地质雷达在隧道超前地质预报中的应用

隧道网 www.stec.net(2008-4-10) 来源：现代隧道技术

摘 要 在简述地质雷达基本工作原理和方法的基础上，以地质雷达在正坑隧道施工中的应用为例，通过对地质雷达的测线布置、探测，对探测数据和地质雷达扫描图像的研究、分析，以及同隧道掌子面实际开挖地质情况的对照，说明地质雷达是隧道施工短期超前地质预报的一种安全、有效的方法，其实用性强，对隧道施工具有较好的指导作用。 关键词 地质雷达 隧道施工 超前地质预报 应用

深圳市机荷高速公路盐田港支线正坑隧道位于深圳市梧桐山北面，正坑水库南侧。山丘近南北走向，属侵蚀丘陵地形，地面标高12010～18510m，相对高差约65m，山坡自然坡度为25°～35°。隧道区域岩石以全风化、强风化粉砂岩为主，隧道浅埋段岩石风化作用强烈，次生节理发育，岩石破碎，随着覆盖层厚度的增加，岩石完整性变好。由于隧道施工区域地质条件极为复杂，施工时，一方面采用超前地质预报来预测隧道掌子面前方不良地质情况；另一方面因勘察设计与实际地质之间的差异，须要超前地质预报， 以防止施工中掌子面坍塌，并为工程处理措施提供依据，从而保障施工顺利进行。

1 地质雷达基本工作原理和方法 1.1 地质雷达基本工作原理

地质雷达与对控雷达在原理上十分相似，是基于地下介质的电性差异，向地下发射高频电磁波，并接收地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术，其探测原理如图1 所示。

图1 地质雷达工作原理示意

雷达脉冲波的行程方程为：

射体深度；x 为发射机和接收机间的距离；v 为雷达脉冲波速。 1.2 地质雷达基本工作方法

由置于隧道掌子面发射天线送入隧道掘进方向的掌子面高频电磁波脉波(主频为数十兆至数百兆乃数千兆赫) , 当其在岩体传播过程中遇到不同目标体(岩石破碎带、溶洞、断层裂隙等) 的电性介面时就有部分电磁能量被反射折向掌子面, 被接收天线接收, 并由主机记录, 得到从发射经岩体界面反射回到接收天线的双程走时t。当岩体介质的波速已知时,可根据测到的精确t 值求得目标体的位置和深度。这样, 可对各测点进行快速、连续地探测, 并根据反射波组的波形与强度特征, 经过数据处理得到地质雷达剖面图像。而通过多条测线的探测, 则可了解隧道掌子面目标体断面分布情况。

2 正坑隧道短期超前地质雷达探测预报

正坑隧道平面布置, 主要根据路线总体走向按上、下分离式隧道设计, 隧道左线长485 m , 右线长460 m ,开挖高1319 m , 宽1613 m。根据勘探设计资料可知:(1) 隧道进出口大部分为类、À 类围岩, 深埋、浅埋各一半, 其中隧道出口左线60 m 范围内为浅埋、偏压, 最小覆盖层厚015 m; (2) 左、右线隧道中部各有À、Ã 类围岩共220 m , 其中À 类围岩150 m , Ã 类围岩70 m。

由于正坑隧道地质围岩复杂, 隧道开挖断面大,且存在浅埋偏压, 故在编制施工组织设计时重点考虑在不同围岩段的施工方案, 为了准确确定地质情况, 在根据勘探资料的同时, 利用地质雷达技术, 重点做好隧道掌子面的超前地质预报(每30～ 40 m 做一次) , 准确预报掌子面的地质情况, 为安全施工提供决策依据。在施工过程中, 我们根据地质雷达超前预报顺利通过了隧道的浅埋偏压地质破碎带和强风化岩层地带, 确保了工程施工和人员安全。

根据勘探资料, 隧道左线K8+ 250～ + 150 为À类围岩, K8+ 150～ + 80 为Ã 类围岩, 当隧道掌子面掘进到K8+ 165 时, 按规定做了地质雷达超前预报。

(1) 测线布置

根据隧道掌子面实际情况, 探测中应用双置式天线, 采用十字方式布置测线, 如图2 所示。 图2 雷达测线布置 (2) 探测结果及分析

在测试过程中, 先沿横向测线1 自左到右缓慢连续移动发射和接收天线之后, 再自右向左移动。在纵面上, 沿每一条测线先自下而上, 再自上而下进行探测。

① 隧道左线掌子面K8+ 165 处地质雷达扫描图像, 如图3 所示。其中lef t1 是沿测线1 自左向右连续扫描结果, lef t2 是沿测线1 自右向左扫描的结果。

图3 隧道左线K8+ 165 掌子面地质雷达扫描图像

从图3 可以看出: 在掌子面前方40m 范围内存在3 个电磁波突变带, 即存在3 个介电常数异常界面, 其深度分别在探测时间深度200 n s (电磁波在岩体中的传播速度一般为01～ 0.2 m/n s, 深度约为11 m , K8+ 120～ 1) , 300 n s (深度约为16 m , K8+ 165～ 149) , 100 n s (深度约为28 m , K8+ 120～137 处。根据隧道掌子面区域地质情况认为: 在掌子面前方的围岩夹层较多, 岩性变化较大。超前探测对象对雷达波的吸收作用明显, 表明围岩较为破碎。从整个地质雷达的探测图象分析, 探测掌子面前方40m 范围内围岩夹层多, 岩性变化大, 围岩破碎, 地质条件达不到Ã 类围岩。

根据预报结果, 要求隧道掌子面的掘进支护仍然按À 类围岩的开挖、支护方式施工(即短进尺、弱爆破、支护紧跟进行开挖、支护)。后经开挖证实, 掌子面30 m 内围岩发育破碎夹层内含土, 完全不具备Ã 类围岩条件, 如果按设计Ã 类进行开挖、支护,将会带来不堪设想的后果。

② 隧道右线K8+ 060 处掌子面地质雷达扫描图像, 如图4 所示。

图4 隧道右线K8+ 060 掌子面地质雷达扫描图像

根据地质雷达扫描图, 可以看出其波形的主要特征: 反射波同轴错乱, 波幅衰减很快, 反射界面错乱。根据隧道掌子面区域地质情况认为: K8+ 60 往前30 m 内节理密集发育, 强风化薄层状围岩属严重不良地段, 该段施工如不采取措施将会出现拱顶垮塌, 危及人身安全和工程安全。根据地质雷达预报要求, 该段施工应加强超前支护, 缩小开挖断面, 留核心土。施工应遵循短进尺、弱爆破和加强初期支护的原则。后经开挖证实, 该段地质属全风化、强风化和破碎带, 风化围岩含有大量水份, 不具备À 类围岩的条件。

开挖前如不做超前管栅支护或开挖后不即时喷护封闭, 支护围岩, 掌子面拱顶极易脱落、垮塌,安全工作不堪设想。

③隧道左线K8+ 200 处, 掌子面地质雷达扫描图像, 如图5 所示。 图5 隧道左线K8+ 200 掌子面地质雷达扫描图像

根据地质雷达扫描图可以看出其波形的主要特征为: 有较强的振幅反射波; 高频几乎全被滤掉; 只有低频段波可穿透, 脉冲周期明显增大。由此可以断定掌子面前方15 m 内有小断层及涌水, 围岩较破碎。根据地质预报结果, 要求施工过程中做好排水、引水的准备, 开挖时必须做好超前支护, 遵循短进尺、弱爆破的施工原则。后经开挖证实, 掌子面开挖3 m 后, 拱顶、拱脚出现严重的涌水, 地下水清澈, 无异味, 涌水3 d 后水压明显减弱, 开挖6 m 后发现隧道断面被4 条不同走向的断层切断, 地下水来源为断层水。④隧道右线K8+ 190 处, 掌子面地质雷达扫描图像如图6 所示。 根据地质雷达扫描图可以看出其主要波形特 征: 界面反射强烈, 反射面附近波幅显著增强; 反射 图6 隧道右线K8+ 190 掌子面地质雷达扫描图像

波的同轴错断, 反射波高频部分衰减很快。以此可以推断该雷达波形为断层破碎带波形, 反射波同相轴的连线为破碎带的位置。隧道掌子面前方15 m 内地质围岩有多条断层带, 且很破碎, 要求该段施工过程中改变原À 类围岩的开挖支护方法, 提前做好超前支护工作, 实行短进尺, 弱爆破, 支护紧跟的施工方案。后经开挖证实, 掌子面前15 m 内有3 条小断层切割隧道, 节理发育, 岩石破碎, 如果不提前采取措施, 掌子面极易产生坍塌。 3 结语

地质雷达用于公路隧道施工中, 预报掌子面前方不良地质情况可较快

判断, 有利于工程施工, 提高了短期地质超前预报的工作水平。 为了提高对地质雷达波形图的解释和识别的准确性, 需要对不良地质条件下各种介质雷达波形的典型特征进行反复的研究和积累大量的图像资料,以实现能与现行隧道围岩级别划分标准相对应, 提高量化处理的水平。地质雷达超前预报在20 m 的短范围内准确率较高, 与采集数据测线的长度有一定联系, 如结合隧道掌子面地质素描能取得更高的准确性。

正坑隧道在施工过程中使用地质雷达预报, 从没发生过因地质不良地段而引起的掌子面塌方事故, 确保了工程施工及人员安全。 参考文献:

[1 ] 傅良魁. 电法勘探[M ]. 北京: 地质出版社, 1983. [2 ] 牛之琏. 时间域电磁法原理[M ]. 中南工业大学, 1992. 郑文宁: 地质雷达在隧道施工短期超前地质预报中的应用