地质雷达在隧道超前地质预报中的应用
2014-01-03毛星
毛 星
(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)
1 概述
新建铁路准池线北起大准铁路外西沟站南至朔黄铁路神池南站,线路通过区地层种类繁多,包括第四系冲洪积、洪风积、残坡积、坡洪积层,上第三系、白垩系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系及太古界地层,地质构造运动存在轻微的波状褶皱和小断裂构造,地壳运动主要表现为升降运动。线路通过区遇到的主要工程地质问题包括断裂、节理构造、岩溶、特殊岩土和富水地层等,这些影响隧道施工安全的地质问题是隧道超前地质预报工作的重点,地质雷达技术是预报这些地质问题的关键技术。
地质雷达法是通过发射天线向地下连续发射脉冲式高频电磁波,当遇到有电性差异的界面或目标体(介电常数和电导率不同)时即发生反射波和透射波。接收天线接收反射波并经电缆传递给主机,在主机显示屏上形成实时的时间剖面。根据记录到的反射波的到达时间和求得的电磁波在介质中的传播速度,确定界面或目标体的深度;同时根据反射波的形态、强弱及其变化等因素来判定目标体的性质[1]。
2 断层破碎带预报分析
铁路隧道超前地质预报工作在对断层进行预报时,要求探明断层的性质、产状、富水情况、在隧道中分布位置、断层破碎带的规模、物质组成等,并分析其对隧道的危害程度[2]。准池铁路朔州隧道在地质调查中发现F1正断层:在地表于DK134+178处与线路相斜交,该断层走向近东西向,倾向350°,倾角60°~70°,破碎带宽约55 m,断层带内岩石劈理发育,断层带南侧为一宽缓背斜,其北侧为一宽缓向斜,据此判断南盘上升,北盘下降,但断层效应显示却相反,表明该断层具多期次活动的迹象,属先压后张型断裂。与线路大角度相交,对隧道工程有影响。根据断层倾向和倾角以及与隧道的相对位置,地质人员把隧道线路经过断层及其影响带的范围定位DK134+550~DK134+730,其中断层范围DK134+600~DK134+680定为Ⅴ级围岩,断层影响带范围DK134+550~DK134+600和DK134+680~DK134+730定为Ⅳ级围岩。在断层发育区进行雷达探测时,由于破碎带内的岩石的孔隙度和含水率比完整岩石大,这就造成破碎带内相对完整基岩的介电常数要大,使电磁波在穿过界面进入破碎带内后其反射波能量增强、波形幅值增大,波形比较杂乱。在雷达坡面上的特征为:同相轴错断,反射波能量增强,有时出现断面波、绕射波[3]。
图1为朔州隧道DK134+729~DK134+704测线地质雷达反射剖面,图2为朔州隧道断层破碎带照片。可以看到0~18 m段(DK134+729~DK134+711段)雷达图像反射波能量明显增强,波形比较杂乱,推测进入了断层破碎带的范围。18~25 m段(DK134+711~DK134+704段)由于断层破碎带介电常数较高,造成雷达电磁波衰减较快,因此原本预留探测25 m的时窗,有效信号只能达到18 m,造成此段信号衰减严重。结合地质调查和地质素描成果,本段地质雷达预报结论为:DK134+729~DK134+704段,围岩级别为Ⅳ级。围岩为石灰岩,受地质构造影响较重,泥质充填,岩体破碎。拱部无支护时可能产生小坍塌;侧壁基本稳定,爆破振动过大易塌,需加强支护。
图1 朔州隧道断层探测雷达剖面
图2 朔州隧道断层破碎带现场照片
3 节理构造预报分析
节理是岩体受理断裂后,没有发生显著位移的小型断裂构造,节理在隧道施工中的主要危害体现为对岩体的强度和稳定性造成不利影响。节里构造由于通常会有不均匀成分的填充物存在,它就与周边围岩形成了介电性质的差异,这就有了地质雷达探测节理构造的地球物理基础。节理构造的雷达剖面特征为,会产生较强的界面反射波,同相轴的连续性反映了节理面是否平直、连续,波形杂乱或波幅变化大反映节理内充填物的不均匀性[4-5]。地表的地质调查工作很难发现隧道洞身会遇到的节理构造,因此地质雷达进行节理构造的预报时,很少有提前的地质预判,必须充分的分析地质雷达本身的探测成果,有时可结合地质素描的趋势分析。
图3为朔州隧道DK132+232~DK132+202测线地质雷达反射剖面,图4为朔州隧道节理构造现场照片。可以看到0~15 m(即DK132+232~DK132+216)反射波能量不强,发射波形规则有序,判定为较完整基岩,围岩级别为Ⅲ级。16~18 m(即DK132+216~DK132+214)如图中绿圈所示,反射波能量明显增强,同相轴连续,推测为连续节理发育,均匀泥质充填。节理构造段落拱部无支护时,可能产生小坍塌;侧壁基本稳定,爆破振动过大易塌,需加强支护。
图3 朔州隧道节理探测雷达剖面
图4 朔州隧道节理构造现场照片
4 岩溶预报分析
岩溶是指可溶性岩石受水体以化学溶蚀为主、机械侵蚀和崩塌为辅的地质应力综合作用,以及由此所产生的地质现象的统称。铁路隧道超前地质预报工作在对岩溶进行预报时,要求探明岩溶在隧道内的分布位置,规模、填充情况及岩溶水的发育情况,分析其对隧道的危害程度[2]。对岩溶进行雷达探测时,反射波波幅和反射波组将随溶洞的形态的变化横向上呈现出一定的变化,溶洞雷达图像的特征变现为溶洞壁的强反射包围着弱反射空间,即溶洞壁界面是强反射,且常伴有弧形绕射现象,溶洞内的反射为弱反射,但当溶洞中填充含水量较高的泥质或者水时,局部雷达反射波可变强[6-7]。
图5为朔州隧道DK131+000~DK130+970测线地质雷达反射剖面,图6为朔州隧道岩溶(泥质充填)现场照片。可以看到0~11 m(即 DK131+000~DK130+970)雷达反射波同相轴连续规则,未见波幅明显增强,推测为较完整基岩。11~17 m(即DK130+989~DK130+983)由绿色线条圈住的范围,雷达反射波同相轴发生明显的弧度变化,且能量明显增强,弧形反射波内部也出现了强反射的区域,因此推测为溶洞,全充填,充填物为黏土,直径为全断面。在隧道施工经过该段落时,侧壁易失去稳定,拱部易塌落,需加强支护;17~30 m(即DK130+983~DK130+970)雷达反射波同相轴连续规则,未见波幅明显增强,推测为较完整基岩。
图5 朔州隧道岩溶探测雷达剖面
图6 朔州隧道岩溶(泥质充填)现场照片
5 富水地层预报分析
富水地层在隧道开挖时可能产生涌水现象,对隧道施工安全影响较大。水的相对介电常数为81,当岩体为富水地层时,其介电常数较大,这样反射波表现为较强的正峰异常,同时出现强反射,有时也会产生绕射、散射现象,导致波形杂乱,频率成分从高频想低频剧变[8]。
图7为杀虎口隧道X1DK0+205~X1DK0+175测线地质雷达反射剖面,图8为杀虎口隧道富水地层现场照片。可以看到0~16 m(即 X1DK0+205~X1DK0+189)反射波能量明显极强,并且频率由高频向低频变化,推测为基岩含水量较高;16~30 m(即X1DK0+193~X1DK0+175)受到富水地层的影响,雷达反射波信号衰减严重,无法做出判识,因此该段有效探测距离为16 m。结合地质素描的结论对有效探测区域的分析为强风化砂岩,基岩裂隙水赋存于砂岩之中,呈线状涌出,从雷达剖面图中可看出,反射强度较均匀,在探测范围内未有明显变化,由于围岩富水,在开挖时易掉块,需加强支护。围岩级别推断:X1DK0+205~X1DK0+189段为Ⅴ级。
图7 杀虎口隧道富水地层探测雷达剖面
图8 杀虎口隧道富水地层现场照片
6 结论
通过地质雷达技术在准池铁路隧道超前地质预报中的应用情况,说明地质雷达对于隧道施工中经常遇到的工程地质问题,断层、节理构造、岩溶和富水地层等具有良好的预报效果,使用该技术并结合地质分析法和其他物探方法可以准确的将不良地质体的分布、规模进行及时的预报,从而减少了工程事故的发生。其主要的优势在于,探测速度快、抗干扰能力强、解决问题多,它能够实现在不影响隧道施工进度的情况下,提高隧道施工的安全系数。
[1] 曾昭发等.探地雷达原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2010.
[2] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2008]105号 铁路隧道超前地质预报技术指南[S].北京:中国铁道出版社,2008.
[3] 巨浪,沙椿.地质雷达在福堂水电站引水隧洞施工超前预报中的应用[J].水电站设计,2005(1).
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[5] 葛增超,刘东升.土木工程中常见目标体的地质雷达图谱特征[J].后勤工程学院报,2005(2).
[6] 邓居智,莫撼,刘庆成.探地雷达在岩溶探测中的应用[J].物探与化探,2001(6).
[7] 方建立,应松,贾进.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].中国岩溶,2006(2).
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