地质雷达在通车隧道围岩探测中的应用

钟彩彩,黄德镛,陈　雷,江训谱

(昆明理工大学 国土资源与工程学院,云南 昆明　650093)



地质雷达在通车隧道围岩探测中的应用

钟彩彩,黄德镛,陈雷,江训谱

(昆明理工大学 国土资源与工程学院,云南 昆明650093)

以昆禄二级公路大普吉隧道为工程背景,针对该通车隧道,给出地质雷达在无损检测应用中的工作方法,主要介绍了地质雷达探测的工作原理,包括测线布置、采集参数设定、现场检测和后期资料处理解释。因该隧道通车出现病害,通车前未使用地质雷达探测,而地质雷达具有方便、成本低、精度高的特点,所以通车后选择运用21-002188便携式探地雷达对该隧道围岩进行扫描分析探测。通过雷达测线剖面了解隧道围岩的含水分布、富水区和围岩松散与破碎等不良地质病害隐患,并通过几幅典型雷达图像分析了不同异常情况在雷达图像上的反映。为解决大普吉隧道安全隐患提供及时准确的数据资料。

地质雷达;通车隧道;围岩探测

近年来,我国公路、铁路隧道工程发展迅猛,尤其是长、大隧道。隧道工程已经成为许多线路的控制性工程。隧道的施工质量直接影响隧道的工期以及日后道路的安全运营,但是由于隧道的衬砌等工程为隐蔽性工程,在隧道修建完毕、交工甚至通车后再次检测隧道质量时,用常规的方法很难检测出其施工质量是否符合设计要求。这就需要有一种与传统质量检测方法完全不同的检测手段,高效率、全方位地进行检测,为解决隧道安全隐患及时准确地提供数据资料[1-3]。地质雷达检测方法作为目前世界上流行的无损检测方法,在隧道施工质量检测中有其独到的优势,其特点是快速、无损、连续检测,以实时成像的方式显示隐蔽结构的剖面,探测结果一目了然,分析、判读直观方便[4-6]。

研究主要介绍了地质雷达探测的工作原理,以昆禄二级公路大普吉隧道为工程背景,因该隧道通车出现病害,通车前未使用地质雷达探测,而地质雷达具有方便、成本低、精度高的特点,所以通车后选择运用21-002188便携式探地雷达对该隧道围岩进行扫描分析探测,分析围岩节理裂隙情况,得出相应结论,为以后加固修复病害提供可靠依据。实践证明,该技术对探测、分析、判断隧道工程的围岩质量缺陷可起到重要的参考作用[7,8]。

1　隧道概况

大普吉隧道位于昆禄二级公路K228+510-K229+875处,属于108国道中的一段,是进出昆明连接四川的重要通道。隧道全长1 365 m,单孔双向车道,净宽11 m,高7.4 m,由云南省公路规划勘察设计院设计,铁道部第十二工程局、第十六工程局共同建设完成,于1998年底竣工通车。

大普吉隧道穿过一向斜构造,其核部于K229+110处。围岩岩性极其复杂,主要岩性为灰岩、白云岩和泥晶角砾灰岩,还有泥晶灰岩、硅质灰岩、砂岩和糜棱岩。隧道昆明口发育一断层,岩石强烈破碎,施工中曾出现坍方现象。灰岩中溶蚀现象比较严重,隧道经过之处发育有溶洞。围岩节理裂隙发育,加之所处向斜构造,为地下水的赋存提供了条件。

2　检测原理及方法

2.1雷达检测的原理

(1)工作原理探地雷达利用主频为数十兆赫至千兆赫波段的电磁波,以宽频带短脉冲形式,由地面通过天线发射器(T)发送至地下,经地下目的体或地层的界面反射后返回地面,由雷达天线接收器(R)接收,并送至控制主机进行数字化记录,其工作原理如图1所示。

图1　雷达工作原理Fig.1　The working principle of the radar

脉冲波的行程为

(1)

其中:t为脉冲波走时(ns,1ns=10-9s);z为目标深度(m);x为T与R的距离(m);v为电磁波速(m/ns)。

(2)

其中:c=0.3m/ns(光速);εr为介质介电常数。

计算探测目标深度的计算公式为

(3)

(2)使用仪器本次检测使用的是瑞典Mala公司生产的RAMAC/GPR CUⅡ主机控制系统一套,型号为21-002188便携式探地雷达及其配套的500 MHz、100 MHz。该仪器具有系统高度集成化、数字化,操作菜单简洁方便,天线屏蔽干扰小,探测范围广,分辨率高,具有实时数据处理和信号增强功能,可进行连续透视扫描,现场显示监控、光缆传输、数据失真小等特点。

2.2探测工作实施方法

(1)探测深度的确定大普吉隧道按Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类围岩设计。根据探测目的要求,首先对隧道病害重点地段进行了试验性探测,经钻孔开挖验证及雷达图像进一步分析,从而确定了天线的选用和参数设置(见表1)。

表1　雷达参数设置表

使用低频天线探测是为了了解隧道围岩内部的结构情况,以便分析病害原因。

(2)探测方法根据现场实际工作情况,为便于测量和下一步整治隧道病害需要,以公路里程桩号为基础,每5 m统一编号作为探测里程横坐标。

探测分别采用高空作业车和人工控制移动天线对隧道围岩进行连续扫描,实时监控,各测线记录自成文件。

2.3数据处理与资料分析

(1)数据处理雷达数据处理的目的是抑制随机的和有规律的干扰,最大限度地提高雷达图像的分辨能力,提取电磁回波的各种有用参数,来解释不同介质的物理特征。如基于频率不同产生的改善应用于各种反褶积技术,确定性反演滤波、递归滤波、最小平方滤波和子波处理等。其中首先采用的是水平滤波和带通滤波,以及增溢调节。数据处理的另一目的是将数据元素重置以补偿由于来自不同方向的反射迭加产生的空间畸变,如偏移处理等。探地雷达数据资料处理的主要流程如图2所示。

(2)资料分析和所有物探技术一样,雷达图像异常解释是一个“系统工程”,它包含了高频技术、工程建筑等方面的知识及经验。判读雷达扫描图像,首先是对图形与图像的正确识别,然后才是相关的计算与解释。探地雷达扫描图像的正确解释,是建立在探测参数选置合适,数据处理得当,有足够的模拟试验对比,以及阅图经验丰富等基础之上的。

大普吉隧道病害主要表现为渗漏水,利用雷达波对水“敏感”这一特性,在隧道产生病害的严重部位,因其介质结构相对孔隙度大,物质充填不均匀,易于渗透积存水等特征,在雷达图像上判读病害的部位、轮廓、状态和程度。为了研究隧道病害的成因,在隧道围岩探测方面通过对雷达图象的识别判断,重点解释围岩富水区的分布、积存水囊、渗漏水通道和松散破碎区等易于造成隧道病害的不良地质状况[9,10]。

图2　探地雷达数据资料处理流程Fig.2　Ground penetrating radar (GPR) data processing flow chart

2.4完成工作量及测线布置

针对大普吉隧道病害治理的需要及本次项目的任务要求,沿隧道(K228+510-K229+875)1 365 m纵向布测线,沿上拱部A、B、C布测线三条,间距约3 m(见图3),使用100 MHz天线,控制探深20～25 m,边墙A、C和拱顶面B布测线,控制探深20 m,隧道围岩深部探测:3条×1 330 m=3 990 m,以探测隧道围岩中的不良地质状况,进而研究隧道病害的成因。

图3　围岩雷达检测线布置示意图Fig.3　Lines of radar arrangement of surrounding rock

3　围岩缺陷检测结果及检测图像判析

3.1围岩缺陷检测结果

通过雷达测线剖面了解隧道围岩的含水分布、富水区和围岩松散与破碎等不良地质病害隐患。检测结果发现,拱顶共有31处缺陷,左侧围岩共有11处缺陷,右侧围岩共有12处缺陷。通过统计雷达测线剖面得到各剖面的不良地质隐患统计(见表2)。从隧道围岩的雷达探测图像显示隧道围岩靠近二衬存在大面积含水特征的雷达波强反射波组,有积水呈饱和状态的富水区,并通过衬砌结构薄弱点形成渗漏水通道导致病害发生。

表2　各剖面不良地质隐患统计参数

综合三条测线剖面图的探测结果分析得出:

(1)从雷达图像上可以对围岩中含水、富水区的位置、范围进行定性圈定,但由于缺乏必要的钻孔验证资料,尚无法对围岩岩性进行划分。左边围岩含水区521 m,富水区334 m,松散破碎区11段,共163 m;右边围岩含水区443 m,富水区242 m,松散破碎区12段,共130.5 m;拱顶围岩含水区616 m,富水区589 m,松散破碎区31段,共560 m;三条测线检出溶洞一个,大断层一条。

(2)隧道路面下普遍含水,尤其以隧道中段及昆明端较为集中,且有多处富水区。

(3)隧道两侧边墙外围岩大面积含水,昆明端洞口剥露出的围岩显示存在有风化粘土,该类粘土具有干缩湿涨的特性,有可能造成隧道衬砌结构的侧压变形。

(4)隧道拱顶外围岩含水区主要分布范围较大,主要集中在围岩破碎区。

(5)雷达剖面显示中段有54段松散破碎区。

3.2检测图像判析

在工程勘察中,常见的不良地质现象有:断层破碎带、裂隙带、富水带、岩溶洞穴、岩性变化带等。以上典型地质现象与地质雷达图像和波形特征的简单对应关系总结见表3[11]。

表3　典型地质现象与地质雷达图像波形特征间的简单对应关系

由于篇幅所限,研究仅描述大普吉隧道K229+590-K229+565拱顶测线、K229+238-K229+230左侧围岩测线和K229+640-K229+658右侧围岩测线的检测结果(见表4)。

表4　大普吉隧道围岩地质情况

图4是大普吉隧道拱顶K229+590-K229+565存在的典型节理裂隙、溶洞的雷达剖面图。图5是大普吉隧道左侧围岩K229+238-K229+230存在的典型节理裂隙且有裂隙水的雷达剖面图。图6是大普吉隧道右侧围岩K229+640-K229+658存在的典型节理裂隙、断层的雷达剖面图。由这些雷达剖面图可以清晰地判断隧道围岩的缺陷及缺陷类型,与传统方法相对比,利用地质雷达能够高效率、全方位地进行检测,以实时成像的方式显示隐蔽结构的剖面,探测结果一目了然;分析、判读直观方便,为解决大普吉隧道安全隐患及时准确地提供数据资料。表4显示了大普吉隧道部分围岩段典型的地质情况。

图6　右侧围岩:K229+658-K229+640有节理裂隙和破碎区Fig.6　Joints and fissures and broken zone in surrounding rock on the right K229+658-K229+640

4　结论

由于通车,大普吉隧道产生病害,通过运用21-002188便携式探地雷达对大普吉隧道围岩进行扫描分析探测,由雷达测线剖面了解到隧道围岩的含水分布、富水区和围岩松散与破碎等不良地质病害隐患,并通过几幅典型雷达图像分析了不同异常情况在雷达图像上的反映。为解决大普吉隧道安全隐患及时准确地提供了数据资料。

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The Application of GPR to Detect Traffic in Surrounding Rock Tunnel

Zhong Caicai,Huang Deyong,Chen Lei,Jiang Xunpu

(Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China)

Lu Kun secondary roads with large Phuket tunnel engineering background,aiming at the opening of the tunnel,describes the working principle of the geological radar detection,given the geological radar method in nondestructive testing applications,including measuring line layout,acquisition parameters set,on-site testing and post-data processing and interpretation.The tunnel opened to traffic due to the emergence of disease,not using geological radar detection before the opening,due to geological radar has the characteristics of convenient,low cost,high precision,so after choosing 21-002188 portable ground penetrating radar (GPR) is used to the surrounding rock scanning analysis detection.By radar line section to understand the water distribution of tunnel surrounding rock,rich water and loose and broken surrounding rock geological diseases hidden trouble,and through the pieces of a typical radar image analysis of the different anomalies reflect on the radar image.In order to solve the big phuket tunnel safety hidden trouble to provide timely and accurate data.

GPR;Traffic tunnel;Surrounding Rock probe

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.04.024.

2015-09-16;

2015-10-28.

钟彩彩(1990-),女,河南孟州人,硕士研究生,研究方向为桥梁隧道安全.E-mail:1002332352@qq.com.

U456

A

1004-0366(2016)04-0119-05

引用格式:Zhong Caicai,Huang Deyong,Chen Lei,etal.The Application of GPR to Detect Traffic in Surrounding Rock Tunnel[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(4):119-123.[钟彩彩,黄德镛,陈雷,等.地质雷达在通车隧道围岩探测中的应用[J].甘肃科学学报,2016,28(4):119-123.]