地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用.pdf

第 2 4 卷第 8 期 2 0 0 7 年 8月 公路交通科技 J o u r n a l o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t a ti o n R e s e a r c h a n d D e v e l o p me n t Vo 1 ． 2 4 No ． 8 Au g．2 0 07 文章编号 1 0 0 2 - O 2 6 8 2 1 3 0 7 0 8 - 0 0 9 2 0 4 地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用 由广明 ，刘学增 ，汪成兵 1 ． 同济大学地下建筑与工程系，上海2 0 0 0 9 2 ；2 ． 上海同岩土木工程科技有限公司，上海2 0 o 0 9 2 摘要首先，介绍了地质雷达的工作原理及其探测方案和探测技术参数的确定原则。其次，采用瑞典 M A I A公司的 R A MA C ／ G P R通用型主机 C UⅡ，同时结合掌子面地质素描 ，对某高速公路的3条隧道进行超前地质预报。根据现场工 作条件及探测精度和深度的要求，测线布置采用 “ 十”形测线，测量方式采用点测方式，测点间距为2 0 a m，天线 中 心频率主要采 用 1 0 0 MH Z 。结果表 明，采用该方法对断层、溶洞 、含水 裂隙和软 弱 夹层 等不 良地质状 况的预测基本符 合掘进 实际 ，保证 了施 工安全 、加快 了工程进 度 ，同时为地质 雷达在公路 隧道超 前地质预 报 中的应 用积 累 了一些 经 验 。 关键 词隧道 工程 ；超前地质预报 ；地质雷达 ；公路 隧道 ；工程地质 中图分类号U 4 5 9 2 文献标识码A A p p l i c a t i o n o f Gr o u n d P e n e t r a t i n g Ra d a r t o Ge o l o g i ca l F o r e c a s t f o r E x p r e s s wa y T u n n e l Co n s t r u c t i o n YOU Gu a n g - mi n g ， L I U Xu e ～ z e n g 2 ， WANG C h e n g - b i n g ’ 1 ． D e p a r t m e n t o f G e o t e c h n i c al E n g i n e e ri n g ，T o n g ji U n i v e r s i t y ，S h a n g h 2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ； 2 ． S h a ng h ai T o n g y an C i v i l E n gi n e e ri n g T e c h n o l o g y C o ． L t d ，S h ang h a i 2 0 0 0 9 2 ，C hi n a A b s t r a c t F i r s t ，t h e w o r k i n g p ri n c i p l e o f g r o u n d p e n e t r a t i n g ra d a r G P R a n d t h e m e t h o d t o c o n fi r m th e t e c h ni c al p a r a m e t e r s a r e i n t r o d u c e d ． S e con d ，th e g e o l o gi c al c o n d i ti o n s o f 3 t u n n e l s o f an e x p r e s s w a y a r e f o r e c a s t ed b y u s i n g C U l l g r o u n d p e n e t r a t i n g r a d a r and g e o l o g i c al s k e t c h me tho d ． C r o s s s u r v e y l i n e ，po i n t d a t a c o l l e c t i o n a t 2 0 a m i n t e r v als an d ant e n n a o f 1 0 0 MI - I z a r e u s e d a c c o r d i n g t o t h e w o r k i n g c o n dit i o n ，the a c c u r a c y a n d d e p th r e q u i reme n t ． T h e r e s ult s s h o w t h a t t h e f o r e c ast o f f a u l t f rac t u r e ， l i me s t o n e c a v e ， fi s s u r e an d f e e b l e s t r a tu m fi t the r e al i t y ． The a c c u r a t e p r e di c t i o n g u a r ant e e d s a f e p r o d u c t i o n ，a c c e l e r a t e d j o b s c h e d u l e a n d a c q u i r e d f a v o r a b l e b e n e f i t ． S o m e e x p e ri e n c e a b o u t th e a p p l i c a t i o n o f G P R t o g e o l o gi c al f o r e c ast i s o b ta i n ed． K e y w o r d s t u n n e l e n g i n e e ri n g ；g e o l o gi c al f o r e c ast ；g r o u n d pen e t r a t i n g r a d ar；e x p r e ss w a y t u n n e l ；e n g i n e e ri n g g e o l o g y 0 前言 隧道施工时 ，对掌子面前方地质情况进行及时准 确的预测，已受到隧道建设者和广大学者的广泛关 注。隧道施工过程中遇到的主要不 良地质情况有溶 洞 、地下暗河 、断层 、破碎带和瓦斯等，对这些不良 地质条件及时准确的预报，不仅可以提前采取相应的 措施以提高隧道施工的工作效率 ，还可以确保施工的 安全进行 。地质雷达 G r o u n d P e n e t rat i n g R a d a r ，简称 G P R 是利用无线电波检测地下介质分布和对不可见 目标或地下界面进行扫描 ，以确定其 内部形态和位置 的电磁技术⋯。其特点是快速便捷 、分辨率高 、无损 伤 、探测和处理数据速度快 、不影响施工 ，对上述不 良地质条件有较好的探测结果[ 2 - 9 ] 。 1 基本原理 地质雷达l 1 。 。 通过发射天线 图 1 ，按照确定 的方向，将 l M H z 一1 G H z 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 、溶洞和含水层等 ，电磁波便发 生反射 ，返 回到地面或探测点 ，被接收天线 接收 收稿 日期 2 0 0 6 - 0 3 - 0 8 作者简介 E h F - 1 9 7 9 一 ，男，黑龙江鸡东人 ，博 士，从事隧道及地下工程方面的研究 工作 ． h y 7 2 1 6 3 ． c o rn 维普资讯 第 8 期 由广明，等地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用 9 3 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 f 4 z 2 x2 t ， 1 ， l 1 式中， 为反射体的深度 ； 为发射天线和接收天线 的距离 ； 为电磁波在地下介质中的传播速度 。 地表面 反射界面 图 1 G P R原理不意 图 F i g ． 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f GP R 图 1 中，T为发射天线 ；R为接收天线 ；￡为介 质介电常数 ；P为电导率。 当地下介质的波速已知时，可根据测到的精确值 t ，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 。对 于低频天线 ，在实际应用当中 ，故反射体 的深 度近似为 t v ／ 2 。 2 地质雷达天线有屏蔽和非屏蔽之分 ，屏蔽天线为 发射天线与接收天线同置一体 ，优点是受外来 因素的 干扰小，缺点是重量大，操作不方便 ；非屏蔽天线为 发射天线与接收天线 分体 ，优点 是重量轻 ，操 作方 便 ，缺点是操作时发射天线与接收天线间距很难始终 保持一致 ，且受外界干扰严重 ，对雷达图像的判断要 有相当的识别干扰的能力。 2 探测方法及技术参数的确定 2． 1 测线布置及测量方式 对于地质超前预报 ，测 线主要布置在掌子面上 ， 根据掌子面的情况 ，常用的布置形式有十形布置和井 字形布置 ，必要时可加密雷达测线以提高探测结果的 准确性。除了在掌子面上布置测线以外，还可根据实 际的地质情况及施工要求 ，在隧道底板和侧壁布置测 线 ，以对隧道周围的地质情况有所了解 。 测量方式有点测和连续测量两种。点测方式是通 过电脑键盘发送信号触发指令给雷达主机 ，每按一次 键盘回车键便可采集一道数据。此种方法的优点是能 够适应掌子面恶劣的工作环境 ，故实际隧道超前预报 中经常采用此法。缺点是要求天线按照固定的距离移 动 ，这样才能保证采集数据的剖面宽度与测线长度一 致。连续测量方式是通过测量轮的滚动或预先设置好 的时间间隔 自动采集数据 。通过预先设置好 的距离 ， 测量轮每滚动该距离 ，便采集一次数据 ，此法要求量 测表面比较光滑 ，以保证测量轮的正常滚动 ，该法比 较适合用于隧道--H检测 。对于时间触发方式 ，当开 始测量后 ，每隔一定的时间间隔便采集一道数据而不 管天线移动与否，因此采用该法时要求天线能够匀速 移动 ，如果掌子面处条件允许 ，也可采用此种探测方 式进行地质超前预报。 2 ． 2 测量参数的选择 地质雷达的测量参数有 中心频率 、发射天线与接 收天线间距 、测点间距 、采样频率 、样点数 、叠加次 数 、时窗等。其中，对探测结果有显著影响的参数为 中心频率 、天线间距和测点间距 。 天线中心频率越高，要辐射同样大小的功率，其 天线尺寸可以做得较小 ，但频率越高 ，能量衰减也就 越大，探测距离就近 ，但其分辨率较高。因此 ，天线 中心频率的选择要考虑的因素为 目标体的深度、目标 体的最小尺寸 或者说所关心 的最小尺寸和天线的 尺寸 。天线 中心频率确定后 ，采样频率 、样点数和叠 加次数可进行相应的选择 。一般采样频率为天线中心 频率的 1 0倍左右 ，最小不低于中心频率的 6倍。 同一地层 ，采用不同的发射 、接收天线间距 ，则 目标体的回波信号强度也不同，因此 ，存在一个使反 射波振幅达到最大的最优天线间距。地层 的电导率不 同，最优发射 、接收天线间距也有所不同。实际探测 时 ，可根据地层条件和场地条件通过试验和经验来选 取最优间距 。 测点间距的选择取决于天线的中心频率和介质的 介 电常数。在进行地质超前预报时 ，选择的测点间距 至少要能保证采集到 4 0道雷达数据 ，以利于雷达图 像的解释。 3 应 用实 例 下面介绍地质雷达在某高速公路 3条隧道的应用 情况。隧道 1 全长 1 9 7 4 I l l ，地质条件 以原结构已基 本破坏的全风化花 岗岩、岩芯破碎的软岩质强风化千 砂岩 、局部岩芯不完整的弱风化千枚状板岩和其他裂 隙发育的岩层为主，且有 5 条构造破碎带穿过隧道， 断层破碎带 内，地 下水较丰 富，并 且局部存在岩溶 水 ，进 口围岩极差。隧道 2全长 1 6 5 5 I l l ，隧道顶板 近岩溶及地表 ，岩溶充填软 塑粘 土，爆破震动 易垮 塌 ，微张 、张扭性 或压扭性 节理发育 ，受力极 易打 开 ，局部发育溶蚀空洞或沟缝 ，岩芯为部分碎块或碎 石状 ，含少量炭质，具轻微硅化或硅质胶结 ，且含构 维普资讯 公路交通科技 第 2 4 卷 造裂隙破碎带及上下盘。含构造脉状水 ，岩芯破碎 ， 为松散或压碎状镶嵌结构。进 出口均为上部硬塑状 ， 下部软塑，呈蠕动状松散结构的残破积碎石亚粘土 ， 断层破碎带内，地下水较丰富，并且局部可能存在岩 溶水 ，因此 ，地质条件差。隧道 3全 长 1 0 3 9 I l l ，围 岩为蠕动松散结构的淤泥质软土 ，岩层风化强烈 ，以 碎块 、片状为主，手捏易破碎 ，风化节理发育 ，岩石 多切割呈碎石一 碎块状 ，岩石软 ，锤击易碎散 ，坡度 变化起伏 。 现场 采用 瑞典 MA L A地 质 雷达 R A MA C ／ G P R 进行探测 ，主机 为 C UⅡ，采用 的主要技 术参数 为 1 5 0 MH z 非屏蔽天线 ，天线 间距 1 I l l 。 2 1 0 0 M H z屏蔽天线 ；天线间距 0 ． 5 I l l 。记录时间 、叠加次 数和采样率根据天线 中心频率选取 ，并根据实际情况 做适当调整。主要采用点测方式探测 ，条件允许时辅 以连续扫描进行对比检验。 3 ． 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。从图像中可以看出，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 1 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。 0 l o o 2 0 0 3 o o 墨 o o 窖 5 0 0 6 o o 7 o o 8 o o 9 0 0 距离， m 036 9 1 2l 5 匕 囊 喜 暑 ＼ 越 左图为利用采集软件 G r o u n d v i s i o n直接得 到的图像 ； 右图为利用 R e t l e x w软件处理后得到雷达图像 。下同 图 2 掌子面前方为裂隙的雷达图像 № ． 2 R a d a r w a v e o f j o i n t fi s s u r e i n h e a d i n g f a c e a h e a d 3 ． 2 断层的地质雷达图像 地质雷达对断层有较好 的探测效 果 ，如 图 3所 示。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 1 条压 性小断层破碎带和 2条节理面与隧道相交 ，走向与隧 道中心线交角接近 9 o 。 ，预报结果与实际情况基本吻 △ 口0 距离／ 0 369 1 2 l 5 - ． 0 6 O l 2 O 姜1 8 0 2 4 0 3 0 0 3 6 0 4 2 0 0． I 2 0 4 6 8 1 0 0 l 6 3 0 0 1 8 2 U 40 0 2 2 距离， m 4 5 6 7 8 9 1 0I l l 2l 3 图3 掌子面前方为断层的雷达图像 R i g ． 3 R a d a r w a v e o f f a u l t f r a c t u r e i n h e a din g f a c e ah e a d 3 ． 3 溶洞的地质雷达图像 当隧道通过溶洞发育区域时，除了要在掌子面处 探测其前方地质状况外 ，还要对隧道侧壁进行探测 ， 以发现不利于隧道运营的地质状况。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 ，建议施工方及时采取措施以免对隧道后期运营产 生不 良影响。后经证实，探测面前方为一夹少量粘土 的溶洞 。 距离／ m 0 5l 0l 5 2 2 5 3 O a ＼ 囊 墨 距离， m l O l o鑫 醛 2 0 图 4 掌子 面前方为溶洞的雷达图像 f ti g ． 4 R a d ar w a v e o f l i m e s t o n e c a v e i n h e a d i ng f a c e ahe a d 3 ． 4 含水裂隙的地质雷达图像 图 5是一含水裂隙的雷达图像 ，左图为点测得到 的图像，右图为连续探测得到的图像。从雷达图像可 以看出，点测和连续探测结果基本一致。探测时掌子 面为千枚状板岩， 有少量渗水，从图像可以看出，掌 0 加 ∞ 【l ＼ 善絮 L u ／ 魁醛 0 2 4 O 2 4 6 8 m 掩 加 ＼ 窟 ，， 维普资讯 第 8 期 由广明，等地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用 9 5 子面前方地质情况可分为左 、中、右 3个部分。后经 开挖证 实 ，左侧 围岩完 整性相对较好 ，中间有一 夹 层 ，右侧节理裂 隙较发育并有少量滴水 。 - ．0 6 0 l 2 0 要 1 8 0 口 窖 2 4 0 3 0 0 3 6 0 4 2 0 距离／ m 0 3 6 9 0● 2 4 6 ■0 6 0 l 2 0 l 8 3 6 0 2 0 42 0 2 2 时问／ s 0 J 2 2 4 3 6 图 5 掌子面前方为含水裂隙 的雷达 图像 F i g ． 5 R a d a r wa v e o f fi s s u r e c o n t a i n i n g w a t e r i n h e a d i n g f a c e a h e a d 3 ． 5 软弱夹层 的地质雷达图像 图 6为一软弱夹层 的雷达图像 ，面对掌子面 自左 向右探测得到。从 图中可以看出，掌子面前方有明显 强反射存在 ，经反复探测 ，重复性极好。从雷达图像 可 以看出，界面反射强烈 ，连续 性较好 ，1 6 m之后 基本无反射波信号。结合地质观察及地质勘查资料 ， 推断掌子面前方为煤层 。这一探测结果被后来的开挖 观测结果所证实。 距离／ m 距离／ m 0 l 2 3 4 5 6 7 8 图6 掌子面前方为软弱夹层的雷达图像 F i g ． 6 R a d a r w a v e o f f e e b l e s t r a t u m l a y e r i n h e a d i n g f a c e a h e a d E 0 交 聪 4 结 语 1 采用地质雷达探测隧道掌子面前方地质状况 是一种快速便捷 、对施工影响小 的探测方法。 2 在实施探测的同时 ，可对采集到的雷达波形 进行粗略判断 ，如发现异常状况 ，应反复探测并采用 不同的探测方式 点测和连续探测 ，从而确保探测 的准确性。 3 采用 1 0 0 MH z天线可对掌 子面前方 2 0 m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 。 4 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。 5 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。 6 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 ] 李晓红 ． 隧道新奥法 及其 量测技术 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 2． [ 2 ] 吴永 清，何林 生 ． 地质雷达在公路隧道 的应用 [ J ]． 广东公路 交通 ，1 9 9 8 ，5 4 1 1 1 1 1 4 ． [ 3 ] 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 ，2 0 0 0 ，3 1 1 1 3 ． [ 4 ] 唐龙 ，孙 晓宾 ． 应用地质雷达探 测隧道地 质构 造 [ J ]． 山西建 筑 ，2 0 0 1 ，2 7 3 1 4 81 4 9 ． [ 5 ] 万千里 ． 地 质雷 达探测 在大 茅左 隧道施 工 中的 应用 [ J ]． 公 路，2 0 0 2 1 2 1 3 9 1 4 2 ． [ 6 ] 吴俊 ，毛海 和，等 ． 地质雷达在公路隧道 短期地质超 前预报 中 的应用 [ J ]． 岩土力学 ，2 0 0 3 ，2 4 1 1 5 41 5 7 ． [ 7 ] 代高飞 ，夏才初 ，等 ． 地 质雷达在 隧道超前预报 中的应 用[ J ]． 西部探矿工程 ，2 0 0 4 ，9 1 1 61 1 8 ． [ 8 ] 匡文龙 ，古德生 ，等 ． G P R在 高速公路 隧道掘进 中掌子 面前方 岩体结构超前 预报工 作中 的应用[ J ] ． 公 路交通 科技 ，2 0 0 5 ， 2 2 9 1 1 1 1 1 4 ． [ 9 ] 张志龙 ， 王兰生 ， 等 ． 公路 隧道施工超前地 质预报技术方 法研究 现状综述 [ J ] ． 公路 交通科技 ， 2 0 0 5 ， 2 2 9 1 2 61 2 8 ， 1 3 6． [ 1 0 ] 夏才初，潘国荣 ． 土木工程监测技术 [ M]． 北京中国建筑工 业 出版社 ，2 0 0 1 2 4 52 8 0 ． ● g ＼ 醛 4 m 幢 M 加 0 0 0 8 4 0 l 2 3 ∞ u ， 厘窨 E＼ 醛 0 2 4 6 ． 瘤 。 0 2 4 6 8 l 2 2 奠●鏊爨善蘩蘑蟹譬 0 0 O 0 0 0 O 0 6 如 维普资讯