發(fā)布時間：2019-03-23所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： [摘要]主要采用公路隧道中最常用的地質(zhì)雷達法(GPR)進行，通過對其使用原理、優(yōu)缺點、應(yīng)用條件的分析，以湖南某隧道工程為例，采用有限差分方法對巖溶地質(zhì)災(zāi)害進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，如果某地區(qū)存在較大的電解質(zhì)差異性，最終能夠通過各種手段得到較好的雷達
[摘要]主要采用公路隧道中最常用的地質(zhì)雷達法(GPR)進行，通過對其使用原理、優(yōu)缺點、應(yīng)用條件的分析，以湖南某隧道工程為例，采用有限差分方法對巖溶地質(zhì)災(zāi)害進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，如果某地區(qū)存在較大的電解質(zhì)差異性，最終能夠通過各種手段得到較好的雷達探測效果。溶洞的探地雷達具有較強的反應(yīng)，空洞、填充溶洞或者基巖的電常數(shù)具有較大差異，溶洞界面很可能將導致探地雷達出現(xiàn)弧形，并且造成比較強的反射。雷達同相軸的散亂、不連續(xù)等情況也經(jīng)常出現(xiàn)再裂隙發(fā)育、巖體破碎等狀況，同時其反射能量非常強，在評價巖體完整性的過程中需要綜合上述指標進行操作。
[關(guān)鍵詞]地質(zhì)雷達法,洞穴,巖溶,公路路基,弧形
目前我國正處于交通運輸產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展的重要階段，也在不斷增多公路建設(shè)隧道施工的項目，與此同時也需要面對各種各樣的地質(zhì)問題，特別是在巖溶地帶，常會有斷層破碎帶、溶洞、巖爆、涌水突泥、軟弱夾層等地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)[1]。要對地質(zhì)災(zāi)害進行有效預(yù)防，在隧道開挖時，需探測、判釋、分析圍巖及不良地質(zhì)體，能夠進一步指導隧道施工的推進[2]。
超前地質(zhì)預(yù)報指的是通過多元化手段和方法，探測并分析前方工程當中可能存在的地質(zhì)體情況，從而為隧道施工項目的正常運行保駕護航[3]。超前地質(zhì)預(yù)報當中所需要判定的內(nèi)容主要有地下水、地層巖性以及地質(zhì)構(gòu)造等，在超前地質(zhì)預(yù)報方法當中出現(xiàn)頻率較高的方法主要是超前鉆探和物探[4]。
在超前地質(zhì)預(yù)報過程中，最為有效且直接的方法是超前鉆探法，能夠直接揭示其所包含的各項內(nèi)容和情況，但是需要花費較高的成本，甚至會影響隧道的正常工期。因此，以紅外探水、地質(zhì)雷達為代表的物探在超前預(yù)報當中的使用范圍最廣，其具有時間短、成本低等優(yōu)勢[5]。本文主要采用公路隧道中最常用的地質(zhì)雷達法(GPR)進行，通過對其使用原理、優(yōu)缺點、應(yīng)用條件的分析，以湖南某隧道工程為例，采用有限差分方法對巖溶地質(zhì)災(zāi)害進行數(shù)值模擬，研究分析了地質(zhì)雷達的工程應(yīng)用效果。
1地質(zhì)雷達法及其優(yōu)勢
1.1地質(zhì)雷達法
地質(zhì)雷達法屬于一種地球物理方法，通過寬帶高頻電磁波的利用，對地下各種介質(zhì)分布狀況進行確定，地質(zhì)雷達主機可以在很大程度上控制微毫秒級脈沖信號，在系統(tǒng)處理環(huán)節(jié)以后，通過發(fā)射天線發(fā)射信號，探測地層的信號傳播形式以特定高頻電磁波形式為主，一旦有異常體對其進行信號阻擋，將發(fā)生顯著的異常反應(yīng)[6]。
磁導率、介電常數(shù)等各種參數(shù)均會對地下介質(zhì)的雷達傳播產(chǎn)生影響，這些參數(shù)在不同介質(zhì)間會有較大差異存在[7]。在進行水、洞穴等有關(guān)地質(zhì)異常體探測時，地質(zhì)雷達法較為敏感，能較為準確的探測出，因而，在公路隧道超前預(yù)報中，地質(zhì)雷達法被廣泛使用。
1.2地質(zhì)雷達法優(yōu)勢
對于傳統(tǒng)暗河、溶洞檢測時，常采用的是鉆芯取樣法，該方法檢測結(jié)果缺乏代表性，隨機性較大，難以對暗河、溶洞質(zhì)量狀況進行全面把握，且效率低，工作量較大[8]。探地雷達可對這種情況進行改變，可便捷、高效、無損、連續(xù)完成暗河、溶洞檢測任務(wù)，可將檢測速度加快，使工作效率提高，確保暗河、溶洞的檢測精度，全面對暗河、溶洞質(zhì)量狀況進行掌握。若掌握等出現(xiàn)質(zhì)量問題，可從電磁波圖形上看到病害部位[9]。
2工程概況
本工程為湖南某高速公路隧道工程，該工程全長405.5m。近年來，由于降雨等因素的影響，在距隧道進口250.3m附近，道床發(fā)生大量涌水，并將泥砂帶出，涌出泥砂將道床充填，從而使軌道線路得到抬高，對行車運行造成一定的安全隱患。
因此，非常有必要對該隧道進行病害勘察。通過排查確定隧道病害的主要影響因素，從而促進隧道病害整治工作的有序推進。隧道的地理位置主要在山丘陵地區(qū)，其特點主要包括構(gòu)造溶蝕，地勢起伏等特征，山坡上有非常茂密的灌木叢和植被覆蓋。本工程區(qū)四季分明、雨量充沛、無霜期長、汛期雨量集中，屬亞熱帶季風濕潤氣候。年降雨量在1465～1495mm，年平均相對濕度為75.5%。
2.1不良地質(zhì)體的解譯判讀
在本工程區(qū)高速路段，巖溶發(fā)育，地表多巖溶洼地、管道，同時有多條地下河流存在，具有非常大的施工難度。隧道上行全長為405.8m，下行段線長為404.1m，高7.3m，寬10.4m，建筑限高5.0m。隧道大部分基巖為強風化白云質(zhì)灰?guī)r、二迭系白云質(zhì)灰?guī)r。工程區(qū)內(nèi)巖溶具有較高的發(fā)育的程度，在隧道北面和南面，有串珠狀的溶洼分布，在低洼處，常有巖溶洞穴裸露。
在工程區(qū)內(nèi)，有一個庫容量為39.5萬m3的水庫存在，受重力滲入水的影響，隧道工程為裂隙水類型。在隧道周邊，具有發(fā)育明顯的斷層。基于本工程概況，本文選取研究對象為K147+974～K147+979段和K148+155～K148+207段，對于隧道不良地質(zhì)體及地質(zhì)災(zāi)害，采用探地雷達超前探測技術(shù)進行探測識別。
2.2巖溶地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)值模擬
模擬地層介質(zhì)傳播電磁波的過程主要通過數(shù)值方法來實現(xiàn)，對巖溶地質(zhì)災(zāi)害的電磁響應(yīng)特征進行分析。通過正演模擬巖溶地區(qū)的地質(zhì)體，與地質(zhì)雷達實測圖像進行對比分析，可將雷達圖像解譯精度有效地提高。在地下介質(zhì)傳播時，由于電磁波遵循Maxwell方程組，因而，基于Maxwell方程組，建立地質(zhì)雷達數(shù)值模擬的正演理論。
介質(zhì)傳播過程中電磁波涉及到以下特征:如果界面兩側(cè)的介電常數(shù)差異較大，此時將會出現(xiàn)巨大的反射能量，而如果界面兩側(cè)的介電常數(shù)差異較小，此時所產(chǎn)生的反射能量則比較小;如果存在介質(zhì)穿透的現(xiàn)象，且有比較低的電阻率，則具有相對較大的介電常數(shù)，但電磁波衰減則非常劇烈，同時有反射波的細、窄同相軸出現(xiàn)，且波幅較小，在情況相反時，出現(xiàn)的反射波全部為粗、寬同相軸，且波幅較大;在介質(zhì)松散時，或有成分不均的、不連續(xù)的反射介面介質(zhì)出現(xiàn)，此時很容易形成散射現(xiàn)象，甚至雷達當中的圖像情況非常雜亂，同相軸現(xiàn)象的發(fā)生概率非常低，在情況相反時，反射波具有連續(xù)穩(wěn)定的同相軸;如果被測介質(zhì)存在空隙，則會有雷達反射波形的波寬和振幅同時變大的情況出現(xiàn)[10]。
本文在進行對應(yīng)的數(shù)值解求取時，所使用的手段以時域有限差分法(FDTD)為主，實現(xiàn)模擬探地雷達數(shù)值的目的。通過建立3種不同的地電模型，對巖溶地區(qū)不同地質(zhì)體的雷達圖像特征進行準確模擬，在進行設(shè)計時，結(jié)合隧道開挖面大小，將模型尺寸設(shè)計為11.5m×15.5m，設(shè)定地質(zhì)雷達主頻為100MHz，模型網(wǎng)格尺寸設(shè)計為0.051m，點測模式采集通過0.10m的步距進行，設(shè)定時窗大小為254ns，移動方向從左往右。
3數(shù)據(jù)采集與分析
3.1選取雷達天線
本研究在進行探測時，采用的是LTD-2100型探地雷達儀。為確保探測的深度與精度，主要對探地雷達儀進行3個方面的綜合衡量，分別為穩(wěn)定性、分辨率、穿透力，在工程現(xiàn)場，有2種實驗中選取的天線，天線的探測深度分別為100、300MHz，如果天線的探測深度為300MHz，則意味著其具有較高的探測精度。
再將2種天線放在同一條探測線上，并采取重復(fù)探測的方法，這樣可對路基巖溶發(fā)育規(guī)模進行宏觀控制，同時對巖溶局部充填、發(fā)育情況進行詳細了解，全面結(jié)合2種不同天線測量得出的雷達圖像特征，并展開分析探究，得到準確度更高的效果。
3.2線路布置的探測
結(jié)合本工程檢測過程中的實際情況，最終進行雷達檢測共使用了5條線，測線箭頭即為檢測防線。
3.3數(shù)據(jù)處理
雷達數(shù)據(jù)的影響因素有很多，包括空中規(guī)則和地下規(guī)則以及隨機因素等，因此必須要采取一定手段處理深部信息，盡可能壓制干擾因素，增強雷達剖面的信噪比和分辨率。本研究在進行雷達數(shù)據(jù)的處理時，主要進行5個步驟，第1步需要將飄移消除，盡可能將所有不穩(wěn)定的因素和延遲因素都去除，設(shè)定領(lǐng)先和剖面起始時間;第2步是增益信號，放大深部信息，均衡淺部信息和深部信息的能量，使弱信號顯示得到增強;第3步是需要對背景和聲進行消除;第4步是濾波化處理一維，采取多元化手段壓制干擾信號;第5步需要增強圖像質(zhì)量，進一步分析異常現(xiàn)象。
4探測成果處理分析
8條雷達探測剖面，其中100kHz天線4條，300kHz天線4條，同時與現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)研相結(jié)合，對本工程高速公路隧道K147+974～K147+979～K148+155～K148+207段路基穩(wěn)定情況和巖溶發(fā)育情況進行推斷，結(jié)果表明，全路段共有18條較大規(guī)模的裂隙，路基溶蝕裂隙發(fā)育程度較高，在上行線和下行線的路基當中多存在裂隙現(xiàn)象;寬度通常在0.25～0.75m之間，充填為碎石或粘土等，間或夾小孔洞。工程隧道路段路基的溶洞數(shù)量較多，且其大小均小于1.0m，路面不容易出現(xiàn)動蕩情況，較為穩(wěn)定。在地表水浸入以及行車壓力等情況的影響，沿著裂隙帶，路面可能會有沉降發(fā)生，對行車安全會造成一定的影響。
5成果分析
本次探測工區(qū)巖溶為白云巖巖性，且發(fā)育程度較高，通過LTD-2100型探地雷達儀的選擇為隧道路基的安全性保駕護航，對路基下方巖溶發(fā)育情況進行探測。對雷達成果進行分析:對于L1—L1’線，有3處異常存在，其中異常1位于K147+974段左13.5m處，深約為5.2～6.3m，為弧形異常，具有較強的反射能量，因此推測由反射引起裂隙;異常2位于K147+979左12m，頂面埋深約為6.0m，這是典型的弧形異常現(xiàn)象，因此其反射能量較大，并且反射情況較多，所以我們暫時可以將其視為小型空洞;在K147+997段左15m可能存在異常3，深度達到2.4m，因為其表現(xiàn)處斷開跡象，因此我們推測存在巖溶裂隙發(fā)育現(xiàn)象。
對于L8—L8'線，在測線范圍內(nèi)，有1處明顯異常存在，記為異常4，位于K148+063段右8.5m附近，頂面埋深約為3.75m，為弧形異常，具有較強的反射能量，因此推測該位置有溶洞存在。對于L9—L9'，在測線范圍內(nèi)，有兩處范圍存在較大異常，1處記為異常5，位于K148+124右12.5m附近，深約為1.5～7.5m，雷達波形具有雜亂的同相軸，且具有較強的反射能量，因此推測巖體破碎、裂隙發(fā)育;另1處記為異常6，位于K148+132右13.0m附近，深度約為2.7～6.6m，為弧形異常，具有較強的能量，因此推測為巖溶裂隙發(fā)育，可能有溶洞存在。對于L10—L10'，在測線范圍內(nèi)，有一明顯異常存在，記為異常7，位于K148+190段右13.5m附近，其深度達到3.2～7.0m，且存在散亂的雷達同相軸現(xiàn)象，所以我們認為其存在巖體破碎現(xiàn)象。
6結(jié)論
本文主要采用公路隧道中最常用的地質(zhì)雷達法(GPR)進行，通過對其使用原理、優(yōu)缺點、應(yīng)用條件的分析，以湖南某隧道工程為例，采用有限差分方法對巖溶地質(zhì)災(zāi)害進行數(shù)值模擬，得出結(jié)論如下。
a.如果某地區(qū)存在較大的電解質(zhì)差異性，最終能夠通過各種手段得到較好的雷達探測效果。溶洞的探地雷達具有較強的反應(yīng)，空洞、填充溶洞或者基巖的電常數(shù)具有較大差異，溶洞界面很可能將導致探地雷達出現(xiàn)弧形，并且造成比較強的反射。
b.雷達同相軸的散亂、不連續(xù)等情況也經(jīng)常出現(xiàn)再裂隙發(fā)育、巖體破碎等狀況，同時其反射能量非常強，在評價巖體完整性的過程中需要綜合上述指標進行操作。
[參考文獻]
[1]尹付州.地質(zhì)雷達在公路路基路面檢測中的應(yīng)用[J].西南公路，2013(2):216-218.
[2]姚先國.跨孔雷達CT在貴州高速公路巖溶勘察中的應(yīng)用[J].中國水運，2013，13(5):220-223.
[3]鄭建穎.探地雷達在公路路基路面檢測中的應(yīng)用[J].交通世界·建養(yǎng)機械，2015(22):86-88.
[4]周平，胡麗琴.探地雷達在公路路基巖溶探測中的應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新導報，2015(6):72-74.
[5]郝士華，婁國充.探地雷達在巖溶公路隧道地區(qū)超前探測技術(shù)研究[J].公路工程，2017，42(4):285-290.
[6]郭曉華.地質(zhì)雷達在公路路基質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].交通建設(shè)與管理，2015(1):51-54.
[7]宋培海.物探技術(shù)在高速公路溶巖地區(qū)地質(zhì)勘探中的應(yīng)用[J].交通建設(shè)與管理，2015(1):51-54.
[8]于穎.地質(zhì)雷達技術(shù)在公路路面檢測中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技，2014(12):30-32.
公路方向期刊推薦：華東公路1978年創(chuàng)刊，為華東地區(qū)公路科技情報網(wǎng)網(wǎng)刊。由安徽省交通廳主辦，國內(nèi)外公開發(fā)行，技術(shù)類科技期刊。以理論為指導，注重實踐，以實用技術(shù)為主，著重介紹道路(含機場跑道)、橋梁、隧道、材料、交通工程、養(yǎng)護管理等方面的四新成果;及時報道國內(nèi)外公路建設(shè)與管理的先進技術(shù)和成功經(jīng)驗，為發(fā)展公路事業(yè)，加快公路交通現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)。
