超前地質(zhì)預(yù)報

1、鍵入文字四川德陽利森水泥皮帶廊工程隧道超前地質(zhì)預(yù)報報告委托單位：山東力博重工利森皮帶廊工程項(xiàng)目經(jīng)理部測試單位：青島建國工程檢測有限公司二一0年8月二日四川德陽利森水泥皮帶廊工程隧道超前地質(zhì)預(yù)報報告（測試范圍：ZK136+920ZK136+900）參加人員：席錦州、鄢景、帥義、吳豐收、花曉鳴技術(shù)負(fù)責(zé)：席錦州報告編寫：席錦州 鄢景報告復(fù)核：吳豐收委托單位：山東力博重工利森皮帶廊工程項(xiàng)目經(jīng)理部測試單位：青島建國工程檢測有限公司2010年08月02日目 錄1 前言12 工程地質(zhì)概況23探地雷達(dá)探測原理、測試方法及軟硬件系統(tǒng)23.1探地雷達(dá)原理23.2 儀器設(shè)備及軟件系統(tǒng)63.3資料處理74 測試面地質(zhì)

2、描述85 測試及分析96 結(jié)論及建議116.1 測試結(jié)論116.2 施工建議11 四川省南大梁高速公路銅鑼山隧道出口左線超前地質(zhì)預(yù)報簡報1 前言2010年08月02日對2780隧道出口掌子面進(jìn)行現(xiàn)場地質(zhì)預(yù)報測試工作，本次測試的主要目的是：探測隧道掌子面前方圍巖工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，并提出相應(yīng)的建議措施。本次探測方法為電磁波反射法，采用美國勞雷公司生產(chǎn)的SIR-20探地雷達(dá)系統(tǒng)及配套分析軟件?，F(xiàn)場利用中心頻率為100MHz屏蔽天線對ZK136+920ZK136+900布置探地雷達(dá)測線進(jìn)行連續(xù)測試，并結(jié)合地質(zhì)調(diào)查法對ZK136+920ZK136+900下方圍巖進(jìn)行分析。圖1為測線布設(shè)圖。圖1 測

3、線布設(shè)圖本次預(yù)報范圍：ZK136+920ZK136+900下方27.5m。2 工程地質(zhì)概況四川德陽利森水泥皮帶廊項(xiàng)目位于四川德陽市境內(nèi)，其中2780隧道穿越牛蹄山，隧道長2780m（平均），隧道進(jìn)、出口均穿越煤層及煤層采空區(qū)，賦存瓦斯等有害氣體，且判定為高瓦斯隧道。隧道中部穿越巖溶發(fā)育的三疊系嘉陵江組（T1j）和雷口坡組（T2l）地層，巖溶發(fā)育。2780隧道地下水主要為碎屑巖類裂隙孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水；洞身位于水平循環(huán)帶內(nèi)，巖溶及巖溶水極其發(fā)育；銅鑼山隧道正常涌水量為20萬方/d，最大涌水量59萬方/d；洞身巖溶分布規(guī)模不均，施工中遇高水壓、涌水（突泥）的風(fēng)險性極高；3探地雷達(dá)探測原理

4、、測試方法及軟硬件系統(tǒng)3.1探地雷達(dá)原理探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar簡稱GPR）是用頻率介于 106109Hz的無線電波來確定地下介質(zhì)分布的一種方法，是指利用寬帶的電磁波以脈沖形式來探測地表之下或確定不可視的物體或結(jié)構(gòu)。其工作原理為：電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射天線發(fā)射，經(jīng)目標(biāo)體反射或透射，被接受天線所接收，見圖2。圖2 探地雷達(dá)工作原理及其基本組成探地雷達(dá)是一種高頻電磁波方法。電磁波在介質(zhì)中的傳播滿足麥克斯韋方程。描述電磁波傳播特點(diǎn)時，常用傳播常數(shù)k。在導(dǎo)電媒質(zhì)中k為復(fù)數(shù)，即式中： 在電偶極子場強(qiáng)公式中可改寫成表明隨著距離r的增加，電磁波場強(qiáng)因介質(zhì)損耗而衰減，

5、為吸收系數(shù)（單位dBm）。表明單諧波相位隨著距離改變而改變，為相位系數(shù)（單位radm ）。電磁波在介質(zhì)中的傳播參數(shù)受上面兩個參數(shù)控制。 電磁波在介質(zhì)中的傳播速度 探地雷達(dá)測量的是地下界面的反射波的走時，為了獲取地下界面的深度，必須要有介質(zhì)的電磁波傳播速度v，其值為 絕大多數(shù)巖石介質(zhì)屬非磁性、非導(dǎo)電介質(zhì)，在高頻情況下，常常滿足1，于是可得式中c為真空中電磁波傳播速度，為相對介電常數(shù)。上式表明對大多數(shù)非導(dǎo)電、非磁性介質(zhì)來說，其電磁波傳播的相速度v主要取決于介質(zhì)的介電常數(shù)。 電磁波在介質(zhì)中的吸收特性吸收系數(shù)決定了場強(qiáng)在傳播過程中的衰減速率，對以位移電流為主（）的介質(zhì)，的近似值為:即與導(dǎo)電率成正比，與

6、介電常數(shù)的平方根成正比。表l列出了一些常見介質(zhì)的相對介電常數(shù)、導(dǎo)電率、傳播速度。表1 常見介質(zhì)的電性參數(shù)介質(zhì)電導(dǎo)率(Db/m)相對介電常數(shù)速度(m/ns)空氣01.00.3砂0.140.15砂土0.560.12濕粘土20120.09水0.1800.03金屬10103000.017 電磁波在兩種不同介質(zhì)交界面上的特性對于非均勻介質(zhì)中電磁波的傳播情況，首先要研究電磁波在兩種不同的均勻介質(zhì)分界面上發(fā)生的情況。偶極子源的輻射場雖然是一種球面波，但在離開輻射源很遠(yuǎn)的區(qū)域，可以將其看成是平面波。平面電磁波到達(dá)兩種不同的均勻介質(zhì)的分界面處會發(fā)生反射與折射。入射波、反射波與折射波的傳播方向遵循反射定律與折射定

7、律。電磁波在到達(dá)界面時，還將發(fā)生能量再分配。入射波、反射波和折射波三者之間的能量關(guān)系，因入射波電磁場相對界面的方向（極化特性）而不同。下面僅討論垂直極化波（電場矢量垂直入射面）在界面的反射與折射，這相當(dāng)干有一平行于界面的水平電偶極子從遠(yuǎn)處入射到界面的情況，如圖3所示。圖3 介質(zhì)表面電磁波傳播示意圖圖3中Ei、Er與Et分別表示入射波、反射波和折射波的電場強(qiáng)度幅值；它們的磁場強(qiáng)度幅值分別為Hi、Hr和Ht。根據(jù)電磁理論，電磁波在跨越介質(zhì)交界面時，緊靠界面兩側(cè)的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的切向分量分別相等，則得令，分別表示波從介質(zhì)1入射到介質(zhì)2時界面的反射系數(shù)和折射系數(shù)?？傻?其中n表示折射率，。 下面討

8、論不同入射角時，反射系數(shù)R12與折射系數(shù)T12的變化規(guī)律。 =0，即垂直入射，此時當(dāng)nl時， R120，T12l；Er與Ei反向， Hr與Hi同向。當(dāng)nx,故X可忽略）；v-電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。 地質(zhì)雷達(dá)記錄時間和勘查深度的關(guān)系式中z 勘查目標(biāo)體的深度；t 雷達(dá)記錄時間。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強(qiáng)度和波形將隨所通過介質(zhì)的電性性質(zhì)及集合形態(tài)而變化，由此通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。地質(zhì)雷達(dá)具有高分辨率、無損性、高效率、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在工程質(zhì)量檢測中得到廣泛的應(yīng)用。3.2 儀器設(shè)備及軟件系統(tǒng)本次探測采用的是美國勞雷公司生產(chǎn)的S

9、IR-20地質(zhì)雷達(dá)，采用天線頻率為100MHz。 主機(jī)量程：50-2000納秒；發(fā)射脈沖重復(fù)：115KHz；掃描速度：56次/秒；采樣：512 /s。增益控制范圍：0-80dB；動態(tài)范圍：128dB。濾波：用戶可選；檢測模式：連續(xù)；A/D轉(zhuǎn)換: 16位；數(shù)據(jù)傳輸：以太網(wǎng)接口。輸入電源：12V充電電池，10.513V；電池容量：6.5Ah；消耗電流：0.7A。尺寸：35305.5 cm；重量：3.0Kg。 天線：40-100-400-1000MHz可變頻天線，測試采用100MHz天線類型：偶極，屏蔽發(fā)射器輸出：200V接收器敏感性：50 mV探測深度：25米(100M)尺寸：98524 cm重量

10、：2-7Kg 軟件：采集與分析軟件為同一軟件包，與本探測儀器系統(tǒng)配套。3.3資料處理探測的雷達(dá)圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個復(fù)雜濾波器，介質(zhì)對電磁波不同程度的吸收以及介質(zhì)的不均勻性，使得脈沖到達(dá)接收天線時，波幅減小，波形變得與原始發(fā)射波形有較大的差異。另外，不同程度的各種隨機(jī)噪聲和干擾，也影響實(shí)測數(shù)據(jù)。因此，必須對接收信號實(shí)施適當(dāng)?shù)奶幚?，以改善資料的信噪比，為進(jìn)一步解釋提供清晰可變的圖像。圖像處理包括消除隨機(jī)噪聲壓制干擾，改善背景；進(jìn)行自動時變增益或控制增益以補(bǔ)償介質(zhì)吸收和抑制雜波，進(jìn)行濾波處理除去高頻，突出目的體，降低背景噪聲和余振影響。對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行了預(yù)處理、增益

11、調(diào)整、濾波和成圖等方法的處理。最終得到各測線的成果圖，并據(jù)此進(jìn)行圍巖地質(zhì)情況判釋。4 測試面地質(zhì)描述測試面為底板，圍巖為砂巖夾泥巖，較潮濕，屬于軟巖，中風(fēng)化，局部強(qiáng)風(fēng)化，遇水易軟化、坍塌，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎破碎，結(jié)構(gòu)面結(jié)合較差，穩(wěn)定性差，測試面上有23公分泥質(zhì)物質(zhì)。5 測試及分析本次探地雷達(dá)預(yù)報探測范圍ZK136+920ZK136+900，樁號段落，向下探測27.5米。圖4至圖8為處理后的雷達(dá)剖面圖。從圖4至圖8的探地雷達(dá)剖面圖可知，在測試面前方27.5米范圍內(nèi)雷達(dá)反射波總體較強(qiáng)，相位斷續(xù)變化，局部相位錯亂無章，表面圍巖較破碎，地下水相對較發(fā)育。圖4 測線1雷達(dá)剖面圖圖5 測線2雷達(dá)剖面圖圖6 測線3雷達(dá)剖面圖圖7 測線4雷達(dá)剖面圖圖8 測線5雷達(dá)剖面圖6 結(jié)論及建議6.1 測試結(jié)論根據(jù)掌子面圍巖特征及本次測試結(jié)果，分析得出如下結(jié)論：ZK136+920+910從測試面向下4.5米至13.7米范圍內(nèi)，主要圍巖為砂巖夾泥巖，巖體破碎，呈鑲嵌結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)面結(jié)合較差，圍巖穩(wěn)定性較差，易坍塌。向下13.7米至27.5米段圍巖為層狀砂巖，層間結(jié)合一般。ZK136+910+900從測試面向下4.4米至27.5米此段為原采空區(qū)，