向亮星

0 引言

近年我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入不斷增大，全國各地的高速鐵路、公路和地鐵建設(shè)進入一個新的時期，而這當(dāng)中隧道工程數(shù)量巨大。隧道施工時，掌子面前方的斷層、軟弱巖層、溶洞等不良工程地質(zhì)條件都是很常見的工程地質(zhì)問題。

隧道開挖前，利用有效物探方法作超前預(yù)報是解決問題的有效途徑。目前隧道超前預(yù)報采用較多的是地震波、雷達探測與地質(zhì)研究相結(jié)合的辦法。地震預(yù)報距離為掌子面前100 m左右，地質(zhì)雷達預(yù)報在20 m～30 m范圍內(nèi)。地震法通常都要放炮作為震源，相比之下地質(zhì)雷達設(shè)備簡單、測量快速、精度高、抗干擾能力強。

1 地質(zhì)雷達基本原理及探測深度、精度

地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR，也稱探地雷達)是利用高頻電磁脈沖波的反射探測地下目的體分布形態(tài)及特征的一種地球物理勘探方法。發(fā)射天線(T)將信號送入地下，遇到地層界面或目的體反射后回到地面再由接收天線(R)接收電磁波反射信號，通過對電磁波反射信號的時域特征和振幅特征進行分析來了解地層或目的體特征(見圖1)。

電磁波遇到不同介電特性的介質(zhì)會有部分電磁波能量返回，其反射系數(shù)R為:

由上式可知，電磁波在反射系數(shù)取決于介質(zhì)的相對介電常數(shù)，介電常數(shù)差異越大，雷達波形越清晰。

空隙中空氣的相對介電常數(shù)為1;軟弱夾層(黏土)在9～14之間;水為81;礫巖在4～6之間。幾者間的相對介電常數(shù)差異較大，這為雷達方法作超前預(yù)報提供了較好的地球物理前提。

電磁波在介質(zhì)中傳播的路徑——波形將隨所通過介質(zhì)的電性及幾何形態(tài)而變化，根據(jù)接收到波的旅行時間(亦即雙程走時)、幅度、頻率與波形變化資料，可以推斷介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及目標(biāo)的深度、形狀等，利用電磁波在介質(zhì)中的波速和旅行時間可以計算介面深度(h=v×t/2)。當(dāng)發(fā)射天線沿欲探測物表面移動時就能得到其內(nèi)部介質(zhì)剖面圖像。反射脈沖的信號強度與界面的波反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的波吸收程度有關(guān)。

影響地質(zhì)雷達的預(yù)報深度、分辨率這兩個重要指標(biāo)的因素包括兩方面。內(nèi)在因素主要是指探測對象所處環(huán)境的電導(dǎo)率，介電常數(shù)等因素。相對介電常數(shù)隨介質(zhì)中的含水量變化而急劇變化，含水少的介質(zhì)其值較大。外在因素主要與探測所采用的頻率，采樣速度等探測方法有關(guān)。通常只有外在因素才具有選擇性。在實際應(yīng)用中必須綜合考慮這些因素，采用適當(dāng)?shù)姆椒夹g(shù)。

探測時所采用的天線中心頻率稱為探測頻率。而其實際的工作頻率范圍是以探測頻率為中心的頻帶。當(dāng)中心頻率 f一定時，在特定介質(zhì)中傳播速度 V也已知，根據(jù)公式 λ=V/f，波長也是定值。當(dāng)?shù)刭|(zhì)體層厚小于1/4波長時，反射波不能反映中間層，所以探測頻率決定了探測的分辨率。同時，介質(zhì)對高頻波吸收快，低頻波吸收慢。所以頻率越高，探測深度越淺，分辨率越高，頻率低時則相反。所以超前預(yù)報要選用的頻率來滿足探測深度和精度(分辨率)兩方面的要求。一些基于經(jīng)驗的探測深度、分辨率與中心頻率的關(guān)系見表1。經(jīng)綜合考慮，超前預(yù)報常選用中心頻率為100 MHz的天線(也可選配其他合適頻率天線作輔助測量)。

表1 經(jīng)驗探測深度、分辨率與天線中心頻率的關(guān)系

2 工程應(yīng)用

對某個掌子面有兩種測量方式:連續(xù)測量和點測(見圖2)。因為儀器天線要求緊貼洞壁和掌子面，在掌子面不平整時常采用點測法。

雷達測試資料的解釋是根據(jù)現(xiàn)場測試的雷達圖像，對測試的圖像進行異常分析。根據(jù)異常的形態(tài)、特征及電磁波的衰減情況對測試范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進行推斷解釋。一般來說反射波越強則前方地質(zhì)情況與掌子面的差異就越大。

杭瑞高速公路涼水井隧道里程K11+492處雷達探測圖像，在掌子面前方0 m～20 m范圍內(nèi)，巖性為中厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，受到節(jié)理裂隙影響，巖層破碎、充泥、夾泥，有少量裂隙水，拱頂部開挖線附近圍巖裂隙間泥質(zhì)物充填，判定圍巖類別為Ⅲ類。

根據(jù)雷達探測結(jié)果，結(jié)合掌子面的地質(zhì)情況，建議建設(shè)單位在K11+492～K11+472可按Ⅲ類圍巖支護施工。K11+482～K11+477段注意弱爆破、加強超前支護、防止拱頂坍塌。

最終掌子面掘進到K11+482處，巖層破碎充泥，掌子面滲水，圍巖穩(wěn)定性差，與圖像及我方預(yù)報結(jié)果基本吻合(見圖 3)。

3 應(yīng)注意的問題

探測過程中要注意，原則上探測盡量靠近掌子面軸心位置，測線距離盡可能長，盡可能多采集數(shù)據(jù)，便于后期數(shù)據(jù)分析處理。

100 M天線的長軸方向與電纜線要垂直，成90°角。電纜不能與天線平行，不能在天線上面過，也不能在天線下面過。主機系統(tǒng)放置在3 m～5 m范圍以外。電纜不能繞圈，防止線圈產(chǎn)生交變電磁場干擾。整套雷達系統(tǒng)應(yīng)防止強電磁干擾。遠(yuǎn)離電線電纜線一定距離。

波速 V是不穩(wěn)定的，判讀一般都有一定誤差，需要在圍巖掘進后不斷的檢驗、修正。

4 結(jié)語

由于物探成果的多解性，數(shù)據(jù)的判讀很關(guān)鍵，但也是一個世界性難題。所以應(yīng)結(jié)合隧道所處地質(zhì)條件和隧道工程特點，通過試驗科學(xué)制定地質(zhì)預(yù)報方案，采取多種超前預(yù)報方法結(jié)合，中長期與短期預(yù)報相結(jié)合，地質(zhì)分析與物探技術(shù)、超前鉆探技術(shù)相結(jié)合的多種預(yù)報方法，相互印證，將不同手段得到的結(jié)果進行比較分析綜合，通過信息反饋不斷改進和選擇預(yù)報方法，使預(yù)報方法優(yōu)化組合，以得到最佳的預(yù)報效果。

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