鐘彩彩,黃德鏞,陳　雷,江訓(xùn)譜

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源與工程學(xué)院,云南 昆明　650093)

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地質(zhì)雷達(dá)在通車隧道圍巖探測(cè)中的應(yīng)用

鐘彩彩,黃德鏞,陳雷,江訓(xùn)譜

(昆明理工大學(xué) 國(guó)土資源與工程學(xué)院,云南 昆明650093)

以昆祿二級(jí)公路大普吉隧道為工程背景,針對(duì)該通車隧道,給出地質(zhì)雷達(dá)在無(wú)損檢測(cè)應(yīng)用中的工作方法,主要介紹了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的工作原理,包括測(cè)線布置、采集參數(shù)設(shè)定、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和后期資料處理解釋。因該隧道通車出現(xiàn)病害,通車前未使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè),而地質(zhì)雷達(dá)具有方便、成本低、精度高的特點(diǎn),所以通車后選擇運(yùn)用21-002188便攜式探地雷達(dá)對(duì)該隧道圍巖進(jìn)行掃描分析探測(cè)。通過(guò)雷達(dá)測(cè)線剖面了解隧道圍巖的含水分布、富水區(qū)和圍巖松散與破碎等不良地質(zhì)病害隱患,并通過(guò)幾幅典型雷達(dá)圖像分析了不同異常情況在雷達(dá)圖像上的反映。為解決大普吉隧道安全隱患提供及時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。

地質(zhì)雷達(dá);通車隧道;圍巖探測(cè)

近年來(lái),我國(guó)公路、鐵路隧道工程發(fā)展迅猛,尤其是長(zhǎng)、大隧道。隧道工程已經(jīng)成為許多線路的控制性工程。隧道的施工質(zhì)量直接影響隧道的工期以及日后道路的安全運(yùn)營(yíng),但是由于隧道的襯砌等工程為隱蔽性工程,在隧道修建完畢、交工甚至通車后再次檢測(cè)隧道質(zhì)量時(shí),用常規(guī)的方法很難檢測(cè)出其施工質(zhì)量是否符合設(shè)計(jì)要求。這就需要有一種與傳統(tǒng)質(zhì)量檢測(cè)方法完全不同的檢測(cè)手段,高效率、全方位地進(jìn)行檢測(cè),為解決隧道安全隱患及時(shí)準(zhǔn)確地提供數(shù)據(jù)資料[1-3]。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)方法作為目前世界上流行的無(wú)損檢測(cè)方法,在隧道施工質(zhì)量檢測(cè)中有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì),其特點(diǎn)是快速、無(wú)損、連續(xù)檢測(cè),以實(shí)時(shí)成像的方式顯示隱蔽結(jié)構(gòu)的剖面,探測(cè)結(jié)果一目了然,分析、判讀直觀方便[4-6]。

研究主要介紹了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的工作原理,以昆祿二級(jí)公路大普吉隧道為工程背景,因該隧道通車出現(xiàn)病害,通車前未使用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè),而地質(zhì)雷達(dá)具有方便、成本低、精度高的特點(diǎn),所以通車后選擇運(yùn)用21-002188便攜式探地雷達(dá)對(duì)該隧道圍巖進(jìn)行掃描分析探測(cè),分析圍巖節(jié)理裂隙情況,得出相應(yīng)結(jié)論,為以后加固修復(fù)病害提供可靠依據(jù)。實(shí)踐證明,該技術(shù)對(duì)探測(cè)、分析、判斷隧道工程的圍巖質(zhì)量缺陷可起到重要的參考作用[7,8]。

1　隧道概況

大普吉隧道位于昆祿二級(jí)公路K228+510-K229+875處,屬于108國(guó)道中的一段,是進(jìn)出昆明連接四川的重要通道。隧道全長(zhǎng)1 365 m,單孔雙向車道,凈寬11 m,高7.4 m,由云南省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),鐵道部第十二工程局、第十六工程局共同建設(shè)完成,于1998年底竣工通車。

大普吉隧道穿過(guò)一向斜構(gòu)造,其核部于K229+110處。圍巖巖性極其復(fù)雜,主要巖性為灰?guī)r、白云巖和泥晶角礫灰?guī)r,還有泥晶灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、砂巖和糜棱巖。隧道昆明口發(fā)育一斷層,巖石強(qiáng)烈破碎,施工中曾出現(xiàn)坍方現(xiàn)象?；?guī)r中溶蝕現(xiàn)象比較嚴(yán)重,隧道經(jīng)過(guò)之處發(fā)育有溶洞。圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,加之所處向斜構(gòu)造,為地下水的賦存提供了條件。

2　檢測(cè)原理及方法

2.1雷達(dá)檢測(cè)的原理

(1)工作原理探地雷達(dá)利用主頻為數(shù)十兆赫至千兆赫波段的電磁波,以寬頻帶短脈沖形式,由地面通過(guò)天線發(fā)射器(T)發(fā)送至地下,經(jīng)地下目的體或地層的界面反射后返回地面,由雷達(dá)天線接收器(R)接收,并送至控制主機(jī)進(jìn)行數(shù)字化記錄,其工作原理如圖1所示。

圖1　雷達(dá)工作原理Fig.1　The working principle of the radar

脈沖波的行程為

(1)

其中:t為脈沖波走時(shí)(ns,1ns=10-9s);z為目標(biāo)深度(m);x為T(mén)與R的距離(m);v為電磁波速(m/ns)。

(2)

其中:c=0.3m/ns(光速);εr為介質(zhì)介電常數(shù)。

計(jì)算探測(cè)目標(biāo)深度的計(jì)算公式為

(3)

(2)使用儀器本次檢測(cè)使用的是瑞典Mala公司生產(chǎn)的RAMAC/GPR CUⅡ主機(jī)控制系統(tǒng)一套,型號(hào)為21-002188便攜式探地雷達(dá)及其配套的500 MHz、100 MHz。該儀器具有系統(tǒng)高度集成化、數(shù)字化,操作菜單簡(jiǎn)潔方便,天線屏蔽干擾小,探測(cè)范圍廣,分辨率高,具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和信號(hào)增強(qiáng)功能,可進(jìn)行連續(xù)透視掃描,現(xiàn)場(chǎng)顯示監(jiān)控、光纜傳輸、數(shù)據(jù)失真小等特點(diǎn)。

2.2探測(cè)工作實(shí)施方法

(1)探測(cè)深度的確定大普吉隧道按Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類圍巖設(shè)計(jì)。根據(jù)探測(cè)目的要求,首先對(duì)隧道病害重點(diǎn)地段進(jìn)行了試驗(yàn)性探測(cè),經(jīng)鉆孔開(kāi)挖驗(yàn)證及雷達(dá)圖像進(jìn)一步分析,從而確定了天線的選用和參數(shù)設(shè)置(見(jiàn)表1)。

表1　雷達(dá)參數(shù)設(shè)置表

使用低頻天線探測(cè)是為了了解隧道圍巖內(nèi)部的結(jié)構(gòu)情況,以便分析病害原因。

(2)探測(cè)方法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作情況,為便于測(cè)量和下一步整治隧道病害需要,以公路里程樁號(hào)為基礎(chǔ),每5 m統(tǒng)一編號(hào)作為探測(cè)里程橫坐標(biāo)。

探測(cè)分別采用高空作業(yè)車和人工控制移動(dòng)天線對(duì)隧道圍巖進(jìn)行連續(xù)掃描,實(shí)時(shí)監(jiān)控,各測(cè)線記錄自成文件。

2.3數(shù)據(jù)處理與資料分析

(1)數(shù)據(jù)處理雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的目的是抑制隨機(jī)的和有規(guī)律的干擾,最大限度地提高雷達(dá)圖像的分辨能力,提取電磁回波的各種有用參數(shù),來(lái)解釋不同介質(zhì)的物理特征。如基于頻率不同產(chǎn)生的改善應(yīng)用于各種反褶積技術(shù),確定性反演濾波、遞歸濾波、最小平方濾波和子波處理等。其中首先采用的是水平濾波和帶通濾波,以及增溢調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)處理的另一目的是將數(shù)據(jù)元素重置以補(bǔ)償由于來(lái)自不同方向的反射迭加產(chǎn)生的空間畸變,如偏移處理等。探地雷達(dá)數(shù)據(jù)資料處理的主要流程如圖2所示。

(2)資料分析和所有物探技術(shù)一樣,雷達(dá)圖像異常解釋是一個(gè)“系統(tǒng)工程”,它包含了高頻技術(shù)、工程建筑等方面的知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)。判讀雷達(dá)掃描圖像,首先是對(duì)圖形與圖像的正確識(shí)別,然后才是相關(guān)的計(jì)算與解釋。探地雷達(dá)掃描圖像的正確解釋,是建立在探測(cè)參數(shù)選置合適,數(shù)據(jù)處理得當(dāng),有足夠的模擬試驗(yàn)對(duì)比,以及閱圖經(jīng)驗(yàn)豐富等基礎(chǔ)之上的。

大普吉隧道病害主要表現(xiàn)為滲漏水,利用雷達(dá)波對(duì)水“敏感”這一特性,在隧道產(chǎn)生病害的嚴(yán)重部位,因其介質(zhì)結(jié)構(gòu)相對(duì)孔隙度大,物質(zhì)充填不均勻,易于滲透積存水等特征,在雷達(dá)圖像上判讀病害的部位、輪廓、狀態(tài)和程度。為了研究隧道病害的成因,在隧道圍巖探測(cè)方面通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖象的識(shí)別判斷,重點(diǎn)解釋圍巖富水區(qū)的分布、積存水囊、滲漏水通道和松散破碎區(qū)等易于造成隧道病害的不良地質(zhì)狀況[9,10]。

圖2　探地雷達(dá)數(shù)據(jù)資料處理流程Fig.2　Ground penetrating radar (GPR) data processing flow chart

2.4完成工作量及測(cè)線布置

針對(duì)大普吉隧道病害治理的需要及本次項(xiàng)目的任務(wù)要求,沿隧道(K228+510-K229+875)1 365 m縱向布測(cè)線,沿上拱部A、B、C布測(cè)線三條,間距約3 m(見(jiàn)圖3),使用100 MHz天線,控制探深20～25 m,邊墻A、C和拱頂面B布測(cè)線,控制探深20 m,隧道圍巖深部探測(cè):3條×1 330 m=3 990 m,以探測(cè)隧道圍巖中的不良地質(zhì)狀況,進(jìn)而研究隧道病害的成因。

圖3　圍巖雷達(dá)檢測(cè)線布置示意圖Fig.3　Lines of radar arrangement of surrounding rock

3　圍巖缺陷檢測(cè)結(jié)果及檢測(cè)圖像判析

3.1圍巖缺陷檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)雷達(dá)測(cè)線剖面了解隧道圍巖的含水分布、富水區(qū)和圍巖松散與破碎等不良地質(zhì)病害隱患。檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn),拱頂共有31處缺陷,左側(cè)圍巖共有11處缺陷,右側(cè)圍巖共有12處缺陷。通過(guò)統(tǒng)計(jì)雷達(dá)測(cè)線剖面得到各剖面的不良地質(zhì)隱患統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表2)。從隧道圍巖的雷達(dá)探測(cè)圖像顯示隧道圍巖靠近二襯存在大面積含水特征的雷達(dá)波強(qiáng)反射波組,有積水呈飽和狀態(tài)的富水區(qū),并通過(guò)襯砌結(jié)構(gòu)薄弱點(diǎn)形成滲漏水通道導(dǎo)致病害發(fā)生。

表2　各剖面不良地質(zhì)隱患統(tǒng)計(jì)參數(shù)

綜合三條測(cè)線剖面圖的探測(cè)結(jié)果分析得出:

(1)從雷達(dá)圖像上可以對(duì)圍巖中含水、富水區(qū)的位置、范圍進(jìn)行定性圈定,但由于缺乏必要的鉆孔驗(yàn)證資料,尚無(wú)法對(duì)圍巖巖性進(jìn)行劃分。左邊圍巖含水區(qū)521 m,富水區(qū)334 m,松散破碎區(qū)11段,共163 m;右邊圍巖含水區(qū)443 m,富水區(qū)242 m,松散破碎區(qū)12段,共130.5 m;拱頂圍巖含水區(qū)616 m,富水區(qū)589 m,松散破碎區(qū)31段,共560 m;三條測(cè)線檢出溶洞一個(gè),大斷層一條。

(2)隧道路面下普遍含水,尤其以隧道中段及昆明端較為集中,且有多處富水區(qū)。

(3)隧道兩側(cè)邊墻外圍巖大面積含水,昆明端洞口剝露出的圍巖顯示存在有風(fēng)化粘土,該類粘土具有干縮濕漲的特性,有可能造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)的側(cè)壓變形。

(4)隧道拱頂外圍巖含水區(qū)主要分布范圍較大,主要集中在圍巖破碎區(qū)。

(5)雷達(dá)剖面顯示中段有54段松散破碎區(qū)。

3.2檢測(cè)圖像判析

在工程勘察中,常見(jiàn)的不良地質(zhì)現(xiàn)象有:斷層破碎帶、裂隙帶、富水帶、巖溶洞穴、巖性變化帶等。以上典型地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)雷達(dá)圖像和波形特征的簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)關(guān)系總結(jié)見(jiàn)表3[11]。

表3　典型地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)雷達(dá)圖像波形特征間的簡(jiǎn)單對(duì)應(yīng)關(guān)系

由于篇幅所限,研究?jī)H描述大普吉隧道K229+590-K229+565拱頂測(cè)線、K229+238-K229+230左側(cè)圍巖測(cè)線和K229+640-K229+658右側(cè)圍巖測(cè)線的檢測(cè)結(jié)果(見(jiàn)表4)。

表4　大普吉隧道圍巖地質(zhì)情況

圖4是大普吉隧道拱頂K229+590-K229+565存在的典型節(jié)理裂隙、溶洞的雷達(dá)剖面圖。圖5是大普吉隧道左側(cè)圍巖K229+238-K229+230存在的典型節(jié)理裂隙且有裂隙水的雷達(dá)剖面圖。圖6是大普吉隧道右側(cè)圍巖K229+640-K229+658存在的典型節(jié)理裂隙、斷層的雷達(dá)剖面圖。由這些雷達(dá)剖面圖可以清晰地判斷隧道圍巖的缺陷及缺陷類型,與傳統(tǒng)方法相對(duì)比,利用地質(zhì)雷達(dá)能夠高效率、全方位地進(jìn)行檢測(cè),以實(shí)時(shí)成像的方式顯示隱蔽結(jié)構(gòu)的剖面,探測(cè)結(jié)果一目了然;分析、判讀直觀方便,為解決大普吉隧道安全隱患及時(shí)準(zhǔn)確地提供數(shù)據(jù)資料。表4顯示了大普吉隧道部分圍巖段典型的地質(zhì)情況。

圖6　右側(cè)圍巖:K229+658-K229+640有節(jié)理裂隙和破碎區(qū)Fig.6　Joints and fissures and broken zone in surrounding rock on the right K229+658-K229+640

4　結(jié)論

由于通車,大普吉隧道產(chǎn)生病害,通過(guò)運(yùn)用21-002188便攜式探地雷達(dá)對(duì)大普吉隧道圍巖進(jìn)行掃描分析探測(cè),由雷達(dá)測(cè)線剖面了解到隧道圍巖的含水分布、富水區(qū)和圍巖松散與破碎等不良地質(zhì)病害隱患,并通過(guò)幾幅典型雷達(dá)圖像分析了不同異常情況在雷達(dá)圖像上的反映。為解決大普吉隧道安全隱患及時(shí)準(zhǔn)確地提供了數(shù)據(jù)資料。

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The Application of GPR to Detect Traffic in Surrounding Rock Tunnel

Zhong Caicai,Huang Deyong,Chen Lei,Jiang Xunpu

(Faculty of Land Resource Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650093,China)

Lu Kun secondary roads with large Phuket tunnel engineering background,aiming at the opening of the tunnel,describes the working principle of the geological radar detection,given the geological radar method in nondestructive testing applications,including measuring line layout,acquisition parameters set,on-site testing and post-data processing and interpretation.The tunnel opened to traffic due to the emergence of disease,not using geological radar detection before the opening,due to geological radar has the characteristics of convenient,low cost,high precision,so after choosing 21-002188 portable ground penetrating radar (GPR) is used to the surrounding rock scanning analysis detection.By radar line section to understand the water distribution of tunnel surrounding rock,rich water and loose and broken surrounding rock geological diseases hidden trouble,and through the pieces of a typical radar image analysis of the different anomalies reflect on the radar image.In order to solve the big phuket tunnel safety hidden trouble to provide timely and accurate data.

GPR;Traffic tunnel;Surrounding Rock probe

10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.04.024.

2015-09-16;

2015-10-28.

鐘彩彩(1990-),女,河南孟州人,碩士研究生,研究方向?yàn)闃蛄核淼腊踩?E-mail:1002332352@qq.com.

U456

A

1004-0366(2016)04-0119-05

引用格式:Zhong Caicai,Huang Deyong,Chen Lei,etal.The Application of GPR to Detect Traffic in Surrounding Rock Tunnel[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(4):119-123.[鐘彩彩,黃德鏞,陳雷,等.地質(zhì)雷達(dá)在通車隧道圍巖探測(cè)中的應(yīng)用[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(4):119-123.]