GPR探测技术在隧道施工中的运用

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GPR探测技术在隧道施工中的运用摘要：在平川隧道施工过程中，采用GPR法探测隧道，预测掌子曲前方围岩的地质情况、不良地质体的位置、工程性状、水文地质状况等信息。分析相关施工段，从而判断隧道围岩的类别，并根据围岩的稳定性，改进支护参数，使得施工更为安全，施工进度得到保证。通过对平川隧道的施工进行指导，确保隧道施工安全进行，得出的结论可为类似条件的隧道施T起参考作用。Abstract：IntheprocessofPingchuantunnelconstruction,GPRmethodisusedtodetectthetunnel,includingprcdictingthegeologicalconditionsofthesurroundingrockinfrontofthetunnelingface,thepositionoftheadversegeologicalbody,engineerin£properties,hydrogeologicalconditionsandotherinformation.Byanalyzingrelevantconstructionperiod,thecategoryofthesurroundingrockcanbedetermined,andaccordingtothestabilityofsurroundingrock,thesupportingparametersareimproved,soastomaketheconstructionsafer,andensuretheconstructionprogress.ThroughtheguidanceoftheconstructionofPingchuanTunnel,thetunnelconstructionsecuritycanbeensured,andtheconclusioncanborefereneoforthesimilarconditionsoftunnelconstruetion. 关键词：地质雷达法；探测；隧道；施工Keywords:geologicalgroundpenetratingradarmethod；detection；tunnel；construction中图分类号：U452.1文献标识码：A文章编号：1006-4311(2016)03-0090-030引言进入21世纪，伴随着西部大开发战略的启动，修建的铁路隧道、公路隧道将明显增多［1］。目前，在隧道施工过程中，由于受隧道长度、埋深等各方面因素的影响，地质条件越趋复杂，在初勘中采用宏观的地面调绘、钻探、波速测井等方法，很难准确查明施工过程屮所需耍的微观水文、地质条件及不良地质体的赋存状态，导致施工过程中突水、突泥、坍塌等事件时有发生，给施工带来极大困难，造成施工人员和施工设备的重大安全事故［2-5］o因此，在隧道施工屮，对隧道前方釆用GPR法探测技术，预测掌子面前方围岩的地质情况、不良地质体的位置、工程性状、水文地质状况等信息，对施工进行指导是十分必要的。地质雷达法，简称GPR法，是隧道超前地质预报技术的一种，是使用高频甚至超高频段的地下电磁波反射探测技术。受普宣高速公路建设指挥部委托，对普立至宣兰高速公路平川隧道段，采用地质雷达法进行超前预报工作。预测掌子曲前方围岩的地质情况，确保合理的施工措施，降低隧道施工风险，促使隧道施工技术更趋科学合理，为隧道施工服务。1工程概况 平川隧道位于滇北海东山地新城中心片区双月路，为一座连拱隧道,隧道左右幅起止里程K900-K4+175,全长3275m0隧道进口设计高程1995.22m,出口设高程1957.55m；最大埋深约54m。设计技术标准：公路等级为一级公路，设计速60km/h；主洞有效净宽14.40m,有效净高5.0m。从K910掌子面照片（如图1所示）可以得出，掌子面围岩为褐色、灰绿色块状玄武岩，原岩属硬质岩，屮等〜强风化，结合力差。丽室围岩稳定性差，掌子面潮湿，地下水不丰富，含基岩裂隙水，出水状态为点滴状。2工程地质条件2.1地形地貌平川隧道测区地处洱海东岸，属剥蚀构造低中山地貌。出露地表地层为第四系残破积黏性土和角砾组成，厚约2.00〜16・40叽下伏奥陶系下统向阳组一段石英砂岩夹泥岩。2.2气候平川隧道测区属北亚热带季风气候区，年平均气温15°C,最热月（7月）平均气温20.5°C,极端最高气温34°C；最冷月（1月）平均气温8°C以上极端最低气温-4.2°C,年温差平均为11.4°C,日温差平均11・6°C〜13.l°Co受海拔高度的影响，气候垂直变化明显，海拔每升高100m,年平均气温相应降低0.66°C,年平均降水量650〜850mm。平川隧道测区位于南峰市城东北，南峰是著名的“风城”，年平均风速2.3m/s,风速17m/s的大风日数年平均56天，最多的年份110天，瞬间最大风速40m/So大风日数几乎全部出现在11月〜次年5月，其中1月~3月大风日数最为集中，主导风向是西风。2.3地层岩性 平川隧道测区上部覆盖层为第四系残破积黏性土和砾石土，下伏基岩为奥陶系下统向阳组一段石英砂岩夹泥岩，岩体完整性较差，呈中〜强风化，沙状、角砾状，少量碎石桩状、土状，岩体极破碎，节理极发育。2.4地质构造平川隧道测区地处青、藏、滇、缅、印尼“歹”字型构造体系，构造行迹主要以洱海（大断裂）为主，该断裂延长很远，经西岭、州水泥厂等地观察，断裂面向北东倾，倾角为70。左右，断裂面光滑平直，是一条成形早、活动时间很长的压扭性断裂。平川隧道测区位于向阳复式背斜东翼，有舒缓波状起伏，岩层产状从K1+800附近的225°Z42°至K4+000处渐变为350。Z55°。受洱海深大断裂及次级断裂的影响，两侧岩层节理极为发育，岩石极为破碎。2.5水文地质特征平川隧道测区内地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。松散岩类孔隙水主要赋存于第四系坡残积层中，主要接受大气降水补给，由于山高坡陡，其富水性较差。在枯水季节，土层不含地下水，雨季时期土层含孔隙水及上层滞水，水量较小，分布范围有限，向斜坡低洼处、溪沟径流排泄，无统一地下水位，动态变化大。基岩裂隙水主要赋存于奥陶系下统向阳组一段石英砂岩夹泥岩中，主要接受大气降水垂直补给，富水性各段差异性较大，一般于节理密集、连通性较好或构造破碎带、与白云质灰岩接触带内汇集，形成相对富水区。3GPR地质雷达法探测隧道 平川隧道测区工程地质条件较为复杂，地层岩性差，岩体极破碎，节理极发育。因此，在平川隧道施工中采用GPR法探测技术对隧道前方进行超前预报，预测学子面前方围岩的地质情况，确保合理的施工措施，降低隧道施工风险，是十分重要的。3.1检测原理和设备GPR法是利用发射天线向地下介质发射广谱、高频电磁波，当电磁波遇到电性（介电常数、电导率）差异界面时将发牛透射、折射和反射现象,同时介质对传播的电磁波也会产生吸收滤波和散射作用。用接收天线接收并记录来自地下的反射波，采用相应的处理软件进行数据处理，然后根据处理后的数据图像结合工程地质及地球物理特征进行推断解释，对掌子面前方的工程地质情况（围岩性质、地质结构构造、围岩完整性、地下水和溶洞等情况）进行预测。本次检测所使用的仪器是意大利IDS-RIS-K2型地质雷达，地质雷达法是使用高频甚至超高频段的地下电磁波反射探测技术，主要利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目的体。可根据测得的雷达波走时，自动求得反射物的深度z并进一步界定其范围、判定其性质[6]o地质雷达工作原理如图2所示。地质雷达主要利用宽带高频时域电磁脉冲波的反射探测目的体。由公式t二/v可根据测得的雷达波走时，自动求岀反射物的深度z并进一步界定其范围、判定其性质。本次预报的意大利地质雷达，检测天线频率为80MHz，时间采集，每道1024采样点，时窗设置为450nso3.2地质雷达探测与解释 如图3所示，从中可以判断出测线在20m深度内，反射波同向轴呈较连续，局部呈断续状，振幅、频率变化较大。据GPR法探测得到的反射波图像，结合隧道工程地质实际，探测段K910〜K930段范围内围岩为玄武岩，节理裂隙很发育口杂乱，局部地段夹软弱层，岩体很破碎，地下水不丰富，出水状态为点滴状。3.3GPR法探测成果及建议根据地质雷达探测和掌子面地质调查，掌子面前方K910-K930预测段围岩地质情况为：%1岩性及风化程度：岩体为灰绿色、褐黄色块状玄武岩，中等〜强风化。%1节理裂隙发育情况：节理裂隙发育4组以上，且杂乱，呈“下”字结构面组合，局部地段夹软弱层，岩体很破碎，体完整性差，呈碎石状压碎结构。%1地下地下水不丰富，出水状态以点滴状为主。%1岩石的坚硬程度：玄武岩原岩属于硬质岩，但因受构造影响很严重,地下水和风化等综合作用的结果，围岩的坚硬程度有所降低。%1围岩级别：根据《公路工程地质勘察规范》(JTGC20-2011)关于隧道围岩分类的有关规定，判定围岩级别为IV级，此段围岩施工中注意施工安全，防止坍塌。此次探测段围岩稳定性差，拱部无支护时可产生较大的坍塌，侧壁经常小坍塌。宜采用“多循环、及支护、早成环”的方式进行隧道施工，因 此有关平川隧道的施工建议具体为:%1岩体节理裂隙很发育口杂乱，岩体被切割成碎石、角砾状，开挖后易产生掉块和塌方，需采用光面爆破控制轮廓面的开挖，并严格控制开挖进尺和单响最大药量，最大程度的减少爆破震动对围岩造成的扰动。%1围岩强度较低，自稳能力差，开挖前采用超前支护，开挖后的围岩应立即进行初期支护，减少围岩的暴露时间，避免开挖不当或支护不及时造成围岩的失稳；同时进行仰拱施工，尽早成环。4结论通过对平川隧道采用地质雷达法进行勘探，进行超前地质预报，分析隧道围岩稳定性，对隧道施工进行指导。对于每部分的施工段进行分析，从而判断围岩的类别，并根据围岩的稳定性，改进支护参数，使得施工更为安全，施工进度得到保证。不仅能及时完成施工任务，更保证了施工的质量通过对施工进行指导，尽量减少事故的发生。施工中应及时做好支护及排水工作，防止坍塌，对可能存在和产生涌水、坍塌的地段，开挖前应切实做好预防措施。以实践经验和平川隧道施工的工程背景为依托，运用地质雷达法探测隧道，最后提出相关结论，确保施工安全，对相关类似地质条件的隧道施工有帮助。参考文献：[1]李丹，肖宽怀•高密度电法在铁峰山2号隧道工程探测中的应用[J]・工程地球物理学报，2006(03)：197-200.[2]周勇，朱建才，甘欣•超前地质预报(地质雷达)在城市隧道施工 中的应用[J]•工程勘察，2009(s2)：511-514.[1]吕乔森，罗学东，任浩•综合超前地质预报技术在穿河隧道中的应用[J]•隧道建设，2009,29(02)：189-192.[2]帅文斌•高地应力隧道穿越软弱围岩的综合预报研究[J]•山西建筑，2014(14)：195-196.[3]王刚，王志玲，赵显宗・TSP超前探测技术应用分析[J]•中州煤炭,2011(09)：51-52.[4]王鹏禹，李磊•地质雷达检测技术在工程地质裂缝探测调查中的应用[J]•水利技术监督，2011(06)：54-57.