淺談地質(zhì)雷達在長平高速公路地質(zhì)超前預報中的應用

1、淺談地質(zhì)雷達在長平高速公路地質(zhì)超前預報中的應用摘要：隨著我國國民經(jīng)濟的高速開展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深化施行，高等級公路在西南山區(qū)的建立規(guī)模日益擴大，公路隧道數(shù)量也越來越多。在隧道施工中經(jīng)常遇到一些地質(zhì)災害，為了防止這些地質(zhì)災害，超前地質(zhì)預報就成了隧道施工中不可或缺的內(nèi)容。利用地質(zhì)雷達進展超前地質(zhì)預報是一種比較經(jīng)濟、準確的方法。本文依托長(安)至平(順)高速公路建立工程，重點闡述了隧道施工中應用地質(zhì)雷達進展超前地質(zhì)預報和施工質(zhì)量監(jiān)測的原理、測線布置方式、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集和資料解譯，結合杜公嶺隧道的工程實例，討論了適用于杜公嶺隧道的圍巖分級方法，給出了斷層破碎帶、軟弱夾層、富水帶、采空區(qū)等不良地質(zhì)

2、體的在雷達中的圖像顯現(xiàn)特征及斷定根據(jù)。關鍵詞：公路隧道；地質(zhì)雷達；超前地質(zhì)預報1引言地質(zhì)雷達法采用連續(xù)掃描電磁波反射曲線的疊加，利用電磁波在隧道掌子面前方巖體中的傳播、反射原理，根據(jù)測到的發(fā)射脈沖波走時計算發(fā)射界面距隧道施工掌子面的間隔 。地質(zhì)雷達被認為是目前分辨率最高的地球物理方法，地質(zhì)雷達能探測到掌子面前方地層的變化，對于斷裂帶特別是含水帶、破碎帶有較高的識別才能。在深埋隧道和富水地層以及溶洞的發(fā)育地區(qū)，地質(zhì)雷達是一個很好的預報不良地質(zhì)體的手段。隧道超前預報的目的是探測出掌子面前方2030范圍內(nèi)發(fā)育的不良地質(zhì)體，如斷層破碎帶、軟弱夾層、富水帶及采空區(qū)等。根據(jù)掌子面詳細情況，結合掌子面前方的

3、不良地質(zhì)體分布，準確預測圍巖級別，為施工支護方案提供技術支持。2地質(zhì)雷達應用技術方法2.1雷達預報原理地質(zhì)雷達的試驗原理為由控制單元向地層發(fā)射一組以某一頻率為中心的高頻電磁波，在傳播的過程中，電磁波遇到不同電磁性介質(zhì)分界面時，一部分電磁波能量會轉(zhuǎn)換成反射波返回地面，另一部分能量那么透過界面繼續(xù)向前傳播，再次遇到界面時，又有一部分電磁波產(chǎn)生反射返回地面。雷達天線接收器接收到反射波，并輸送到控制單元，將信號進展顯示，對電磁反射波所帶信息進展分析，就可獲得被地質(zhì)層的層厚、巖層完好性以及巖層含水情況。2.2地質(zhì)雷達地質(zhì)預報技術1.雷達地質(zhì)預報長度確實定預報長度的長短同電磁波在巖體中傳播的特性親密相關，

4、根據(jù)波的傳播原理，電磁波在堅硬均勻完好性好的的巖體中傳播時，其透射才能較強，當其遇到介電常數(shù)相差較大的巖層界面時，電磁波的反射系數(shù)較大，天線接收器承受的信號就越強，預報長度可適當放長。根據(jù)杜公嶺隧道的圍巖的根本特征，預報的長度一般為2030米左右。2.介電常數(shù)的選擇雷達地質(zhì)預報結果的可靠程度，圍巖介質(zhì)的介電常數(shù)的選取是關鍵，一般情況下，巖體的介電常數(shù)在58之間，詳細的數(shù)值應根據(jù)詳細巖性進展確定，另外圍巖含水率對圍巖介質(zhì)的介電常數(shù)有重要的影響，因此，還應根據(jù)圍巖的含水率的大小進展相應的調(diào)整。3.測程的選擇利用雷達進展隧道地質(zhì)預報時，應采用線測和點測相結合，線測或點測時，應采用不同測程相結合，以便

5、對各種測試結果進展比照分析，互相驗證，突出圍巖不良地質(zhì)狀況。圍巖完好性較好時，測程可采用700ns，圍巖破碎時，測程采用300ns。4.介質(zhì)構造特征的影響不同介質(zhì)有不同的構造特征，反射波的高、低頻率特征明顯不同，這可作為區(qū)分不同物質(zhì)界面的根據(jù)。如完好性巖層與破碎巖層相比，介質(zhì)相比照擬均質(zhì)，其內(nèi)部反射波較少；破碎巖層內(nèi)部構造相對復雜，其反射波明顯。3工程應用隧道就其特征而言，是一個線性隱蔽工程，是處在各種地質(zhì)環(huán)境中的地下構造。僅僅依靠設計階段的調(diào)查結果想完全掌握地質(zhì)條件、涌水等狀況是很困難的。因此，工程地質(zhì)超前預報在施工中具有重要作用，常常要根據(jù)預報結果來修正設計或變更設計，確保工程施工平安和建

6、后運營平安。3.1雷達測線布置及參數(shù)設置1.測線的布設根據(jù)雷達天線發(fā)射電磁波的特點，為詳細理解掌子面前方巖層的分布狀況及巖體構造面的發(fā)育程度，一般程度方向布置3條測線，垂直方向沿中心布置2條測線。由于施工過程掌子面不標準，測試剖面在現(xiàn)場測試時進展一定的調(diào)節(jié)。為進步測試準確性，測試過程中一般每條剖面至少重復測試2遍。天線在每個剖面上至少進展1次點測和一次連續(xù)測試，點測的疊加次數(shù)次。2.預報參數(shù)設置1天線頻率的選擇雷達天線根據(jù)探測目的，可按下式計算天線中心頻率式中:為空間分辨率；為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。探測深度隨著天線中心頻率的減少而增大，我們在探測過程中希望探測的越深越好，故取中心頻率為100Hz

7、。2時窗的選擇時窗選擇主要取決于最大探測深度與地層電磁波速度。地質(zhì)雷達系統(tǒng)通常把時窗的選用值加30，主要考慮為了目的在深度上的變化及地層速度變化而留出余量。杜公嶺隧道根本是泥巖，故該隧道的電磁波傳播傳播速度可取0.112/ns，其相對介電常數(shù)取7。由式可得為最大探測深度，取為30；為介質(zhì)中電磁波波速。為了將所有數(shù)據(jù)能全部在時窗內(nèi)成像，取為700ns。3采樣率的選擇采樣率是記錄反射波采樣點之間的時間間隔，按Nyquist定律，采樣速度至少要到達無線中心頻率的3倍。為使記錄波形更完好，取采樣率為中心頻率的6倍，采用連續(xù)測量工作方式。其余參數(shù)為系統(tǒng)默認值。3.2不良地質(zhì)體的探測通過對杜公嶺隧道隧道進

8、展跟蹤地質(zhì)雷達探測，不良地質(zhì)體有斷層破碎帶、軟弱夾層、富水帶和采空區(qū)等。1.斷層破碎帶的探測巖層或巖體受力破裂后，破裂面兩側巖塊發(fā)生了很明顯位移，這種斷裂構造，成為斷層。斷層是地殼中廣泛發(fā)育的地質(zhì)構造。由于巖層發(fā)生強烈的斷裂變動，致使巖體的裂隙增多、巖石破碎、風化嚴重、地下水發(fā)育，所以斷層破碎帶巖石的強度和穩(wěn)定性很差。在雷達剖面圖上的波場特征為：地層發(fā)射波發(fā)育，同相軸錯斷。因此，根據(jù)地質(zhì)雷達的波形特征及相關地質(zhì)資料，可以判明破碎帶的厚度以及它與完好巖石的界面。2.軟弱夾層的探測軟弱夾層為巖體內(nèi)存在的層狀或帶狀的軟弱薄層。一般來說，軟弱夾層的厚度比相鄰巖層的小，力學強度和變形模量也較低。當雷達電

9、磁波傳播到軟弱夾層時，會產(chǎn)生較強的界面反射波，同相軸的連續(xù)性反映了夾層是否平直、連續(xù)；在穿越軟弱夾層的過程中會產(chǎn)生繞射、散射、波形雜亂、波幅變化大。3.富水帶的探測富水帶是含水量大的巖體區(qū)域，在隧道開挖后很可能產(chǎn)生涌水現(xiàn)象。水的相對介電常數(shù)最大為81，當巖體含水量較大時，介質(zhì)的介電常數(shù)有較大的增大，而電磁波在介質(zhì)中的傳播速度那么會降低，這樣發(fā)射波表現(xiàn)較強的正峰異常，同時出現(xiàn)強反射，有時也會產(chǎn)生繞射、散射現(xiàn)象，導致波形紊亂，頻率成分由高頻向低頻劇變。4.采空區(qū)的探測采空區(qū)是指地下礦產(chǎn)被采出后留下的空洞區(qū),按礦產(chǎn)被開采的時間,可分為老采區(qū)、現(xiàn)采區(qū)和將來采區(qū)。采空區(qū)內(nèi)的介質(zhì)水或空氣等與圍巖介質(zhì)在介電常數(shù)上有較大差異，雷達波在穿越采空區(qū)時，雷達波反射，穿越過程中會產(chǎn)生散射，波幅變化大。4本文小結隧道超前地質(zhì)預報對于隧道施工平安和進度極為重要。地質(zhì)雷達用于公路隧道施工中，預報掌子面前方不良地質(zhì)情況可較快判斷，有利于工程施工，進步了短期地質(zhì)超前預報的程度工作。為了進步對地質(zhì)雷達波形圖的解釋和識別的準確性，需要對不良地質(zhì)條件下各種介質(zhì)雷達波形的典型特征進展反復的研究和積累大量的圖像資料，以實現(xiàn)能與現(xiàn)行隧道圍巖級別劃分標準相對應。參考文獻1曾昭發(fā),劉四新,王者江,薛建.地質(zhì)雷達方法原理及應用.北京:科學出版社.2022.62李國峰,丁文其,李志厚