地質雷達在薛城隧道地質超前預報中的應用

袁地鏡 王 磊 李亞林

隨著西部大開發的實施,尤其是2008年的經濟危機中政府對基礎建設的億萬元投資,讓高速公路建設進入了快車道。由于高速公路對線路和坡度的特殊要求,隧道已成為高速公路越嶺的最優方案,而西部地區多山地丘陵且地質條件復雜,多巖溶地貌,給隧道施工造成極大的危險。這就需要在隧道施工中,對隧道掘進前方的危險地質情況進行超前地質預報來控制風險,及時提出調整支護參數或加固措施建議,以保證施工安全和工程質量,加快施工進度,縮短工期[1]。

縱觀國內外隧道施工期地質超前預報技木方法的發展,依據其預測預報方法的工作原理,則可將預測預報方法劃分為地質法、物探方法以及綜合方法。

各種預報的預報距離和誤差大相徑庭,其中施工單位在隧道預報中經常要求在確保預報結果有效性的前提下,預報過程簡單方便,快速準確,同時對結果要求有較強的可復測性。所以在隧道的超前預報中,經常使用地質雷達不同頻率的天線進行組合,使用低頻天線對較遠距離的地質情況進行探測,同時使用精確度較高的高頻天線對部分結果進行驗證和對危險區域進行詳細探測。

1 雷達原理

探地雷達系統由主機、天線和電纜組成。主機和天線通過電纜連接起來,電纜起發送命令,傳輸數據和供電的作用。主機觸發—命令,通過電纜傳輸給發射天線,發射天線向地下激發一脈沖波,此脈沖波遇到地質界面或目的體時會發生反射,反射回波被接收天線接收,然后通過電纜把此反射回波傳輸給主機,此信號在主機內進行處理和圖像解譯,達到探測目的物的目的。

發射信號經由空氣到達地面時,一部分信號會投射地表繼續向下傳播,而另一部分則在地表發生反射,這樣電磁波在地下傳播的過程中,每遇到電性不同的界面都將產生投射和反射,當然,透射的層面越多雷達信號就越弱。反射信號由接收天線捕捉并對其進行放大,然后傳遞給信號處理機進行相關處理。信號的專門處理過程取決于GPR系統的應用程序,但都會對接收信號數字化并存儲在數字存儲器上。時窗的調整很重要,它關系到是否能通過顯示器看到探測物體。最后由終端設備實時顯示出雷達探測剖面圖[3]。原理圖如圖1所示。

盡管雷達種類不同但是都是基于麥克斯韋電磁場理論:不同的雷達只是對天線收到的反射波進行放大、采樣、濾波、數字迭加的方式不同。主機對信號進行處理后在顯示器上形成一種類似于地震反射時間剖面的地質雷達連續探測彩色剖面。該剖面的橫坐標沿隧洞軸向,表示距離,單位為米,隨著距離的不斷增加,以等距離間隔掃描反射回一系列的反射波曲線。縱坐標代表時間(ns),即表示每條掃描取樣反射曲線上各個反射波往返旅行時間t。在相對介電常數εr給定的情況下,縱坐標就可以通過下式換算為深度r:

隨著微電子技術的飛速發展,現代的探地雷達設備早已由龐大、笨重的結構改進為現場使用的輕便工具。

在國外探地雷達產品中,以GSSI公司的SIR系列為代表,SIR-20,SIR-3000是美國GSSI公司探地雷達的最新產品,集成了數據采集和處理,能夠即時的得到處理的結果,并支持3D模式,RADAN系列軟件為該公司開發的數據處理軟件。

2 地質超前預報探測技術設計

2.1 探測設備

使用的儀器為勞雷公司的SIR-20主機,結合100M天線和40 M天線,頻率高的天線,精度高,能量衰減快,探測深度淺。頻率低的天線,精度相對較低,能量衰減較慢,探測深度較深。因此選擇高低頻天線相結合可以使長距離探測和高精度探測相結合,滿足探測需要[4]。

2.2 測線布置

根據掌子面的具體情況,在條件允許時采用橫向和縱向測線相結合方式,由于天線從上到下不易操作,故在一般的探測中應以橫向測線為主,使測線盡可能連續,距離盡可能長,這樣便可以較多的采集數據。此外,由于掌子面的不平整,為了提高準確性,可適當加密測線。為了使探測結果可靠,每條測線復測三次。在探測時做測線素描圖,同時記錄好每條測線的方向和對應的文件編號。

2.3 參數設置

雷達參數設置表見表1。

表1 雷達參數設置表

3 工程實例分析

3.1 工程與地質概況

薛城隧道是汶馬路第二長隧道,距汶川約30 km,距理縣約20 km。

隧道區位于四川省西北部,西靠青藏高原,東鄰四川盆地,處于四川盆地西北部與青藏高原的過渡地帶。地形切割劇烈,谷深坡陡。隧址區位于河床左岸的陡坡地段,地形坡度35°～50°。局部為陡崖,地面高程1 550m～1 800m,南高北低。

3.2 破碎帶預報

根據地質勘察資料薛成隧道出口端K 28+780前方以弱風化灰巖為主的Ⅳ級圍巖,且在前期的施工過程中圍巖一直比較好,但在K 28+759處開始圍巖變差,在使用40M天線探測中發現前方約21m處開始有一約2m破碎帶,隨即使用100M天線進行加密探測。

由于破碎帶其完整性差,介質不均勻,電性差異大,一般都有明顯的反射界面,在地質雷達圖像上通常表現為界面反射強烈,反射面振幅增強且變化大,波峰較尖銳,峰值較窄,破碎帶或裂隙帶內同相軸錯斷,波形雜亂,電磁波能量衰減快。根據雷達圖像可以看出在掌子面前方約21 m處有一破碎帶。

根據探測結果建議施工單位在K 28+762處開始打超前小導管加強拱頂支護,減少鉆孔及爆破深度,按Ⅴ級圍巖進行施工,加強實時觀測進行預警,防止出現塌方事故。后經開挖證實,在掌子面開挖至預報里程附近時出現強破碎帶,自穩性差,在開挖過程中出現掌子面巖體垮塌,由于事先的有效預報,沒有造成安全事故。事實證明采取的措施有效的保證了隧道施工安全。

4 結語

1)工程實際表明,使用地質雷達對隧道進行地質超前預報不良地質災害是比較準確可靠的,尤其對破碎帶、水以及溶洞比較敏感,且有較高的分辨率,從而能對隧道安全施工提供可靠的依據,是地質勘察工作的延續和補充。2)但在使用地質雷達超前預報過程中,除了采集高質量的數據和選擇合理的參數外,解釋過程中,探測成果必須和較宏觀的既有地質勘探資料、掌子面地質資料有機地結合起來進行綜合分析,并且加強典型不良地質的雷達圖像識別能力,不斷通過開挖驗證來積累經驗才能提高準確率,將物探信息轉換成地質成果,最終達到為隧道施工提供可靠準確的地質預報。

[1] 葉觀寶,宋 建.地質雷達在公路隧道短期地質超前預報中的應用[J].勘察科學技術,2010(20):49.

[2] 白雪飛.大相嶺隧道超前地質預報研究[D].成都:西南交通大學碩士論文,2009.

[3] 劉英利.地質雷達在工程物探中的應用研究[D].成都:成都理工大學碩士論文,2008.

[4] 劉 柱.地質雷達無損檢測隧道施工質量的圖像分析方法[J].公路交通科技(應用技術版),2010(3):63.

[5] 歐陽剛杰.梅關隧道超前地質預報[J].山西建筑,2009,35(1):324-325.