地質(zhì)雷達在隧道工程中的應(yīng)用

趙 巖

(北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司，北京 100144)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，基礎(chǔ)公路交通設(shè)施的逐步完善，公路施工更多采用隧道貫通而非傳統(tǒng)繞山而行，保障交通運輸?shù)男屎桶踩浴５诘刭|(zhì)環(huán)境復(fù)雜、構(gòu)造不穩(wěn)定地區(qū)，有效預(yù)報掌子面前方圍巖狀況，及早發(fā)現(xiàn)斷層、破碎帶、地下涌突水、巖溶空洞，成為新奧法隧道施工中必不可少的環(huán)節(jié)。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，地質(zhì)雷達技術(shù)在近年來得到迅速的發(fā)展。地質(zhì)雷達方法以其經(jīng)濟、無損、快速而直觀的特點成為淺部地質(zhì)物理勘察最主要的工具之一［1］。已廣泛應(yīng)用于工程各領(lǐng)域，尤其在工程地質(zhì)探測、工程檢測及生態(tài)環(huán)境保護等方面，成為淺層探測的有力工具［2-6］。目前國內(nèi)應(yīng)用較多的地質(zhì)雷達主要有瑞典MALA公司的RAMAC系列、加拿大的PULES EKKO系列、美國GSSI公司的SIR系列、日本的GEORADAR系列、中國的LLD系列等型號，其中尤以MALA公司的RAMAC系列地質(zhì)雷達應(yīng)用最為廣泛。

1 工程地質(zhì)概況

隧道位于某地區(qū)，地處龍泉山山脈，起點位于楊家溝溝口右側(cè)坡面，終點位于國道213線下山路段左側(cè)山坡新房子附近。進出口位置附近有溝谷溪流，其支溝短小，沖刷侵蝕作用強烈，切割深度一般小于30 m，屬構(gòu)造剝蝕～侵蝕剝蝕山地峽谷地貌，表層常覆蓋殘坡積層。隧道軸向與二峨山山體基本成正交展布，出口谷底寬10 m～20 m，有兩條支溝在K1108+700地勢平坦處匯聚成小溪流，并有一級階地發(fā)育。隧址區(qū)出露地層主要為侏羅系上統(tǒng)遂寧組及侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組泥巖加粉砂巖地層，第四系全新統(tǒng)坡洪積粘土夾漂塊石土、第四系全新統(tǒng)坡殘積粘土夾碎石土等。隧址區(qū)域大地構(gòu)造部位處于樣子準地臺南部，屬四川本地斷裂構(gòu)造活動較弱區(qū)，褶皺構(gòu)造較為發(fā)育，斷裂構(gòu)造弱發(fā)育，同時伴生有巖體裂隙，對隧道洞身影響較大的因素主要為龍泉山背斜和圍巖裂隙。

2 地質(zhì)雷達工作原理

隧道圍巖相當于一個復(fù)雜的濾波器，電性不同的巖體對電磁波具有不同程度的吸收和反射，雷達發(fā)射出去的雷達波經(jīng)過探測巖體抵達接收天線時，綜合了圍巖中不同介質(zhì)的物理信息，表現(xiàn)為波幅減小、頻率降低、相位和時間發(fā)生變化等，接收雷達波與發(fā)射雷達波波形有較大的差別，通過對這些改變了的波形進行處理分析，得到所需要的圍巖信息，建立前方的結(jié)構(gòu)模型(見圖1)。

雷達波在圍巖中的傳播速度是準備確定探測目標體具體位置的重要參數(shù)。在實際探測過程中，需要先測定各類巖層的雷達波波速［7］。而雷達波波速v可表示為:

其中，c為電磁波在空氣中的傳播速度，取30 cm/ns;εt為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。可以通過公式計算結(jié)果驗定現(xiàn)場測定雷達波波速。

圖1 地質(zhì)雷達工作原理

3 地質(zhì)雷達工作方法

3．1 雷達天線中心頻率的選擇

天線中心頻率的選擇應(yīng)在滿足探測深度的前提下，使用更高分辨率的高頻天線，并兼顧天線尺寸是否符合場地的要求。天線頻率越高，探測分辨率越高，但探測深度卻越小。天線中心頻率f可表示為:

3．2 時窗長度、采樣頻率與測點點距選擇

地質(zhì)雷達系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時記錄的是電磁波發(fā)射返回的雙程傳播時間。時窗長度即確定了記錄雙程旅行時間的量程，如果時窗過短，會使得探測距離短，有效信號缺失;如果時窗過長，由于每次掃描的采樣點數(shù)已經(jīng)確定，就會使雷達波的縱向分辨率變低［8］。時窗選擇主要取決于最大探測深度hmax，m，與地層電磁波速度v，m/ns。時窗W可由下式估算:

根據(jù)實際工作經(jīng)驗，時窗的選用值應(yīng)增加30%，這是因為地層速度與目標深度的變化所留出的余量。時窗選擇300 ns～400 ns比較合適，如果能量損失嚴重，時窗長度相應(yīng)調(diào)短。

地質(zhì)雷達的探測方式分為連續(xù)探測和離散探測(點射)兩種。采樣頻率是指地質(zhì)雷達每秒鐘的掃描數(shù)據(jù)量，在連續(xù)探測作業(yè)方式中需設(shè)定該參數(shù)。采樣頻率大，則測線單位長度上的采集數(shù)據(jù)量大，采樣頻率決定了天線移動的速率［8］。選擇離散探測方式時，測點點距的選擇取決于天線中心頻率與掌子面前方圍巖的電性。為確保目標體的反射波在空間上不重疊，應(yīng)遵循奈奎斯特定律，測點間距nx應(yīng)為圍巖中子波的1/4波長，m，即:

其中，f為天線中心頻率，MHz;εt為圍巖相對介電常數(shù)。

在實際探測過程中，結(jié)合掌子面地質(zhì)描述，如果掌子面巖性較均一，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，為避免與施工的沖突，可以適當放寬點距，點測間距一般設(shè)定為0．1 m左右。

4 工程應(yīng)用及結(jié)果分析

測探時，使用發(fā)射頻率為100 MHz的屏蔽天線，1 100 MHz采樣頻率、600采樣點數(shù)、128次疊加、0．1 m道間距。地質(zhì)雷達對掌子面測線的探測得到原始雷達波，對其進行移動開始時間靜校正，增益，去直流漂移和巴特沃斯帶通一維濾波，抽取平均道及滑動平均等二維濾波處理，壓制和剔除干擾波，突出有效波。

4．1 節(jié)理裂隙的預(yù)報

圖2為隧道進口K1106+280里程掌子面的雷達探測圖。從圖像中可以看出，掌子面前方3 m范圍內(nèi)反射強烈，代表此范圍是由于爆破造成的震動松弛區(qū)及雷達天線的直達波。掌子面右部前方3 m～16 m范圍內(nèi)雷達波反射強烈，反射波波長變長，頻率變低，同相軸發(fā)生明顯錯動，多次震蕩向縱深延伸，推斷圍巖軟弱破碎，穩(wěn)定性較差，同時存在低頻高強信號，推斷圍巖內(nèi)含有部分節(jié)理裂隙水。結(jié)合掌子面的地質(zhì)描述，掌子面出露巖性為薄層狀泥質(zhì)粉砂巖與頁巖夾層，該夾層巖性較軟，層理發(fā)育，層間結(jié)合差，由于圍巖傾角較陡，易發(fā)生掉塊與坍塌。因此地質(zhì)超前預(yù)報指導(dǎo)施工短進尺、弱爆破作業(yè)，防范安全事故發(fā)生。

圖2 K1106+280掌子面雷達解譯圖

圖3 K1106+420掌子面雷達解譯圖

4．2 地下水、裂隙水的預(yù)報

圖3為隧道進口K1106+420里程掌子面雷達探測圖。從圖像中可以看出，掌子面前方2 m范圍內(nèi)被100 MHz雷達天線自身直達波淹沒，存在爆破擾動引起的震蕩區(qū)。3 m～10 m(即里程K1106+423～K1106+430內(nèi))，同相軸錯斷，反射波反射強烈，圍巖完整性差，局部位置振幅較強，頻率較低，判斷節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙中含有少量裂隙水，局部富含水。11 m～24 m(即里程K1106+431～K1106+444內(nèi))，雷達波反射強烈，反射波相位與入射波相位相反［9］，高頻信號被吸收，反射波的優(yōu)勢頻率降低［10］。由于本隧道采用上下臺階施工法，在此里程內(nèi)，建議開挖時預(yù)留核心土，及時跟進仰拱和支護。并且此段巖層傾角較陡(傾角56°)，防止由于裂隙水產(chǎn)生的圍巖軟弱破碎引發(fā)的順層滑塌。

5 結(jié)語

在二峨山隧道施工過程中，運用RAMAC地質(zhì)雷達進行地質(zhì)超前預(yù)報，能夠科學(xué)、準確預(yù)報開挖前方圍巖狀況，根據(jù)預(yù)報的地質(zhì)狀況及時調(diào)整施工，避免了施工的盲目性，體現(xiàn)了新奧法施工的理念。從中得到以下結(jié)論:

1)工程實踐表明，地質(zhì)雷達是短程地質(zhì)超前預(yù)報最有效手段，是目前地質(zhì)探測中準確度最高的地球物理探測方法，尤其對節(jié)理破碎帶，地下裂隙水比較敏感，且具有較高的分辨率。

2)地質(zhì)超前預(yù)報應(yīng)利用多種探測手段綜合比較分析，與地質(zhì)勘察資料，掌子面地質(zhì)記錄有機結(jié)合，互相驗證，為隧道施工提供準確可靠的地質(zhì)超前預(yù)報。

3)根據(jù)現(xiàn)場掌子面地質(zhì)狀況，適度調(diào)整地質(zhì)雷達參數(shù)，對于地質(zhì)復(fù)雜隧區(qū)，宜采用200 MHz雷達天線，縮短探測距離，以提高探測精度和分辨率。

4)目前實際地質(zhì)雷達探測使用中存在諸如探測距離相對較短，低頻天線體積較大，濾波處理與圖像解譯的主觀性過強等問題，規(guī)范化程度需進一步完善。

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