地质雷达的工程应用

2005年地质雷达技术及其在 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 检测中的应用学术研讨会 2005年地质雷达技术及其在工程检测中的应用学术研讨会 地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用 由广明1，刘学增2 （1.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；2.上海同岩土木工程科技有限公司，上海 200092） Application of ground penetrating radar to geological forecast for expressway tunnel construction YOU Guang-ming1, LIU Xue-zeng2 (1. Department of Geotechnical engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China) (2. Shanghai Tongyan Civil Engineering Technology Co., Ltd, Shanghai 200092, China) 摘 要：以某高速公路隧道建设为例，阐述了地质雷达在超前地质预报过程中的应用，并介绍了几个功实例，为地质雷达在隧道超前地质预报中的应用积累了一些经验。 关键词：地质雷达；公路隧道；工程地质；超前地质预报 Abstract: The application and several examples about ground penetrating radar to geological forecast for expressway tunnel construction are described. Some experience about the application of GPR to geological forecast is obtained. Key words: ground penetrating radar; expressway tunnel; engineering geology; geological forecast 1 前言 隧道施工时，对掌子面前方地质情况进行及时准确的预测，至关重要。隧道施工过程中遇到的主要不良地质情况有溶洞、地下暗河、断层、破碎带和瓦斯等，对这些不良地质条件及时准确的预报，不仅可以提前采取相应的措施以提高隧道施工的工作效率，还可以确保施工的安全进行。 地质雷达是一种快速便捷、不影响施工的超前跟踪探测技术，它对上述不良地质条件有较好的探测结果。 下面介绍地质雷达在江西某高速公路几条隧道的应用情况。 2 基本原理 图1 GPR原理示意图 图中：T－发射天线；R－接收天线；e－介质介电常数；r－电导率 地质雷达（GPR）[1]通过发射天线T（图1），按照确定的方向，将1MHz～1GHz高频电磁波以宽频带脉冲形式向地下或进深方向发射。在均匀介质中，电磁波以一定速度传播，当遇到有电性差异的地层或目标体时，如断层、破碎带、溶洞和含水层等，电磁波便发生反射，返回到地面或探测点，被接收天线R接收并由主机记录，得到从发射经地下界面反射回接收天线的双程走时t。当地下介质的波速已知时，可根据测到的精确t值，并结合对反射电磁波的频率和振幅等进行处理和 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，便可求得目标体的位置、深度和几何形态。 3 应用实例 现场采用瑞典MALA地质雷达（RAMAC/GPR）进行探测，主机为CUⅡ，采用的主要技术参数为：1）50MHz非屏蔽天线，天线间距1m。2）100MHz屏蔽天线；天线间距0.5m。记录时间、叠加次数和采样率根据实际情况做适当调整。根据实际情况，采用点测和连续扫描两种方式进行探测。 3.1裂隙的地质雷达图像 图2是一裂隙的探测图像，面对掌子面自左向右探测得到。从图像中可以看出，出现了连续的反射波界面，反射界面明显，反射面附近波幅显著增强。后经开挖证实，掌子面前方有1条与隧道中心线大角度斜交的压性节理面，并贯穿整个隧道断面，预报结果与实际情况吻合。 图2 掌子面前方为裂隙的雷达图像 (左图为利用采集软件Groundvision直接得到的图像； 右图为利用Reflexw软件处理后得到雷达图像。下同) 3.2断层的地质雷达图像 图3 掌子面前方为断层的雷达图像 地质雷达对断层有较好的探测效果，如图3所示。从图像可以看出，掌子面前方有明显的强反射存在，经过多次测试，重复性极好，图像特征为：界面反射强烈，反射面波幅增强，反射波同相轴的连线为破碎带的位置。后经开挖证实，掌子面前方有1条压性小断层破碎带和2条节理面与隧道相交，走向与隧道中心线交角接近90°，预报结果与实际情况基本吻合。 3.3溶洞的地质雷达图像 图4 掌子面前方为溶洞的雷达图像 当隧道通过溶洞发育区域时，除了要在掌子面处探测其前方地质状况外，还要对隧道侧壁进行探测，以发现不利于隧道运营的地质状况。图4是对隧道侧壁探测的雷达图像。从雷达图像可以看出，探测面前方有明显异常存在，结合地质状况，推断前方为溶洞，建议施工方及时采取措施以免对隧道后期运营产生影响。后经证实，探测面前方为一夹少量粘土的溶洞。 3.4含水裂隙的地质雷达图像 图5 掌子面前方为含水裂隙的雷达图像 图5是一含水裂隙的雷达图像，左图为点测得到的图像，右图为连续探测得到的图像。从雷达图像可以看出，点测和连续探测结果基本一致。探测时掌子面为千枚状板岩，有少量渗水，从图像可以看出，掌子面前方地质情况可分为左、中、右三个部分。后经开挖证实，左侧围岩完整性相对较好，中间有一夹层，右侧节理裂隙较发育并有少量滴水。 3.5软弱夹层的地质雷达图像 图6 掌子面前方为软弱夹层的雷达图像 图6为一软弱夹层的雷达图像，面对掌子面自左向右探测得到。从图中可以看出，掌子面前方有明显强反射存在，经反复探测，重复性极好。从雷达图像可以看出，界面反射强烈，连续性较好，16m之后基本无反射波信号。结合地质观察及地质勘查资料，推断掌子面前方为煤层。这一探测结果被后来的开挖观测结果所证实。 4 结语 通过采用地质雷达对隧道进行超前地质预报，有以下体会： (1) 采用地质雷达探测隧道掌子面前方地质状况是一种快速便捷、对施工影响小的探测方法。 (2) 在实施探测的同时，可对采集到的雷达波形进行粗略判断，如发现异常状况，应反复探测并采用不同的探测方式（点测和连续探测），从而确保探测的准确性。 (3) 采用100MHz天线可对掌子面前方20m范围内的地质状况做出较好的判断，不同的不良地质状况，可能有相似的雷达图像，因此，结合掌子面地质观察，可以提高判断的准确性。 (4) 由于实际隧道开挖过程中，掌子面往往不平整，这不但增加了探测的难度，同时对探测的结果也有一定的影响。 (5) 探测过程中经常会有干扰因素存在，如隧道台车和装载机等施工机械，因此，如何正确识别干扰，从而得到正确的分析结果至关重要。 (6) 地质雷达是一种正在不断发展的无损探测技术，对不良地质状况的探测效果良好，但准确率不可能达到百分之百，对雷达图像异常情况的解释判断，需要积累大量的实际经验。 参考文献 [1]夏才初，潘国荣. 土木工程监测技术[M].北京：中国建筑工业出版社,2001,245-280 [2]吴永清，何林生. 地质雷达在公路隧道的应用[J].广东公路交通,1998,54:111-114 [3]高才坤，郭世明. 采用地质雷达进行掌子面前方地质情况预报[J].地质与勘测,2000,3:11-13 [4]唐龙，孙晓宾. 应用地质雷达探测隧道地质构造[J].山西建筑,2001,27,(3):148-149 [5]万千里. 地质雷达探测在大茅左隧道施工中的应用[J].公路,2002,12:139-142 [6]吴俊，毛海和等. 地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用[J].岩土力学,2003,24,(1):154-157 [7]代高飞，夏才初等. 地质雷达在隧道超前预报中的应用[J].西部探矿工程,2004,9:116-118 96 北京鑫衡运科贸有限责任公司 BEIJING XIN HENG YUN SCIENCE & TRADE CO.,LTD. 北京鑫衡运科贸有限责任公司 BEIJING XIN HENG YUN SCIENCE & TRADE CO.,LTD. 95