地质雷达(SIR-20)在某公路隧道中的应用

近年随着我国基础设施建设投入不断增大,全国各地的高速铁路、公路和地铁建设进入一个新的时期,而这当中隧道工程数量巨大。隧道施工时,掌子面前方的断层、软弱岩层、溶洞等不良工程地质条件都是很常见的工程地质问题[1]。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。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,就可以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.
本文以位于四川省小金的巴郎山公路隧道掘进中所进行的超前预报为例，介绍美国gssi公司sir-20型地质雷达的原理和应用，并对隧道超前预报中的常见问题及解决办法进行了一些探讨。
1 地质雷达的工作原理
sir-20地质雷达系统是美国劳雷工业公司生产的，它的系统包括硬件(主机、天线、传输电缆等)和软件(现场数据采集、预处理、后处理等)两大部分。它利用电磁波信号在物体内部传播时电磁波的运动特点进行探测,发射天线将高频电磁波以宽频带短脉冲形式送入掌子面前方,在电磁波向掌子面前方传播的过程中,当遇到存在电性差异的目标体(如空洞、裂隙、岩溶等)时,电磁波便发生反射,由接收天线接收,并由主机记录。在雷达资料中便会出现明显的特征反射,根据接收到的特征反射,由地质雷达图像判断其地质特征。
2 应用实例
2.1 工程概况
巴郎山隧道位于小金、汶川、宝兴三县交界处的巴朗山，是省道s303线的一段，是连接九环线和卧龙大熊猫自然保护区及东方圣山四姑娘山的唯一道路。该隧道的测区位于川西高原东部，四川盆地西部边缘，地势高差悬殊，西高东略低，温差变化大，植被分布受气温控制，垂直分带明显，测区属深切高中山峡谷冰川地貌。隧址区的地层有新生界第四系全新统崩坡积层、坡洪积层、冰碛、冰水堆积层和中生界三迭系地层。
2.2 现场测线布置及测量方法选择
测区分为导洞里程桩号为dk107+030~dk106。现场勘查后，考虑到该隧道掌子面不平整的情况,运用地质雷达点测测量方式可以减少测量过程的误差,提高预测的精度。因此根据掌子面大小、施工方法及掌子面平整程度，测量方式选geo，使用中心频率为40mhz的天线，其探测深度在30m左右，在掌子面上布置一条水平测线。仪器天线要求紧贴洞壁和掌子面，测点3-4个。在探测时做测线素描图,同时记录好每条测线的方向和对应的文件编号。
2.3 测区图像分析
根据在巴朗山隧道预报情况，对侧线1—导洞里程桩号的pk107+030~pk106雷达图像作处理与解释说明。对采集图像处理分析后得到雷达云图和波形图（如下图）。
导洞dk107+030~dk106里程的预报结果为：
dk107+030前方30米范围内电磁波反射明显，同相轴连续，局部反射振幅较小，根据雷达波形分析前方30m范围内破碎带，前方围岩为中强风化砂质板岩，掌子面dk107+030前方9-12米处岩体节理裂隙发育明显，存在一定量的裂隙水，掌子面dk107+030前方18米左右处岩体节理裂隙发育，局部围岩成碎块状结构，岩体完整性较好。依据《工程岩体分级标准》推断掌子面dk107+030前方30米范围围岩级别为ⅳ级。
3 结语
为了提高对地质雷达波形图的解释和识别的准确性和精度,需要对不良地质条件下各种介质雷达波形图的典型特征进行反复地研究和积累大量的图像资料,以实现能与现行隧道围岩级别划分标准相对应,提高量化处理的水平。应用地质雷达检测隧道掌子面前方岩石结构，能有效分析隧道掘进中会遇到的比如断层、含水裂隙、软弱夹层等情况，其监测检测结果基本符合实际状况，同时为地质雷达在公路隧道监测检测方面的应用积累了一些宝贵的经验。