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        地質(zhì)雷達(dá)法在巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

        2020-12-10 10:16:16
        中國公路 2020年22期
        關(guān)鍵詞:掌子面溶洞灰?guī)r

        (西安長大公路工程檢測中心,陜西 西安 710061)

        一、前言

        貴州地處我國西南腹地,屬云貴高原的一部分,石灰?guī)r等可溶性巖石地層大面積分布,巖層溶蝕現(xiàn)象十分普遍。隨著近年貴州省基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的長足發(fā)展,大量的公路、鐵路隧道施工需要穿越可溶性巖石地層,巖溶作用形成的溶洞是隧道開挖過程中最常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象,隧道工程穿越巖溶地層具有危害大、預(yù)防難的特點,輕則對生態(tài)環(huán)境造成影響,重則引起災(zāi)難性事故。超前地質(zhì)預(yù)報工作具有重要作用,隧道開挖前,通過超前地質(zhì)預(yù)報工作,可獲知開挖面前方不良地質(zhì)體、不良地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育情況,指導(dǎo)施工順利進(jìn)行,為施工安全提供保障。本文通過對貴州某在建高速公路可溶性巖石隧道超前地質(zhì)預(yù)報的成功實踐經(jīng)驗,討論地質(zhì)雷達(dá)在可溶性巖石隧道中預(yù)報隱伏溶洞的實際應(yīng)用。

        二、地質(zhì)雷達(dá)基本原理及數(shù)據(jù)處理

        (一)基本原理

        地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar,簡稱:“GPR”)是一種廣泛運用于實際生產(chǎn)中的地質(zhì)測量技術(shù),它通過發(fā)射不同頻率的電磁波并接收其反射回波,通過對反射回波的時間和信號的強(qiáng)弱來推測地下地質(zhì)體的分布及變化情況,工作原理如圖1所示。當(dāng)發(fā)出的高頻電磁波在介質(zhì)中傳播,遇到具有電性差異的介質(zhì)交界面或地質(zhì)異常體時,電磁波發(fā)生折射和反射,通過接收反射信號到達(dá)雷達(dá)天線的時間和信號強(qiáng)弱以及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理與分析后,推測地下介質(zhì)或不良地質(zhì)體的分布與變化情況。在隧道短距離超前地質(zhì)預(yù)報中,地質(zhì)雷達(dá)具有體積小、集成度高、操作方便、測量時間短、預(yù)報準(zhǔn)確度高等優(yōu)點,它對山嶺隧道施工中遇到的溶洞、構(gòu)造破碎帶、節(jié)理密集帶、軟弱夾層以及巖層地下水發(fā)育情況等地質(zhì)問題都具有良好的預(yù)報作用。

        圖1.雷達(dá)工作原理及其基本組成

        (二)數(shù)據(jù)處理及其目的

        雷達(dá)反射波一般以脈沖波形形式記錄,由于介質(zhì)的不均勻性及介質(zhì)的介電常數(shù)差異,電磁波在介質(zhì)中傳播時能量會出現(xiàn)不同程度的衰減和受其他信號干擾,造成反射波形與原始發(fā)射波形有明顯的差異,影響實測數(shù)據(jù)。為了提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,需適當(dāng)處理原始數(shù)據(jù),壓制干擾信號,改善其信噪比,進(jìn)而獲得可以真實反映隧道前方實際地質(zhì)情況的雷達(dá)圖像。原始數(shù)據(jù)處理主要包括帶通濾波、靜校正、調(diào)整增益以及成圖等步驟,最終獲得測量數(shù)據(jù)的成果圖,由技術(shù)人員根據(jù)雷達(dá)成果圖像結(jié)合實際開挖面地質(zhì)情況,判斷預(yù)報段前方地層工程性質(zhì)及不良地質(zhì)體發(fā)育情況,指導(dǎo)隧道施工。

        三、成功預(yù)報實例

        (一)隧道工程概況

        本文研究對象為在建雙向四車道高速公路,隧道為分離式隧道,設(shè)計行車時速為80公里,左幅隧道起終點樁號為ZK23+759~ZK28+225,長度為4466m,最大埋深約451m,右幅隧道起終點樁號為YK23+760~YK28+275,長度4515m,最大埋深455m。隧址區(qū)上覆第四系土層(Qel+dl)分布零星,厚度不大,有碎屑地段的粉質(zhì)黏土以及可溶巖地段的黏土。其中出露的基巖有以下幾種:

        1.志留系下統(tǒng)龍馬溪組(S1l)為薄至中厚層狀粉砂質(zhì)泥巖,局部夾泥巖,為隧道上覆地層,非隧道圍巖。

        2.奧陶系上統(tǒng)五峰組(O3w)為灰黑、灰色薄層狀泥灰?guī)r、炭質(zhì)泥灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r,局部夾硅質(zhì)巖,隧道進(jìn)口段少量穿越該地層。

        3.奧陶系中統(tǒng)寶塔組(O2b)為龜裂紋灰?guī)r,隧道進(jìn)口段穿越該地層。

        4.奧陶系下統(tǒng)湄潭組(O1m)為薄至中厚層狀粉砂質(zhì)泥巖,局部夾泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r。隧道中段穿越該地層。

        5.奧陶系下統(tǒng)桐梓組-紅花園組(O1t-h)為薄至中厚層狀灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶,底部為厚約6m粉砂質(zhì)泥巖,隧道中后段圍巖主要是該地層。

        6.寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)組(∈2-3ls)為中至厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r,隧道出口段穿越該地層。

        (二)不良地質(zhì)問題

        隧道場區(qū)不良地質(zhì)為巖溶、危巖及潛在失穩(wěn)邊坡等,其中奧陶系下統(tǒng)桐梓組-紅花園組(O1t-h)灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶及寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)組(∈2-3ls)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r,此兩套地層巖溶發(fā)育程度均為中等至強(qiáng)發(fā)育,隧道開挖至這兩套揭露隱伏巖溶的可能性大。

        (三)預(yù)報方法

        預(yù)報采用儀器設(shè)備為中科院CAS-S100型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng),該型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)包括儀器主機(jī)(配100MHz天線)和配套分析軟件Radarview兩部分。數(shù)據(jù)采集時介電常數(shù)設(shè)為8,測程參數(shù)設(shè)為500ns,主要探測隧道前方30m范圍內(nèi)的地質(zhì)變化情況、隧道前方災(zāi)害體分布及性質(zhì),用點測的方法在掌子面下部位置布設(shè)一條物探測線。

        (四)掌子面地質(zhì)情況

        YK24+922掌子面揭露圍巖主要為灰色中厚層狀中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r,呈層狀結(jié)構(gòu),巖層產(chǎn)狀:120°∠5°,巖質(zhì)較硬,節(jié)理裂隙發(fā)育,裂隙間泥質(zhì)及巖石碎屑充填,巖體整體較破碎,呈鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu);溶蝕稍發(fā)育,掌子面潮濕,拱頂存在點滴狀出水現(xiàn)象。圍巖自穩(wěn)能力差,無支護(hù)時拱頂易發(fā)生掉塊、坍塌現(xiàn)象。

        (五)探測成果

        該次預(yù)報雷達(dá)探測深度為30m(YK24+922~YK24+952),從雷達(dá)成果圖中得出:掌子面前方0~8m及8~30m左側(cè)前方雷達(dá)波以中頻反射信號為主,局部為中高頻信號,同相軸較為連續(xù),振幅一般。推測對應(yīng)區(qū)段圍巖完整性較差,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,溶蝕稍發(fā)育。掌子面右側(cè)前方8~30m雷達(dá)波以中低頻反射信號為主,反射波形較雜亂,整體振幅較高且多次震蕩,能量團(tuán)分布均勻性較差,同相軸出現(xiàn)異常且局部呈弧形發(fā)展。推測對應(yīng)區(qū)段圍巖破碎,溶蝕發(fā)育,存在與隧道軸線方向近一致的充填式溶洞。

        (六)施工驗證結(jié)果

        隧道掘進(jìn)至里程YK24+930時,揭露到預(yù)報溶洞,掌子面右側(cè)拱腰位置揭露一向隧道前方及邊墻處發(fā)展的填充型溶洞,揭露面積約4×3m2,為泥夾石充填,實際揭露情況與地質(zhì)雷達(dá)探測成果相符。

        四、結(jié)語

        隨著我國鐵路、公路建設(shè)的快速發(fā)展,隧道施工也逐漸增加,為保證施工安全和隧道施工進(jìn)度,準(zhǔn)確預(yù)測隧道前方圍巖的變化及不良地質(zhì)體的發(fā)育情況十分重要,這就要求做好隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)作為一種短距離隧道地質(zhì)預(yù)報方法,優(yōu)勢明顯,是一種較理想的探測手段。

        本文以貴州某在建高速公路巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報過程,分析了地質(zhì)雷達(dá)工作原理及數(shù)據(jù)成果,成功預(yù)報了工作面前方的隱伏溶洞,有效指導(dǎo)了隧道工程施工,證明地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報技術(shù)對山嶺隧道溶洞探測是可行和有效的。

        同時,地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)相對于其他超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)也存在其不足和缺點,如探測距離短、易受洞內(nèi)鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、錨桿、鋼軌等金屬構(gòu)件的影響等,因此還有待進(jìn)一步研究。

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