孔中雷達(dá)法探測(cè)孤石的研究

黨如姣

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽 471009)

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孔中雷達(dá)法探測(cè)孤石的研究

黨如姣

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南 洛陽 471009)

盾構(gòu)在花崗巖風(fēng)化地層中掘進(jìn)存在著極大風(fēng)險(xiǎn)，為解決花崗巖風(fēng)化殘留體精確探測(cè)的難題，采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)孔中雷達(dá)法探測(cè)孤石進(jìn)行研究，研究表明：1)采用孔中雷達(dá)法，配置100～200 MHz孔中天線，在地層差異明顯的情況下能探測(cè)出測(cè)孔周圍3～5 m、粒徑在0.7 m以上的孤石；2)在不均勻地層中，不同粒徑的孤石在雷達(dá)探測(cè)剖面上的反射波信號(hào)響應(yīng)特征差別很大，通過反射波的強(qiáng)度和速度可判斷出孤石的大小和埋深；3)在花崗巖風(fēng)化地層中的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探測(cè)結(jié)果與實(shí)際吻合，證明采用孔中雷達(dá)法探測(cè)孤石可行?？字欣走_(dá)法既能充分發(fā)揮鉆孔的作用，又能在增加成本較小的情況下精確探測(cè)出隧道沿線孤石的分布情況，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

孔中雷達(dá)法；孤石探測(cè)；鉆孔勘察；花崗巖風(fēng)化地層

0 引言

我國南方沿海城市花崗巖風(fēng)化地層中分布有大量的孤石，其形狀各異、大小不定、埋深不同。盾構(gòu)在花崗巖風(fēng)化地層中掘進(jìn)存在著極大風(fēng)險(xiǎn)，孤石會(huì)導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，更換頻繁，甚至導(dǎo)致盾構(gòu)無法掘進(jìn)[1]。因此，在勘察階段，采用物探方法最大程度地將隧道沿線孤石分布情況探測(cè)清楚，并對(duì)孤石進(jìn)行預(yù)處理，是一種風(fēng)險(xiǎn)較低且經(jīng)濟(jì)性較好的方案。研究有效的物探方法，對(duì)花崗巖風(fēng)化地層盾構(gòu)隧道施工具有重要的意義[2]。

在城區(qū)采用物探方法探測(cè)花崗巖風(fēng)化殘留體存在干擾因素多、探測(cè)分辨率要求高、場(chǎng)地條件復(fù)雜等難題[3]。李紅立等[4]在廣州軌道交通建設(shè)中利用跨孔超高密度電阻率法進(jìn)行了4個(gè)跨孔探測(cè)試驗(yàn)，該探測(cè)方法能探測(cè)出直徑大于1.0 m孤石的大致位置，對(duì)孤石定性描述準(zhǔn)確，但定量解釋存在偏差，尚不能滿足施工探測(cè)精度的要求；秦正[5]采用地質(zhì)探測(cè)儀對(duì)孤石進(jìn)行探測(cè)，發(fā)現(xiàn)孤石后對(duì)該地段進(jìn)行加密補(bǔ)勘，但該地質(zhì)探測(cè)儀探測(cè)需要爆破，會(huì)對(duì)周邊居民產(chǎn)生一定的影響，且精度評(píng)價(jià)相對(duì)較低，不能滿足精確探測(cè)的施工需求；劉宏岳[6]在臺(tái)山核電引水隧洞海域段采用地震反射波CDP(共反射點(diǎn))疊加技術(shù)在海面上對(duì)花崗巖孤石進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)效果較好，但受探測(cè)空間限制，該方法無法在城區(qū)大范圍開展；王典[7]在廣州地鐵3號(hào)線(機(jī)場(chǎng)線)和6號(hào)線二期工程中多次開展孤石地球物理勘探方法試驗(yàn)和專題研究，選用的物探方法多達(dá)十余種，結(jié)果表明地面物探方法均達(dá)不到理想效果，而孔中探測(cè)方法具有一定的效果。

目前，施工中多采用鉆孔的方法進(jìn)行勘察，其主要缺點(diǎn)是僅能了解鉆孔位置的地質(zhì)情況，無法滿足實(shí)際工程需要[8]，且在城區(qū)環(huán)境中鉆探作業(yè)耗時(shí)長、成本高，鉆孔在取芯之后直接封堵，不能充分發(fā)揮鉆孔的價(jià)值[9]?？字欣走_(dá)法可以把用于鉆探取芯的鉆孔利用起來，將兩孔之間的盲區(qū)探測(cè)清楚，且準(zhǔn)確率較高，因此，采用鉆探與孔中雷達(dá)相結(jié)合的方法開展孤石探測(cè)具有一定的推廣價(jià)值[10]。本文采用理論計(jì)算、數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法研究孔中雷達(dá)法在孤石探測(cè)中的應(yīng)用情況。

1 孔中雷達(dá)法原理

孔中雷達(dá)法的探測(cè)原理如圖1所示。將雷達(dá)天線放入鉆孔中，雷達(dá)脈沖發(fā)射到周圍介質(zhì)中，電磁波信號(hào)向四周傳播遇到有介電差異的物體，如破碎帶、巖性改變區(qū)域或空洞等[11]，電磁波的一部分能量反射回來，被接收機(jī)接收，其他能量傳輸?shù)礁畹耐寥乐?，?.1～1 m的采樣間隔沿鉆孔向上或向下移動(dòng)天線，形成雷達(dá)剖面[12]。探測(cè)的半徑取決于天線的頻率和介質(zhì)的電導(dǎo)率[13]。

通過對(duì)探測(cè)試驗(yàn)地區(qū)(主要為深圳沿海地區(qū))花崗巖地層取樣的檢測(cè)可知，花崗巖全強(qiáng)風(fēng)化層電阻率通常小于300 Ω·m，花崗巖電阻率大于6 000 Ω·m，電導(dǎo)率相差較大，有良好的物性基礎(chǔ)。

圖1 孔中雷達(dá)法探測(cè)原理示意圖

Fig.1 Principle of ground penetrating radar combined with drillhole

2 孔中雷達(dá)法探測(cè)精度分析

設(shè)反射界面埋深為H，發(fā)射、接收天線的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于H時(shí)，探測(cè)分辨率計(jì)算公式

式中：Rf為理論計(jì)算精度；H為目標(biāo)體深度；λ為天線中心頻率的波長。

根據(jù)公式，可計(jì)算出東莞、深圳等賦存花崗巖孤石的全強(qiáng)風(fēng)化地層場(chǎng)地介質(zhì)中，不同頻率雷達(dá)天線在不同深度的水平分辨率，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同天線頻率雷達(dá)探測(cè)的水平分辨率

Table 1 Horizontal resolutions of radar detection with different antenna frequencies m

由表1可繪出探測(cè)深度與水平分辨率的關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 探測(cè)深度與水平分辨率的關(guān)系曲線

Fig.2 Relationships between detection depths and horizontal resolutions

由表1和圖2可知：1)隨著雷達(dá)天線頻率的提高，其探測(cè)深度逐步降低，但雷達(dá)天線的探測(cè)頻率越高，其探測(cè)精度越高；2)對(duì)于多層地層場(chǎng)地條件，采用地面雷達(dá)探測(cè)手段，無法滿足深度15～20 m、精度1～2 m的探測(cè)任務(wù)要求；3)通過理論分析可知，采用孔中雷達(dá)法，配置100～200 MHz孔中天線，能探測(cè)出測(cè)孔周圍3～5 m、粒徑在0.7 m以上的孤石。

3 數(shù)值模擬分析

針對(duì)賦存孤石的地層條件，采用數(shù)值模擬的方法研究孔中雷達(dá)法探測(cè)孤石的地球物理響應(yīng)特征。在此基礎(chǔ)上，提出適合于城市復(fù)雜環(huán)境下的有效探測(cè)方案，研究數(shù)據(jù)的處理方法，指導(dǎo)野外數(shù)據(jù)處理和解釋工作。

為研究非均勻介質(zhì)條件下介質(zhì)參數(shù)對(duì)雷達(dá)波正演模擬的影響，建立單孤石3層非均勻介質(zhì)的三維模型，非均勻介質(zhì)三維介電常數(shù)模型如圖3所示。以下數(shù)值模擬是基于Matlab平臺(tái)自行編程開發(fā)的雷達(dá)波模擬程序?qū)崿F(xiàn)的。

(a) 介電常數(shù)模型 (b) 介電常數(shù)色標(biāo)

圖3中不同的顏色表示不同的介電常數(shù)，模型大小為10 m×10 m×10 m，網(wǎng)格大小為0.1 m，即網(wǎng)格數(shù)量為100×100×100，UPML吸收邊界占據(jù)20個(gè)網(wǎng)格。

雷達(dá)探測(cè)設(shè)置參數(shù)：偏移距1 m，激發(fā)主頻100 MHz。

激發(fā)天線位置：x、y坐標(biāo)分別為2、5 m，z方向0.1～9 m、間距0.1 m，共激發(fā)90次。

介質(zhì)參數(shù)：模型共3層，從上到下厚度分別為3、3、4 m，介電常數(shù)為14、12、8；孤石放置在介電常數(shù)最小的第3層，介電常數(shù)為4。

將天線布置在距離孤石4 m的位置，孤石大小分別為0.5 m×0.5 m×0.5 m、1 m×1 m×1 m、2 m×2 m×2 m，生成模型1、2、3(圖4(a)、(b)、(c))。將天線布置在距離孤石2 m的位置，孤石大小為1 m×1 m×1 m，生成模型4(圖4(d))。

由于各層介電常數(shù)不同，彈性波速度不等，因此，隨著天線的移動(dòng)，直達(dá)波的到達(dá)時(shí)間也不同，在剖面中可以看到明顯的直達(dá)波分段現(xiàn)象，由此可以準(zhǔn)確判斷各層的厚度及位置。

(a) 模型1雷達(dá)波模擬結(jié)果剖面

(b) 模型2雷達(dá)波模擬結(jié)果剖面

(c) 模型3雷達(dá)波模擬結(jié)果剖面

(d) 模型4雷達(dá)波模擬結(jié)果剖面

由圖4數(shù)值模擬結(jié)果可知：

1)模型1、2、3的模擬結(jié)果剖面上都存在較強(qiáng)的有規(guī)律的層界面反射波，孤石反射波被其掩蓋，無法識(shí)別。在模型4中，第20道、55 ns附近識(shí)別出孤石反射波，這與模型中孤石的位置相匹配，但繞射波受到地層界面反射波的影響不明顯。

2)地層越復(fù)雜，分層越多，從地層中探測(cè)出孤石的難度越大；地層反射波往往容易將孤石引起的異常覆蓋。

3)對(duì)于3層地層而言，粒徑小于1 m的孤石，其產(chǎn)生的繞射波被層界引起的反射波覆蓋，在圖像上反映不明顯。

4)對(duì)于復(fù)雜的非均勻介質(zhì)，層界面反射波對(duì)孤石的反射波影響更大，但層界面反射波通常較為規(guī)律，可以通過后期數(shù)據(jù)處理對(duì)其濾除，從而突出孤石的繞射波信號(hào)。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及結(jié)果分析

理論可行的物探方法在實(shí)際探測(cè)中會(huì)受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的限制，觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、探測(cè)參數(shù)的設(shè)置以及后期數(shù)據(jù)分析解譯等都需要通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行確定，以達(dá)到最佳的探測(cè)效果。

在深圳地鐵9號(hào)線補(bǔ)勘中，采用孔中雷達(dá)法進(jìn)行花崗巖風(fēng)化殘留體的探測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)鉆孔沿地鐵線路中軸線布設(shè)(如圖5所示)，鉆孔間距6～8 m，天線頻率為150 MHz，以0.5 m的采樣間隔沿鉆孔向下移動(dòng)天線進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖5 孔中雷達(dá)法布孔示意圖

采用處理軟件對(duì)孔中雷達(dá)采集的數(shù)據(jù)處理，著重進(jìn)行振幅恢復(fù)、濾波、F2K 濾波、反褶積處理，獲得信噪比較高的時(shí)間剖面，提高有用信號(hào)的識(shí)別，雷達(dá)時(shí)間剖面能比較真實(shí)全面地反映地下介質(zhì)的變化情況，保證資料質(zhì)量，并利用地下介質(zhì)的電性差異進(jìn)行分層，查明孤石的賦存情況。

孔中雷達(dá)法在深圳地鐵9號(hào)線補(bǔ)堪中的應(yīng)用結(jié)果見圖6。由圖6(a)探測(cè)結(jié)果可知：在雷達(dá)探測(cè)剖面中能看到直達(dá)波分段的現(xiàn)象，可以準(zhǔn)確判斷各層厚度及位置。雷達(dá)圖像上深度4、9、17 m附近位置均出現(xiàn)了復(fù)雜的繞射波。通過驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)4 m深度存在箱涵，9 m深度存在破碎帶，17 m深度存在微風(fēng)化基巖；圖6(b)是鉆孔取芯結(jié)果，由取芯結(jié)果可見，鉆孔17～24 m均為微風(fēng)化花崗巖基巖，探測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)鉆孔結(jié)果基本一致。確認(rèn)孤石后采用控制爆破的方式對(duì)孤石進(jìn)行處理，保證了盾構(gòu)在該區(qū)段順利掘進(jìn)。

5 結(jié)論與討論

孔中雷達(dá)法可以將用于鉆探勘查的鉆孔利用起來，既能充分發(fā)揮鉆孔的作用，又能在增加成本較小的情況下，將鉆孔周邊3～5 m較大的孤石探測(cè)清楚，大大節(jié)約探測(cè)時(shí)間和成本，且準(zhǔn)確率較高。同時(shí)，將兩孔之間的盲區(qū)探測(cè)清楚，掌握隧道沿線孤石的分布情況。

(a) 孔中雷達(dá)探測(cè)剖面

(b) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果

孔中雷達(dá)法適用于電磁干擾較小的環(huán)境，該方法在探明孤石之后，無法對(duì)孤石方位進(jìn)行定位，需與其他方法相結(jié)合(如跨孔電阻率法)，這樣既能在一定程度上彌補(bǔ)孔中雷達(dá)法無法定向的缺憾，又能聯(lián)合解譯，提高探測(cè)準(zhǔn)確率。

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Study of Boulder Detection by Ground Penetrating Radar Combined with Drillhole

DANG Rujiao

(Survey,DesignandResearchInstituteofChinaRailwayTunnelGroup,Luoyang471009,Henan,China)

It is difficult to accurately detect the boulder in weathered granite ground.As a result,shield machine boring in weathered granite ground is of great risk.The boulder detection method of ground penetrating radar combined with drillhole is studied by theoretical analysis,numerical simulation and site test.The study results show that:1) The boulder diameter larger than 0.7 m and within 3-5 m scope around drillhole can be detected by setting 100-200 MHz radar antenna.2) The reflected waves of boulders of different sizes in uneven strata vary greatly; and the size and cover depth of boulder can be accurately detected by observing the strength and velocity of reflected wave.3) The site test results of weathered granite ground coincide with the actual results,which proves the rationality of the detection method.The boulder detection by ground penetrating radar combined with drillhole is worth popularizing.

ground penetrating radar combined with drillhole; boulder detection; drillhole investigation; weathered granite ground

2016-03-18;

2016-05-26

黨如姣(1987—)，男，河南漯河人，2010年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，地球信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)從事隧道及地下工程施工與科研工作。E-mail：396704357@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.009

U 45

A

1672-741X(2016)10-1221-05