地质分析与雷达探测综合预报技术在公路隧道中的应用样本.doc

资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。
地质分析与雷达探测综合预报技术在公路隧道中的应用研究
The Applicaition of Geological Analysis Method Combined With Radar-detecting Method for Highway Tunnel Geological Prediction Technic
吴尚杰( 单位: 福建建工集团总公司 邮政编码: 350000)
Wu Shangjie Fujian Construction Engineering Group Company
摘 要: 本文首先阐述了地质分析法与地质雷达探测相结合的综合超前预报技术基本原理与实施方法, 并结合伍凤山隧道工程实际对综合探测技术的应用进行了详细论述, 结果表明采用综合探测方法能够达到较好的预测效果, 可为今后隧道工程的超前地质预报提供借鉴与参考。

Abstract: This paper states the basic theory of tunnel prediction technic by using geological analysis method combined with radar-detecting method based on Wufengshan-tunnel construction practice. The geological prediction result shows good fitness and this technic can be a reference to tunnel geological prediction.

关键词: 隧道; 超前地质预报; 地质雷达; 地质分析方法
Keywords: Tunnel, geological prediction, geological radar, geological analysis method

1 引 言
在公路隧道施工过程中, 工程地质条件复杂, 存在许多潜在、 无法预知的地质因素, 例如破碎带、 断层带、 岩溶和富水岩层等等, 在隧道掘进开挖过程中稍有不慎就容易出现坍塌、 冒水、 涌水等现象, 造成了巨大的隧道施工事故。当前, 最有效的做法就是对开挖掌子面前方围岩进行超前地质预报, 提早掌握隧道开挖掌子面前方围岩的地质情况、 不良地质体的位置、 工程性状和水文地质状况等信息, 从而为施工阶段修正设计、 施工支护材料的提早准备、 防止可能的工程险情、 确保得力合理的施工措施, 促使施工技术更趋科学合理[1,2]。
本文将详细阐述地质分析和雷达探测综合预报技术的基本原理及其现场实施方法, 并结合相关公路隧道工程实例来论证该探测方法的有效性。

2 地质分析法及雷达探测原理及实施方法
2.1 工程地质分析法
工程地质分析法包括掌子面地质素描调查法和地表地质补充勘察两种方法。地质素描主要是对隧道掌子面的地质情况如实而准确的记录, 是超前地质预报的基本依据和判断围岩类别的最直接的资料, 同时也是用以推断掌子面进深方向围岩状况的主要参照物和地质状况的边界条件。准确的地质分析是地质超前预报工作的基础。对隧道所在区域的地形地貌、 河流和溪沟的分布以及控制性地质构造如大的岩性接触带、 大断层和向、 背斜等整体分布规律的深入分析、 理解是地质分析工作的基本前提, 做好这一工作就必然离不开地表地质的补充调查。有时也可为提高对场地地质特征的规律性认识而专门进行。一般说来, 这一调查主要包括对场地的工程地质和水文地质条件进行调查和分析研究。
采用工程地质分析法进行地质超前预报的方案为[3]: 1) 密切配合施工, 在每次爆破出碴后打眼装药前对掌子面进行地质素描; 2) 在掌子面揭露的地质情况和已有基础资料差别较大的情况下进行地表地质的补充勘察。
2.2 电磁波反射法
采用地质雷达法进行地质超前预报的具体方案[3,4]: 1) 测试位置与长度。拟在隧道全长范围内采用地质雷达进行探测、 预报。单次预报长度为从掌子面起向进深方向延伸15米～50米, 具体长度需视围岩质量而定。2) 测线布置。在隧道掌子面上布置地质雷达测线, 测线间距应小于待测目标体的横向尺寸。其布置方法比较灵活,共有测点、 测线或网格等三种方式可选择。一般情况下, 以掌子面前方为检测目标, 以拱顶为中心, ”十”字形布置2条测线, 开挖工作面凹凸不平不符合条件时, 可采用点测法, 一般点距0.05～0.1m。在地质复杂地段, 还能够”井”字形布置4条雷达测线, 必要时加密雷达测线以提高探测结果的准确性。有条件时可选用支架辅助进行探测, 如图1所示。

图1 地质雷达探测测线的一般布置图

2.3 地质雷达探测实施方法
2.3.1 仪器简介
RAMAC/GPR地质雷达是瑞典MALA Geoscience公司生产的, 主要采用了高频、 宽频带、 短脉冲和高速采样技术[5]。仪器配置主要包括: 主机、 发射机、 接收机、 天线、 计算机和电池包, 如图2所示。该机主要技术指标为: 系统动态特性150dB; 脉冲重复频率100kHz; 迹线扫描速度150条/s; 采样点数500/迹线, 采样频率1000MHz; 天线频率100MHz; 键盘触发。

图2 探地雷达( GPR) 系统

经过地质雷达配套的Reflexw-2D软件, 在雷达进行连续剖面扫描时, 实时采集数据, 经过丰富的数据处理技术对原始数据进行实时滤波处理, 为地质解释提供优良的地质雷达波谱。
2.3.2 数据采集
进行超前地质预报前, 根据实际地质资料选择天线频率及相关参数, 并在雷达记录上检查是否存在电磁波干扰[6], 如果周围存在较强的电磁波干扰, 应尽量排除, 无法排除时要在记录表记录干扰源的位置和性质。测试时应从测线起始点开始采集, 同时通知天线操作人员在雷达记录上做出标记。采集过程中, 每一个标记点处都要在雷达记录上做出标记, 完成一条测线数据采集后须进行数据存盘。在测量过程中天线要严格按照设计测线位置移动, 并保持天线与掌子面的良好耦合接触, 当掌子面粗糙不平时, 要保持天线与掌子面平行且间距不宜大于10厘米。雷达记录要做到掌子面反射清楚、 易识别, 由浅部至深部的反射强度能反映待测目标的特征。
另外, 应在现场进行电磁波速度的标定对岩性与掌子面岩性相似岩层做实验性探测, 根据确定电磁波在该围岩中的传播速度, 再对其进行修正。
2.3.3 数据处理
数据处理的目的就是要压制干扰信号, 增强有效信号, 提高分辨率和信噪比。选择合适的处理参数, 以利于追踪反射波组, 使缺陷特征明显、 清晰, 并能真实地反映各种地质、 衬砌结构及缺陷。常见的处理手段有静校正——移动开始时间, 一维滤波——去直流漂移, 增益——能量衰减, 二维滤波——背景除去。
2.3.4 资料解释与分析
根据反射波的振幅强弱、 频率特征和绕射等现象, 判别圈定空洞、 断层破碎带、 岩性交界面、 富水区等不良地质构造。并根据围岩反射波的状况, 解释裂隙的发育程度。

3 工程应用
3.1 隧道概况
漳州招银疏港高速公路伍凤山隧道为左右分离式隧道, 左洞全长1217m, 右洞全长1265m, 设计时速为100km／h。隧道左线位于平面曲线-直线范围内曲线半径R=1550m。右线位于平面曲线—直线范围内曲线半径R=1600m。隧址区为丘陵地貌, 残丘山脊大至呈北西-南东走向, 相对高差约150m, 植被较发育。进出口山坡坡度约20°~25°。山坡上分布有较多滚石, 直径大多在1-4m, 岩性为中-微风化花岗岩, 亚圆形。
3.2 典型断面预测结果分析
3.2.1 地质分析法预测结果
在隧道地质预报任务范围内, 大部分为Ⅲ级弱～微风化坚硬岩体。因此, 经过对硬质岩体中节理、 裂隙等结构面产状的详细测量, 获得主要节理的走向和倾角后, 再结合隧道开挖面的空间分布并利用极射赤平投影、 实体比例投影和块体理论等方法对各种结构面和开挖面相互切割形成的块体稳定性进行合理的预测预报。
里程为ZK4+954附近采用了上下台阶法施工, 掌子面主要出露为黄褐~青色的强~弱风化花岗岩, 局部强~全风化; 节理、 裂隙及泥质蚀变夹层发育, 碎裂结构; 岩质软硬不均, 大部较软, 锤击声哑, 略有回弹, 局部较坚硬, 锤击声较清脆, 回弹较明显; 掌子面潮湿, 左右拱脚后方地面有大量积水, 现场调查时见有掉块现象发生。掌子面具体情况见图3所示。

①处为黄褐色全风化蚀变夹层, 宽度约2~5cm; ②处为平行组状节理, 节理间距约为40cm; ③处为平行组状节理, 节理间距约为15~20cm; ④为多处点状滴水, 近似线状。
图3 掌子面素描图

3.2.2 地质雷达测试结果
本次地质雷达探测选用瑞典MALA地球科学公司( Sweden MALA Geoscience Inc) 生产的RAMAC CUII型探地雷达。探测时使用发射频率为100MHz的屏蔽天线, 样点数设为1265, 时窗为1100ns, 采样频率1104MHz, 以点测方式采集数据。

测线1 测线2
图4 经滤波处理后的雷达波

获得一条雷达测线的原始波形图后, 再进行移动开始时间静校正、 增益、 去直流漂移和巴特沃斯带通一维滤波, 抽取平均道及滑动平均等二维滤波处理, 压制和剔除干扰波, 突出有效波, 得到处理后的雷达波如图4所示。
3.2.3 地质超前预报结论与施工建议
经过对地质雷达波的辨识, 以及隧道地形、 地貌和左右洞洞内外地质条件的综合分析, 并结合设计资料表明: 1) 在掌子面前方0～30m范围内, 即ZK4+954～ZK4+984里程, 推测围岩以强~弱风化花岗岩为主, 局部强~全风化, 节理、 裂隙及蚀变夹层发育, 碎裂结构, 岩质大部较软, 局部较坚硬, 围岩级别在整体上为Ⅳ级偏下; 其中在掌子面前方8~10m和22~24m范围内, 即ZK4＋962～ZK4＋964和ZK4＋976～ZK4＋978里程, 推测有节理破碎带或蚀变带存在, 且含较丰富的地下水。
总体来看, 本次预报段虽埋深较大, 但受槽状风化的影响, 隧道围岩以强~弱风化花岗岩为主, 局部强~全风化, 节理、 裂隙发育, 岩体质量和整体稳定性较差。受大断面爆破振动和开挖后应力重分布的影响, 特别是在暴露时间过长条件下, 围岩易发生松脱滑移和松动、 掉块现象。建议加强变形监测, 严格控制单次药量和进尺, 并注意做好重点地段和关键部位的支护和防排水工作, 必要时加强超前支护以防隧道掉块伤人、 突水和塌方事故的发生。

4结 语
本文主要介绍了地质分析方法及地质雷达探测相结合的综合地质超前预报技术的基本原理及实施方法, 并结合工程实例对综合探测技术在公路隧道中的应用效果进行了分析, 得到有效结论并提出了合理的施工建议。
由于岩体性质的复杂性, 不同风化程度的岩体在平行和垂直隧道轴线以及深度等三个方向上常常是逐渐变化, 缓慢过渡的, 并常出现岩夹土、 土夹石或土石混杂的复杂情况, 对于这类问题的预报, 预报精度与实际开挖揭露的地质情况相比仍存在着一定误差, 今后还需开展进一步的研究工作。

参考文献
[1] 吴文荣. 隧道超前预报及信息化施工应用技术研究[D][硕士学位论文]. 上海: 同济大学. .03
[2] 南亚林;韩晓雷;叶逢春;孔增奇. 地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J]. 水利与建筑工程学报, .07(3):132-134
[3] 袁光胤. TBM技术在输水隧洞工程中的应用[D][硕士学位论文]. 西安: 西安理工大学, .10
[4] 赵玉良, 李建华. 地质雷达探测溶洞等地质体机理研究及实例分析[J]. 隧道建设, ,27(3): 6-9
[5] 章振华. 新建狗磨湾隧道施工超前地质预报[J]. 西北水力发电, , 18(4): 27-30
[6] 黄正涛. 忻保高速公路芦芽山隧道浅埋段灾害预防技术研究[D][硕士学位论文]. 西安: 长安大学, .04

( Email: , 联系电话: )