章飛亮 趙 鵬

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

探地雷達(dá)在油竹山隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

章飛亮 趙 鵬

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300133)

以貴廣高速鐵路中的油竹山隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測(cè)工作為例，將探地雷達(dá)預(yù)報(bào)成果與超前地質(zhì)鉆孔成果進(jìn)行對(duì)比，顯示了預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性，指出探地雷達(dá)作為一種快速高效、高分辨率的無(wú)損探測(cè)技術(shù)，在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中得到了廣泛應(yīng)用。

探地雷達(dá)，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，隧道，掌子面

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，新建的隧道工程越來(lái)越多。在隧道施工過(guò)程中，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，有很多潛在的、無(wú)法預(yù)知的地質(zhì)因素，如溶洞、斷層、地層破碎帶、富水巖層等。如果不能預(yù)見(jiàn)隧道掌子面前方的不良地質(zhì)情況，則可能在隧道掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)塌方等地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致人身傷亡，工期延誤，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，提前發(fā)現(xiàn)掌子面前方的地質(zhì)變化情況，為施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，及時(shí)采取相應(yīng)的施工措施，降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的幾率，保障隧道施工的安全是非常重要的。目前常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有工程地質(zhì)調(diào)查與推斷法，超前鉆探法，地震多波多分量反射法(Tunnel Seismic Predication)，探地雷達(dá)法(Ground Penetrating Radar)等[2，3]，而探地雷達(dá)因具有掃描速度快、操作簡(jiǎn)便、重量輕、分辨率高、屏蔽效果好、圖像直觀等優(yōu)點(diǎn)而在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中得到廣泛的應(yīng)用。

1 工作原理

雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。波形的正負(fù)峰分別以黑、白色表示，或者以灰階或彩色表示。這樣，同相軸或等灰度、等色線即可形象地表征出地下反射面。圖2為波形記錄的示意圖。圖上對(duì)照一個(gè)簡(jiǎn)單的地質(zhì)模型，畫(huà)出了波形的記錄。在波

形記錄圖上各測(cè)點(diǎn)均以測(cè)線的鉛垂方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)剖面。

在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，電磁波在向掌子面前方傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到電性差異的目標(biāo)體(裂隙、巖溶和富水層等)時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)通過(guò)接收天線接收。然后對(duì)獲得的地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，依據(jù)雷達(dá)波形，電磁場(chǎng)強(qiáng)度，振幅和雙程走時(shí)等參數(shù)，推斷掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造。

2 工作方法與技術(shù)

2.1 天線中心頻率的選擇

2.2 測(cè)線布置及信號(hào)觸發(fā)方式選擇

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)主要用于巖溶探測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集在施工揭露的掌子面或底板、邊墻巖體上進(jìn)行。為了盡量少采集數(shù)據(jù)占用施工時(shí)間，按施工現(xiàn)場(chǎng)的具體地質(zhì)變化情況布置測(cè)線。由于在掌子面上部人工移動(dòng)雷達(dá)天線困難，掌子面測(cè)線一般情況布置一條測(cè)線；特殊情況下需要在裝載機(jī)斗安裝有操作臺(tái)的裝載機(jī)配合布置十字或井字測(cè)線。本次測(cè)量布線方式如圖3所示，測(cè)線起點(diǎn)面對(duì)掌子面的右側(cè)。由于隧道掌子面寬度相對(duì)來(lái)說(shuō)比較窄，可能出現(xiàn)凹凸不平等不利條件，選擇自動(dòng)連續(xù)測(cè)量對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量影響大，一般采用鍵盤(pán)觸發(fā)方式測(cè)量，即通過(guò)電腦鍵盤(pán)發(fā)出指令給雷達(dá)控制系統(tǒng)，按一下鍵盤(pán)采集一道數(shù)據(jù)，天線按固定間距移動(dòng)，移動(dòng)一次采集一道數(shù)據(jù)。

2.3 探地雷達(dá)圖像特征

隧道超前預(yù)報(bào)主要是確定掌子面前方的構(gòu)造斷裂、軟弱夾層、巖溶洞穴等分布位置以及掌子面前方地下水情況，巖溶洞穴填充物及其性質(zhì)的預(yù)報(bào)等。幾種主要的探地雷達(dá)圖像特征如下：

1)完整的巖體電磁波基本沒(méi)有反射信號(hào)，但往往由于風(fēng)化及含水率等影響，在巖體內(nèi)部會(huì)有些微弱的信號(hào)反射，其表現(xiàn)出來(lái)的特征就是一些中高頻的反射信號(hào)，整個(gè)范圍內(nèi)頻率變化小，同相軸連續(xù)且均一、平行，信號(hào)的振幅弱;

2)斷裂破碎帶的信號(hào)一般呈現(xiàn)不均勻的低頻和中頻特征，信號(hào)頻率在斷層破碎帶位置急劇變化，沒(méi)有規(guī)律性，同相軸不連續(xù)，存在錯(cuò)段，呈帶狀區(qū)域化雜亂分布，信號(hào)振幅較強(qiáng);

3)充填型巖溶的電磁波反射信號(hào)呈現(xiàn)出來(lái)的是均勻的低頻信號(hào)，頻率有規(guī)律的急劇變化，同相軸較為連續(xù)、規(guī)律，波形均一，信號(hào)振幅強(qiáng)，且存在多次震蕩信號(hào)。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

油竹山隧道全長(zhǎng)9 896m，位于貴州省黔南州貴定縣與都勻市交界處，地處苗嶺山脈的腹部區(qū)，隧區(qū)主山體呈東西走向，支脈向南北方向展布，線路與主山體走向一致。隧道區(qū)地貌受構(gòu)造及巖性控制明顯，兼有溶蝕、剝蝕類(lèi)型，屬低中山山地地貌。最高點(diǎn)為轎子頂，海拔1 762.5m，最低點(diǎn)是隧道進(jìn)出口端的沖溝，高程約有970m。地形起伏較大，相對(duì)高差350m～750m。本隧道通過(guò)可溶巖地段且洞身發(fā)育多條斷層，可能遇大型溶洞、大段溶蝕破碎帶、大型儲(chǔ)水溶巖管道，給施工安全帶來(lái)嚴(yán)重隱患并可能造成災(zāi)害性的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。

3.2 探測(cè)結(jié)果

圖4是使用RAMAC/GPR地質(zhì)雷達(dá)100MHz主頻天線采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)，采集頻率995MHz,采集點(diǎn)數(shù)為512，天線間隔1m,采樣間隔0.1m；圖5是相對(duì)應(yīng)的地質(zhì)解釋成果圖。具體的預(yù)報(bào)結(jié)果如下:

掌子面前方探測(cè)范圍P1K82+906～P1K82+936段巖體破碎，溶蝕作用強(qiáng)烈發(fā)育，掌子面中部可見(jiàn)巖溶發(fā)育，為泥質(zhì)填充，大股狀出水，涌水量在10m3/h～12m3/h之間。

1)其中在P1K82+906～P1K82+909段推測(cè)為巖溶發(fā)育，泥質(zhì)填充，溶蝕作用強(qiáng)烈發(fā)育，巖體破碎，為富水體；

2)在P1K82+911～P1K82+913段巖體為溶蝕破碎帶，發(fā)育有小型溶腔的可能性較大，此外在P1K82+915處發(fā)育有一小型溶槽，泥質(zhì)填充，富水；

3)在P1K82+918～P1K82+935段整體較破碎，發(fā)育為一大型巖溶管道的可能性極大，溶蝕作用強(qiáng)烈發(fā)育。

4 超前地質(zhì)鉆孔結(jié)果對(duì)比

在隧道P1K82+906掌子面進(jìn)行了超前地質(zhì)水平鉆探作業(yè)，共鉆3孔，其中1號(hào)孔深為30m，2號(hào)孔深為30m，3號(hào)孔深為21m，超前鉆孔終孔里程位置為30m。

通過(guò)鉆孔情況，基本了解了該段的地質(zhì)情況(見(jiàn)圖6)。

1)P1K82+906～P1K82+936巖性為白云巖，其中P1K82+906～P1K82+925巖體較破碎～破碎，巖溶作用發(fā)育，地下水發(fā)育，P1K82+910，P1K82+917，P1K82+921，P1K82+924四處水量分別約為20m3/h，20m3/h，25m3/h，20m3/h。P1K82+925～P1K82+936段巖性為白云巖，巖體較完整，地下水不發(fā)育。

2)P1K82+910～P1K82+911段發(fā)育溶蝕管道，富水，直徑約1m。P1K82+916～P1K82+917段隧洞左側(cè)發(fā)育溶蝕管道，富水，直徑約1m。P1K82+920～P1K82+923段隧洞左側(cè)發(fā)育一溶洞，洞徑大于3m，洞內(nèi)富水，有泥沙充填。

由此可見(jiàn)，超前地質(zhì)鉆孔結(jié)果與探地雷達(dá)的預(yù)報(bào)結(jié)果基本吻合。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)的圖像處理和解釋可知，完整巖體與溶洞、斷裂破碎帶及富水帶巖體之間存在明顯的電性差異，具有較好的地球物理探測(cè)條件，因此，我們?cè)谒淼谰蜻M(jìn)過(guò)程中采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)掌子面前方的不良地質(zhì)體是可行的。

通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)成果與超前地質(zhì)鉆孔結(jié)果的對(duì)比，地質(zhì)雷達(dá)對(duì)不良地質(zhì)體(巖溶、斷裂破碎帶和地下水發(fā)育等)的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度較高。這為隧道的施工提供了可靠的掌子面前方不良地質(zhì)體基礎(chǔ)資料，減少施工過(guò)程中因圍巖條件的變化而引起的安全事故的發(fā)生。

[1] 李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社,1994.

[2] 何發(fā)亮,李蒼松.隧道施工期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2001,38(3):12-16.

[3] 趙永貴,劉 浩,孫 宇.隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展,2003,18(3):460-464.

[4] 鄭維忠.地質(zhì)雷達(dá)原理及其在隧道超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].山西建筑,2007,33(24):308-309.

[5] 李學(xué)明.隧道工程中探地雷達(dá)空洞探測(cè)機(jī)理研究與應(yīng)用[J].山西建筑，2011，37(21)：162-163.

Application of Ground Penetrating Radar to geological forecast for Youzhu mountain tunnel construction

ZHANG Fei-liang ZHAO Peng

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd,Tianjin300133,China)

In this paper, the Youzhu mountain tunnel of Guiyang-Guangzhou high-speed railway geological prediction example, compared with the GPR results and geological drilling forecast results, illustrates the prediction accuracy of the results, point out Ground Penetrating Radar(GPR) as a fast and efficient, high-resolution non-destructive detection technology has been widely used in tunnel geological prediction.

Ground Penetrating Radar, tunnel geological prediction, tunnel, tunnel face

1009-6825(2014)03-0194-03

2013-11-13

章飛亮(1985- )，男，助理工程師； 趙 鵬(1983- )，男，工程師

U455

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