地质雷达在隧道工程超前地质预报中的应用

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1、地质雷达在隧道工程超前地质预报中的应用摘要：隧道施工中常常遇到不良的地质因素。为了减少工程隐患并避免灾情的发生，可通过地质雷达进行超前地质预报，从而及时、详细地了解开挖掌子面前方的地质情况，为施工方法的合理调整提供依据。本文介绍了地质雷达的工作原理、工作方法、成果解释，并结合工程实例，说明采用地质雷达探测掌子面前方的地质情况是可行的。关键词：地质雷达；介电常数；掌子面；超前预报1．引言在隧道施工中,由于前方地质情况不明，常常遇到不良的地质因素,如断层、破碎带、溶洞、暗河等。这些地质因素不仅影响隧道的掘进速度,甚至会造成严重的工程事故，如塌方、泥石流和大涌水等毁灭性的地质灾害

2、。由于隧道施工前的工程地质勘查结果在精度和可靠性上都难以满足施工的要求。如有人做过统计,隧道在掘进中所遇到的断层等地质现象比地面测绘时所遇到的要多得多。一般地面测绘所遇到的这类地质现象仅为地下开挖时所遇到的1%~9%,因而隧道施工的危险性很大。若能准确地在隧道掘进中提前了解掌子面前方岩性结构的变化情况,如预报掘进前方是否有断层、破碎带溶洞等不良地质构造,这些构造的几何形态如何,规模的大小,根据所掌握到的这些地质构造情况,可及时合理地安排掘进进度、修正施工方案、安排防护措施、避免险情发生。多年来，隧道工程师一直希望寻求一种简单可行的办法来探明隧道的施工质量和隧道前方的地质情况

3、，但都因为施工干扰大、时效性差、费用昂贵等诸多不利因素而不受施工现场欢迎。近年来，随着科学技术的进步，地质雷达探测技术被应用于隧道工程的地质超前预报中，它具有速度快、成本低及分辨率高等特点，因此具有广泛的应用前景。地质雷达与通讯雷达一样，它是利用高频电磁波脉冲信号的反射来探测隧道前方地质情况的，由于地质介质比空气具有更强的电磁波衰减特性，加之地质介质的多样性，电磁波在岩土层中的传播规律比空气中要复杂的多。尽管如此，随着技术的进步和实践经验的积累，地质雷达在隧道工程的地质超前预报中，仍取得了良好的效果。2．地质雷达的工作原理[1]地质雷达是一种无损探测仪器。它依据电磁波脉冲在

4、地下传播的原理进行工作，电磁波脉冲由发射天线发出，被地下介质介面（或埋藏物）反射，由接收天线接收（如图1）然后将这些信号记录下来，成图显示出来接受天线发射天线（如图2）。被反射脉冲旅行时间在单置RT式天线情况下为∆t=2h/v(1)式中h为反射界面的深度(m)；v为波速(m/ns)；∆t为脉冲双程旅行时间(ns)。反射界面图1地质雷达电磁波脉冲传播示意图-1-每发射一次脉冲，就接收到一串反射讯号，称为时间系列或扫描记录。随着天线在介质R0R1R2R0R1R2入射波反射波空气A0Aθθ1A介质12干粘土介质2α砂岩石灰岩Δt1Δt2折射波图2地质雷达工作原理图图3电磁波在介质

5、分介面上的反射和折射面上方平行移动，得到无数扫描记录（大约200次/秒），合成一张完整的地下透视图像。对于地质雷达所使用的频段来说，地下媒质一般可视为准电介质，波速可由下式近似求出v=c/ε(2)r式中c为真空中光速(0.3m/ns)；ε为地下介质的相对介电常数。r研究表明，引起雷达脉冲反射的主要原因是各种介质的介电常数不同。这是由于各介质的物质结构不同而造成的。如灰岩的介电常数通常在7~8之间（见表1）。根据电磁波理论，[2]当电磁波穿过层状介质时，由于上下介质的电磁特性不同而产生折射和反射（见图3）。表1常见介质的相对介电常数介质类型相对介电常数介质类型相对介电常数空气

6、1花岗岩4~7雪1~2砂岩6PVC材料3页岩7沥青3~5石灰岩7~9混凝土6~8砾岩6~8水81玄武岩8电磁波在介质介面的折射和反射特征由折射系数T12和反射系数R12表示，对于非磁性介质，当电磁波垂直入射（θ=0）时，可以用下式表示：ε−ε12R=(3)12ε+ε122ε1T=(4)12ε+ε12式中：ε1、ε2分别为界面上下介质的介电常数；R12表示从介质1入射时,介质1－介质2的反射系数；T12。表示从介质1入射时，介质1－介质2的折射系数。反射脉冲信号的强度不仅与反射系数R有关，还与穿透介质波的衰减系数有关，主要取决于周围介质与反射体的电导率和介电常数。对于准电介质

7、近似有-2-β＝188σ/ε(5)r式中β为衰减系数(Np/m)；σ为电导率(S/m)。3工程实例3．1工程概况及地质条件刘家坳隧道隶属于沪蓉国道主干线湖北宜昌－恩施公路第一合同段，它位于宜昌市长阳县龙舟坪镇刘家坳村，呈近东西向展布，为上、下行分离的四车道高速公路隧道。本隧道建筑界限确定为9.75(宽)×5.0m(高)，其中行车道净宽7.5m，两侧路缘带宽各0.5m。隧道地处构造剥蚀低山~丘陵地区，山脊总体呈东西向条形展布，地面高程在230m~372m之间，最大埋深约115米。隧道区地质构造较复杂。隧道区内基本上为