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        地質(zhì)雷達(dá)在巖溶地區(qū)不同巖體中的應(yīng)用研究

        2020-09-26 01:27:56余紹帆劉東坤
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2020年17期

        余紹帆 ,劉東坤

        (1.云南省建筑科學(xué)研究院,昆明 650223;2.云南省巖土工程技術(shù)研究中心,昆明 650223)

        1 引言

        隨著一體化進(jìn)程的不斷推進(jìn)及我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展,高速公路的建設(shè)被許多省份提上核心議程,云南省也不例外。云南省地形復(fù)雜,山勢(shì)較大,因此隧道工程較多,許多隧道必須穿越巖溶地區(qū),巖溶發(fā)育復(fù)雜多變,不僅產(chǎn)狀、位置、充填情況難以把握,且突泥、突水等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā),這些自然災(zāi)害大大提高了高速公路在巖溶地區(qū)的施工難度,增加了施工風(fēng)險(xiǎn)。因此,能否提前掌握施工地區(qū)周圍的實(shí)時(shí)地質(zhì)情況以及天氣情況成為施工成功及安全與否的關(guān)鍵。及時(shí)有效的情況預(yù)報(bào)不僅可以避免不必要的施工成本,還為一線施工人員的安全提供了切實(shí)的保障。地質(zhì)雷達(dá)不僅僅因?yàn)槠涓叻直娉上竦膬?yōu)點(diǎn),更因?yàn)槠涓咔逦某上穸?,而被廣泛運(yùn)用于隧道短期地質(zhì)預(yù)報(bào)之中。

        2 地質(zhì)雷達(dá)的基本原理

        地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar)技術(shù)是根據(jù)地下介質(zhì)電性的差異,通過發(fā)射高頻電磁波的反射來探測(cè)地下目標(biāo)體的一種物探手段。相對(duì)其他勘探方法,具有簡(jiǎn)單、高效、易操作的優(yōu)勢(shì),因此,受到地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防及控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

        地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射天線會(huì)向四周發(fā)射高頻率的電磁波,不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)槠洳煌牡刭|(zhì)體電性所形成的不同電性界面向地質(zhì)雷達(dá)反饋回不同的反射信號(hào)。地質(zhì)雷達(dá)的接收主機(jī)通過記錄電磁波的雙程走時(shí),并求取電磁波在該介質(zhì)中的傳播速度就能得到雷達(dá)的探測(cè)深度【1】。

        由于不同地質(zhì)體的電性存在差異,因此,主機(jī)通過接收回來的信號(hào)在振幅、頻帶、形狀的橫向展布上會(huì)存在差異,所以,在地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和分析上可以通過這些差異結(jié)合雙程走時(shí)來分析地質(zhì)體的空間分布和結(jié)構(gòu)構(gòu)造【2】。

        式中,h 為反射體深度,m;ν 為地質(zhì)雷達(dá)脈沖波數(shù),m/ns;t 為反射回波走時(shí),ns。

        式中,c 為真空中電磁波傳播速度,0.3m/ns;εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

        由式(1)、式(2)可得:

        3 隧道工程概況

        云南某隧道擬設(shè)計(jì)為分離式隧道,該地段屬典型的山地巖溶化地貌區(qū)。施工區(qū)地形較為崎嶇,少數(shù)地段有10°~15°陡坡,地表植被覆蓋面積稀疏;隧道區(qū)地表水不發(fā)育,沖溝內(nèi)無常年流水,大氣降水沿山脊向低地勢(shì)的溝渠處匯聚,相關(guān)地質(zhì)資料顯示該隧道上覆地層為第四系殘坡積層,下伏地層為三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組第四段巖層,為白云巖【3】。

        隧道中主要的巖溶發(fā)育類型有3 種:(1)無充填型溶洞溶腔:在施工爆破振動(dòng)的影響下,易出現(xiàn)頂板或側(cè)壁石塊掉落,甚至坍塌;(2)溶蝕裂隙:破壞圍巖完整性及穩(wěn)定性,形成地下水流通通道,易造成涌水事故;(3)泥沙充填型溶洞:隧道中的泥沙或巖溶水中富含泥沙,當(dāng)巖溶揭露后會(huì)涌入隧道,造成突泥事故。

        4 儀器設(shè)備及調(diào)用參數(shù)

        采用美國(guó)GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-4000 型地質(zhì)雷達(dá)(GPR)及配套分析軟件RADAN7。

        地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)主要調(diào)用的參數(shù)如下:

        天線:100MHz;

        測(cè)量方式:點(diǎn)測(cè)(由于隧道掌子面不平整);

        介電常數(shù):7~8(完整白云巖介電常數(shù)一般為6~8,由于巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度不同,黏土含量不同,介電常數(shù)取7~8);

        記錄長(zhǎng)度:430nm/s。

        5 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)及結(jié)果分析

        本次探測(cè)采用美國(guó)GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-4000 型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng),選用100MHz 天線,在掌子面布2 條測(cè)線保證數(shù)據(jù)的有效性,探測(cè)精度為20m。

        5.1 完整基巖雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析

        完整基巖對(duì)應(yīng)的波形堆積圖如圖1 所示。

        圖1 完整基巖對(duì)應(yīng)的波形堆積圖

        根據(jù)波形堆積圖得出:完整基巖波形均一,振幅弱,同相軸連續(xù)。

        5.2 巖體節(jié)理裂隙發(fā)育雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析

        巖體節(jié)理裂隙發(fā)育對(duì)應(yīng)的波形堆積圖如圖2 所示。

        圖2 巖體節(jié)理裂隙發(fā)育對(duì)應(yīng)的波形堆積圖

        根據(jù)波形堆積圖得出:巖體節(jié)理裂隙發(fā)育與完整基巖間介電常數(shù)差異較大,導(dǎo)致節(jié)理裂隙發(fā)育處的波形振幅增強(qiáng),同相軸不連續(xù),時(shí)斷時(shí)續(xù),能量衰減較快。

        5.3 巖體夾泥雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析

        巖體夾泥對(duì)應(yīng)的波形堆積圖如圖3 所示。

        根據(jù)波形堆積圖得出:巖體夾泥與圍巖間介電常數(shù)差異較大,導(dǎo)致巖體夾泥處能量反射較強(qiáng),振幅增強(qiáng),同相軸較連續(xù),夾泥處波形較集中,能量衰減較快。

        圖3 巖體夾泥對(duì)應(yīng)的波形堆積圖

        5.4 巖體溶蝕破碎雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析

        巖體溶蝕破碎對(duì)應(yīng)的波形堆積圖如圖4 所示。

        圖4 巖體溶蝕破碎對(duì)應(yīng)的波形堆積圖

        根據(jù)波形堆積圖得出:巖體溶蝕破碎,夾泥較多,能量衰減較快,導(dǎo)致波形振幅弱,基本呈直線衰減,局部存在少量基巖裂隙水,導(dǎo)致波形局部振幅增強(qiáng),頻帶較寬。

        5.5 巖溶地區(qū)不同巖體雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析總結(jié)

        以上分別對(duì)完整基巖、巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體夾泥、巖體溶蝕破碎的波形特征進(jìn)行了分析,現(xiàn)將不同巖體對(duì)應(yīng)的波形特征總結(jié)如下:

        1)完整基巖:波形均一,振幅弱,同相軸連續(xù);

        2)節(jié)理裂隙發(fā)育:波形振幅增強(qiáng),同相軸不連續(xù),時(shí)斷時(shí)續(xù),能量衰減較快;

        3)巖體夾泥:巖體夾泥與圍巖間介電常數(shù)差異較大,導(dǎo)致巖體夾泥處能量反射較強(qiáng),振幅增強(qiáng),同相軸較連續(xù),夾泥處波形較集中,能量衰減較快;

        4)巖體溶蝕破碎:巖體溶蝕破碎,夾泥較多,能量衰減較快,導(dǎo)致波形振幅弱,基本呈直線衰減,局部存在少量基巖裂隙水,導(dǎo)致波形局部振幅增強(qiáng),頻帶較寬。

        6 結(jié)語

        本文以云南某隧道為例,采用地質(zhì)雷達(dá)100MHz 天線分別對(duì)完整基巖、巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體夾泥、巖體溶蝕破碎4種巖體進(jìn)行探測(cè),得出不同巖體所對(duì)應(yīng)的波形特征。通過對(duì)4 種巖體波形特征的總結(jié)可以看出不同介質(zhì)間介電常數(shù)差異較大,地質(zhì)雷達(dá)通過不同介質(zhì)之間電性的差異得出相應(yīng)的波形圖特征,在均一的巖體中,地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)出來的波形較均一,同相軸連續(xù),能量分布較均勻;出現(xiàn)不同介質(zhì)時(shí),波形振幅增強(qiáng),能量衰減較快,同相軸會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)、時(shí)斷時(shí)續(xù)等情況。

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