地质雷达在薛城隧道地质超前预报中的应用

袁地镜 王 磊 李亚林

随着西部大开发的实施,尤其是2008年的经济危机中政府对基础建设的亿万元投资,让高速公路建设进入了快车道。由于高速公路对线路和坡度的特殊要求,隧道已成为高速公路越岭的最优方案,而西部地区多山地丘陵且地质条件复杂,多岩溶地貌,给隧道施工造成极大的危险。这就需要在隧道施工中,对隧道掘进前方的危险地质情况进行超前地质预报来控制风险,及时提出调整支护参数或加固措施建议,以保证施工安全和工程质量,加快施工进度,缩短工期[1]。

纵观国内外隧道施工期地质超前预报技木方法的发展,依据其预测预报方法的工作原理,则可将预测预报方法划分为地质法、物探方法以及综合方法。

各种预报的预报距离和误差大相径庭,其中施工单位在隧道预报中经常要求在确保预报结果有效性的前提下,预报过程简单方便,快速准确,同时对结果要求有较强的可复测性。所以在隧道的超前预报中,经常使用地质雷达不同频率的天线进行组合,使用低频天线对较远距离的地质情况进行探测,同时使用精确度较高的高频天线对部分结果进行验证和对危险区域进行详细探测。

1 雷达原理

探地雷达系统由主机、天线和电缆组成。主机和天线通过电缆连接起来,电缆起发送命令,传输数据和供电的作用。主机触发—命令,通过电缆传输给发射天线,发射天线向地下激发一脉冲波,此脉冲波遇到地质界面或目的体时会发生反射,反射回波被接收天线接收,然后通过电缆把此反射回波传输给主机,此信号在主机内进行处理和图像解译,达到探测目的物的目的。

发射信号经由空气到达地面时,一部分信号会投射地表继续向下传播,而另一部分则在地表发生反射,这样电磁波在地下传播的过程中,每遇到电性不同的界面都将产生投射和反射,当然,透射的层面越多雷达信号就越弱。反射信号由接收天线捕捉并对其进行放大,然后传递给信号处理机进行相关处理。信号的专门处理过程取决于GPR系统的应用程序,但都会对接收信号数字化并存储在数字存储器上。时窗的调整很重要,它关系到是否能通过显示器看到探测物体。最后由终端设备实时显示出雷达探测剖面图[3]。原理图如图1所示。

尽管雷达种类不同但是都是基于麦克斯韦电磁场理论:不同的雷达只是对天线收到的反射波进行放大、采样、滤波、数字迭加的方式不同。主机对信号进行处理后在显示器上形成一种类似于地震反射时间剖面的地质雷达连续探测彩色剖面。该剖面的横坐标沿隧洞轴向,表示距离,单位为米,随着距离的不断增加,以等距离间隔扫描反射回一系列的反射波曲线。纵坐标代表时间(ns),即表示每条扫描取样反射曲线上各个反射波往返旅行时间t。在相对介电常数εr给定的情况下,纵坐标就可以通过下式换算为深度r:

随着微电子技术的飞速发展,现代的探地雷达设备早已由庞大、笨重的结构改进为现场使用的轻便工具。

在国外探地雷达产品中,以GSSI公司的SIR系列为代表,SIR-20,SIR-3000是美国GSSI公司探地雷达的最新产品,集成了数据采集和处理,能够即时的得到处理的结果,并支持3D模式,RADAN系列软件为该公司开发的数据处理软件。

2 地质超前预报探测技术设计

2.1 探测设备

使用的仪器为劳雷公司的SIR-20主机,结合100M天线和40 M天线,频率高的天线,精度高,能量衰减快,探测深度浅。频率低的天线,精度相对较低,能量衰减较慢,探测深度较深。因此选择高低频天线相结合可以使长距离探测和高精度探测相结合,满足探测需要[4]。

2.2 测线布置

根据掌子面的具体情况,在条件允许时采用横向和纵向测线相结合方式,由于天线从上到下不易操作,故在一般的探测中应以横向测线为主,使测线尽可能连续,距离尽可能长,这样便可以较多的采集数据。此外,由于掌子面的不平整,为了提高准确性,可适当加密测线。为了使探测结果可靠,每条测线复测三次。在探测时做测线素描图,同时记录好每条测线的方向和对应的文件编号。

2.3 参数设置

雷达参数设置表见表1。

表1 雷达参数设置表

3 工程实例分析

3.1 工程与地质概况

薛城隧道是汶马路第二长隧道,距汶川约30 km,距理县约20 km。

隧道区位于四川省西北部,西靠青藏高原,东邻四川盆地,处于四川盆地西北部与青藏高原的过渡地带。地形切割剧烈,谷深坡陡。隧址区位于河床左岸的陡坡地段,地形坡度35°～50°。局部为陡崖,地面高程1 550m～1 800m,南高北低。

3.2 破碎带预报

根据地质勘察资料薛成隧道出口端K 28+780前方以弱风化灰岩为主的Ⅳ级围岩,且在前期的施工过程中围岩一直比较好,但在K 28+759处开始围岩变差,在使用40M天线探测中发现前方约21m处开始有一约2m破碎带,随即使用100M天线进行加密探测。

由于破碎带其完整性差,介质不均匀,电性差异大,一般都有明显的反射界面,在地质雷达图像上通常表现为界面反射强烈,反射面振幅增强且变化大,波峰较尖锐,峰值较窄,破碎带或裂隙带内同相轴错断,波形杂乱,电磁波能量衰减快。根据雷达图像可以看出在掌子面前方约21 m处有一破碎带。

根据探测结果建议施工单位在K 28+762处开始打超前小导管加强拱顶支护,减少钻孔及爆破深度,按Ⅴ级围岩进行施工,加强实时观测进行预警,防止出现塌方事故。后经开挖证实,在掌子面开挖至预报里程附近时出现强破碎带,自稳性差,在开挖过程中出现掌子面岩体垮塌,由于事先的有效预报,没有造成安全事故。事实证明采取的措施有效的保证了隧道施工安全。

4 结语

1)工程实际表明,使用地质雷达对隧道进行地质超前预报不良地质灾害是比较准确可靠的,尤其对破碎带、水以及溶洞比较敏感,且有较高的分辨率,从而能对隧道安全施工提供可靠的依据,是地质勘察工作的延续和补充。2)但在使用地质雷达超前预报过程中,除了采集高质量的数据和选择合理的参数外,解释过程中,探测成果必须和较宏观的既有地质勘探资料、掌子面地质资料有机地结合起来进行综合分析,并且加强典型不良地质的雷达图像识别能力,不断通过开挖验证来积累经验才能提高准确率,将物探信息转换成地质成果,最终达到为隧道施工提供可靠准确的地质预报。

[1] 叶观宝,宋 建.地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用[J].勘察科学技术,2010(20):49.

[2] 白雪飞.大相岭隧道超前地质预报研究[D].成都:西南交通大学硕士论文,2009.

[3] 刘英利.地质雷达在工程物探中的应用研究[D].成都:成都理工大学硕士论文,2008.

[4] 刘 柱.地质雷达无损检测隧道施工质量的图像分析方法[J].公路交通科技(应用技术版),2010(3):63.

[5] 欧阳刚杰.梅关隧道超前地质预报[J].山西建筑,2009,35(1):324-325.