地质雷达在隧道超前预报中的应用

WEST-CHINAEXPLORATIONENGINEERINGSep.20042004年第9期

总第100期

文章编号:1004—5716(2004)09—0116—03中图分类号:P631133　文献标识码:B

①

地质雷达在隧道超前预报中的应用

代高飞1,2,夏才初1,毛海河1

(1.同济大学地下建筑与工程系,上海200092;

2.重庆大学西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室,重庆,400044)

摘　要:地质雷达是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术,它主要利用不同介质相对介电常数的差异进行地质预报。由于贵州省崇遵高速公路位于典型的喀斯特地形区,在隧道施工中经常遭遇地质灾害,运用地质雷达成功预报了隧道掌子面前的地质构造,确保了施工安全,取得了良好的经济和社会效益。关键词:地质雷达;隧道;地质构造;超前预报

　　贵州省崇(崇溪河)遵(遵义)高速公路是重庆出海大通道的重要工程,位于典型的喀斯特地形区,在隧道施工中经常遭遇地质灾害。施工过程中常因对掌子面前方地质情况不明,局部地段常出现坍方、涌水等现象,严重时还会造成设备损坏等重大事故,造成巨大的经济损失。因此,在隧道施工中掌握掌子面方向的地质情况,准确预报溶洞、断层、破碎带和含水情况,以便提早、及时采取有效措施,确保施工安全。本文利用地质雷达,通过对崇遵高速公路风梅垭隧道的应用实践,结合掌子面出露围岩的地质情况成功的预报了掌子面前方的地质情况。

1　地质雷达原理

表1

介质

空气灰岩页岩黏土沙土

εr17～165～1～1～30

影响地质雷达的探测深度、分辨率以及精度的因素主要包括内在与外在的两方面。内在因素主要是指探测对象所处环境

的电导率,介电常数等因素(常见介质的介电常数如表1)。表中是相对介电常数和速度的近似值,相对介电常数随介质中的含水量变化而急剧变化,含水少的介质其值较大。外在因素主要与探测所采用的频率,采样速度等探测方法有关。在实际应用中,综合考虑这些因素,采用适当的方法技术,是探测成功与否的关键[2,3]。

某些介质中的介电常数和速度

30075～11377～13474～15055～150

地质雷达(GroundPenetratingRadar,简称GPR)是一种用于探测地下介质分布的广谱电磁技术[1,2]。地质雷达发射机发射电磁波信号到地下介质中,电磁波在地下介质中传播过程中,当遇到存在电性差异的地下目标体,如空洞、分界面等时,电磁波便发生反射,返回到地面时由接收天线所接收。在对接收天线接收到的电磁波进行处理和分析的基础上,根据接收到的电磁波波形、强度、双程走时等参数便可推断地下目标体的空间位置、结构、电性及几何形态,从而达到对地下隐蔽目标物的探测。地质雷达发射高频电磁波在地下介质中的传播速度主要由介质中的相对介电常数确定。电磁波在传播过程中,遇到不同的阻抗界面时将产生反射波和透射波,其反射与透射遵循反射与透射定律。反射波能量大小取决于反射系数R,反射系数的数学表达式为[3]:ε1-ε2(1)

ε1+ε2

式中ε:1ε,2———反射界面两侧的相对介电常数。

由式(1)可知,预报过程中的反射系数的大小主要取决于反

r=

速度(m/μs)

介质纯净水花岗岩混凝土泥浆

εr815～74～109～23

速度(m/μs)

33113～13495～15063～100

　　在崇遵高速公路上使用的是瑞典玛拉公司推出的(RAMAC/

GPR)RAMAC非屏蔽地质雷达。由于半无限空间的扩散,点反射体的图像为双曲线,而面反射体保持原来的形状,其斜度和垂直分辨率在0.01～1m之间。由于天线分辨率和探测深度的相关关系,结合现场情况,决定采用主测频率为100MHz的天线[3]。

1.2　探测频率的影响

　　表2是地质雷达采样频率设置的经验值。探测时所采用的天线中心频率称为探测频率,而其实际的工作频率范围是以探测频率为中心的频带,探测频率主要影响探测深度和分辨率。当地质雷达工作在介电极限条件时,高频电磁波的衰减几乎不受探测频率的影响,比如,电磁波在空气中传播,由于不存在传导电流,电磁波不发生衰减。但实际上,由于大地电阻率一般都比较低,其工作条件达不到介电极限条件。由于传导电流的存在,高频电磁波在传播过程中发生衰减,其衰减的程度随电磁波频率的增加而增加。因此,在实际工作时,必须根据目标体的探测深

射界面两侧介质的相对介电常数的差异。地质雷达技术是工程地球物理勘查的重要方法之一,广泛应用于地下管线探测,结构物无损检测,地基基岩面探测,岩溶地面沉陷、地下洞穴等工程勘察领域。

1.1　地质雷达应用的影响因素

①高等学校重点实验室访问学者基金资助;获得中国博士后科学基金资助。

2004年　　　　　　　　　　　　　　　　代高飞,夏才初,毛海河:地质雷达在隧道超前预报中的应用第9期

度选用合理的探测频率[2,3]。探测频率同时也决定了探测的分辨率,一般是探测频率越高,探测深度越浅,探测的分辨率越高。探测频率和介质的介电常数是决定分辨率的两个主要因素。电磁波的传播是以一个圆锥体区域向前发送能量,当目标体的水平尺度小于反射区尺度时,雷达是难以分辨的,电磁波频率越高,波长越短,反射区的半径越小,水平分辨率高[1]。

表2地质雷达采样频率的设置

天线频率(MHz)

建议采用的采样频率(MHz)

轨迹间隔(m)25150～6000.30～0.7550400～8000.20～0.50100800～18000.10～0.302001600～35000.03～0.104003200～50000.02～0.101000

25000～1100000.01～0.05

注:采样频率的设置不得小于天线频率的6倍。

图1　掌子面测线布置示意图

2　预报方法与成果解释

测试剖面布置根据掌子面情况,一般水平方向布置1～3条测线,垂直方向沿中心布置1条测线,如图1所示。由于施工过程中掌子面不规范,测试剖面在现场测试时进行一定的调节。为提高测试准确性,测试过程中一般每条剖面至少重复测试2遍。天线在每个剖面上至少应进行1次点测和1次连续测试,点测的叠加次数≥次[3,4]。雷达测试资料的解释是根据现场测试的雷达图像,对测试的图像进行异常分析。根据异常的形态、特征及电磁波的衰减情况对测试范围内的地质情况进行推断解释。一般来说反射波越强则前方地质情况与掌子面的差异就越大,根据掌子面的地质情况就可对掌子面前方的地质情况做出推断。解释过程中电磁波的传播速度主要根据岩石类型进行确定,测试过程中由地质人员对测试剖面上的地质情况进行现场描述,结合已开挖的围岩地质情况和设计资料,对掌子面前方的地质情况做出预测,最后把纯地质的预测结果同雷达测试的结果

进行对比分析,做出合理的预测[4、5]

。

风梅垭隧道是崇遵高速公路的咽喉工程,它属于分离式路基段,设置为接行的双洞,隧道长2740m。隧道穿越主要围岩类别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类,主要地质构造为F3、F5和F7断层及其破碎带。隧道岩性变化复杂,局部石灰岩风化较强,地下水丰富。为加快隧道施工速度,避免坍方等事故,因此必需详细了解掌子

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图2　地质雷达实测图像

图3　用Reflexw2D软件处理后的雷达波

面前方的地质情况。2002年12月对风梅垭隧道里程为K1+

980m处掌子面进行雷达探测。探测时掌子面为灰岩,岩石较为

破碎但胶结较好,含水量较大。探测后,进行图像处理发现掌子面前方1.2m附近有一较强的弧形反射界面,如图2,经现场多次测试,重复性极好,用Reflexw2D软件处理后的雷达波如图3所示。根据图2和图3推断掌子面前方1.2m附近将出现明显岩性弱化,岩性弱化区域为近似圆形,结合4条测线的图像,推断在宽

11m左右的掌子面中部存在一球形岩性弱化区,考虑到掌子面岩

石较为破碎,含水量较大,进一步推断该球形区域含水量丰富。现场立即撤出机械设备,在掌子面中部打眼放水,打眼时探测到掌子面前方1m左右为一空腔。开始时地下水呈喷射状,水压很大,水质清澈,无异味。3h后,涌水逐渐减小,7h后涌水停止。随后通过缩小进尺,加强支护顺利通过了该溶洞。图2和图3中地质雷达实测图像上2.1m左右的干扰为掌子面后方的施工架对

非屏蔽天线的影响[1、2]

。

2003年1月对风梅垭隧道里程为K2+018m处掌子面进行

雷达探测。探测时掌子面岩石破碎。波形主要特征:断层界面反

seriesNo.100　　　　　　　　西部探矿工程

Sep.20042004年第9期WEST-CHINAEXPLORATIONENGINEERING

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文章编号:1004—5716(2004)09—0118—02中图分类号:U452114　文献标识码:B

大跨度隧道无尺量测技术应用

刘胜东

(中铁隧道集团股份公司隧道二公司,重庆409800)

摘　要:主要介绍大跨度、长大隧道利用全站仪配合反射片进行无尺量测技术进行变形监测技术。关键词:大跨度;无尺量测;全站仪;反射片

1　工程简介

采用中导坑超前施工,地质情况差(岩溶、岩爆、软岩多),工序复杂,应力变换复杂,因此位移量测在此地位非常重要,在此我们采用非接触三维观测技术进行观测,对该隧道进行监控量测分析反馈指导安全施工。

2　现场应用及结果2.1　测点布设

新建渝怀铁路圆梁山隧道全长11068m,进出口两个工区开挖掘进,在隧道施工中,随着新奥法在隧道开挖建设过程中的广泛应用,为确保隧道施工安全,为修正设计、保障施工安全提供必要的信息。净空位移的监测已成为新奥法施工中必不可少的一项监测内容,作为必测项目早已纳入隧道工程的设计与施工规范中。目前,我国净空位移的监测多采用钢尺式收敛计。该法具有成本低,简单可靠的优点,但随着隧道施工技术的发展,跨度大、断面多、围岩越来越复杂的长大隧道不断修建,这种方法已有明显的局限性,如现场操作困难,对施工干扰大,测量精度下降等问题,为解决该问题,就进行了隧道施工的新型监测技术———非接触三维观测技术实验与应用。

该技术在日本、瑞士等国已经广泛应用于地下工程方面,其方法大致有以下三种:一种是以多台电子经纬仪为主要设备的三维解析测量;二是以全站仪为主配光电反射片的三维变形量测;三是以近景摄影机为主要设备的近景变形量测。根据现有条件利用全站仪为主要设备的隧道净空三维观测方法。使用前期

测量仪器选型(选择徕卡TCRA1800全站仪)。

本监测系统采用徕卡TCRA1800+方形十字反射片(长度2cm)组成现场观测系统,测点由基座与保护模两部分组成,基座由5cm角钢及20cm长󰂡22的钢筋焊接而成,待掌子面开挖完毕后,将其固定在初支上或锚固在围岩内。该部分具有现场加工方便,可就地取材。测点牢固可靠不易被破坏等优点。保护盒由两毫米厚钢板加工而成,采用保护盒主要因为现场环境恶劣,为确保量测精度,保护反射片不被破坏,因此需将保护反射片粘在在保护盒内,测量时将其开启,测量完毕将其关闭,有效的保护反射片不被洞内粉尘破坏。现场共布设观测断面6个,按其里程分别定为515、

550、600、635、670、700断面。每一断面布设测点3个,位于隧道拱

顶与两侧拱腰位置。

射强烈,反射面附近波幅显著增强,反射波的同相轴错断,破碎面上反射波高频部分衰减很快,反射波同相轴的连线为破碎带的位置。经开挖后证实,掌子面前方有3条小断层切割隧道,节理发育,岩石破碎,掌子面易产生坍塌。预报后要求施工方采用超前注浆斜锚杆架越,使得隧道顺利通过该断层破碎带。

3　结论

异常情况、掌子面地质情况、区域地质情况进行综合判断,推断出掌子面前方的地质情况,同时注意排除图像中的干扰因素,提高预报的准确性。

参考文献:

[1]　夏才初,等.地下工程测试理论与监测技术[M].上海:同济大学出版

地质雷达的在隧道短期超前预报中的应用,积累了对各种不良地质条件下各种介质的雷达波典型特征,实现了与现行隧道围岩级别划分标准相对应的要求,提高了量化处理水平。地质雷达能够较准确地探测出掌子面前方一定范围内岩性的变化情况,对较大岩性变化反应明显。在预报过程中仪器参数的合理选定与实际经验关系密切,实际测试过程中应根据实际情况布置测试剖面,才能较准确地做出预报。测试图像的识别应根据雷达测试的

社,1999.

[2]　夏才初,等.土木工程监测技术[M].北京:中国建筑工业出版社,

2001.

[3]　李大兴.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社,1999.[4]　隋景峰.隧道衬砌质量检测新技术[J].工程勘察,1998,(2).

[5]　何继善.地电磁及其研究前沿[J].中南矿冶学院学报,1994,25

(A05).