地質(zhì)雷達在鳳凰山隧道中的應(yīng)用

朱瑞允 高文博 董曉明

(1.安徽省高速公路控股集團有限公司，安徽合肥 230022;2.港珠澳大橋管理局，廣東廣州 510101;3.長安大學公路學院，陜西西安 710064)

0 引言

黃土古稱“黃壤”，本源于土地之色，是一種第四紀沉積物，具有一系列內(nèi)部物質(zhì)成分和外部形態(tài)的特征，不同于同期的其他沉積物，在地理分布上也有一定的規(guī)律性。在我國，由于黃土地區(qū)地質(zhì)情況復雜，地質(zhì)災害較多，為適應(yīng)經(jīng)濟發(fā)展、擴大內(nèi)需與國民經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略的需要，建設(shè)在黃土地區(qū)的隧道工程數(shù)量逐漸增多，由于黃土特殊的物理力學性質(zhì)，黃土隧道的工程特征與普通巖石隧道有相當大的差異［1］。

目前，對于黃土隧道初期的勘察不能完全認識到隧址區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，導致開挖過程中常常出現(xiàn)涌水、突泥、塌方及各種脫空、空洞等事故，造成不必要的經(jīng)濟和人力損失，但地質(zhì)超前預報，能夠有效的避免以上隱患，減少不必要的損失，因此，超前地質(zhì)預報是隧道開挖過程中的重要工序之一。地質(zhì)雷達檢測是近年來在中國開始應(yīng)用于隧道工程中的一項新技術(shù)，是地質(zhì)研究與地震、雷達探測相結(jié)合的方法，在隧道工程襯砌質(zhì)量檢測中得到了廣泛應(yīng)用［2-5］。

本文以山西省澤州縣鳳凰山隧道為例，對隧道右線出口K81+478～K81+513段進行地質(zhì)超前預報，并對測試結(jié)果進行分析，給出了經(jīng)濟合理的預測方案。

1 工程概況

鳳凰山隧道位于澤州縣鳳凰山礦業(yè)有限公司西側(cè)的鳳凰山，設(shè)計為左右分離式，隧道左右線均屬長隧道，兩洞中軸線最大間距約50 m，地形變化較小，總體走向近南北向。左洞地表最低海拔高程844.6 m，最高海拔高程936.779 m，相對高差92.179 m。右洞地表最低海拔高程847.20 m，最高海拔高程932.94 m，相對高差85.74 m。北端洞口位于鳳凰山西北面的斜坡上，沖溝較寬，呈“U”字形，溝岸為中陡坡;南端洞口位于小車渠村北側(cè)沖溝東岸斜坡上，沖溝較窄，呈“V”字形，溝岸陡峻，距現(xiàn)有鄉(xiāng)村公路約300 m，交通較為困難，南端洞口位于鳳凰山南面的斜坡上，距現(xiàn)有公路約500 m，交通較為困難。

隧道區(qū)地形坡度較大，地表徑流條件較好，表部殘坡積厚為0.5 m～3.0 m，疏松多孔，透水性較好。下伏基巖節(jié)理裂隙發(fā)育，但連通性較差，閉合性較好，水量較貧乏。構(gòu)造破碎帶內(nèi)雖裂隙很發(fā)育，但大多閉合，含水量不大，地下水位受季節(jié)和地形的影響，流向與地形起伏一致，向低洼處排泄。

2 地質(zhì)雷達的工作原理

地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)也稱為探地雷達，地質(zhì)雷達的探測原理與航空雷達相似，根據(jù)反射波的形狀、幅度及其在橫、縱向上的組合特征和變化情況并結(jié)合當?shù)氐膸r層、土質(zhì)、其他物質(zhì)電導率和介電常數(shù)，判斷地下目標體的分布形態(tài)及特征，并對其進行數(shù)據(jù)處理、分析、解譯來達到探測目的，是一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜(1 MHz～1 GHz)的電磁波技術(shù)［6-8］。與其他類型預報相比，地質(zhì)雷達具有設(shè)備簡單、分辨率高、測量速度快、不受現(xiàn)場施工干擾等優(yōu)點，探測深度一般為20 m～30 m，適宜于對節(jié)理裂隙破碎帶的探測預報，同時對于地下水與地下溶洞的預報也有較好的效果。其工作原理見圖1［9］。

圖1 地質(zhì)雷達工作原理

根據(jù)波動理論，電磁波的波動方程為:

式(1)中第2個指數(shù)－βγ是一個與時間無關(guān)的項，它表示電磁波在空間各點的場值隨著離場源的距離增大而減小，β為吸收系數(shù)。式中第一個指數(shù)冪中αγ表示電磁波傳播時的相位項，α為相位系數(shù)，γ與電磁波傳播速度V的關(guān)系為:

當電磁波的頻率極高時，式(2)可簡略為:

其中，c為電磁波在真空中的傳播速度;ε為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

波動的傳播實際上可以看成波前沿傳播方向推進。波前的傳播時間可以看成空間位置的函數(shù)，即:

若知道上述函數(shù)關(guān)系，就可以確定波前到空間任一點M(ξ，ψ，ζ)的時間t。這種由函數(shù)關(guān)系確定的時空關(guān)系稱為時間場。在時間場內(nèi)，我們可以將時間t相同的點連系起來，構(gòu)成一個等時面，等時面方程為:

按場論規(guī)則，射線實際上是沿時間場的梯度方向。根據(jù)梯度的定義有:

式(7)為射線方程式。欲求其解，除必須給出某個時間t=t0時，波前面Q位置的起始條件Q0=(ξ，ψ，ζ)=0，以及在某個界面Z=Z(ξ，ψ)上觀測的邊界條件 t(ξ，ψ，Z(ξ，ψ))=0。

3 地質(zhì)雷達探測方法

3.1 探測注意事項

采用剖面法進行探測，探測過程中盡可能使天線貼近掌子面沿布設(shè)的測線移動，以保證天線與掌子面之間的耦合性，檢測過程中應(yīng)注意的幾點:

1)為避免支護結(jié)構(gòu)的干擾，盡量選擇新鮮掌子面進行探測。

2)在探測前，應(yīng)先對探測掌子面后方約50 m區(qū)域內(nèi)的隧道環(huán)境和掌子面的地質(zhì)情況進行詳細記錄。

3)在進行探測的過程中，施工臺架是探測中最常見的干擾物，探測時退離掌子面約40 m以減少其對探測結(jié)果的影響。

4)一般在掌子面橫、豎方向呈“井”字形各布置兩條測線進行探測，盡量使掌子面平整確保雷達天線充分接觸掌子面，為了便于后期數(shù)據(jù)分析，測試過程中應(yīng)盡量多采集數(shù)據(jù)。

5)采集數(shù)據(jù)前，應(yīng)查看天線附近是否有電磁波輻射源或金屬體存在，以確保后期解譯的準確性。

6)完成現(xiàn)場預報后并對預報過程如測點數(shù)、測點點距、測線長度及測線距離左右邊墻的距離等進行詳細的記錄，在圖像解釋時應(yīng)著眼整條波形線，重點研究對繞波、散波、同相軸現(xiàn)象不連續(xù)的波進行解析，把預測結(jié)果和現(xiàn)場掌子面情況進行對比，不斷檢驗和修正。

按照操作程序，每次接收的記錄便構(gòu)成了地質(zhì)雷達反射波時間剖面圖像，反映掌子面前方圍巖各個反射面的狀況。

3.2 測線布置

一般情況隧道檢測對拱頂、拱腰、邊墻及隧底4個部位進行檢測，準確地說，拱腰測線應(yīng)布置在起拱線1 m范圍內(nèi)，邊墻測線有兩種情況:對曲墻斷面，應(yīng)布置在邊墻腳1 m范圍內(nèi);對直墻斷面，應(yīng)在邊墻的中部和墻腳1 m范圍內(nèi)各布置1條測線。

由于鳳凰山隧道右線出口K81+478～K81+513段不屬于巖溶發(fā)育條件，運用地質(zhì)雷達測超前地質(zhì)預報能夠準確分析出掌子面前方的破碎帶、斷層、含水區(qū)等工程地質(zhì)情況，本隧道采用連續(xù)進程測量，并且每次檢測的深度均為30 m，相隔兩次測得的長度均為5 m，地質(zhì)雷達的測線布置方法相對比較靈活，可以根據(jù)現(xiàn)場情況布置一些測線、測點或網(wǎng)格，本隧道采用了一條測線加點測的方式，布置方式如圖2所示。在進行測試過程中，當天的探測結(jié)果當天進行分析檢測并提交地質(zhì)預報。因巖石斷層、溶洞、破碎帶及地下水豐富區(qū)域的介電常數(shù)差異較大，所以雷達圖像對此類地質(zhì)條件有明顯的反映，因而利用地質(zhì)雷達進行地質(zhì)超前預報是有效的。

圖2 雷達測線與測點布設(shè)

3.3 數(shù)據(jù)采集及處理

本文采用美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR-3000型地質(zhì)雷達(見圖3)，采集數(shù)據(jù)過程中著重確定采樣窗口尺寸、增益點設(shè)置和選擇顯示效果，同時做好現(xiàn)場記錄，這些都是資料解釋的基礎(chǔ)。在檢測中如果遇到干擾信號應(yīng)該記錄下來，進行分析并注明其性質(zhì)、與測線的距離、位置關(guān)系等。

圖3 SIR-3000型地質(zhì)雷達

采用“RADAN5.0”軟件對實測數(shù)據(jù)進行分析，以便對數(shù)據(jù)做出準確、合理的解釋。數(shù)據(jù)處理為反射波時間剖面圖解譯提供了前期準備，目的就是消除或抑制干擾(如有效信號中可能混有背景噪聲、雜波干擾及多次波干擾等)，以最大分辨率將有效信號顯示在雷達圖像上，為合理、準確的地質(zhì)解譯工作提供可靠的實測資料［10］。

4 測試結(jié)果與分析

4.1 巖層含水區(qū)預測

本次雷達預報探測范圍K81+478～K81+513段計35 m，距掌子面18 m～30 m范圍內(nèi)，即K81+496～K81+508范圍內(nèi)，雷達電磁波衰減較快，局部存在強反射同相軸，預計該段圍巖與目前掌子面相比會稍有變化，巖性為灰?guī)r，厚層構(gòu)造為主，局部為中厚層，強～中風化，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，呈塊～塊碎狀結(jié)構(gòu)，局部層間有次生礦物充填，雷達電磁波出現(xiàn)多組規(guī)律性較強的反射波同相軸，且反射波同相軸連續(xù)，振幅較大，以低頻為主，推斷該段圍巖破碎，可能存在滲水現(xiàn)象。通過開挖證實，K81+490處圍巖破碎松散，掌子面出現(xiàn)股狀滲水并伴隨著掉塊現(xiàn)象。

4.2 裂隙破碎帶預測

由鳳凰山隧道右線出口處的雷達波形可知，與掌子面距離為10 m～25 m區(qū)域，雷達波信號相對較平靜，無連續(xù)同相軸與強反射波，證明該段圍巖與掌子面特征相近;與掌子面距離為5 m～10 m，25 m～30 m區(qū)域，內(nèi)反射界面較多，有同相軸錯亂與多組區(qū)域強反射波出現(xiàn)，判斷該段圍巖存在節(jié)理裂隙發(fā)育現(xiàn)象，有可能存在斷層或軟弱夾層。開挖實踐驗證，該區(qū)域的掌子面局部破碎，拱頂層面組合容易局部掉塊，層面結(jié)合稍差，有條破碎帶且有軟弱夾層，這與預報的結(jié)果基本相一致。

5 結(jié)語

地質(zhì)雷達對裂隙破碎帶、斷層、水及溶洞比較敏感，是一種比較準確可靠的檢測工具，可以為保障施工安全提供有效指導;距掌子面18 m～30 m范圍有滲水現(xiàn)象出現(xiàn)時，雷達電磁波快速衰減，局部有強反射同相軸存在，在含水區(qū)巖層中有強反射帶出現(xiàn);距掌子面前方5 m～10 m和25 m～30 m范圍內(nèi)，有同相軸錯亂和多組區(qū)域強反射波出現(xiàn)，巖層存在局部掉塊現(xiàn)象，層面有條破碎帶出現(xiàn)并伴有軟弱夾層;綜合分析判讀雷達探測解釋和地質(zhì)特征解釋是一種有效提高預報準確度的方法，在解釋過程中，應(yīng)將探測成果與地質(zhì)勘探資料、掌子面地質(zhì)資料有機結(jié)合，以確保典型地質(zhì)標體的雷達圖像識別能力得到加強;工程技術(shù)人員應(yīng)不斷努力學習、積累工程經(jīng)驗、提高專業(yè)技能，確保能夠準確、可靠地進行地質(zhì)預報分析。

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