楊 君 金愛兵 北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院

地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用

楊 君 金愛兵 北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院

簡述地質(zhì)雷達(dá)的工作原理，并介紹賜兒山隧道的地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報的測線布置、探測技術(shù)參數(shù)等。通過對地質(zhì)雷達(dá)掃描圖像的研究和分析，以及與隧道掌子面開挖后的實際地質(zhì)情況作對照，指導(dǎo)該隧道掌子面的開挖，并進(jìn)一步證明地質(zhì)雷達(dá)在隧道掘進(jìn)時能準(zhǔn)確地探測掌子面前方圍巖狀況，從而有效避免事故的發(fā)生。

地質(zhì)雷達(dá)；超前預(yù)報；掌子面

地質(zhì)勘探資料是隧道設(shè)計時的基本依據(jù)，由于勘測時受技術(shù)，氣候，經(jīng)濟(jì)等諸多條件的限制，往往在施工時發(fā)現(xiàn)實際情況與勘察設(shè)計不符。因此，在地質(zhì)條件復(fù)雜時，超前地質(zhì)預(yù)報能準(zhǔn)確地預(yù)測掌子面前方的地質(zhì)情況，使施工人員能靈活調(diào)整，避免發(fā)生災(zāi)害，確保施工安全。地質(zhì)雷達(dá)探測法具有探測速度快、非接觸、非破壞性探測、分辨率高、可直接獲得低下剖面圖、可進(jìn)行資料的實時成像處理、不影響施工等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于超前地質(zhì)預(yù)報。

1 地質(zhì)雷達(dá)的工作原理

地質(zhì)雷達(dá)方法是一種能確定地下介質(zhì)分布狀況的電磁波法。其原理是利用發(fā)射天線把高頻電磁波以寬頻脈沖的形式定向送入地下。當(dāng)電磁波遇到不同介電常數(shù)或電導(dǎo)率亦或是磁導(dǎo)率的介質(zhì)分層面時，電磁波會發(fā)生反射，反射波由接收天線接收并由主機記錄。通過對反射波的振幅特征、相位特征以及時頻特征進(jìn)行處理，結(jié)合地質(zhì)資料和對現(xiàn)場的觀察對目標(biāo)進(jìn)行地質(zhì)描述。

2 監(jiān)測技術(shù)設(shè)計

（1）側(cè)線布置

隧道掌子面雷達(dá)探測布線如圖1所示：在開挖地面上方2 m處，從左邊墻向右邊墻方向布置一條水平測線。探測結(jié)果可預(yù)測掌子面前0 m~20 m進(jìn)深范圍內(nèi)的不良地質(zhì)、水文地質(zhì)、斷層及其破碎帶、圍巖類別及其穩(wěn)定性狀況。地質(zhì)條件復(fù)雜時，可加密雷達(dá)側(cè)線。

圖1 賜兒山1#隧道掌子面測線布置圖

（2）探測方法和參數(shù)選取

本次測量采用連測法。其參數(shù)選取如下，972 MHz采樣頻率，512采樣點數(shù)，自動疊加，0.12 m觸發(fā)間距。

3 在賜兒山隧道中的應(yīng)用

3.1 工程概況

賜兒山隧道所在區(qū)域位于華北平原與內(nèi)蒙古高原過渡帶的冀西北山地邊緣，本項目采用單洞對向行車布置方案，按二級公路兩車道雙向行車標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計速度為60 km/h，隧道建筑限界凈寬為12.5 m，建筑限界凈高為5.0 m。隧址區(qū)總體處于中低山與丘陵區(qū)，南臨張家口斷陷盆地。山體坡度陡緩不一，大多數(shù)山體斜坡為25°~40°。受節(jié)理密集帶和較大型斷裂切割地段，形成較長沖溝，地形起伏變化較大，海拔高度的變化值為（按線路走向）：790~1010~850~950~830m，最大相對高差220m。

3.2 現(xiàn)場實施

現(xiàn)場儀器采用瑞典RAMACCUIII型探地雷達(dá)，100 MHz屏蔽天線?，F(xiàn)在隧道采用上下臺階開挖。此次實驗在賜兒山1#隧道掌子面進(jìn)行，探測掌子面里程樁號為K1+560，探測范圍K1+560~ K1+540（面向小里程方向）。

3.3 地質(zhì)預(yù)報相關(guān)成果與分析

掌子面觀測：開挖處斜坡地貌，表層覆蓋有第四系松散坡積土，圍巖為強風(fēng)化～中風(fēng)化凝灰?guī)r，節(jié)理發(fā)育，夾雜質(zhì)，多沿開挖界面處分布，掌子面中央部位巖體完整性相對較好，局部破碎（賜兒山1#隧道掌子面圍巖地質(zhì)情況見圖2）。

圖2 賜兒山1#隧道掌子面圍巖地質(zhì)照片

圖3 賜兒山1#隧道掌子面雷達(dá)探測剖面圖

圖3為雷達(dá)縱剖面圖，結(jié)合掌子面情況，可得到以下分析結(jié)果：

（1）在掌子面前方0 m～6 m（時間深度0 ns～60 ns）的范圍內(nèi)

存在數(shù)條較強反射信號，信號以中高頻信號為主，表示該區(qū)域內(nèi)相對較為干燥；振幅大，表示該區(qū)域內(nèi)介質(zhì)差異變化較大，裂隙充填情況較多，且充填質(zhì)巖性與圍巖相差較大。信號同相軸連續(xù)，存在明顯的層狀連續(xù)波形，揭露圍巖整體性較好，裂隙呈層狀規(guī)律分布。

（2）在掌子面前方6 m～12 m（時間深度60 ns～120 ns）的范圍內(nèi)

反射信號以中高頻信號為主，圍巖干燥；振幅小，僅存在極少量的強振幅信號，表示該區(qū)域內(nèi)介質(zhì)差異較少，裂隙及裂隙充填情況較少；仍可見到明顯的同相軸連續(xù)特征，推斷為貫通裂隙，但表明該裂隙填充較少，圍巖整體性較好。

（3）在掌子面前方12 m～20 m（時間深度120 ns～200 ns）的范圍內(nèi)

反射信號以高頻信號為主，揭示圍巖的干燥特點；同相軸雜亂無序，表明本區(qū)域圍巖相對破碎，裂隙分布雜亂呈無序狀，整體性較差；信號振幅較強，初步推斷該區(qū)域內(nèi)圍巖介質(zhì)差異較大，多為破碎圍巖與裂隙間軟弱充填雜質(zhì)無序分布所致。

綜合超前地質(zhì)預(yù)報圖可得出，本探測區(qū)段圍巖差異較大，淺部圍巖整體性較好，但裂隙充填雜質(zhì)較多；中部圍巖整體性好，充填少；深部圍巖整體性較差，裂隙分布雜亂，且多為充填裂隙。

3.4 結(jié)論

結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)圖像分析結(jié)果和進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報探測時的掌子面圍巖情況進(jìn)行綜合分析，可推斷前方圍巖干燥、深部圍巖整體性較差、裂隙充填質(zhì)較多。但通過觀測可知之前所揭露的軟弱夾層對圍巖仍存在影響。隧道施工時應(yīng)認(rèn)真做好超前支護(hù)工作，密切注意拱頂及左右拱肩范圍內(nèi)圍巖穩(wěn)定性；開挖時應(yīng)嚴(yán)格堅持小進(jìn)尺開挖，盡量減少掘進(jìn)過程對圍巖的擾動，開挖后及時支護(hù)，超挖部分務(wù)必按規(guī)范要求進(jìn)行及時有效處理，防止拱后脫空、噴漿不密實等現(xiàn)象，預(yù)防可能發(fā)生的冒落、塌方等地質(zhì)災(zāi)害。

4 結(jié)束語

（1）地質(zhì)雷達(dá)對裂隙帶、斷層破碎帶、富水帶等不良地質(zhì)體有明顯的反映。

（2）通過與實際揭露的掌子面情況對比，結(jié)合掌子面觀測的地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測技術(shù)在地質(zhì)條件較復(fù)雜的情況下，能有效地指導(dǎo)施工。

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責(zé)任編輯：許耀元

來稿日期：2015-08-25