淺談地質(zhì)雷達(dá)在玉蟾山隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

姚 峰，梁家明

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局，四川 雙流，610225)

淺談地質(zhì)雷達(dá)在玉蟾山隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

姚 峰，梁家明

(中國水利水電第五工程局有限公司第五分局，四川 雙流，610225)

本文結(jié)合國道321線納溪至瀘縣一級公路改建工程施工玉蟾山隧道項(xiàng)目，介紹了地質(zhì)雷達(dá)的特點(diǎn)、組成、探測原理、工作方法、成果解析方法及在該項(xiàng)目的應(yīng)用情況，通過工程實(shí)際應(yīng)用，證明了地質(zhì)雷達(dá)在隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的實(shí)用性、先進(jìn)性及其所發(fā)揮的重要作用，以期為類似工程地質(zhì)勘探提供技術(shù)參考。

地質(zhì)雷達(dá) 超前地質(zhì)預(yù)報(bào) 隧道工程

1 工程概況

玉蟾山隧道是國道321線納溪至瀘縣一級公路改建工程中的一段，位于四川省瀘州市瀘縣玉蟾山風(fēng)景區(qū)，距瀘縣城區(qū)約4km。玉蟾山隧道為高瓦斯隧道，隧道左右幅采用不平行布置方式，左幅進(jìn)口位于半徑R=2500m圓曲線上，右幅為直線，隧道縱坡為人字坡。隧道進(jìn)口左右幅凈距32.4m，采用削竹式洞門，隧道出口左右洞凈距8.16m，為小凈距隧道，采用端墻式洞門。

隧道進(jìn)出口地形坡度較緩，洞口工程地質(zhì)條件較簡單，隧道穿越的地層主要巖性為砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖、頁巖及灰?guī)r，其軸線與巖層走向近正交，隧道最大埋深約215m，屬于低地應(yīng)力區(qū)。

隧址區(qū)內(nèi)無影響場地穩(wěn)定的活動斷裂構(gòu)造，也無滑坡、泥石流、崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象為煤礦中的瓦斯及老煤窯采空區(qū)。隧道圍巖級別為Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級。隧道設(shè)兩處人行橫通道，一處緊急停車帶和車行橫通道。

2 地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)展及其應(yīng)用

巖土勘察中使用很多探測方法，其中，最主要的方法有彈性波法和電磁波法，而在工程施工過程中經(jīng)常使用的電磁波法就是我們所說的地質(zhì)雷達(dá)法。地質(zhì)雷達(dá)法是觀測、研究大功率高頻電磁脈沖在地下電性界面上產(chǎn)生的回波特性的工程電法勘探方法，它可以結(jié)合高頻電磁波而進(jìn)行非?？斓臒o損傷探測。因此，在隧道施工過程中,通過地質(zhì)雷達(dá)探測，可以掌握圍巖穩(wěn)定性狀況以及隧道掌子面前方的地質(zhì)情況，及時(shí)作出超前預(yù)報(bào)，對工程施工安全起到至關(guān)重要的作用。目前地質(zhì)雷達(dá)檢測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了單點(diǎn)探測以及連續(xù)探測的實(shí)時(shí)自動成圖。國外探地雷達(dá)基本上是單脈沖雷達(dá)，其工作的頻率在50Hz到2GHz，最為代表性的國家是美國和加拿大；而我國主要是脈沖調(diào)制式探地雷達(dá)，它的探測距離非常大，而且分辨率也非常高，其工作的頻率大約在160Hz到220MHz，探測的距離可以達(dá)到40m到60m，可以很好地適應(yīng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及工程檢測。

3 地質(zhì)雷達(dá)的組成及探測原理

本工程項(xiàng)目所使用的地質(zhì)雷達(dá)儀是由中國電波傳播技術(shù)研究所研制的LTD2100型地質(zhì)雷達(dá)儀。該款雷達(dá)檢測分辨率高，配有50MHz、100MHz、270MHz等多款天線，適合于隧道施工中的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。本工程所使用的LTD2100型地質(zhì)雷達(dá)由主機(jī)、收發(fā)天線、信號線及系統(tǒng)軟件、后處理軟件等組成，其組成及原理見圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)組成及原理框

地質(zhì)雷達(dá)法是一種地下甚高頻到微波段電磁波反射探測法。其探測原理是：發(fā)射器通過發(fā)射天線向地下(隧道前方)定向發(fā)射電磁波，電磁波在傳播的路徑上當(dāng)遇到有電性(介電常數(shù)和電導(dǎo)率)差異的界面時(shí)即發(fā)生反射，反射波由接收器接收，在時(shí)域上得到反射回波及其往返旅行時(shí)間，并首先沿兩天線所在表面形成直達(dá)波被最先接收到，作為系統(tǒng)起始零點(diǎn)。取反射波往返時(shí)間之半，乘以相應(yīng)介質(zhì)的電磁波波速度便得出反射目標(biāo)所在深度，再根據(jù)反射波的形狀、幅度及其在橫向和縱向上的組合和變化特征，結(jié)合地質(zhì)背景，判斷目標(biāo)性質(zhì)即目標(biāo)識別，進(jìn)行地質(zhì)解釋，如破碎帶、溶洞等。

地質(zhì)雷達(dá)的工作頻率越高，波長越小，探測距離越近，分辨率越高，反之亦然。因此，根據(jù)不同的工程要求按其功能可分為超前地質(zhì)預(yù)報(bào)雷達(dá)和結(jié)構(gòu)檢測雷達(dá)。一般200MHz以上更適用于檢測。

4 地質(zhì)雷達(dá)基本工作方法

由置于隧道掌子面發(fā)射天線送入隧道掘進(jìn)方向的掌子面高頻電磁波脈波(主頻為數(shù)十兆至數(shù)百兆乃數(shù)千兆赫),當(dāng)其在巖體傳播過程中遇到不同目標(biāo)體(巖石破碎帶、溶洞、斷層裂隙等)的電性介面時(shí)就有部分電磁能量被反射折向掌子面,被接收天線接收,并由主機(jī)記錄,得到從發(fā)射經(jīng)巖體界面反射回到接收天線的雙程走時(shí)t。當(dāng)巖體介質(zhì)的波速已知時(shí),可根據(jù)測到的精確t值求得目標(biāo)體的位置和深度。這樣,可對各測點(diǎn)進(jìn)行快速、連續(xù)地探測,并根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到地質(zhì)雷達(dá)剖面圖像。而通過多條測線的探測,則可了解隧道掌子面目標(biāo)體斷面分布情況。

5 數(shù)據(jù)的處理及探測結(jié)果

對實(shí)際測量出來的資料用一系列的軟件進(jìn)行處理分析，再結(jié)合現(xiàn)場的巖性所具有的實(shí)際情況，選擇一個(gè)比較適合的相對介電常數(shù)，進(jìn)而得出來一些成果。在成果的解釋當(dāng)中，開始的時(shí)候，假如發(fā)現(xiàn)了有非常明顯的反相位反射波組出現(xiàn)，就應(yīng)該是巖性變壞的一個(gè)表現(xiàn)；假如發(fā)現(xiàn)了有非常明顯的正相位強(qiáng)波反射波組出現(xiàn)，就應(yīng)該是巖層巖性變好的一個(gè)表現(xiàn)，結(jié)合反射波反射強(qiáng)度的實(shí)際大小就可以區(qū)分反射界面前方介質(zhì)的一系列特征。

依據(jù)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理結(jié)果并結(jié)合地質(zhì)資料分析得出以下預(yù)報(bào)結(jié)果：據(jù)掌子面圍巖情況初步判斷掌子面前方55.5m范圍內(nèi)以中—厚層狀細(xì)粒長石石英砂巖為主。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)測線電磁波堆積圖(圖2)分析，掌子面前方55.5m深度范圍內(nèi)，YK1854+125.5～YK1854+085段同向軸不連續(xù)，波形較雜亂，振幅高低不一，推斷掌子面前方巖體裂隙發(fā)育，圍巖完整性差；推斷圍巖級別為Ⅴ級。YK1854+085～YK1854+070段同向軸總體較均勻，推斷圍巖節(jié)理較發(fā)育，巖體完整性較好；推斷圍巖級別為Ⅳ。推斷結(jié)果見表1。

圖2 玉蟾山隧道右線出口YK1854+125.5掌子面下測線雷達(dá)堆積波

表1 推斷結(jié)果

序號里程樁號長度(m)推斷圍巖級別說 明1YK1854+125.5～YK1854+08540.5ⅤYK1854+125.5～YK1854+085段同向軸不連續(xù),波形較雜亂,振幅高低不一,推斷圍巖節(jié)理發(fā)育,圍巖完整性差。2YK1854+085～YK1854+07015ⅣYK1854+085～YK1854+073段同向軸總體較均勻。推斷圍巖節(jié)理較發(fā)育,巖體完整性較好。

6 結(jié)語

地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道工程施工過程當(dāng)中，可較快判斷預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)情況,有利于工程施工。如果說天線的頻率特性以及工作的方法有一定的影響(地質(zhì)雷達(dá)利用電磁波作為探測手段，而電磁波在水、空氣以及不同巖體中的傳播會有差異，對金屬敏感，尤其受掌子面不平整的影響)，而地質(zhì)雷達(dá)在對介質(zhì)參數(shù)的探測當(dāng)中，還存在很多的爭議，那么經(jīng)過社會不斷進(jìn)步、不斷完善及發(fā)展，地質(zhì)雷達(dá)在隧道工程檢測當(dāng)中一定扮演重要的角色。國道321線納溪至瀘縣一級公路改建工程玉蟾山隧道采用地質(zhì)雷達(dá)法很好完成工程的建設(shè)。

〔1〕傅良魁.電法勘探教程[M].北京：地質(zhì)出版社，1983.

〔2〕牛之璉.時(shí)間域電磁法原理[M].湖南：中南工業(yè)大學(xué)出版社,2007.

〔3〕鄭文寧.地質(zhì)雷達(dá)在隧道施工短期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[M].公路，2005(4)∶191-193.

姚 峰(1970-)，男，四川雙流人，高級工程師，四川瀘州納溪至瀘縣一級公路改建工程項(xiàng)目總承包部項(xiàng)目經(jīng)理，從事公路工程施工管理工作；

梁家明(1984.10-)，男，河南周口人，工程師，學(xué)士，從事公路工程施工技術(shù)與管理工作。

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U452.11

B

2095-1809(2017)02-0030-03