RIS—K2型地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的高速發(fā)展，鐵路、公路、水利等關(guān)系到國計(jì)發(fā)生的基礎(chǔ)建設(shè)迎來了新的建設(shè)高潮。這其中大量鐵路和公路隧道工程建設(shè)實(shí)踐表明，由于受地質(zhì)勘察精度、手段等諸多條件的限制，根據(jù)地質(zhì)勘察資料作出的設(shè)計(jì)與實(shí)際不符的情況屢有發(fā)生，由此而來塌方、涌水、涌泥、涌砂、巖爆等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，給施工造成極大的危害。這就對(duì)怎樣能夠解決加快隧道開挖、掘進(jìn)的速度提出了新的課題，而掌子面前方地質(zhì)環(huán)境、工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件等控制著掘進(jìn)的速度，如何攻取掌子面前方的地質(zhì)信息成為關(guān)鍵，隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)就是解決該難題的方法，通過對(duì)前方不良地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行準(zhǔn)確的超前預(yù)報(bào)，以便及時(shí)地修正開挖和支護(hù)設(shè)計(jì)方案，避免施工事故發(fā)生。貴州省德江到習(xí)水高速公路正安至習(xí)水段在建高速公路隧道群沿線地質(zhì)情況復(fù)雜，隧道穿越碳酸巖、斷層破碎帶、結(jié)構(gòu)面復(fù)雜及軟弱不穩(wěn)定巖層，施工和運(yùn)營存在較多安全隱患。因此，在施工期間，通過隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，從而為隧道施工單位優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，為預(yù)防隧道突水、突泥、塌方和落石等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息，使工程單位提前做好施工準(zhǔn)備。

一、RIS—K2型地質(zhì)雷達(dá)的原理及預(yù)報(bào)內(nèi)容

(一)基本原理

地質(zhì)雷達(dá)是采用電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布和對(duì)不可見目標(biāo)體或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁技術(shù)。其工作原理為：電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射天線發(fā)射，經(jīng)目標(biāo)體反射或透射，被接收天線所接收，如圖1所示。

圖1 雷達(dá)工作原理及基本組成

電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性中有電導(dǎo)率 μ 和介電常數(shù) ε，前者主要影響電磁波的穿透深度，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，因此，所謂電性介面也就是電磁波傳播的速度介面。不同的地質(zhì)體具有不同的電性，因此，在不同電性的地質(zhì)體的分界面上，都會(huì)形成電性介面，雷達(dá)信號(hào)傳播到電性介面時(shí)產(chǎn)生反射信號(hào)返回地面，通過接收反射信號(hào)到達(dá)地面的時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)弱就可以推測(cè)地下介質(zhì)的分布及變化情況。

(二)預(yù)報(bào)內(nèi)容

隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)主要是預(yù)報(bào)掌子面前方的不良地質(zhì)狀況，它的內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：不良地質(zhì)預(yù)報(bào)及災(zāi)害地質(zhì)預(yù)報(bào)、水文地質(zhì)預(yù)報(bào)、斷層及其破碎帶的預(yù)報(bào)以及圍巖類別及其穩(wěn)定性的預(yù)報(bào)。

二、工程應(yīng)用

(一)工程概況

該隧道為分離式長隧道，左右幅隧道進(jìn)口段線間距約 36m、洞身段線間距約34m、出口段約26m。左幅隧道起終點(diǎn)樁號(hào)為 ZK56+730～ZK61+830，長度為5100m，最大埋深約978m；右幅隧道起終點(diǎn)樁號(hào)為YK56+770～YK61+840，長度5070m，最大埋深約 960m。

隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜，以北北向褶皺及斷裂組成級(jí)別構(gòu)造格局。隧址區(qū)地層眾多，巖性多樣，組合復(fù)雜。上覆第四系土層分布零星，厚度不大，有碎屑地段的含碎石粉質(zhì)粘土以及可容巖地段的粘土。

(二)現(xiàn)場情況

進(jìn)口左幅 ZK56+842：掌子面揭露主要為灰黑色強(qiáng)～中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，巖質(zhì)較軟；巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間巖石碎屑充填；巖體整體破碎；掌子面潮濕，拱頂局部存在點(diǎn)滴狀滲水；圍巖自穩(wěn)能力差～較差，無支護(hù)時(shí)拱頂易發(fā)生掉塊、坍塌現(xiàn)象。

(三)雷達(dá)圖像的判釋解譯

探地雷達(dá)圖像的物性解譯是把注意力放在單個(gè)反射層或一個(gè)小的反射層組上，利用各種雷達(dá)技術(shù)提取探地雷達(dá)參數(shù)，并緊密結(jié)合地質(zhì)、工程資料研究目標(biāo)的物性。

知道上述探地雷達(dá)剖面上電磁波的標(biāo)志以及雷達(dá)圖像物性解譯后，再根據(jù)波速、波長、頻率 三者之間的關(guān)系可知：當(dāng)反射信號(hào)頻率一定時(shí)，隨地層介質(zhì)波速增加，接收天線所接收到的反射波波長加大；反之，當(dāng)?shù)貙咏橘|(zhì)的波速降低時(shí)，反射波的波長變小，一些特征反映在探地雷達(dá)記錄的剖面上，波速低的介質(zhì)層其雷達(dá)反射波形的脈寬小，呈細(xì)密齒狀；當(dāng)?shù)貙硬ㄋ偌哟髸r(shí)，雷達(dá)反射波形的脈寬也相應(yīng)加大。

根據(jù)以上原理及掌子面現(xiàn)場觀察情況綜合分析可得以上結(jié)論：

左幅ZK56+842掌子面前方預(yù)報(bào)區(qū)段巖性主要為強(qiáng)～中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，巖質(zhì)較軟；節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石碎屑充填；巖體整體破碎～較破碎，呈碎裂狀～塊碎狀結(jié)構(gòu)；地下水較發(fā)育，開挖過程中可能出現(xiàn)點(diǎn)滴狀～淋雨?duì)顫B水，且易受大氣降水補(bǔ)給影響較大；圍巖自穩(wěn)能力差～較差，無支護(hù)時(shí)，拱頂易掉塊、小范圍坍塌。掌子面前方 4～22m 范圍內(nèi)電磁波反射波形雜亂，整體振幅較高，能量團(tuán)分布不均勻，同相軸連續(xù)較差，時(shí)斷時(shí)續(xù)。推測(cè)掌子面前方4～22m范圍內(nèi)圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，完整性相對(duì)較差，巖體相對(duì)破碎，自穩(wěn)能力差，揭露時(shí)易掉塊﹑坍塌。

三、結(jié)語

1.隧道超前地預(yù)報(bào)是隧道施工階段非常重要的一環(huán)，是對(duì)地質(zhì)勘察工作的一種延續(xù)和補(bǔ)充，通過隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以為設(shè)計(jì)的變更提供有效且重要的數(shù)據(jù)資料，從而減少或避免重大安全事故的發(fā)生。

2.地質(zhì)雷達(dá)是目目前前分辨率較高的一種工程地球物理方法，左工程質(zhì)量檢測(cè)、場地勘察中廣泛采用，近年來也廣泛用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的工作，且得到了很好的效果。地質(zhì)雷達(dá)能發(fā)現(xiàn)掌子面前方地層的變化，對(duì)于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識(shí)別能力。在深埋隧道和富水地層以及溶洞發(fā)育地區(qū)，地質(zhì)雷達(dá)是一個(gè)很好的預(yù)測(cè)手段。

3.地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)便捷、快速、精確度高且便于實(shí)施，便于在不同施工、建設(shè)階段使用，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道，根據(jù)需要可進(jìn)行隧道側(cè)壁的雷達(dá)掃描，排除安全隱患，提高施工效率，縮短施工周期，避免事故損失。