地质雷达在下穿马栏河隧道超前预报中的应用

地质雷达在下穿马栏河隧道超前预报中的应用

李金奎张强

大连大学建筑工程学院

摘要：下穿马栏河隧道施工过程中，由于掌子面前方地质环境不详尽，施工过程中可能出现涌水、塌方等现象，会给施工带来一系列的阻碍以及经济、财产的损失，所以提前预知掌子面前方的具体地质情况可及时采取相应措施来减少或避免损失。本文介绍了地质雷达技术在下穿马栏河隧道超前预报中的应用及成果。

关键词：隧道；地质雷达；超前预报；应用

1引言

近年来，我国地下管线建设规模不足、管理水平不高等问题凸显，大雨内涝、管线泄漏爆炸、路面坍塌等事件严重影响了城市的安全运行。为保障城市安全运行，提高城市综合承载能力和新型城镇化发展质量，敷设地下综合管廊刻不容缓。城市地下管线是保障城市正常运行的重要基础设施和“生命线”。，2013年9月6日国务院发布《关于加强城市基础设施建设的意见》，全国各地展开了城市管廊建设工程。大连南雁四回路输电线路改造工程—隧道工程局部下穿马栏河，为隧道施工的二级风险源，为保证在隧道施工过程中对马栏河实施有效保护措施且保证隧道开挖安全，采用地质雷达对隧道掌子面前方进行超前气质预报，准确了解隧道前方地质资料，为隧道安全施工提供地质保障。

2地质雷达的工作原理

地质雷达是利用超高频窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探仪器[2]。由雷达发射天线向掌子面前方地层发射电磁信号波，，由同相且相互垂直的电场和磁场在空间中衍生发射震荡粒子波，。同频率的电磁波，在不同的介质中传播速度不同，不同频率的电磁波在同一种介质中传播时，频率越大折射率也越大速度越小，且电磁波只有在同种均匀介质中才能沿直线传播。若不同介质中是不均匀的，电磁波在其中的折射率是不一样的，在这样的介质中是沿曲线传播的。例如，断裂破例如，碎带和裂隙带的介质极不均匀，电性差异大，所以雷达图像和波形特征表现为断层界面反射强烈，破碎带和裂隙带内常产生绕射、散射，波形杂乱，同相轴错断。由接收天线接收反射电磁波，在对接收到的电磁数据处理时，便可根据其波形、振幅、相位等特征，判断其是地层特征。

地质雷达在掌子面进行超前地质预报的原理图见图所示，雷达波走时公式见（1）所示，由式1计算的深度和掌子面平面测线的位置即可确定掌子面前方不良地质的分布位置和范围。

式中：t为脉冲波走时（ns，lns=10-9s）；z为反射体深度；x为发射机与接收机间的距离；v为雷达脉冲波速。

3南雁隧道地质雷达超前地质预测工程应用

3.1工程概况

大连南雁四回路输电线路改造工程位于大连市区星海广场附近，隧道工程路径为金融商务区二号路K0+700处至高尔夫酒店南侧，穿过马栏河至太原街。隧道围岩为灰黑色、中等风化板岩，局部存在差异风化现象，中等风化中夹有微风化岩块；硬质岩夹有软质岩薄层，板岩中夹有硬质石英岩岩块。层理清晰，节理较发育，整个岩体较破碎，属Ⅳ级岩体。

隧道设计起终点里程为K1+130~K1+272（前后各考虑30m影响范围），全长142m，全部为单洞双仓隧道，采用马蹄形断面，复合式衬砌，标准段开挖轮廊尺寸为6.7mx6.85m，长度为106m；电缆接头区段开挖轮廓线尺寸为6.9mx7m，长度为36m（前后各有3m渐变段），采用台阶法施工。本区段的格栅钢架间距为500mm，初支喷射混凝土厚度为350mm。隧道在K1+160～K1+242区段下穿马栏河，马栏河河宽70m，河床底标高约地面以下7m。隧道拱顶距离河床底板垂直距离为20m。

3.2地质雷达现场采集

（1）掌子面地质雷达测线布置

地质雷达初次尝试位置在掌子面掘进K1+144.6里程，超前马栏河15.4米，。台阶法开挖，上台阶预留核心土，测线位置如图2所示，在开挖面布置二条测线，测线AB位于掌子面，距隧底1.5m，测线由B走向A长度为5.5m，测线CD距隧底0.5m测线由C走向D，测线长度为6.2m。

（2）测试装备及参数设置

本次地质雷达探测采用瑞典MALA地球科学公司（SwedenMALAGeoscienceInc）生产的RAMACX3M型探地雷达。探测时，使用发射频率为100MHz的屏蔽天线，样点数设为506个，时窗为460ns，采样频率1100MHz，以键盘触发间距0.01m测方式采集数据。

（3）地质雷达探测结果及分析

从波形图中可以看出，掌子面前方2.0～8.1m和12.6～18.2m之间各出现一处明显异常。在第一处异常区域，波形紊乱，界面反射强烈，振幅显著增强且变化大，能量团分布不均匀，同相轴错乱，电磁波能量衰减快且规律性差，通过上述特征可以推断为裂隙破碎带。并出现局部波形双峰现象，因此可能存在少量水。

掌子面前方12.6～18.2m处出现第二处异常区域。在两侧波形完整均匀的情况下，局部出现波形呈弧形绕射现象，由许多双曲线反射波组成，低幅、高频、波形密集。可以推断为此处有溶洞出现。

3.4施工建议

通过对地质雷达波图像的辨识及掌子面地质条件的综合分析，建议在开挖时，注意掌子面前方2.0～8.1m处裂隙破碎带中破碎围岩的塌落，加强施工人员及施工器械的安全措施。在开挖至掌子面前方12.6～18.2m处时注意前方溶洞，并及时调整施工方案以保证开挖的安全、顺畅。同时在施工过程中加强巡视，防止小范围掉块的发生。

4结束语

工程实践表明，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[5]。特别是在复杂性工程地质问题上，节约了成本，缩短了工期，提供了更为详尽、更为确切的地质变化信息。并以其无损性物探的方法在隧道施工中得到了广泛应用。

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]王正成，谭巨刚，孔祥春，汪桂荣，纪勇鹏.地质雷达在隧道超前预报中的应用.铁道建筑，2005，（2）：9-11.

[3]吴俊，毛海和，应松，夏才初.地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用.岩土力学，2003，24：154-157.

[4]叶观宝，宋建.地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用.勘查科学技术，2010，（1）：49-51+53.

[5]由广明，刘学增，汪成兵.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用.公路交通科技，2007，24（8）：93-95.