地质雷达在地下水发育隧道施工中超前探测的应用.pdf

I SSN 16 71 29 00 CN 4 3 1 3 4 7 ／ TD 采 矿 技 术 第 1 3卷 第 4期 M i n i n g Te c h n o l o g y，Vo 1 ． 1 3 ， No ． 4 2 O 1 3年 7月 J u l y 2 0 1 3 地 质 雷 达 在 地 下 水 发 育 隧 道 施 工 中超 前 探 测 的 应 用 亮 ， 王 志斌 湖南科技大学 土木工程学院， 湖南 湘潭市4 1 1 2 0 1 摘 要 超 前地 质预报 是 隧道 建设 过程 中一项 必不 可 少的工作 ， 提 前掌握 隧道 周 围 以及 掌 子 面前 方 的 围岩 和 水文 地 质 情 况 对 于施 工质 量 控 制 、 安 全控 制 、 成本 控 制 都 有 重要 的 意 义。 简单地 介 绍 了地 质 雷达原 理及 其应 用 方法 。在 某 隧道 工 程施 工 中 ， 用 瑞 典 R AM AC地质 雷达 进行 了超 前探 测 ， 将探 测成 果 与 实际 围岩 相对 比， 证 明地 质 雷达探 测是 隧 道 建设 中的一 种较 好 的超前探 测 方 法 。 关键 词 地质 雷达 ； 隧道 工程 ； 超 前 地质预 报 0 引 言 随着 我 国 国 民经 济 的 高速 发 展 ， 众 多 高 等级 铁 路 、 公路 等 现代 化工 程不 断兴 建 ， 在建 和待 建 的隧道 也越来越多 。然而大量隧道工程建设实践表明 ， 由 于地质勘察精度 、 经费等诸多条件的限制 ， 根据地勘 资料 所做 出的设 计 与 实 际不 符 的情 况 屡 有 发 生 ， 由 此带 来 的隧 道 内塌 方 、 涌 水 、 突泥 等 灾 害 时 有 发 生 ， 从 而给 隧道 施 工 造成 极 大 的危 害 口 ] 。因 此 ， 在 隧 道 施工 中， 提前了解掌子面前方的地质情况， 可以提早 采取预防措施 ， 减少事故的发生 ， 地质雷达超前预报 也得 到广 泛 的应用 。 1 地质 雷达 综述 1 ． 1地质 雷 达原理 地 质 雷 达 探测 方 法 是 物探 方 法 的一 种 ， 它 是一 种 借助 宽 带高频 电磁 波 信 号 进行 探 测 的方 法 ， 利用 电磁波信号在介质中传播时电磁波的运动特点而进 行 探测 。具 体应 用 时通 过一个 雷 达天 线 向掌子 面前 方岩土体发射高频 电磁波 ， 当电磁波在岩土体传播 过程中遇到介电常数不相同的界 面时， 其 中一部分 波发生折射透过该界面继续 向前传播 ， 而另一部分 则 由该界 面 发生 反射 ， 被接 收 天线所 接 收 ， 反 射 电磁 波 由雷达 主 机记 录 ， 在 前方 更 深处 的界 面 ， 电磁 波 同 样发生折射和反射 ， 直到电磁波能量消散完毕 。 1 ． 2 地 质雷 达参 数选 取 1 ． 2 ． 1 雷达 天线 频率 的选 择 地质雷达天线 中心频率 的选取通常需要考虑待 探测掌子面前方围岩所需分辨率 以及 目标体的最小 尺寸。在满足分辨率且场地条件许可时 ， 应尽量选 择中心频率较低的天线 。假设所需掌子面前方分 辨率为 z m， 岩土体相对介电常数为 e时， 天线 中 心频 率 厂为 f一1 5 0 ／ a 寺 1 1 ． 2 ． 2 采 样 时窗 的确定 时窗 W 的确 定 主要 取 决 于 掌 子 面 前 方 最 大探 测 距离 h和岩 土体 电磁 波波速 。采 样 时窗 W 为 W一2 ． 6 ／ v 2 1 ． 2 ． 3 采样 间 隔的确 定 当地质雷达天线频率为 厂时， 采样率At 为 △t 一 1 0 0 0 ／ 6 f 3 在 隧道超 前 预 报 工 作 中， 一 般 分 辨 率 设 为 0 ． 5 1 T I ， 同时结合施工现场的探测需要 ， 一般选取中心频 率为 1 0 0 MHz的屏蔽天线 ， 有效探测距离一般不大 于 3 0 m， 且 以 1 5 m 之 内效 果 最 好 。如 果 选 择 h 一 2 0 m， 则 w 约 为 5 2 0 n s ， At 为 1 ． 6 7 n s [ 。 1 ． 3测 线布 置与信 号 采集方 式选 择 探测 时在 隧道 掌子 面布 置两条 呈“ 十” 字形 的测 线 如 图 1 进 行探 测 ， 采 用 1 0 0 MHz屏蔽 天 线 发 射 电磁 波 ， 从 而预 报 隧道 掌 子 面 前 方一 定 距 离 范 围 内 的岩体 情 况 。亦 可 根 据 现场 实 际 工 作 需要 ， 调 整 或 增设测 线 。 采集地质 雷达数据信 号 的触 发方式 一般有 3 种 ， 测量 轮 触发式 、 时间触发 式 和键盘 触发 式E 。由 于隧道施工现场干扰因素较多 ， 建议采用键 盘触发 的方式采 集 数据 ， 按一 下键 盘发射 一 条波 ， 采集 一条 数 据 ， 雷 达天 线按 固定距 离 移动 一次 ， 直至 扫描 完整 个 掌子 面 。 1 3 2 采矿技术 图 1地 质 雷 达 测 线 布 置 1 ． 4 数 据处理 及 图像解 译 探测 得到 的雷达 图像 通常 以脉 冲反射 波 的形 式 记 录 。地 下介 质体 可 以看作 是 一 个 复 杂 的滤 波 器 ， 介质 对 波吸 收的程 度 不 相 同 ， 而且 由于 介 质体 不 均 匀 ， 这会 使脉 冲到达 接 收天线 的时候 波 幅变小 ， 接收 波形 变 得与发 射波 形有较 大差 异 。系统 随机 噪声 以 及外 界 不 同程度 的 干扰 ； 也 会 影 响 实测 数 据 r 5 ] 。因 此 ， 必须对接收到的反射波信号进行适当处理， 改善 数 据信 噪 比 ， 为 解 译 工 作 提 供 清 晰 、 辨 识 度 高 的 图 像 。图像处理工作包括裁剪无效信号 ， 消除系统的 随机 噪声 和外界 的干 扰信 号 ， 进行 增益 调整 、 高频 滤 波以突出目标体 ， 最终得到各条雷达测线成果图， 并 据此进行图像解译和地质推断。 2 工程 实例 梅花菁隧道为毕节至都格高速公路第二合同段 的一 条 隧道 ， 进 口位 于毕 节 市 朱 昌镇 花 厂 村 水 口组 西侧 1 4 0 m处 ， 出 口位于纳雍县东关乡大坡村梅花 菁南 西 侧 3 5 0 m 处 。隧 道 左 线 起 讫 里 程 Z K9 7 2 0 3 ～ Z K9 9 0 9 0 ， 全 长 1 8 8 7 12 3 ． ； 右 线 起 讫 里 程 YK9 7 1 8 5 ～YK9 9 1 0 7 ， 全长 1 9 2 2 m。为双 向四 车道部 分小 净距 隧道 。隧道 出 口处 围岩主要 为二 叠 系上统 长兴 、 大 隆和 龙 潭组 P 3 1 C d 强 、 中风 化 泥岩 ， 粉 砂 岩夹炭 质泥 岩 ， 劣 煤层 。岩 石节理 裂 隙发 育， 岩体呈碎裂状结构 。出 口地段分布较多 的小煤 窿。开挖时， 围岩体 自稳能力差 ， 易坍塌， 透水性强， 地下水呈滴状或淋雨状渗出， 或股状流出， 工程地质 条件差 。 图 2是 使 用 瑞 典 R AMAC 地 质 雷 达 和 1 0 0 MHz 屏 蔽天 线在 隧道 出 口掌 子面 为 YK9 8 8 9 5时 采集数据处理后 的地质雷达图像 。雷达图像显示掌 子 面前方 2 0 m 区 段 出现 多 次 电磁 波 时 域 规 律 反 射 ， 应均为岩体层间反射 ， 说 明前方岩体仍 以泥岩、 粉 砂质 泥岩 夹炭质 泥岩呈 中～ 薄层状 互层 为主 。 电 磁波局部出现轻微相位变化和衰减系数反 向减小 ， 结 合 当前掌 子面 出水 情 况 ， 判 断前 方 地 下水 有 大 增 的迹 象 ， 且 以基岩 层 问和裂 隙间积水 为 主 ， 呈淋 雨状 出水 。 距离／ m 0 1 0 0 ≤ 宣 2 0 0 鲁 30 0 4 0 0 图 2 Y K 9 8 8 9 5掌子面地质雷达图像 经现场 开挖 验证 ， 隧道 内围岩情 况 、 出水情 况 与 预报 结果相 一致 。泥岩 、 炭质 泥岩 本身结 合能 力差 ， 层面 多光 滑 ， 再 加上地 下水 的作用 ， 开挖 时拱 顶及 两 侧极易掉块 ， 造成坍塌事故 ， 但由于开挖前采取了相 应支 护 和防排水 措 施 ， 所 以 开挖 过 程 中未 出现 大 的 工程 事故 。 3 结束语 地 质 雷达 在 隧道 工 程超 前 预报 中应 用广 泛 ， 尤 其 是对 于短距 离预 报 ， 其 精度 能够满 足工 程需要 ， 然 而在实 际操作 中 ， 隧道掌 子面往 往不 平整 ， 而且 工作 环境 中存在施 工 机械 等 干 扰 源 ， 因此 如 何 正 确地 处 理分析雷达图像对于得出准确 的结论至关重要 。 参 考 文 献 [ 1 ] 何发亮 ， 李苍松 ， 陈成宗． 隧道地 质超前预报 [ M] ． 成 都 西南 交通大学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 白哲． 地质雷达在隧道超 前预报 中 的应 用[ D] ． 武 汉 武汉 理工 大 学 ， 2 0 0 6 ． [ 3 ] 何继善 ， 柳建新． 隧道超前探测方法技术与应用研 究[ J ] ． 工程 地球 物理学报 ， 2 0 0 4 4 2 9 3 2 9 8 ． [ 4 ] 邓忠富， 王敏． 探地雷达在隧道地质超前预报中的应用[ J ] ． 科技论 坛， 2 0 0 8 S 8 - 9 ． [ 5 ] 曾昭发， 刘 四新． 探地雷达原理与应用[ M] ． 北京 电子 工业出 版 社 ， 2 0 1 0 ． 收 稿 日期 2 O 1 3 一 O 2 1 7 作 者 简介 姚 亮 1 9 8 6 一 ， 男 ， 山 西左 权 人 ， 助理 工 程 师 ， 硕 士 研 究生， 主要 从 事 岩 土 工 程 研 究 ， E ma i l 5 1 1 0 7 1 1 3 8 q q ． Com