地質雷達在隧道工程超前地質預報中的應用

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1、地質雷達在隧道工程超前地質預報中的應用摘要：隧道施工中常常遇到不良的地質因素。為了減少工程隱患并避免災情的發(fā)生，可通過地質雷達進行超前地質預報，從而及時、詳細地了解開挖掌子面前方的地質情況，為施工方法的合理調(diào)整提供依據(jù)。本文介紹了地質雷達的工作原理、工作方法、成果解釋，并結合工程實例，說明采用地質雷達探測掌子面前方的地質情況是可行的。關鍵詞：地質雷達；介電常數(shù)；掌子面；超前預報1．引言在隧道施工中,由于前方地質情況不明，常常遇到不良的地質因素,如斷層、破碎帶、溶洞、暗河等。這些地質因素不僅影響隧道的掘進速度,甚至會造成嚴重的工程事故，如塌方、泥石流和大涌水等毀滅性的地質災害

2、。由于隧道施工前的工程地質勘查結果在精度和可靠性上都難以滿足施工的要求。如有人做過統(tǒng)計,隧道在掘進中所遇到的斷層等地質現(xiàn)象比地面測繪時所遇到的要多得多。一般地面測繪所遇到的這類地質現(xiàn)象僅為地下開挖時所遇到的1%~9%,因而隧道施工的危險性很大。若能準確地在隧道掘進中提前了解掌子面前方巖性結構的變化情況,如預報掘進前方是否有斷層、破碎帶溶洞等不良地質構造,這些構造的幾何形態(tài)如何,規(guī)模的大小,根據(jù)所掌握到的這些地質構造情況,可及時合理地安排掘進進度、修正施工方案、安排防護措施、避免險情發(fā)生。多年來，隧道工程師一直希望尋求一種簡單可行的辦法來探明隧道的施工質量和隧道前方的地質情況

3、，但都因為施工干擾大、時效性差、費用昂貴等諸多不利因素而不受施工現(xiàn)場歡迎。近年來，隨著科學技術的進步，地質雷達探測技術被應用于隧道工程的地質超前預報中，它具有速度快、成本低及分辨率高等特點，因此具有廣泛的應用前景。地質雷達與通訊雷達一樣，它是利用高頻電磁波脈沖信號的反射來探測隧道前方地質情況的，由于地質介質比空氣具有更強的電磁波衰減特性，加之地質介質的多樣性，電磁波在巖土層中的傳播規(guī)律比空氣中要復雜的多。盡管如此，隨著技術的進步和實踐經(jīng)驗的積累，地質雷達在隧道工程的地質超前預報中，仍取得了良好的效果。2．地質雷達的工作原理[1]地質雷達是一種無損探測儀器。它依據(jù)電磁波脈沖在

4、地下傳播的原理進行工作，電磁波脈沖由發(fā)射天線發(fā)出，被地下介質介面（或埋藏物）反射，由接收天線接收（如圖1）然后將這些信號記錄下來，成圖顯示出來接受天線發(fā)射天線（如圖2）。被反射脈沖旅行時間在單置RT式天線情況下為?t=2h/v(1)式中h為反射界面的深度(m)；v為波速(m/ns)；?t為脈沖雙程旅行時間(ns)。反射界面圖1地質雷達電磁波脈沖傳播示意圖-1-每發(fā)射一次脈沖，就接收到一串反射訊號，稱為時間系列或掃描記錄。隨著天線在介質R0R1R2R0R1R2入射波反射波空氣A0Aθθ1A介質12干粘土介質2α砂巖石灰?guī)rΔt1Δt2折射波圖2地質雷達工作原理圖圖3電磁波在介質

5、分介面上的反射和折射面上方平行移動，得到無數(shù)掃描記錄（大約200次/秒），合成一張完整的地下透視圖像。對于地質雷達所使用的頻段來說，地下媒質一般可視為準電介質，波速可由下式近似求出v=c/ε(2)r式中c為真空中光速(0.3m/ns)；ε為地下介質的相對介電常數(shù)。r研究表明，引起雷達脈沖反射的主要原因是各種介質的介電常數(shù)不同。這是由于各介質的物質結構不同而造成的。如灰?guī)r的介電常數(shù)通常在7~8之間（見表1）。根據(jù)電磁波理論，[2]當電磁波穿過層狀介質時，由于上下介質的電磁特性不同而產(chǎn)生折射和反射（見圖3）。表1常見介質的相對介電常數(shù)介質類型相對介電常數(shù)介質類型相對介電常數(shù)空氣

6、1花崗巖4~7雪1~2砂巖6PVC材料3頁巖7瀝青3~5石灰?guī)r7~9混凝土6~8礫巖6~8水81玄武巖8電磁波在介質介面的折射和反射特征由折射系數(shù)T12和反射系數(shù)R12表示，對于非磁性介質，當電磁波垂直入射（θ=0）時，可以用下式表示：ε?ε12R=(3)12ε+ε122ε1T=(4)12ε+ε12式中：ε1、ε2分別為界面上下介質的介電常數(shù)；R12表示從介質1入射時,介質1－介質2的反射系數(shù)；T12。表示從介質1入射時，介質1－介質2的折射系數(shù)。反射脈沖信號的強度不僅與反射系數(shù)R有關，還與穿透介質波的衰減系數(shù)有關，主要取決于周圍介質與反射體的電導率和介電常數(shù)。對于準電介質

7、近似有-2-β＝188σ/ε(5)r式中β為衰減系數(shù)(Np/m)；σ為電導率(S/m)。3工程實例3．1工程概況及地質條件劉家坳隧道隸屬于滬蓉國道主干線湖北宜昌－恩施公路第一合同段，它位于宜昌市長陽縣龍舟坪鎮(zhèn)劉家坳村，呈近東西向展布，為上、下行分離的四車道高速公路隧道。本隧道建筑界限確定為9.75(寬)×5.0m(高)，其中行車道凈寬7.5m，兩側路緣帶寬各0.5m。隧道地處構造剝蝕低山~丘陵地區(qū)，山脊總體呈東西向條形展布，地面高程在230m~372m之間，最大埋深約115米。隧道區(qū)地質構造較復雜。隧道區(qū)內(nèi)基本上為