基于山嶺隧道地質(zhì)雷達(dá)法的研究

聶田　姚文勝

摘要：隨著我國交通事業(yè)的飛速發(fā)展，山嶺隧道已經(jīng)成為基礎(chǔ)建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。由于隧道地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，前期勘察設(shè)計(jì)方法、準(zhǔn)確性受到種種限制，導(dǎo)致巖溶、斷層、破碎帶等不良地質(zhì)帶造成的隧道塌方、涌水、突泥災(zāi)害事故頻發(fā)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)不僅可以優(yōu)化設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工，還能降低施工風(fēng)險(xiǎn)、避免災(zāi)害發(fā)生。通過結(jié)合山頭頂隧道的具體實(shí)例，分析了隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)地質(zhì)雷達(dá)法的探測(cè)原理和探測(cè)結(jié)果，為今后地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)隧道地質(zhì)預(yù)防災(zāi)害事故發(fā)生積累了經(jīng)驗(yàn)。

Abstract： With the rapid development of China's transportation industry， mountain tunnels have become an important part of infrastructure construction. Due to the complex and varied geological conditions of the tunnel， the methods and accuracy of the preliminary survey and design were subject to various restrictions， resulting in frequent occurrence of tunnel collapse， gushing water and mud disasters caused by unfavorable geological belts such as karst， faults， and fracture zones. Advance geological prediction can not only optimize design and guide construction， but also reduce construction risks and avoid disasters. By combining the specific examples of the Donghua tunnel， the detection principle and detection results of the Geological Radar method for geological prediction of the tunnel are analyzed， and the experience of geological disaster prevention accidents in the geological radar detection tunnel is accumulated.

關(guān)鍵詞：超前地質(zhì)預(yù)報(bào);地質(zhì)雷達(dá);不良地質(zhì)

Key words： advanced geological prediction;geological radar;bad geological

中圖分類號(hào)：U452.1+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）28-0189-03

1? 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法（ground penetrating radar簡(jiǎn)稱GPS）是一種利用波的反射原理的無損檢測(cè)技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)主要包括雷達(dá)天線（集發(fā)射、接受信號(hào)于一體）、連接線、筆記本計(jì)算機(jī)等設(shè)備。（見圖1）電磁波在通過不同介面時(shí)會(huì)發(fā)生反射，由于介質(zhì)的導(dǎo)電性、介電常數(shù)的差異性，波的路徑、電磁波場(chǎng)強(qiáng)度以及波形也會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)雷達(dá)天線接收回的電磁波特征，既波的旅行時(shí)間、幅度、頻率和波形等信息，通過雷達(dá)軟件濾波變換，傅立葉變換，強(qiáng)制增益變化等后處理手段得到波的時(shí)間深度圖像，推斷掌子面前方一定范圍內(nèi)地層的形狀和性質(zhì)。預(yù)報(bào)的距離根據(jù)圍巖等級(jí)和復(fù)雜性綜合判定，當(dāng)巖體較完整的情況下，預(yù)報(bào)距離可達(dá)30m;在巖溶發(fā)育地段或者圍巖較破碎的條件下，為保證探測(cè)準(zhǔn)確性，預(yù)報(bào)距離一般不超過10m;連續(xù)預(yù)報(bào)時(shí)兩次重疊長(zhǎng)度應(yīng)大于5m。

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計(jì)算方法：

通過多次理論研究與實(shí)踐證明，當(dāng)已知波在介質(zhì)中傳播的波速v，讀取雷達(dá)剖面上波的旅行時(shí)間可以確定界面深度z 值。電磁波在物體或介質(zhì)中的傳播速度v、波的旅行時(shí)間t、界面深度z關(guān)系見式（1）：

2? 工程實(shí)例

2.1 工程概況

山頭頂隧道位于福建省尤溪縣山頭頂隧道境內(nèi)，最大埋深 173m，進(jìn)口均為削竹式洞門，出口均為端墻式洞門。隧道左線起迄樁號(hào)Z1K138+199.294～Z1K139+048，長(zhǎng)848.706m;右線起迄樁號(hào)YK138+172.207～YK139+035，長(zhǎng)862.793m，為雙洞分離式隧道。

山頭頂隧道區(qū)上覆第四系土層主要坡殘積層（Qe1+d1），下伏基巖為前震旦系稻溪組（Zdx2）變質(zhì)巖，變質(zhì)巖以石英片巖為主，隧道進(jìn)出口變質(zhì)程度稍有不同，進(jìn)口及洞段以青灰色深變質(zhì)石英片巖為主，巖芯見片理化，細(xì)小褶皺發(fā)育，出口段以淺黃色片巖為主，變質(zhì)程度稍淺，巖石具片理化，局部中層狀層理明顯。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況調(diào)查，出口左洞樁號(hào)ZK138+332的掌子面圍巖主要為全-強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)石英巖，屬于較軟巖，巖體破碎，層間結(jié)合較差，呈碎塊狀松散結(jié)構(gòu)，圍巖穩(wěn)定性較差，洞內(nèi)呈點(diǎn)滴狀出水。初步定性判定圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

2.2 數(shù)據(jù)采集

本次探測(cè)對(duì)隧道出口左洞進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，采用GSSI公司生產(chǎn)SIR-20地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，配屬100MHZ的屏蔽天線進(jìn)行了探測(cè)。本次探測(cè)范圍為出口左洞ZK138+332～ZK138+357，有效探測(cè)距離為25m。測(cè)線主要布置ZK140+332掌子面拱腰（H2）和拱腳（H1），測(cè)量方式為連續(xù)測(cè)量，掌子面測(cè)線具體布置圖見圖2。

2.3 結(jié)果分析

通過對(duì)收集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理濾波、增益、反褶積處理和偏移處理，消除背景及多次波的干擾，增強(qiáng)信號(hào)，提高了信噪比。根據(jù)波形、頻率、幅度等信息處理得到4地質(zhì)雷達(dá)記錄圖（見圖4～圖5）。

根據(jù)掌子面地質(zhì)條件和雷達(dá)波譜分析：有效預(yù)報(bào)距離為25m;掌子面前方的ZK138+332～ZK138+357段雷達(dá)反射圖整體上反射強(qiáng)烈，振幅相對(duì)增強(qiáng)，能量團(tuán)分布較為均勻，同相軸彎曲錯(cuò)段，同相軸間斷，波形雜亂。推測(cè)該段圍巖主要全-強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)石英巖，為較軟質(zhì)巖，強(qiáng)度較低，巖體相對(duì)破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，呈裂隙塊狀結(jié)構(gòu)，含少量裂隙水。故綜合判定該段圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，與原設(shè)計(jì)相符。

3? 結(jié)論

①地質(zhì)雷達(dá)法操作簡(jiǎn)單，不影響施工，在長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)基礎(chǔ)上，能進(jìn)一步探明掌子面前方的地層地質(zhì)情況，探測(cè)精度高，結(jié)果準(zhǔn)確。②地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)時(shí)天線應(yīng)與掌子面完全耦合，避開測(cè)線附近的金屬物等電磁干擾，增強(qiáng)回波的信號(hào)強(qiáng)度。③野外收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和后處理，濾出無關(guān)波，消除背景干擾，降噪處理，得到清晰準(zhǔn)確的時(shí)間-深度波形圖，提高探測(cè)準(zhǔn)確性。

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