探地雷达在隧道进口段超前探测中的应用.pdf

第 2 5 卷第 5 期 2 0 1 1 年 1 O 月 土 工 基 础 S o i l En g． a n d F ou n d a t i o n V．o 】 ． 2 5 NO ． 5 0c t ． 20 l 1 探地雷达在 隧道进 口段超前探测 中的应用 黄 丹 ，彭晶晶 1 _ 重庆交通大学土木学院 ， 重庆4 0 0 0 7 4 ；2 ． 重庆路威土木工程设计有限公司， 重庆4 0 0 0 6 0 摘要 介绍了探地雷达应用于隧道施工超前探测的工作原理 ， 以隆兴二号隧道超前探测应用为例 ， 采用意大利 I D S 公司生产的 R I S K 2最新型探地雷达进行探测， 结合对地形 、 地貌及掌子面 的观察 、 分析， 综合评价预测段洞 室开挖 的岩土工程地质条件 ， 并以此为依据进行 动态设计 ， 为隧道安全施工提供科学依据。 关键词 探地雷达 ， 隧道工程 ， 超前预报 ， 施工安全 中图分类号 U 4 5 6 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 4 3 1 5 2 2 0 1 1 0 5 0 0 6 9 0 3 1 引言 随着高速 公 路 的迅 速发 展 ， 隧 道 的 修 建 与 日俱 增 ， 在许多 隧道工程 中， 超 前探 测 工作 作 为一 个 重要 的环节始终伴随着整个隧道的开挖。目前 ， 超前地质 预报常用方法 有隧道地 质超 前预 报系统 T S P 、 探地 雷达 G r o u n d P e n e t r a t i n g R a d a r ， 简称 G P R 、 红外探 水等。探地雷达具有无损、 连续、 快速、 高效、 高精度 、 实时成像探测等特点 ， 对在隧道建设过程 中遇到的 溶洞、 地下暗河、 断层、 破碎带和瓦斯等不良地质条件 能 及 时准 确 地进 行 预 报 ， 有 助 于 提前 采 取相 应 的措 施， 从而可以提高隧道施工的工作效率 ， 确保施工的 安全进行 ， 。 2 探地雷达探测原理 探地 雷 达是利 用 高频 聚能 天线 1 0 MHz ～2 GH z 向结 构体 内发 射 电磁 脉 冲波 ， 由接 收 天线 接 收 结构层 内不同介质层 面的反射雷达 回波 ， 根 据介质 电 磁特性的差异对回波的反射特征进行分析 ， 来判定结 构层 的各层 厚度及可 能存 在的缺 陷位 置与形 态 如图 1所 示 。 雷达检测时， 即利用发射天线发射高频宽带电磁 波 ， 当电磁 波遇 到 电性 不 同 的分界 面 时 ， 就 会 产生 反 射 ， 为接 收天线所接收[ 3 ] 。然 后通过 雷达转 换卡将 脉 冲信号转换成数字信号， 并传送给雷达主机； 最后经 过一系列的滤波、 去噪等处理， 得到连续的雷达剖面 ， 收稿 日期2 0 1 I - 0 2 1 0 作者简介 黄丹 ， 研究生。 供人们分析和处理。衬砌与隧道围岩、 围岩中的空洞 或欠密实区、 围岩中的含水区或裂缝 、 衬砌裂缝等均 为良好的反射界面或 目标体。 图 1 探 地 雷 达 工作 原 理 示 意 图 电磁波 在相 同介质 中的传 播速度 是不 变的 ] ， 因此根据探地雷达记录上的地面反射波与地下反射 波的时 间差 △T， 即可 用式 1 算出地下 异常体 的埋藏 深度 H H V △ T／ 2 1 式 中 是 电磁波 在 地下 介 质 中 的传 播 速 度 ， 其 大小 由式 2 表示 V C ／ 2 式 中 C是 电磁 波在 大气 中的传 播 速度 ， 约 为 3 1 0 m／ s c 妇； ￡ 为相对介 电常数 ， 取决 于地下 各层 构成 物质 的介 电常数 。 雷达波反射信号的振幅与反射系数成正比， 在以 位 移 电 流 为 主 的低 损 耗 介 质 中 ， 反 射 系数 r 可表 示 7O 式 中 e 、 e 。 为界面上 、 下介质 的相对介 电常数 。 3 工程 实例 便在后期数据分析处理时更方便地识别异常情况， 指 ⋯ 导隧道动态施工 。此次结合现场 施工 条件 ， 测线 布置 ⋯ 如图 2 所示 ， 3 ． 1 进 口段 掌子面岩性 该隧道 洞 口段 埋深 较浅 、 岩石 破 碎且 地形 平 缓 ， 洞顶边 坡 出现 裂缝 ， 截 水 沟 多 处开 裂 。鉴 于 上 述 情 况 ， 对仁 怀至赤水高速公 路项 目习水 隆兴 二号隧道 左 线进 口段 进 行 了 地 质 超 前 预 测 工作 。掌 子 面 里 程 Z K 6 3 3 6 4 ， 岩性 以灰 岩 为 主 ， 中～ 微 风化 ， 节 理 、 裂 隙发育 ， 块状结 构 ， 掌子 面潮 湿 ， 局 部 渗水 ， 结构 面间 夹 薄层风化产物 ， 整体稳 定性较差 。 3 ． 2雷达主机参数 1 天线频率 采 用了意大 利 I D S公司生产 的 R I S K 2最 新型 探 地雷达 ， 最多 至 8个通 道 ， 可 连接 8对单 天 线 同时 测 量 。该 R I S K 2 控 制单元技术参 数见表 1 。 根据电磁波的传播特性， 频率越高， 脉冲时问越 短 ， 分辨率越 高 ， 探测深度 越浅 。在实 际使 用 时 ， 可 以根 据所 需探 测 深度 ，权衡 选 取 天线 频 率 ] 。此 次 为对 洞 口掌 子 面进 行 高精 度探 测 ， 选 择 2 0 0 MHz 屏 蔽 天线 ， 对深度 1 0 1 5 r n区域进行探测 分析 ， 因此选 定 的雷达 系统 配置满足探测要求 。 表 1 R I s K 2控制单元技术参数 扫 描 速 率8 5 0扫 ／ 秒 脉冲重复频率 时窗 采样点数 叠加数 分辨率 工作温度 A ／ D转 换 动态 范 围 信噪 比 环境标准 2 测线布设 一 般 山岭 隧道 的开挖工作面相对 狭小 ， 探 地雷达 超前预测过程中可采用两横两竖或一横三竖 的布线 方 式Ⅲ 。测线布 设原 则就 是 尽可 能接 近 隧道 掌 子 面 圆心位置 ， 在最 长 的测 线上 采集 到 隧道 围岩数 据 ， 以 图 2 雷达 测 线 示 意 图 3 ． 3测试效果及分析 本 测段范 围 内雷 达反 射波 如 图 3所示 。预报 探 测范 围 Z K6 3 3 6 4 Z K 6 3 3 7 9共计 1 5 m， 从探测 图 像 、 结合地质勘 测资料 ， 可得 以下分 析结果 o o o 2 o o 4 O O 6 OO 8 o o 图 3 地 质 雷 达探 测 灰 度 图 X} m1 距掌子 面 2 ． 0 ～4 ． 0 m 段 即 Z K6 3 3 6 6 ～Z K 6 3 3 6 8 雷达反 射 波较 弱 ， 异 常 波形 不 明显 ， 预计 该 段 围岩特 征与 目前掌子 面情 况基本相 似 ， 岩性 以 白云质 灰岩 为主 ， 呈块 状结 构 ， 整 体 稳定 性 一般 ～ 稍好 。距 掌子 面 0 ． 8 ～2 ． 0 m 范 围 内 即 Z K6 3 3 6 4 ～Z K6 3 3 6 6 有稍强反 射 界 面 ， 预计 该 段 范 围 内节 理 、 裂 隙较 发育 ， 局 部可能 有小 溶洞 。距掌 子 面 4 ． O ～5 ． 5 m 范 围内 Z K6 3 3 7 0 Z K6 3 3 7 1 ． 5 雷达反射波较强 ， 预计 该段 围岩 特征 与 目前 掌子 面会 稍 有不 同， 节理 、 裂 隙较发育 ， 局 部有 溶 隙或溶 洞 ， 或 有 软 弱夹 层 或充 填 物 ， 整体稳定性一般 ～稍差 ， 应谨慎 掘进 。 距 掌子面 6 m 以上范 围内 Z K6 3 3 9 3 ～Z K 6 3 3 9 9 雷达反射 波 较 弱 ， 岩 性 以 白云质 灰 岩为 主 ， 呈块 状结 构 ， 整体稳 定性 一般 ～较 好 ， 雷达 反 射波 波 幅及 相位 变化不大 ， 预计该 范围 内围岩 较连续均匀 。 一 r 为 ～ 第 5 期 黄 丹等 探地雷达在隧道进 口段超前探测中的应用 3 ． 4工程措施 1 在进 刚沲工中从边仰坡 的裂缝发展和规模 、 地质雷达探 测结果分析 ， 宜调 整隧道开 挖及支 护 的施 工工 艺 ， 采用超前 管棚 和 注浆 预加 固处 理 ， 以提 高 围 岩整 体稳定性和减少地 表水沿顶板 的渗 透 。 2 在距 目前 掌子面 4 ． 0 ～5 ． 5 m 范 围 内可 能存 在岩体裂隙， 较有可能与仰坡裂缝贯通 ， 建议在拱脚 加设锁脚锚杆 ， 对坡 脚进行修复 ， 增设抗 滑桩 。 3 由于进 口处拱顶仰坡 的截水 沟 已出现严重 断 裂 ， 建议对原有 截水 沟进 行修 复 和疏 通 ， 并 在 边坡 汇 水处增设排水 沟 。且 应做好施工 防排水 工作 ， 及 时支 护 ， 注意观察 ， 做好监 控量测工作 ， 局部渗水 量较 大 的 区段宜根据实际情况采取缩小钢拱架间距等措施进 行加强处 理 ， 建 议 将 钢拱 架 间距 由 7 5 c m 减 小 为 6 0 cm。 3 ． 5 验证 通过后期 的开 挖验 证 ，隧 道实 际 围岩 展示 的地 质条件与雷达预测结果基本相符。在采用上述工程 措施后 ， 隧道 安全施工长 度 已超过 2 5 m 洞 口段 ， 没 有再发 生初期支护变形 、 仰坡 裂缝 扩展 以及洞 口衬砌 开裂等状 况 。 4 结语 比较 隧道超前 地质预报 的各种方 法发现 ， 探 地雷 达成本低， 干扰小， 操作简单， 分析结果易懂 ， 可以应 用 于整个 隧道掘进过程 。 探地雷 达在贵州 多 山 区以灰 岩为 主要 岩性 的 隧 道探 测 中， 洞 口段选择 2 0 0 MHz 天线 ， 能 很好地 探测 出深度在 1 5 m 以 内的不 良地 质 现象 ， 可 以 比较 准确 地 对掌子面前 方 围岩进 行分 级 ， 为 隧道 动态 施 工 、 安 全施工提供 了科 学依据 。 另外 ， 若测线布 置更 密集 ， 且 多次 测 试 同一 条测 线， 可以更精确全面地探测掌子面前方的地质情况 。 由于隧道施工 、 掌子面 围岩不平 整 、 掌 子面上 方滴水 、 后方大型 台车距 离掌子面较 近等干扰 因素 ， 使 得所 采 集的数据不是很精确， 因此在雷达剖面图中准确识别 干扰需要进行数据处理。这就要求不仅要参考前人 的经验 ， 而且应对 复杂 的地质采取 多种探 测手 段进行 验证 ， 对不 同的探 测手 段结 果 进行 综合 比较分 析 ， 以 实现更准确 ， 更高水平的隧道超前预报。 参 考 文 献 [ 1 ] 韩桂武 ， 王天佑 ， 刘斌等． 地质雷达预报及检测隧道病害 的问题 研究l_ J ] ． 勘察科学技术 ， 2 0 0 7 2 [ 2 ] 赵永贵 ， 刘浩， 孙宇等． 隧道地质超 前预报 研究进展[ J ] ． 地 球物 理 学进 展 ， 2 0 0 3 ， 1 8 3 [ 3 ] 李大心． 探地雷达方法与应用[ M] ． 北京 地质出版社， 1 9 9 4 [ 4 ] 郑文宁． 地质雷达在 隧道施工 短期超 前地质预报 中的应 用[ J ] ． 公路， 2 0 0 5 4 [ 5 ] 邓世坤． 探地雷达用 于深圳 湾软基处 理工程中的质量检 测[ J ] ． 岩土工程学报， 2 0 0 0 ， 2 2 1 E 6 ] 邓世坤。 探地雷达野外工作 参数选择的基本原则[ J ] ． 工 程地球 物理学报 ， 2 0 0 5 ， 2 5 [ 7 ] 陈晓明， 伍毅敏， 朱学坤． 地质雷达在浅埋 隧道覆 盖层地质扫描 中的应用[ J ] ． 公路 ， 2 0 0 8 ． 5 Ap p l i c a t i o n o f GPR i n t h e Ad v a n c e d De t e c t i o n o f S u b s u r f a c e Co n d i t i o n s f o r T u n ne l En t r an c e Ex c a v a t i o n HUANG Da n ，P ENG J i n j i n 1 ．Co l l e g e o f Civ i l En g ine e r i n g，C h o n g q i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，Ch o n g q i n g．4 0 0 0 7 4 2 ．Ch o n g q i n g L u we i Ci v i l E n g i n e e r i n g De s i g n Co ． ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 6 0，Ch i n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e me c h a n i s m o f a p p l y i n g Gr o u n d P e n e t r a t i n g Ra d a r GP Ri n t h e a d v a n c e d d e t e c t i o n o f s u b s u r f a c e c on d i t i o ns i n t he t u nn e l c o n s t r u c t i o n．I n t h i s c a s e h i s t o r y，t he GPR M o d e l RI S - K2 wa s u s e d t o d e t e r mi n e g e ot e c h n i c a l a n d g e ol o gic a l c o n d i t i o n s i n t h e I ． o n g x i n g - 2 t u n n e l e n t r a n c e e x c a v a t i o n ．C o mb i n e d wi t h o t h e r o b s e r v a t i o n s s u c h a s ，t o p o g r a p h i c a l a n d e x p o s e d c o n d i t i o n s a t t he t u nn e l f a c e ，t h e c o n di t i o n s of t he a r e a t O be e x c a v a t e d a r e e v a l u a t e d a nd p r e d i c t e d．Th e a dv a nc e d d e t e c t i o n b v a GPR pr o v i d e s a b a s i s f o r r e a l- t i me d e s i g n o f a s a f e e x c a v a t i o n i n t u n n e l c o n s t r u c t i o n ．Th i s p a p e r s h e d s s o me l i g h t o n t h e e x p e r i e n c e a c c u mu l a t e d i n a pp l y i n g GPR i n t he t un n e l c o n s t r u c t i on ． Ke y wo r d s gr o un d p e n e t r a t i n g r a d a r GPR，t u nn e l e ng i ne e r i n g，a dv a nc e d d e t e c t i o n o f s u bs u r f a c e c on d i t i o n。c o ns t r uc t i o n s a f e t y