鐘彩彩,黃德鏞,陳　雷,江訓譜

(昆明理工大學 國土資源與工程學院,云南 昆明　650093)

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地質(zhì)雷達在通車隧道圍巖探測中的應用

鐘彩彩,黃德鏞,陳雷,江訓譜

(昆明理工大學 國土資源與工程學院,云南 昆明650093)

以昆祿二級公路大普吉隧道為工程背景,針對該通車隧道,給出地質(zhì)雷達在無損檢測應用中的工作方法,主要介紹了地質(zhì)雷達探測的工作原理,包括測線布置、采集參數(shù)設定、現(xiàn)場檢測和后期資料處理解釋。因該隧道通車出現(xiàn)病害,通車前未使用地質(zhì)雷達探測,而地質(zhì)雷達具有方便、成本低、精度高的特點,所以通車后選擇運用21-002188便攜式探地雷達對該隧道圍巖進行掃描分析探測。通過雷達測線剖面了解隧道圍巖的含水分布、富水區(qū)和圍巖松散與破碎等不良地質(zhì)病害隱患,并通過幾幅典型雷達圖像分析了不同異常情況在雷達圖像上的反映。為解決大普吉隧道安全隱患提供及時準確的數(shù)據(jù)資料。

地質(zhì)雷達;通車隧道;圍巖探測

近年來,我國公路、鐵路隧道工程發(fā)展迅猛,尤其是長、大隧道。隧道工程已經(jīng)成為許多線路的控制性工程。隧道的施工質(zhì)量直接影響隧道的工期以及日后道路的安全運營,但是由于隧道的襯砌等工程為隱蔽性工程,在隧道修建完畢、交工甚至通車后再次檢測隧道質(zhì)量時,用常規(guī)的方法很難檢測出其施工質(zhì)量是否符合設計要求。這就需要有一種與傳統(tǒng)質(zhì)量檢測方法完全不同的檢測手段,高效率、全方位地進行檢測,為解決隧道安全隱患及時準確地提供數(shù)據(jù)資料[1-3]。地質(zhì)雷達檢測方法作為目前世界上流行的無損檢測方法,在隧道施工質(zhì)量檢測中有其獨到的優(yōu)勢,其特點是快速、無損、連續(xù)檢測,以實時成像的方式顯示隱蔽結(jié)構(gòu)的剖面,探測結(jié)果一目了然,分析、判讀直觀方便[4-6]。

研究主要介紹了地質(zhì)雷達探測的工作原理,以昆祿二級公路大普吉隧道為工程背景,因該隧道通車出現(xiàn)病害,通車前未使用地質(zhì)雷達探測,而地質(zhì)雷達具有方便、成本低、精度高的特點,所以通車后選擇運用21-002188便攜式探地雷達對該隧道圍巖進行掃描分析探測,分析圍巖節(jié)理裂隙情況,得出相應結(jié)論,為以后加固修復病害提供可靠依據(jù)。實踐證明,該技術(shù)對探測、分析、判斷隧道工程的圍巖質(zhì)量缺陷可起到重要的參考作用[7,8]。

1　隧道概況

大普吉隧道位于昆祿二級公路K228+510-K229+875處,屬于108國道中的一段,是進出昆明連接四川的重要通道。隧道全長1 365 m,單孔雙向車道,凈寬11 m,高7.4 m,由云南省公路規(guī)劃勘察設計院設計,鐵道部第十二工程局、第十六工程局共同建設完成,于1998年底竣工通車。

大普吉隧道穿過一向斜構(gòu)造,其核部于K229+110處。圍巖巖性極其復雜,主要巖性為灰?guī)r、白云巖和泥晶角礫灰?guī)r,還有泥晶灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、砂巖和糜棱巖。隧道昆明口發(fā)育一斷層,巖石強烈破碎,施工中曾出現(xiàn)坍方現(xiàn)象?；?guī)r中溶蝕現(xiàn)象比較嚴重,隧道經(jīng)過之處發(fā)育有溶洞。圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,加之所處向斜構(gòu)造,為地下水的賦存提供了條件。

2　檢測原理及方法

2.1雷達檢測的原理

(1)工作原理探地雷達利用主頻為數(shù)十兆赫至千兆赫波段的電磁波,以寬頻帶短脈沖形式,由地面通過天線發(fā)射器(T)發(fā)送至地下,經(jīng)地下目的體或地層的界面反射后返回地面,由雷達天線接收器(R)接收,并送至控制主機進行數(shù)字化記錄,其工作原理如圖1所示。

圖1　雷達工作原理Fig.1　The working principle of the radar

脈沖波的行程為

(1)

其中:t為脈沖波走時(ns,1ns=10-9s);z為目標深度(m);x為T與R的距離(m);v為電磁波速(m/ns)。

(2)

其中:c=0.3m/ns(光速);εr為介質(zhì)介電常數(shù)。

計算探測目標深度的計算公式為

(3)

(2)使用儀器本次檢測使用的是瑞典Mala公司生產(chǎn)的RAMAC/GPR CUⅡ主機控制系統(tǒng)一套,型號為21-002188便攜式探地雷達及其配套的500 MHz、100 MHz。該儀器具有系統(tǒng)高度集成化、數(shù)字化,操作菜單簡潔方便,天線屏蔽干擾小,探測范圍廣,分辨率高,具有實時數(shù)據(jù)處理和信號增強功能,可進行連續(xù)透視掃描,現(xiàn)場顯示監(jiān)控、光纜傳輸、數(shù)據(jù)失真小等特點。

2.2探測工作實施方法

(1)探測深度的確定大普吉隧道按Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類圍巖設計。根據(jù)探測目的要求,首先對隧道病害重點地段進行了試驗性探測,經(jīng)鉆孔開挖驗證及雷達圖像進一步分析,從而確定了天線的選用和參數(shù)設置(見表1)。

表1　雷達參數(shù)設置表

使用低頻天線探測是為了了解隧道圍巖內(nèi)部的結(jié)構(gòu)情況,以便分析病害原因。

(2)探測方法根據(jù)現(xiàn)場實際工作情況,為便于測量和下一步整治隧道病害需要,以公路里程樁號為基礎(chǔ),每5 m統(tǒng)一編號作為探測里程橫坐標。

探測分別采用高空作業(yè)車和人工控制移動天線對隧道圍巖進行連續(xù)掃描,實時監(jiān)控,各測線記錄自成文件。

2.3數(shù)據(jù)處理與資料分析

(1)數(shù)據(jù)處理雷達數(shù)據(jù)處理的目的是抑制隨機的和有規(guī)律的干擾,最大限度地提高雷達圖像的分辨能力,提取電磁回波的各種有用參數(shù),來解釋不同介質(zhì)的物理特征。如基于頻率不同產(chǎn)生的改善應用于各種反褶積技術(shù),確定性反演濾波、遞歸濾波、最小平方濾波和子波處理等。其中首先采用的是水平濾波和帶通濾波,以及增溢調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)處理的另一目的是將數(shù)據(jù)元素重置以補償由于來自不同方向的反射迭加產(chǎn)生的空間畸變,如偏移處理等。探地雷達數(shù)據(jù)資料處理的主要流程如圖2所示。

(2)資料分析和所有物探技術(shù)一樣,雷達圖像異常解釋是一個“系統(tǒng)工程”,它包含了高頻技術(shù)、工程建筑等方面的知識及經(jīng)驗。判讀雷達掃描圖像,首先是對圖形與圖像的正確識別,然后才是相關(guān)的計算與解釋。探地雷達掃描圖像的正確解釋,是建立在探測參數(shù)選置合適,數(shù)據(jù)處理得當,有足夠的模擬試驗對比,以及閱圖經(jīng)驗豐富等基礎(chǔ)之上的。

大普吉隧道病害主要表現(xiàn)為滲漏水,利用雷達波對水“敏感”這一特性,在隧道產(chǎn)生病害的嚴重部位,因其介質(zhì)結(jié)構(gòu)相對孔隙度大,物質(zhì)充填不均勻,易于滲透積存水等特征,在雷達圖像上判讀病害的部位、輪廓、狀態(tài)和程度。為了研究隧道病害的成因,在隧道圍巖探測方面通過對雷達圖象的識別判斷,重點解釋圍巖富水區(qū)的分布、積存水囊、滲漏水通道和松散破碎區(qū)等易于造成隧道病害的不良地質(zhì)狀況[9,10]。

圖2　探地雷達數(shù)據(jù)資料處理流程Fig.2　Ground penetrating radar (GPR) data processing flow chart

2.4完成工作量及測線布置

針對大普吉隧道病害治理的需要及本次項目的任務要求,沿隧道(K228+510-K229+875)1 365 m縱向布測線,沿上拱部A、B、C布測線三條,間距約3 m(見圖3),使用100 MHz天線,控制探深20～25 m,邊墻A、C和拱頂面B布測線,控制探深20 m,隧道圍巖深部探測:3條×1 330 m=3 990 m,以探測隧道圍巖中的不良地質(zhì)狀況,進而研究隧道病害的成因。

圖3　圍巖雷達檢測線布置示意圖Fig.3　Lines of radar arrangement of surrounding rock

3　圍巖缺陷檢測結(jié)果及檢測圖像判析

3.1圍巖缺陷檢測結(jié)果

通過雷達測線剖面了解隧道圍巖的含水分布、富水區(qū)和圍巖松散與破碎等不良地質(zhì)病害隱患。檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn),拱頂共有31處缺陷,左側(cè)圍巖共有11處缺陷,右側(cè)圍巖共有12處缺陷。通過統(tǒng)計雷達測線剖面得到各剖面的不良地質(zhì)隱患統(tǒng)計(見表2)。從隧道圍巖的雷達探測圖像顯示隧道圍巖靠近二襯存在大面積含水特征的雷達波強反射波組,有積水呈飽和狀態(tài)的富水區(qū),并通過襯砌結(jié)構(gòu)薄弱點形成滲漏水通道導致病害發(fā)生。

表2　各剖面不良地質(zhì)隱患統(tǒng)計參數(shù)

綜合三條測線剖面圖的探測結(jié)果分析得出:

(1)從雷達圖像上可以對圍巖中含水、富水區(qū)的位置、范圍進行定性圈定,但由于缺乏必要的鉆孔驗證資料,尚無法對圍巖巖性進行劃分。左邊圍巖含水區(qū)521 m,富水區(qū)334 m,松散破碎區(qū)11段,共163 m;右邊圍巖含水區(qū)443 m,富水區(qū)242 m,松散破碎區(qū)12段,共130.5 m;拱頂圍巖含水區(qū)616 m,富水區(qū)589 m,松散破碎區(qū)31段,共560 m;三條測線檢出溶洞一個,大斷層一條。

(2)隧道路面下普遍含水,尤其以隧道中段及昆明端較為集中,且有多處富水區(qū)。

(3)隧道兩側(cè)邊墻外圍巖大面積含水,昆明端洞口剝露出的圍巖顯示存在有風化粘土,該類粘土具有干縮濕漲的特性,有可能造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)的側(cè)壓變形。

(4)隧道拱頂外圍巖含水區(qū)主要分布范圍較大,主要集中在圍巖破碎區(qū)。

(5)雷達剖面顯示中段有54段松散破碎區(qū)。

3.2檢測圖像判析

在工程勘察中,常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象有:斷層破碎帶、裂隙帶、富水帶、巖溶洞穴、巖性變化帶等。以上典型地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)雷達圖像和波形特征的簡單對應關(guān)系總結(jié)見表3[11]。

表3　典型地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)雷達圖像波形特征間的簡單對應關(guān)系

由于篇幅所限,研究僅描述大普吉隧道K229+590-K229+565拱頂測線、K229+238-K229+230左側(cè)圍巖測線和K229+640-K229+658右側(cè)圍巖測線的檢測結(jié)果(見表4)。

表4　大普吉隧道圍巖地質(zhì)情況

圖4是大普吉隧道拱頂K229+590-K229+565存在的典型節(jié)理裂隙、溶洞的雷達剖面圖。圖5是大普吉隧道左側(cè)圍巖K229+238-K229+230存在的典型節(jié)理裂隙且有裂隙水的雷達剖面圖。圖6是大普吉隧道右側(cè)圍巖K229+640-K229+658存在的典型節(jié)理裂隙、斷層的雷達剖面圖。由這些雷達剖面圖可以清晰地判斷隧道圍巖的缺陷及缺陷類型,與傳統(tǒng)方法相對比,利用地質(zhì)雷達能夠高效率、全方位地進行檢測,以實時成像的方式顯示隱蔽結(jié)構(gòu)的剖面,探測結(jié)果一目了然;分析、判讀直觀方便,為解決大普吉隧道安全隱患及時準確地提供數(shù)據(jù)資料。表4顯示了大普吉隧道部分圍巖段典型的地質(zhì)情況。

圖6　右側(cè)圍巖:K229+658-K229+640有節(jié)理裂隙和破碎區(qū)Fig.6　Joints and fissures and broken zone in surrounding rock on the right K229+658-K229+640

4　結(jié)論

由于通車,大普吉隧道產(chǎn)生病害,通過運用21-002188便攜式探地雷達對大普吉隧道圍巖進行掃描分析探測,由雷達測線剖面了解到隧道圍巖的含水分布、富水區(qū)和圍巖松散與破碎等不良地質(zhì)病害隱患,并通過幾幅典型雷達圖像分析了不同異常情況在雷達圖像上的反映。為解決大普吉隧道安全隱患及時準確地提供了數(shù)據(jù)資料。

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The Application of GPR to Detect Traffic in Surrounding Rock Tunnel

Zhong Caicai,Huang Deyong,Chen Lei,Jiang Xunpu

(Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China)

Lu Kun secondary roads with large Phuket tunnel engineering background,aiming at the opening of the tunnel,describes the working principle of the geological radar detection,given the geological radar method in nondestructive testing applications,including measuring line layout,acquisition parameters set,on-site testing and post-data processing and interpretation.The tunnel opened to traffic due to the emergence of disease,not using geological radar detection before the opening,due to geological radar has the characteristics of convenient,low cost,high precision,so after choosing 21-002188 portable ground penetrating radar (GPR) is used to the surrounding rock scanning analysis detection.By radar line section to understand the water distribution of tunnel surrounding rock,rich water and loose and broken surrounding rock geological diseases hidden trouble,and through the pieces of a typical radar image analysis of the different anomalies reflect on the radar image.In order to solve the big phuket tunnel safety hidden trouble to provide timely and accurate data.

GPR;Traffic tunnel;Surrounding Rock probe

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.04.024.

2015-09-16;

2015-10-28.

鐘彩彩(1990-),女,河南孟州人,碩士研究生,研究方向為橋梁隧道安全.E-mail:1002332352@qq.com.

U456

A

1004-0366(2016)04-0119-05

引用格式:Zhong Caicai,Huang Deyong,Chen Lei,etal.The Application of GPR to Detect Traffic in Surrounding Rock Tunnel[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(4):119-123.[鐘彩彩,黃德鏞,陳雷,等.地質(zhì)雷達在通車隧道圍巖探測中的應用[J].甘肅科學學報,2016,28(4):119-123.]