地质雷达在隧道超前地质预报中的应用

贵州工业大学学报(自然科学版)

JOURNALOFGUIZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

(NaturalScienceEdition)Vol.36No.3June.2007

文章编号:100920193(2007)0320083203Ξ

地质雷达在隧道超前地质预报中的应用

王贵明,彭　涛

(贵州高速公路开发总公司,贵州贵阳550003)

摘　要:以某公路隧道为例,阐述了地质雷达应用于隧道超前地质预报的实例,为地质雷达在

隧道超前地质预报中的应用积累了经验。关键词:地质雷达;隧道;超前地质预报中图分类号:U452.11　　　文献标识码:B

0　前　言

在隧道挖掘过程中常因掌子面方地质情况不详,在不良地质地段经常出现塌方、涌水等现象,严重时会造成人身伤亡和设备损坏重大事故,因此,在隧道掘进过程中及时了解掌子面前方地质情况,特别是溶洞、地下暗河、断层、破碎带和瓦斯等不良地质条件的规模和特征,这对确保施工安全、合理安排掘进方案、掘进速度和支护措施至关重要。地质雷达(GPR)是一种较新的地球物理方法,能快速便捷、不影响施工的超前跟踪探测技术,它对上述不良地质条件有较好的探测结果。

1　地质雷达基本原理地质雷达(GPR)是用高频电磁波(1MHz-1GHz)来确定介质内部物质分布规律的一种地球物理方法。如图1所示,通过发射天线T,按照确定的方向,将高频电磁波以宽频带脉冲形式向地下或进深方向发射。在均匀介质中,电磁波以一定速度传播,当遇到有电性差异的地层或目标体时,如断层、破碎带、溶洞和含水层

图1　GPR原理示意图

等,电磁波便发生反射,返回到地面或探测点,被接收天线R接收并由主机记录,得到从发射经地下界面反射回接收天线的双程走时t.当地下介质的波速已知时,可根据测到t值,并结合对反射电磁波的频率和振幅等进行处理和分析,便可求得目标体的位置、深度和几何形态。

电磁波的传播取决于物体的电性,物体的电性主要有电导率μ和介电常数ε,前者主要影响电磁波的穿透深度;在电导率适中的情况下,后者决定电磁波在该物体中的传播速度。因此,所谓电性界面也就是电磁波传播的速度界面。不同的地质体(物体)具有不同的电性,因此,在不同电性的地质体的分界面上,都会产生反射。地质雷达在探测中的基本参数描述如下。1.1　电磁脉冲波走时

t=

4z2+x2/v≈2z/v

　　式中:z—勘查目标体的埋深;x—发射、接收天线的距离(式中因z>x,故x可忽略);v—电磁波在介质中的传播速度。1.2　电磁波的传播速度

v=

ccεμrr

≈

εr

　　式中:c—电磁波在真空中的传播速度;ε介质的相对介电常数;μr—介质的相对磁导率(一般μr≈r—

Ξ收稿日期:2007-02-11

作者简介:王贵明(19-),男,贵州贵阳人,工程师,从事公路工程施工和管理工作。

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1).

贵　州　工　业　大　学　学　报　(自然科学版)2007年

1.3　电磁波的反射系数

电磁波在介质传播过程中,当遇到相对介电常数明显变化的地质现象时,电磁波将产生反射及透射现象,其反射和透射能量的分配主要与异常变化界面的电磁波反射系数有关:

r=

(ε2μ2-(ε2μ2+

2

ε(ε1μ1)2-≈2ε(ε1μ1)2+

2

ε1)

2ε1)

　　式中:r—界面电磁波反射系数;ε第一层介质的相对介电常数;ε第二层介质的相对介电常数。1—2—

1.4　地质雷达记录时间和勘查深度的关系

11cz=vt=t

22εr　　式中:z—勘查目标体的深度;t—雷达记录时间。

2　应用实例

现场采用瑞典MALA地质雷达进行探测,采用的主要技术参数为:100MHz非屏蔽天线;天线间距

1.0m.根据实际情况,采用点测和连续扫描两种方式进行探测。2.1　裂隙的地质雷达图像

图2是一裂隙的探测图像,面对掌子面自左向右探测得到。从图中可以看出,出现了连续的反射波界面,反射界面明显,反射面附近波幅显著增强。后经开挖证实,掌子面前方有一条与隧道中心线大角度斜交的压性节理面,并贯穿整个隧道断面,预报结果与实际情况吻合。

图2　裂隙的雷达图像

2.2　断层的地质雷达图像

图3　断层的雷达图像

图3为一断层的探测图像,从图像可以看出,掌子面前方有明显的强反射存在,经过多次测试,重复性极好,图像特征为:界面反射强烈,反射面波幅增强,反射波同相轴的连线为破碎带的位置。后经开挖证实,掌子面前方有一条小断层破碎带和两条节理面与隧道相交,走向与隧道中心线交角接近90°,预报结果与实际情况基本吻合。

2.3　溶洞的地质雷达图像

图4是对隧道侧壁探测的雷达图像。从雷达图像可以看出,探测面前方有明显异常存在,结合地质状况,推断前方为溶洞。后经证实,探测面前方为一充填少量粘土的溶洞。2.4　软弱夹层的地质雷达图像

图5为一软弱夹层的雷达图像。从图中可以看出,在前方8m到9m处,有异常存在,根据异常特征,推断该处可能为不含水裂隙,或产状有变化。在17m到19m处,存在另一处异常,该异常有可能是夹泥薄层或溶洞,后经开挖,17m到19m处为含水夹泥薄层。

第3期王贵明,等:地质雷达在隧道超前地质预报中的应用8　5

图4　溶洞的雷达图图5　软弱夹层的雷达图

3　结束语

1.采用100MHz天线可对掌子面前方30m范围内的地质状况做出较好的判断,不同的不良地质状况,

可能有相似的雷达图像,因此,结合掌子面地质观察,可以提高判断的准确性。2.由于实际隧道开挖过程中,掌子面往往不平整,这不但增加了探测的难度,同时对探测的结果也有一定的影响。

3.探测过程中经常会有干扰因素存在,如隧道台车和装载机等施工机械,因此,如何正确识别干扰,从而得到正确的分析结果至关重要。

4.地质雷达是一种正在不断发展的无损探测技术,对不良地质状况的探测效果良好,但准确率不可能达到百分之百,对雷达图像异常情况的解释判断,需要积累大量的实际经验。

参考文献:

[1]曾昭发,刘四新,王者江,等.探地雷达方法原理及应用[M].北京:科学出版社,2006,207-211.[2]高才坤,郭世明.采用地质雷达进行掌子面前方地质情况预报[J].地质与勘测,2000,(3):11-13.

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ApplicationofGroundPenetratingRadarToGeologicalForecastForTunnelConstruction

WANGGui-ming,PENGTao

(GuizhouExpressWayDevelopmentCorporation,Guiyang550003,China)

Abstract:Theapplicationandseveralexamplesaboutgroundpenetratingradartogeologicalforecastforexpresswaytunnelconstructionaredescribed.SomeexperienceabouttheapplicationofGPRtogeologi2calforecastisobtained.

Keywords:groundpenetratingradar;expresswaytunnel;geologicalforecast