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      三維探地雷達(dá)技術(shù)在復(fù)雜巖溶隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用研究

      2024-12-31 00:00:00熊春發(fā)盧超波楊庭偉楊仕恒
      西部交通科技 2024年10期
      關(guān)鍵詞:掌子面巖溶天線

      文章通過總結(jié)在桂林某高速公路隧道施工中應(yīng)用的三維探地雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù),并與超前水平鉆孔和實(shí)際開挖結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證,表明該技術(shù)可準(zhǔn)確預(yù)報隧道掌子面正前方及側(cè)前方巖溶溶洞的三維空間方位及大小。相較于二維地質(zhì)雷達(dá),該技術(shù)成像直觀,無須貼靠探測目標(biāo),探測范圍從二維剖面擴(kuò)展為三維空間,提高了對巖溶等地質(zhì)構(gòu)造的探測精度,可為進(jìn)一步的超前水平鉆孔方位及角度設(shè)計以及巖溶處治設(shè)計施工提供直觀可靠的依據(jù)。

      隧道超前地質(zhì)預(yù)報;三維地質(zhì)雷達(dá);三維地質(zhì)成像;巖溶三維地質(zhì)預(yù)報

      U456.3A280953

      基金項目:

      廣西重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道結(jié)構(gòu)性能演變與健康狀態(tài)評估關(guān)鍵技術(shù)研究”(編號:2023AB14033);

      廣西壯族自治區(qū)工業(yè)和信息化廳2018年第三批技術(shù)創(chuàng)新項目(自籌類)“基于布里淵散射的分布式光纖長大隧道施工安全實(shí)時監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)”;

      廣西重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“基于分布式光纖的隧道施工安全與運(yùn)營健康實(shí)時監(jiān)測技術(shù)研究”(自籌)(編號:桂科AB22080027)

      作者簡介:

      熊春發(fā)(1982—),博士,高級工程師,主要從事隧道及巖土工程理論和技術(shù)方面的研究、公路隧道試驗(yàn)檢測工作。

      0" 引言

      我國西南地區(qū)巖溶分布廣泛,地質(zhì)條件復(fù)雜,巖溶的存在導(dǎo)致隧道建設(shè)時發(fā)生突水、涌泥、塌方等事故的風(fēng)險增加,各類事故會造成人員傷害、經(jīng)濟(jì)損失,以及影響施工進(jìn)度。超前地質(zhì)預(yù)報工作在隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防中起著重要作用,作為最常用的一種地質(zhì)預(yù)報方法,地質(zhì)雷達(dá)法在巖溶探測方面具有較好的效果。但地質(zhì)預(yù)報多采用二維地質(zhì)雷達(dá),其應(yīng)用在超前探測中主要存在以下問題:探測深度淺,一般<30 m;探測采用二維解釋,不能給出前方地質(zhì)體的位置和走向。因此常規(guī)的二維雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報方法無法完全滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作要求,需要進(jìn)一步探索精度高、效率高、可視化的超前預(yù)報方法。

      目前常見的三維地質(zhì)雷達(dá)采用的是多發(fā)多收天線,集成后的天線體積和重量都較大,天線中心頻率多為中高頻率,探測深度在1~3 m,主要用于淺層的路基路面病害探測[1-5]。用來進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報的低頻率三維地質(zhì)雷達(dá)還較少見,僅在部分文獻(xiàn)中提及[6-11],主要用來探測隧道掌子面前方及前方周邊范圍內(nèi)不良地質(zhì)的三維空間分布情況,探測結(jié)果多與地震波法進(jìn)行對比驗(yàn)證,與超前水平鉆孔進(jìn)行對比驗(yàn)證的較少。

      本文通過將三維地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用于桂林某高速公路隧道,并將預(yù)報結(jié)果與超前水平鉆孔、開挖驗(yàn)證的結(jié)果進(jìn)行對比分析,驗(yàn)證該方法的預(yù)測結(jié)果,以期為巖溶等復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報提供一種更為準(zhǔn)確全面的方法。

      1" 三維地質(zhì)雷達(dá)法隧道地質(zhì)預(yù)報基本原理

      二維地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中應(yīng)用的一大缺陷是無法準(zhǔn)確定位異常體的三維位置。三維地質(zhì)雷達(dá)天線無須貼靠探測目標(biāo),通過多角度密集探測,可以在一次探測中同時分別形成平行和垂直于運(yùn)動方向的多條測線,實(shí)現(xiàn)三維雷達(dá)信號采集,大大提升探測效率;通過三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),完成三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)信號的處理,包括智能增益、主成分濾波、縱向切片、橫向切片、特征識別、三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)出;采用三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模技術(shù),實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造三維成像,最終實(shí)現(xiàn)探測范圍從二維剖面擴(kuò)展為三維空間,提高了對地質(zhì)構(gòu)造的探測精度。

      此外,三維超前預(yù)報地質(zhì)雷達(dá)采用空間補(bǔ)償雷達(dá)天線,多次重復(fù)觀測,利用三維空間疊加算法,對同一反射點(diǎn)的資料進(jìn)行動校正處理,動校正對齊后的各道數(shù)據(jù)相加,使同一反射點(diǎn)的有效波得到加強(qiáng),多次波相對減弱,從而達(dá)到改善深部微弱信號質(zhì)量、提高資料的信噪比的目的,可將有效探測距離從30 m增加到50 m,提高60%以上。

      2" 三維地質(zhì)雷達(dá)法在隧道地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

      2.1" 工程簡介

      桂林某高速公路隧道屬巖溶化峰林谷地地貌區(qū),為分離式隧道。隧道左線起訖樁號ZK15+044~ZK16+695,長度為1 651 m,隧道右線起訖樁號YK15+031~YK16+700,長度為1 669 m。隧道洞門型式為進(jìn)口采用端墻式,出口采用削竹式。

      2.2" 二維地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果

      在該隧道左線出口端ZK16+609掌子面采用二維地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報工作。探測的掌子面揭露的圍巖以中風(fēng)化灰?guī)r為主,掌子面干燥,中上部鐵質(zhì)浸染呈紅褐色,巖體較破碎,節(jié)理裂隙較發(fā)育,局部稍夾泥,圍巖自穩(wěn)能力較差。

      二維地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報結(jié)果(圖1)顯示:探測剖面掌子面前方6~14 m(相應(yīng)里程樁號為ZK16+603~ZK16+595),以及掌子面前方左側(cè)至中部20~25 m(相應(yīng)里程樁號為ZK16+589~ZK16+584)范圍內(nèi)的雷達(dá)波形整體以不均勻低頻為主,頻率變化較快,波形雜亂,反射波幅值較強(qiáng),同相軸較連續(xù)。結(jié)合掌子面圍巖情況,推斷圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r為主,呈碎裂狀構(gòu)造,巖體破碎,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖溶較發(fā)育,推斷以小規(guī)模填充型溶槽或空腔為主,填充物為泥質(zhì)充填,結(jié)合差,自穩(wěn)能力差。

      2.3" 三維地質(zhì)雷達(dá)法超前地質(zhì)預(yù)報實(shí)施

      2.3.1" 數(shù)據(jù)采集

      在二維雷達(dá)探測后,對該隧道左洞樁號ZK16+602掌子面進(jìn)行了三維地質(zhì)雷達(dá)探測,探測前方是否有巖溶等地質(zhì)構(gòu)造存在。為了能覆蓋掌子面正前方及側(cè)前方探測范圍,在掌子面左右側(cè)共設(shè)置2個探測天線架設(shè)站點(diǎn),每個站點(diǎn)內(nèi)探測252個測點(diǎn),測點(diǎn)的具體組成為:分為12組,對應(yīng)天線朝向的12個水平角,(組間)水平角間隔20°,即-140°,-120°,-100°…+40°,+60°,+80°;每組21個測點(diǎn)(對應(yīng)天線朝向的21個豎直角,(測點(diǎn)間)俯仰角間隔5°,即-50°,-45°,-40°…+40°,+45°,+50°。每個站點(diǎn)在探測時先調(diào)整好天線的水平角,在天線水平角固定為-140°的條件下從-50°到+50°旋轉(zhuǎn)天線至不同的豎直角進(jìn)行探測,為第1測組21個測點(diǎn);再將天線切換至下一個水平角-120°,再旋轉(zhuǎn)天線的豎直角進(jìn)行探測,為第2測組21個測點(diǎn)。依次進(jìn)行12組測點(diǎn)的探測,完成一個天線架設(shè)站點(diǎn)探測,再進(jìn)行下一個天線架設(shè)站點(diǎn)探測。一個測站的探測角度范圍及探測流程詳見圖2。

      2.3.2" 成果解釋

      對采集的三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)分析平臺處理,并用三維點(diǎn)云處理系統(tǒng)將雷達(dá)二維剖面結(jié)果數(shù)據(jù)三維化,獲得溶洞異常區(qū)識別的三維解釋結(jié)果如圖3所示,二維剖面結(jié)果如圖4所示,都給出了探測范圍,最遠(yuǎn)探測距離為40 m。

      通過三維雷達(dá)進(jìn)行超前探測,推斷掌子面前方圍巖狀況較差,主要存在2處溶洞構(gòu)造D1、D2,內(nèi)部存在多處信號反射,推測局部充泥。其中,D1距離2#探測位置5.6 m附近探測到巖溶空洞構(gòu)造,分布在探測位置右前方,探測區(qū)域內(nèi)長軸為60.0 m,短軸為21.8 m,D1內(nèi)部主要為黃泥填充;D2距離1#探測位置4.7 m附近探測到巖溶空洞構(gòu)造,分布在探測位置左側(cè),長軸為37.3 m,短軸為16.2 m。地質(zhì)異常區(qū)D1、D2三維雷達(dá)超前探測結(jié)果信息見表1。

      2.4" 開挖及超前水平鉆孔驗(yàn)證

      2.4.1" 開挖驗(yàn)證

      實(shí)際開挖顯示,該隧道出口左洞ZK16+597上臺階掌子面揭露圍巖情況為:掌子面右側(cè)圍巖為大面積溶腔,可見溶腔范圍斜向上延伸,溶腔內(nèi)充填黃泥,無自穩(wěn)能力,如圖5所示。三維地質(zhì)雷達(dá)對側(cè)前方巖溶發(fā)育范圍的預(yù)報結(jié)果與掌子面揭露溶洞的情況相符。而二維雷達(dá)由于只能探測掌子面正前方的異常情況,推斷正前方是以小規(guī)模填充型溶槽或空腔為主,與實(shí)際溶洞范圍不符。

      2.4.2" 超前水平鉆孔驗(yàn)證

      為了進(jìn)一步查明掌子面揭露溶洞的空間范圍,采用C6多功能鉆機(jī)在隧道左洞雷達(dá)探測掌子面樁號ZK16+597位置布置6個超前探孔,鉆孔位置及鉆孔記錄見表2、圖6。根據(jù)鉆孔記錄及鉆渣分析,左幅掌子面前方存在大面積泥質(zhì)充填、溶腔,其中1#孔共計鉆進(jìn)50 m,3.2~50 m范圍內(nèi)均為空腔或黃泥狀態(tài)。三維地質(zhì)預(yù)報的結(jié)果與超前水平鉆孔查明的溶洞空間分布范圍相符。

      由此可見,三維地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報結(jié)果與鉆探和現(xiàn)場開挖揭示的結(jié)果吻合較好,準(zhǔn)確地預(yù)測了隧道掌子面正前方和側(cè)前方溶洞的空間分布范圍,成像直觀,是一種精確全面的隧道超前預(yù)報方法。

      3" 結(jié)語

      本文依托桂林某高速公路隧道工程,開展三維探地雷達(dá)技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用研究,并將預(yù)報結(jié)果與超前水平鉆孔、開挖揭示的結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證,結(jié)果表明:

      (1)三維探地雷達(dá)技術(shù)借助中心頻率50 MHz的天線并結(jié)合三維空間疊加算法,探測距離根據(jù)圍巖完整情況可達(dá)到40~50 m,相比二維探地雷達(dá)的預(yù)報距離有較大提升。

      (2)三維探地雷達(dá)技術(shù)的探測范圍為錐形三維空間,可有效探測隧道掌子面正前方50 m范圍內(nèi)、側(cè)前方30 m范圍內(nèi)的隧道輪廓線內(nèi)外三維空間的不良地質(zhì)情況,實(shí)現(xiàn)不良地質(zhì)構(gòu)造的快速識別和三維成像。對于公路隧道,可在掌子面底部中間設(shè)置1個測站,也可在掌子面底部左右側(cè)共設(shè)置2個測站,擴(kuò)大探測范圍。

      (3)三維探地雷達(dá)技術(shù)提高了對巖溶等地質(zhì)構(gòu)造的探測精度,探測結(jié)果更準(zhǔn)確、更直觀、更全面,尤其適用于巖溶復(fù)雜發(fā)育條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作,可為處理復(fù)雜巖溶提供設(shè)計和施工的準(zhǔn)確詳細(xì)數(shù)據(jù)依據(jù),避免因巖溶未被準(zhǔn)確探測到或處治不當(dāng)而引起的隧道坍塌、突泥等災(zāi)害事故發(fā)生。

      [1]錢" 鵬,談順佳,王鳳剛,等.三維地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)在城市道路空洞病害普查中的應(yīng)用研究[J].城市地質(zhì),2023,18(4):98-106.

      [2]彭" 偉,武" 斌,余" 舟,等.基于地質(zhì)雷達(dá)的城市道路病害智能識別系統(tǒng)分析與設(shè)計[J].四川地質(zhì)學(xué)報,2023,43(S1):133-136.

      [3]盧思同,陳" 敏,袁家余.城市道路病害探測三維地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)[J].上海國土資源,2022,43(2):99-102.

      [4]吳" 偉,喬亞奇,曹" 兵.綜合物探手段在城市道路淺層病害中的應(yīng)用分析[J].工程與建設(shè),2023,37(4):1 132-1 135.

      [5]湯金峰,洪旭程,柳思龍,等.三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)值模擬在道路病害檢測中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報,2022,19(3):356-367.

      [6]劉" 翔,尹燕征,郭" 鵬,等.地質(zhì)雷達(dá)三維探測和TSP在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].北方建筑,2022,7(5):3-8.

      [7]鄧海明,楊" 曦,李志山,等.一種基于半空間掃描測量模式的隧道坍腔地質(zhì)雷達(dá)三維成像技術(shù)[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2021,58(3):52-59.

      [8]趙慶和,范明坤,張維平,等.雷達(dá)三維探測技術(shù)在隧道地質(zhì)隱患勘察中的應(yīng)用[J].四川建材,2019,45(3):49-50.

      [9]姜文濤,吳" 勇,范明坤,等.地質(zhì)雷達(dá)三維成像技術(shù)在隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用[J].人民長江,2017,48(S2):120-122.

      [10]浦恩虎.三維可視化綜合物探技術(shù)在白茫雪山隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2018,14(1):184-186.

      [11]徐愷奇,辛光濤.三維可視化綜合物探技術(shù)在隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用研究[J].工程技術(shù)研究,2018(16):29-30.

      20240312

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