：

劉勝紅，漢族，出生年月：1976年9月，籍貫：云南陸良，學(xué)歷：大學(xué)本科，現(xiàn)有職稱：高級(jí)工程師，研究方向：公路工程試驗(yàn)檢測。