晏露超

(南昌市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江西南昌 330077)

地質(zhì)雷達(dá)在隧道塌方空腔探測(cè)中的應(yīng)用

晏露超

(南昌市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江西南昌 330077)

基于地質(zhì)雷達(dá)的工作原理，討論了探測(cè)隧道塌方空腔的理論和方法，并闡述了使用地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)浙江省某兩條高速公路隧道進(jìn)行塌方空腔探測(cè)的情況，最終表明地質(zhì)雷達(dá)法可應(yīng)用于隧道塌方空腔規(guī)模的預(yù)估。

隧道工程，空腔探測(cè)，地質(zhì)雷達(dá)

0 引言

隧道塌方是指隧道掌子面、隧道兩側(cè)或隧道拱頂出現(xiàn)向下坍落的現(xiàn)象，其中拱頂?shù)奶枯^大時(shí)，會(huì)堵塞成型的洞身，在坍塌體和坍落后的圍巖之間形成空腔。小規(guī)模的塌方在隧道施工過(guò)程中十分常見(jiàn)，而大規(guī)模的隧道塌方則往往造成惡性事故，導(dǎo)致人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。隧道塌方的誘發(fā)因素較多，主要包括不良地質(zhì)及水文條件、施工方法不當(dāng)、設(shè)計(jì)考慮不周、支護(hù)未及時(shí)跟上等等，完全在施工中避免坍塌以現(xiàn)有的施工技術(shù)是很難達(dá)到的。

地質(zhì)雷達(dá)(GPR)法是利用無(wú)線(xiàn)電波檢測(cè)地下介質(zhì)分布和對(duì)不可見(jiàn)目標(biāo)或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部形態(tài)和位置的電磁技術(shù)。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)具有連續(xù)、無(wú)損、高效和高精度等優(yōu)點(diǎn)，目前在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、襯砌與圍巖脫空檢測(cè)、襯砌厚度檢測(cè)、襯砌內(nèi)部鋼筋檢測(cè)及巖溶普查等方面均得到了廣泛的應(yīng)用。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)一般由主機(jī)、發(fā)射天線(xiàn)、接收天線(xiàn)及配套軟件等組成，其中發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)同置一體時(shí)稱(chēng)為屏蔽天線(xiàn)，分體時(shí)則為非屏蔽天線(xiàn)。發(fā)射天線(xiàn)按照確定的方向，將高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式向地下或進(jìn)深方向發(fā)射，在均勻介質(zhì)中，電磁波以一定速度傳播，當(dāng)遇到有電性差異的地層或目標(biāo)體時(shí)，電磁波就會(huì)發(fā)生反射，返回到地面或探測(cè)點(diǎn)，被接收天線(xiàn)接收并由主機(jī)記錄，得到從發(fā)射經(jīng)地下界面反射回接收天線(xiàn)的雙程走時(shí)t(見(jiàn)圖1)。

式中：z——地層分界面或目標(biāo)體的深度;

x——發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)之間的距離;

v——電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

當(dāng)已知介質(zhì)的波速時(shí)，可根據(jù)測(cè)得的時(shí)間t，并對(duì)反射電磁波的頻率和振幅等進(jìn)行處理和分析，即可求得目標(biāo)體的位置、深度和幾何形態(tài)。對(duì)于低頻天線(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用中z遠(yuǎn)大于x，故目標(biāo)體的深度為：

2 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)塌方空腔的方法

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的本質(zhì)是利用不同物體介電常數(shù)的差異，兩種物體介電常數(shù)的差異越大，反射波信號(hào)越強(qiáng)烈，雷達(dá)圖像就越明顯。塌方空腔內(nèi)一般是空氣，空腔下方是坍塌體，腔壁即圍巖，空氣的介電常數(shù)是1，而巖石的介電常數(shù)一般為5～15，兩者之間有著較為明顯的物性差異，電磁波在這兩種介質(zhì)的接觸面上能產(chǎn)生反射信號(hào)。因此，塌方空腔的雷達(dá)回波特征應(yīng)該和地下防空洞、空溶洞相似。

地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)方式分為點(diǎn)測(cè)和連續(xù)測(cè)量，點(diǎn)測(cè)適用于工作環(huán)境惡劣的情況，而連續(xù)測(cè)量要求測(cè)量面較平滑，且需保證天線(xiàn)的勻速移動(dòng)，故探測(cè)塌方空腔時(shí)采用點(diǎn)測(cè)方式較好。

雷達(dá)天線(xiàn)的頻率一般為50～1 200，低頻率的天線(xiàn)探測(cè)深度較深，但精確度不高，常用于隧道掌子面前方的地質(zhì)超前預(yù)報(bào);高頻率的天線(xiàn)探測(cè)深度較淺，但精確度高，一般用于隧道襯砌及路面探測(cè)等。若預(yù)估塌方空腔規(guī)模較大，可選擇100 MHz或150 MHz的天線(xiàn)，如果規(guī)模不大，可選擇400 MHz左右的天線(xiàn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

下面介紹地質(zhì)雷達(dá)在浙江省某兩條高速公路隧道中的塌方空腔探測(cè)情況。隧道1全長(zhǎng)約500 m，地層巖性為中風(fēng)化的云母石英片巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，部分區(qū)域存在破碎帶，地下水較豐富;隧道2全長(zhǎng)約900 m，圍巖為中風(fēng)化的凝灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水主要為風(fēng)化裂隙水。

使用美國(guó)GSSI公司的TerraSIRch SIR 3000地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)，選取100 MHz的屏蔽天線(xiàn)，該天線(xiàn)可以與主機(jī)單元組成控制系統(tǒng)，最大有效探測(cè)深度可達(dá)30 m，采用點(diǎn)測(cè)的方式。

3．1 隧道1塌方空腔雷達(dá)探測(cè)情況

隧道1在施工過(guò)程中遇到節(jié)理裂隙密集帶，拱頂發(fā)生塌方，見(jiàn)圖2，塌方量較大，施工被迫停止。為預(yù)估拱頂塌方大致范圍及規(guī)模，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)拱頂進(jìn)行了探測(cè)。

圖2 隧道1拱頂塌方現(xiàn)場(chǎng)照片

圖3 隧道1拱頂測(cè)點(diǎn)布置示意圖

共在拱頂附近布置了3個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示，采用點(diǎn)測(cè)法。檢測(cè)測(cè)點(diǎn)時(shí)先將100 MHz天線(xiàn)盒正對(duì)隧道前進(jìn)方向，然后向上每轉(zhuǎn)動(dòng)5°～10°即檢測(cè)一次，直到轉(zhuǎn)動(dòng)90°時(shí)天線(xiàn)盒正對(duì)拱頂則檢測(cè)結(jié)束。最終3個(gè)測(cè)點(diǎn)的雷達(dá)檢測(cè)圖像見(jiàn)圖4。

圖4 隧道1拱頂塌方空腔雷達(dá)探測(cè)圖像

從3個(gè)測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果圖可以看出，測(cè)點(diǎn)A和B的圖像比較相似，均是2 m和7 m左右為反射強(qiáng)烈?guī)В? m～7 m之間反射信號(hào)很弱，而測(cè)點(diǎn)C整體反射較均勻，無(wú)突變的強(qiáng)反射信號(hào)。據(jù)此推斷，本次坍塌造成的拱頂上方空腔直徑約為5 m，塌方范圍主要是在掌子面左側(cè)拱頂?shù)纳戏健?/p>

3．2 隧道2塌方空腔雷達(dá)探測(cè)情況

隧道2在遭遇拱頂較大規(guī)模塌方后，進(jìn)行了回填混凝土處理，塌方段開(kāi)挖支護(hù)深入一段距離后，采用了地質(zhì)雷達(dá)對(duì)拱頂進(jìn)行橫向探測(cè)，預(yù)估拱頂上方的空腔規(guī)模，共布置了間隔約5 m的兩條橫向測(cè)線(xiàn)。兩條測(cè)線(xiàn)的雷達(dá)探測(cè)圖像見(jiàn)圖5。

圖5 隧道2拱頂塌方空腔雷達(dá)探測(cè)圖像

兩條測(cè)線(xiàn)雷達(dá)圖像反映的結(jié)果基本一致，即深度4 m～5 m處的連續(xù)強(qiáng)反射為空洞的下界面(靠近拱頂?shù)慕缑?，深度16 m～17 m處的連續(xù)強(qiáng)反射為空洞的上界面(坍塌后的圍巖壁)，因此拱頂上方空腔的高度約為12 m。

4 結(jié)語(yǔ)

1)采用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)隧道塌方空腔的原理和探測(cè)防空洞、空溶洞相似，都是利用空氣和周?chē)橘|(zhì)(土或巖石)的介電常數(shù)差異使電磁波在兩種物體的界面產(chǎn)生反射信號(hào)。

2)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的成功應(yīng)用除了保證高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)采集外，還必需靈活應(yīng)用分析處理技術(shù)，如速度拾取，提取瞬時(shí)振幅、相位、頻率，頻譜分析等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3)對(duì)規(guī)模較大的塌方應(yīng)采用低頻率天線(xiàn)，以增加探測(cè)深度;對(duì)規(guī)模較小的塌方可適當(dāng)選用高頻率天線(xiàn)以提高探測(cè)精度。

4)采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道塌方空腔進(jìn)行探測(cè)時(shí)，其精確度受工作環(huán)境、測(cè)點(diǎn)測(cè)線(xiàn)的布置和探測(cè)方法的影響，尚待進(jìn)一步的研究和工程實(shí)踐。

5)地質(zhì)雷達(dá)作為一種日趨完善的無(wú)損探測(cè)技術(shù)，與其他物探方法一樣，依然存在不確定性，故對(duì)雷達(dá)圖像的分析判斷，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件和工程環(huán)境。

［1］李曉紅．隧道新奧法及其量測(cè)技術(shù)［M］．北京：科學(xué)出版社，2002．

［2］楊 耀，羊春華，曾 國(guó)．探地雷達(dá)在隧道巖溶普查中的應(yīng)用［J］．物探與化探，2010，34(3)：411-414．

［3］由廣明，劉學(xué)增，汪成兵．地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］．公路交通科技，2007，24(8)：92-95．

［4］余中明，丁 強(qiáng)．地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)工程的幾個(gè)問(wèn)題［J］．地質(zhì)找礦論叢，2006，21(sup)：183-184．

［5］郭偉海，林才奎，方建勤．典型超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段的適應(yīng)性研究［J］．公路，2010(6)：235-236．

Application of Ground Penetrating Radar to cavity detecting for tunnel’s collapse

YAN Lu-chao

(Nanchang Building Design Institute Co．，Ltd，Nanchang 330077，China)

Based on the working principle of Ground Penetrating Radar，the theory and the method of cavity detecting for tunnel’s collapse are discussed，besides，the condition of using GPR to detect cavity caused by collapse is described，finally，the results show that by using the Ground Penetrating Radar，the dimensions of tunnel’s collapse can be estimated．

tunnel engineering，cavity detecting，Ground Penetrating Radar

U456．3

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.056

1009-6825(2013)10-0159-02

2013-01-12

晏露超(1985-)，男，碩士，助理工程師