地质雷达在米亚罗隧道超前地质预报中的应用Microsoft.docx

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地质雷达在米亚罗隧道超前地质预报中的应用Microsoft

地质雷达在米亚罗隧道超前地质预报中的应用

魏宇伟,文IJ立,金吴,袁坤,陈豪

（西华大学建筑与土木工程学院,四川成都610039

摘要:

地质雷达是浅层地质勘探的有效方法,应用于预报裂隙带、断层破碎带、富水区围岩、岩溶洞穴等不良

地质灾害。

本文结合米亚罗隧道施工进行超前地质预报,通过对雷达波穿越该隧道不良地质的反应特征的分析,

对不良地质和掌子面前方岩体极造情况做出准确预报,为保障施工安全提供有效指导。

关键词:

超前地质预报;反射波;不良地质;掌子面;围岩

中图分类号:

U456.J;U452.1文献标志码:

A

ApplicationofGeologicalRadarinAdvanceGeological

ForecastinMiyaluoTunnel

WEIYu-wei,LIULi,JINHao,YUANKun,CHENHao

（School0/ArchitectureandCivilEngineering,XihuαUniversity,Chengdu610039China

Abstract:

Geologyradar,whichiswidelyusedinthegeologicalprospectinginvestigation,isemployedinshallowgeologicalsurvey

tofracturedzone,detectfaultedzone,richwaterregionandkarstcaves.CombinedwithadvancedgeologicalforecastworkofMiyaluo

tunnelthereflectioncharacteristicsofradarwavepassthroughunfavorablegeologicalconditionareanalyzed.1ntunnelconstruction,

themethodcancorrectlypredictunfavorablegeologicalbodiesandrockbodystructureinfrontofworkingface.1tcanprovideseffectiveinstructionforpracticetoensureconstructionsafety.

Keywords:

advancegeologicalforecast;reflection;poorgeology;tunnelface;surroundingrock

在开挖隧道的过程中常常遇到岩溶发育、空洞,

充泥或者充水,有时会存在暗河,也会遇到岩石破

碎,或者极造带,地下水发育,这会给隧道的开挖和

建设带来诸多困难,同时在隧道的运营过程当中造

成许多的安全隐患。

所以为了方便提前采取措施来

避免灾害,需要对隧道进行地质超前预报。

目前,有

许多学者倡导和开展隧道超前地质预报的综合分

析[1]。

如曲海峰等[2]提出了隧道信息化施工中综

合超前地质预报技术;李术才等[3]在对综合超前地

质预报方法研究的基础上,优化综合预报流程,而且

提出隧道的地质灾害四色预警机制,制定对应的应

急预案;谭天元等[4]建立深埋长大隧道综合预报体

系和方法的框架。

这些学者对地质预报的研究,以

及在实际工程中的应用,都取得了很好的效果,保证

了施工进度和安全。

目前,常用的超前地质预报方

收稿日期:

2011-D9-23

法有:

地质雷达法、四P法、地质学法等。

其中地质

雷达法[5]具有许多的优点,比如对施工影响不大,

速度快,探测深度一般可达到-60m,分辨率可达

数厘米,对于接近掌子面的地质情况的探测更精确,

而且地质雷达具备元损、连续对被测目标实施扫描、

数据采集可实现计算机化等优点,因此在隧道超前

预报中广泛应用。

本文用米亚罗隧道的超前地质预

报为例,探讨使用地质雷达探测的方法。

1地质雷达工作方式

地质雷达是利用超高频窄脉冲电磁波探测介质

分布的一种勘探方法,雷达波以近似正弦波的形式

传播,电磁场相位差为ψ角。

电磁波[6]的传播与媒

质电导率σ、天线中心频率ω、媒质介电常数B,等3

个参数相关,在探测时主要考虑探测频率和被探测

基金项目:

四川省重点科研项目（0426108;四川省人事厅人才培养基金资助项目（06206033

作者简介:

魏宇伟（1988寸,男,硕士研究生,主要研究方向为地下工程、岩士工程。

第6期魏宇伟,等:

地质霄达在米亚罗隧道超前地质预报中的应用109体的介电常数。

地质雷达收到的信号经过模数转换处理后发送

到计算机,经过滤波、增益恢复等一系列数据处理后

在相应的显示装置上形成雷达探测图像,这个图像

作为数据解析的基础图件,通过同相轴追踪可以测

出被探测体的反射波行进的时间t。

根据地下介质

的电磁波速盯和反射波行进时间t,由下面的公式可算出被探测层的深度lz:

h=÷♂守（1

式中:

h为被探测层的深度;X为发射天线和接收天

线之间的距离;V为电磁波在介质中的速度。

地质雷达探测的根据是被探测对象与周围介质

存在的电性差异,探测波在介质中的传播速度p与

介质的电性参数近似关系为:

V=c（2

μr

式中:

P为电磁波在介质中的速度;c为光在真空中

的速度（m/ns;Br为介质的相对介电常数;μr为介质的导磁率。

在地质雷达探测时,天线定向的朝前方介质

发射一定强度的电磁波,电磁波在遇到存在电性

差异介质的地层突变界面或明显的异常目标体时

就会造成反射和透射,反射波会被接收天线接收

并形成相应的雷达图像记录,其相位、频率和振幅

都会产生明显变化,介电常数的差异大小决定了

3者变化程度的大小,从而判定掌子面前方的围

岩特性和展布规律。

另外,透射波继续向前传播,根据探测深度的要求来调整时窗,从而形成不同

时长的雷达剖面O

2测试技术与方法

2.1天线频率选择

被探测体的深度、最小尺寸以及天线尺寸适合

场地要求是选择天线中心频率的依据。

一般在满足分辨率而且场地条件许可时,尽可能使用中心频率低的天线。

若要求的空间分辨率为x（m,那么天线中心频率f（MHz需进行计算得出O

2.2测线布置和信号触发方式选择

在隧道超前预报探测过程中,根据围岩情况、掌

子面岩石极造及岩性来分析布置测网测线[7]O根

据掌子面的具体情况,灵活布置测线,尽量接近掌子面的轴心位置,使测线距离尽量长和多地收集数据,以方便数据的后期处理分析。

在探测过程中常采用如图1所示的2种布线方式。

a.两横阅坚式

b.一横三坚式

图l侧线布置方法

测量轮触发、时间触发和键盘触发是地质雷达

数据采集时的3种常用的信号触发方式。

本隧道采用键盘触发方式。

2.3雷达图像的判读

地质雷达的信号是通过接收后再经过模数转换

处理后发送到计算机的,然后再通过增益恢复、带通滤波、频率-波数（J一k滤波、绕射偏移处理和反

榴积滤波等一系列数据处理后在显示装置上形成探

测图像,地质雷达数据解释的基础是雷达图像的剖面,只要掌子面前方有不同电性的介质存在,就可以再找到对应的雷达剖面图。

根据相邻道上反射波的

差异对比,确定具有相同特征的反射波组的同相轴,从而预报掌子面前方的岩榕洞穴、软弱夹层、极造断裂等不良地质的分布位置及地下水状况、岩溶洞穴

填充物及其性质等。

3超前地质预报在实际工程中的应用

3.1工程概况

米亚罗隧道长805mo隧址区属极造侵蚀中高

峡谷地貌。

来苏河在该段河流弯曲。

因河流弯转从

而形成突出山嘴地形。

隧道轴线上山脊最高高程

2987m,隧道附近来苏河最低高程2807m,隧道沿

线地貌均为来苏河左岸斜坡区,部分基岩裸露、地形陡峻,坡度50。

~60。

多陡崖分布。

进出口段岩性以三叠系西康群保倭组变质砂岩

为主,为强风化强卸荷带,岩石较软,岩体破碎,裂隙

发育,地下水以沿裂隙的线性滴水为主,围岩稳定性

及完整性较差。

其中出口端围岩更差,多呈碎块;靠

近洞口端岩性以崩坡堆积的碎石角砾为主,松散,架空,围岩稳定性差,围岩分类为V级。

洞身段围岩为

微风化变质砂岩、板岩互层,岩质坚硬,岩体稳定性

和完整性较好,级别为皿级。

此外,在岩体中存在宽

窄不一的挤压破碎带以及局部裂隙密集发育,岩体

完整性差,呈碎石状压碎结极岩体。

由于洞身段埋

深不大,应力量级不高,发生岩爆的可能性小。

以沿

裂隙的线性滴水为主,遇断层破碎带及裂隙密集带,110西华大学学报·自然科学版2011年

有产生集中涌水的可能O

3.2现场探测设备

本隧道检测使用SIR-3000型地质雷达,由主

机、收发器、收发天线、变压器、信号线、电源线、打标器连接线及专用笔记本计算机等组成。

考虑米亚罗

隧道地质的实际情况,为了提高精度,准确预测不良

地质的分布是首要目的,探测深度为次要目的。

本

隧道每次探测深度取30m,即隧道每开挖30m进

行一次短距离超前预报,当日提交超前预报报告,快

速反馈指导施工。

3.3地质雷达的探测成果分析

3.3.1完整围岩

完整岩体一般是由介质相对均匀、岩性单一的

物质极成,电性差很小致使不会形成明显的反射界面。

雷达的波形相对均匀,有时有小部分存在强反射细亮条纹,雷达的信号同相轴应连续,如图2所刁亏。

图2较完整岩体雷达图像

从图2中可知:

米罗亚隧道K1l8+883-K1l8

+913掌子面雷达波均匀,同相轴连续,围岩基本元显著变化,据此预测此段隧道围岩情况为:

岩体完整,呈块状,仅在局部发育有短小裂隙,岩石质地坚硬,围岩完整。

3.3.2富水区围岩

在一般常见的物质当中,水与围岩的相对介电

常数有很大的不同,最大值可达810当雷达发射的电磁波穿越岩体与富水带的接触面时,会产生较强的异常正峰,同时出现强反射,有的时候也会形成散射、绕射,使波形紊乱,频率成分剧烈的由高频.向低频。

如图3所示。

在K1l8+945-K118+950岩体

完整;从K118+950开始有大约1m左右的破碎带,地下水发育;K118+960-K118+970段地质雷

达图像出现强反射,频率变化,有异常正峰,紊乱波形,电磁波的衰减速度增快,结合具体地质情况,推测此段为富水带、围岩差,后经实际开挖,掌子面出现较大面积潜流,并伴随有掉块现象。

从图中可知:

米亚罗隧道K1l8+945-K1l8+975段地质雷达

勘察成果表明,隧道洞身仅次于地下水位以下,以沿裂隙的线性滴水为主,遇断层破碎带及裂隙密集带,有产生涌水的可能。

图3富水区雷达图像

3.3.3断层破碎带和裂隙带

断层是一种破坏性的地质极造,它的内部会有

泥、地下水、破碎岩体或空气等,介质枀不均匀,电性差异很大。

在断层影响带、岩脉带及软弱夹层中常

存在裂隙密集带。

因为在裂隙内存在有不均匀、不

同成分的充填物,会与周边围岩形成较大电性差异。

在裂隙带或断层中,它们的波形特征和雷达图像枀

为相似,常常表现为裂隙和断层界面反射强烈,在反射面的附近振幅也会明显变强而且出现大的变化,

当穿越裂隙带和断层破碎带时,常产生散射、绕射,波形杂乱,同相轴错断。

如图4所示。

图4裂隙破碎带雷达图

图4为米亚罗隧道K119+090-K119+120段

的雷达探测图。

从掌子面前方5m处开始,反射界

面错乱,同相轴错乱,说明该段洞身有多组电性差异

的反射界面,且不连贯,据此推测,该段洞身围岩节

第6期魏宇伟,等:

地质雷达在米亚罗隧道超前地质预报中的应用111理发育,存在节理裂隙带,且岩体较破碎,围岩完整

性差。

3.4米亚罗隧道稳定性分析及影晌稳定性的因素

和对应的处理措施

3.4.1隧道稳性分析

以上是在对米亚罗隧道进行地质超前预报中遇

到的3种最为典型的探测结果,它是根据地质雷达

图像的振幅、波形和电磁波能量吸收的情况等特征

的变化规律,对图像做出判i卖,在米亚罗隧道的探测

过程中,多次探测到富水带、断层破碎带和裂隙带,

再加上隧道本身的地质极造不稳定,会严重影响隧

道的围岩稳定性,下面结合米亚罗隧道实际的不良

地质情况,对影响隧道稳定性[8]的不良地质因素做

简单的分析。

在隧洞开挖前,岩体处于一定的应力平衡状态,

开挖的过程使洞室周围岩体发生卸荷回弹和应力的

重分布。

若洞身围岩稳定性足够好,则不会因为卸

荷回弹和应力从新分布的变化而产生明显的变形或

破坏,所以,对于开挖出来的隧洞,不需要采取任何

加固措施都能够保持稳定。

然而,有的时侯会因为

洞身周围岩体应力状态的变化大或岩体强度低,导

致围岩不能适应回弹应力和重分布应力的作用而丧失稳定性。

在隧洞开挖前,岩体上所有点的应力都是稳定

的。

在洞身开挖后,会破坏原来的应力平衡状态,会

造成围岩内的应力重新分布,直到建立新的平衡为

止。

因为洞身开挖后的应力重分布会导致洞身形成

承载圈、松动圈。

若此时岩体刚好处于塑性状态或

者本身就很软弱,则会很难形成承载圈。

若岩体坚

硬,那么洞身周围的岩体就会始终处在弹性的状态,

围岩就稳定,松动圈就不会形成。

若隧道洞身的横断面是圆形的,根据薄板中心

圆孔应力的课题解,点的应力可用以下公式计算:

r1+λR2,1一λ3R44R2

σrσvl~~"（1-'r~一-r（1+7-7

力;σr为围岩中任一点径的向应力;σ。

为围岩中任

一点的切向应力;Tr（为围岩中任一点的剪应力。

当λ=1时,则风=σH-σ。

σ。

为地应力,如不

考虑其他应力,仅计算自重应力时,σ。

=γH,这时

可简化为:

σr=词（1_R:

（6

σθ=γH（1+号r

（7

Trθ=0（8

Aσ

doB

R-2r

qh一

+

M7r

咽'A

/,,、、

川丁

vv

σ

--

q&AVTogd

ρU

（4

（5

从（3（8式可得:

1在λ=1的天然地应力场中,隧洞开挖后,围

岩应力的重分布与0角元关,但与计算点与洞轴线

的距离r和洞径的大小R有关。

当R确定后,σr随

r的增大而增加,并逐渐趋向于天然应力值;而σ。

开始时随r的增加而减小,但以后亦逐渐趋向于天

然应力值。

一般当r;?

!

6R时,σr与σ。

己趋近于σ。

也就是说,在3倍洞径以外,围岩应力就不受开挖的

影响。

2当λ=1,r=R时,则σr=O,σ。

=2σ。

=2γH,Tre=0;即圆形隧洞洞壁上的切向应力为天然地应

力的1倍,而径向应力减小为0。

1,1

3当λ<3~（,-σV<•一3σH时,则隧洞顶和底（r=R;{=900,2700的σ8<0,出现负值,也即出现拉应力,并随0的减小而加大,可使围岩产生张开裂隙,

不利于洞身的稳定。

当（λ>3（风>3σH时,则隧洞

侧壁中间点上（r=R;{=O。

或1800的内<0也出

现拉应力,并随λ的增加而加大。

4当λ<1时,则最大压应力出现在隧洞侧壁

中间,当λ>1时,则最大压应力出现在隧洞的顶和

底。

3.4.2影响米亚罗遂道围岩稳定性的因素和对应

处理措施[9]

岩石特性:

米亚罗隧道的进出口段岩性以三叠

系西康群保倭组变质砂岩为主,为强风化强卸荷带,岩石较软,岩体破碎,裂隙发育。

软弱岩石因为强度较低,抗水能力差,在受力过程中容易产生变形,从而导致岩体的破坏,严重影响围岩的稳定性。

当隧道洞身穿过砂岩岩层时,2组走向平行但倾向相反的结极面和另一组与其走向垂直或斜交的陡倾结极面极成尖顶块分离体,这种分离体易掉块塌落;当隧道洞身穿过砂质泥岩岩体时,由于节理发育、砂质泥岩层理,再加上夹泥裂隙和风化作用产生的裂隙,枀叫θ]（3

r1+λR2,1-λ3R4

σ。

=σvl~~"（l+丁-一,..,"（1+丁

L中rL-r

式中:

σu为作用在围岩上的垂直应力;σH为水平应112西华大学学报·自然科学版2011年

其容易导致掉块滑落,当遇到水时,也可能发生塌方事故。

地质极造:

当极造发生变动时,在沿坚硬和软

弱岩层接触处常会产生错动,产生不同厚度的层

间破碎带,对岩体的完整性有很大的破坏,当隧道洞身穿过坚硬和软弱相间的岩层时,很容易在接

触面的地方产生变形,造成明落。

米亚罗隧道的

进出口段和洞身段的岩性差异大,进出口段的围

岩级别为皿级,而洞身段的围岩级别为V级,存在

坚硬和软弱相间的层状岩体,这样会容易在接触

面处变形和破坏。

断裂极造:

当隧道洞身穿过破碎的断层带时,断

层带宽度越大,破碎带的走向与洞轴的交角越小,那么它便会较长地露在洞内,较大地影响围岩的稳定性;另外,断层带的碎块性质和胶结情况也会影响围

岩的稳定性。

在米亚罗隧道的进出口段,断裂极造

发育,断层面走向多在00-40。

之间,它们总的特征是:

规模较大,破碎带较宽,断层面倾角较陡。

断层

带超前预加固体系常使用长管棚及帷幕注浆来防止

涌泥、涌水和塌方O富水段常采用帷幕注浆,少水的地段常采用超前长管棚预加固。

地下水:

当隧道洞身穿过含水层时,这些含水层

就成了排水通道,会使原来的地下水动力条件发生

改变。

地下水通过断层、破碎带或裂隙密集带常以

管脉状方式流向洞身内,较大的断层破碎带或较长

的张开裂隙,常会造成大量涌水现象。

对涌泥、涌主K规模小的部位,可清除填充物,用浆砌石回填,然后施做仰拱;对涌泥、涌水规模大的部位,底板可以使

用钢筋混凝土仰拱，并且在仰拱施工时预埋注浆管，等到仰拱混凝土达到强度要求时，注浆加固其填充物。

上述仅对影响米亚罗隧洞围岩稳定性的因素进行了分析对比，比较客观，符合实际情况。

但是在实际施工过程中，人为因素也不可避免的会对隧洞稳定性造成影响，采取科学合理的施工方案，对米亚罗隧洞稳定与安全有着十分重要的意义，必须引起足够的重视。

4结论地质勘察作为施工中的一个重要补充，地质雷达超前预报能够比较准确地预报出掌子面前方地质体（涌水、断层破碎带、梅洞等的分布情况，并且具有较高的分辩率，在米亚罗隧道施工过程中，根据实际的工况选择地质雷达测量参数，并结合地质雷达的探测结果、隧道开挖掌子面的情况和隧道区域地质情况对探测结果进行综合分析，得出有效且较准确的超前地质预报，然后在施工过程中根据超前预报的结果做出及时的施工调整方案并进行相应的动态设计，确保了米亚罗隧道的施工安全，并且节约了工程投资，取得了良好的经济和社会效益。

但是由于地质情况很复杂，地质雷达探测也有很大的局限

性[叫，如:

1地质体的各向异性使雷达图像具有多解性，而且有的反射体的雷达图像区别性不大，所以对被探测体的分辨存在着一定困难。

同时，对于一些含铁质高的岩体，地质雷达是不适用的。

2地质雷达是精密度较高的仪器，因此容易受隧道洞内机器、管线等各种因素的干扰，会使得形成的图像杂乱，有效信号不容易辨别区分，而且钻爆后掌子面的不平整也会影响精确度。

因此在开挖隧道的过程中，应该将超前地质超前预报工作当作一个重要环节纳入施工工序，同时应该同隧道的实际地质条件相结合，选择适当的地质超前预报方法，使得预报结果更精确、更有效。

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