探地雷達(dá)技術(shù)在隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的應(yīng)用

谷 松

(遼寧地質(zhì)工程職業(yè)學(xué)院，遼寧丹東 118003)

0 引言

在經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和“一帶一路”的引領(lǐng)下，中國(guó)的鐵路、公路建設(shè)得到迅猛發(fā)展，隧道工程施工也大幅增長(zhǎng)。隨著隧道長(zhǎng)度和埋深的增加，不良地質(zhì)條件發(fā)生的概率也逐漸增多，過(guò)去簡(jiǎn)單的物探和鉆探已不能滿足實(shí)際的工程施工需要，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)很好地預(yù)測(cè)隧道掌子面前方存在的風(fēng)險(xiǎn)，為保證隧道順利掘進(jìn)提供了有力保障。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法有很多，包括地質(zhì)分析法、電磁法、地震波法等，其中地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)因探測(cè)方法具有簡(jiǎn)單、便捷且分辨率高等優(yōu)勢(shì)，成為短距離超前地質(zhì)預(yù)測(cè)的最佳方法之一。

1 探地雷達(dá)探測(cè)原理與方法

探地雷達(dá)由主機(jī)、反射天線和接收天線三大部分組成，通過(guò)電磁波檢測(cè)地下介質(zhì)分布并對(duì)不可見目標(biāo)體或地下的不同界面進(jìn)行掃描，以確定其地下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和位置[1]。其工作原理如圖1所示，根據(jù)地下不同介質(zhì)的介電常數(shù)差異，利用發(fā)射天線向地下介質(zhì)發(fā)射中心頻率為100 MHz的廣譜電磁波，以寬頻短脈沖形式通過(guò)發(fā)射天線傳播到地下。當(dāng)電磁波遇到電性差異界面時(shí)，會(huì)發(fā)生散射和反射現(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。通過(guò)接收天線接收來(lái)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)構(gòu)造、圍巖完整性、地下水和溶洞等情況)做出預(yù)測(cè)。

2 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)線布置

為了確保探測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果的精確度，在布置測(cè)線時(shí)應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：①電磁場(chǎng)對(duì)探地雷達(dá)測(cè)定信號(hào)的收集產(chǎn)生一定影響，布置測(cè)線要遠(yuǎn)離包括探測(cè)周圍的電線、電纜等電磁場(chǎng)的干擾因素；②地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)對(duì)金屬物體的反應(yīng)較靈敏，故布置測(cè)線時(shí)，盡可能避開如鋼拱架、開挖臺(tái)車等金屬設(shè)備；③布線時(shí)要布于隧道掌子面的平整地域，以便使天線和掌子面貼合緊密，減少因空氣層的存在而引起的異?，F(xiàn)象；④對(duì)于有異常區(qū)應(yīng)加密處理，以減少探測(cè)盲區(qū)，保證探測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

2.2 數(shù)據(jù)收集處理方法

在探測(cè)過(guò)程中由于周圍環(huán)境的影響及寬頻帶電磁波在地下傳播，也將會(huì)有各種噪聲被記錄下來(lái)。收集到的信號(hào)要進(jìn)行濾波處理，除去不需要的低頻和高頻信號(hào)，降低背景噪聲和余振影響[3]。為了突出有效信號(hào)、提高信噪比，我們通過(guò)軟件對(duì)收集的信號(hào)做了增益處理、背景去噪、頻率域?yàn)V波、偏移等圖像處理。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程概況

隧道進(jìn)口平導(dǎo)洞P1K0+875開挖掌子面拱頂鉆孔內(nèi)多處出現(xiàn)股狀涌水。掌子面實(shí)際圍巖情況照片見圖2。揭露圍巖以全—強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r夾斷層泥為主，巖質(zhì)較軟，巖體破碎，軟弱夾層發(fā)育，呈上夾石狀—散體狀結(jié)構(gòu)，圍巖完整性和穩(wěn)定性差。

圖2 P1K0+875掌子面照片

3.2 探測(cè)儀器測(cè)量參數(shù)選定及布線

探測(cè)儀器選用瑞典MALA公司生產(chǎn)的RAMAC/X3M型地質(zhì)雷達(dá)，探測(cè)中使用了100 MHz中心頻率的屏蔽天線，時(shí)窗設(shè)置為600 ns，采樣頻率1024 MHz，點(diǎn)距0.1 m，迭加次數(shù)128次，采集方式為剖面法、點(diǎn)觸發(fā)。探測(cè)位置為隧道的P1K0+875～P1K0+895段，如圖3。探測(cè)測(cè)線方向布置如圖4中的測(cè)線1、2所示。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)位置示意圖

圖4 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面布置示意圖

3.3 探測(cè)結(jié)果圖像解譯

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)所得波形圖見圖5，根據(jù)反射波能量、背景回波、波形的相似性和波形的連續(xù)性等對(duì)其進(jìn)行綜合分析。在掌子面前方0～20 m(P1K0+875～P1K0+895)隧道范圍內(nèi)，探地雷達(dá)反射波主要以中低頻信號(hào)為主，分布不均勻，信號(hào)頻率變化較大，雷達(dá)波同相軸局部連續(xù)，振幅較強(qiáng)，推測(cè)該段圍巖巖體破碎，結(jié)構(gòu)面有軟弱物填充，斷層裂隙水發(fā)育，水量較大。結(jié)合掌子面地質(zhì)情況，該段隧道巖體白云質(zhì)灰?guī)r夾斷層泥，巖體破碎、松散，結(jié)構(gòu)面軟弱物填充，斷層裂隙水發(fā)育，層間泥上充填、夾泥嚴(yán)重，軟弱夾層存在明顯的富水通道，水量較大。

圖5 測(cè)線1、2地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)波形圖

4 成果驗(yàn)證

4.1 超前地質(zhì)水平鉆驗(yàn)證

為了驗(yàn)證地質(zhì)雷達(dá)的預(yù)報(bào)結(jié)果是否準(zhǔn)確，進(jìn)行超前地質(zhì)水平鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證。超前地質(zhì)水平鉆探是其他物探探測(cè)結(jié)果最直接、最有效的驗(yàn)證和補(bǔ)充，可通過(guò)沖擊器的響聲、鉆速及其變化、巖粉、卡鉆情況、鉆桿振動(dòng)情況、沖洗液的顏色及流量變化等粗略探明巖性、巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、溶洞(及地下水發(fā)育情況等。超前地質(zhì)水平鉆孔設(shè)置見圖6。

圖6 鉆孔布置圖

鉆孔順序按1#孔、2#孔、3#孔依次進(jìn)行探測(cè)，3#孔根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適時(shí)調(diào)整。采用地質(zhì)鉆機(jī)接桿鉆孔，孔深一般40～60 m。為防止遇高壓水時(shí)突水失控，開孔采用直徑120 mm鉆頭，孔內(nèi)放入3.0 m長(zhǎng)的直徑108 mm鋼管作為孔口管，孔口管伸出掌子面50 cm，孔壁間用環(huán)氧樹脂加水泥漿錨固，孔口管伸出部分安封閉裝置，并與注漿泵聯(lián)接。鉆探結(jié)果顯示每次鉆進(jìn)時(shí)的掘進(jìn)速度較快、無(wú)卡鉆現(xiàn)象且見鉆孔出水量增大，說(shuō)明圍巖破碎、巖質(zhì)較軟，巖性主要是全—強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r。

4.2 施工驗(yàn)證

隧道的現(xiàn)場(chǎng)施工中，實(shí)際開挖掌子面拱頂鉆孔內(nèi)多處股狀涌水(圖7)，并揭露圍巖為風(fēng)化強(qiáng)烈的白云質(zhì)灰?guī)r，局部見軟弱泥質(zhì)夾層。泥質(zhì)夾層為斷層泥，由于隧道處于斷裂多發(fā)處，裂隙發(fā)育，為涌水的主要通道。從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)分析結(jié)果與實(shí)際施工情況對(duì)比可見，開挖掌子面拱頂鉆孔內(nèi)多處股狀涌水，揭露圍巖以全—強(qiáng)風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r夾斷層泥為主，巖質(zhì)較軟，遇水易軟化，巖體破碎，軟弱夾層發(fā)育，呈土夾石狀—散體狀結(jié)構(gòu)。圍巖完整性與穩(wěn)定性差，最終結(jié)果顯示與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)吻合度極高。

圖7 P1K0+890實(shí)際掘進(jìn)結(jié)果

綜上可得，探地雷達(dá)能夠精準(zhǔn)判斷掌子面及洞身的地質(zhì)發(fā)育、風(fēng)化、斷層、裂隙及滲水等地質(zhì)情況。可為局部圍巖可能出現(xiàn)的失穩(wěn)和出水等情況提供很好地監(jiān)測(cè)，及時(shí)做好應(yīng)對(duì)措施，確保安全、順利施工。

5 結(jié)論

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法對(duì)短距離隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)測(cè)具有簡(jiǎn)單方便、精準(zhǔn)度高的特點(diǎn)，經(jīng)超前水平鉆探揭露和實(shí)際掘進(jìn)驗(yàn)證得到的地質(zhì)情況基本一致。能夠提前對(duì)隧道掌子面前方預(yù)測(cè)做出預(yù)警，并可以準(zhǔn)確提供可靠的地質(zhì)資料，確保隧道工程安全施工。因地質(zhì)雷達(dá)自身固有的圖像多解性所限，且有短距離探測(cè)的局限性，故而隧道工程超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中最好結(jié)合其他的物探方法，發(fā)揮預(yù)報(bào)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、定性與定量相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，更好為隧道工程實(shí)踐服務(wù)。