地質(zhì)雷達(dá)報(bào)告

總編號：BG-001福州繞城公路東南段南峰隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（地質(zhì)雷達(dá)）編號：BG-CQYB-A16-001合同段：A16合同段施工單位：中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司探測范疇：右線出口LYK8+335～LYK8+310編制：校核：檢測單位：中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所檢測日期：12月27日報(bào)告日期：12月27日一、工作概況12月27日，中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所對福州繞城公路東南段A16合同段南峰隧道出口右洞進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，采用GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，配屬100MHZ的屏蔽天線進(jìn)行了探測。本次探測范疇為右線出口LYK8+335～LYK8+310，共25m。二．預(yù)報(bào)的辦法技術(shù)（一）地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)的基本原理地質(zhì)雷達(dá)(GroundPenetratingRadar，簡稱GPR)是近年來應(yīng)用于淺層地質(zhì)構(gòu)造、巖性檢測的一項(xiàng)新技術(shù)，其特點(diǎn)是快速、無損、持續(xù)檢測，并以實(shí)時成象方式顯示地下構(gòu)造剖面，使探測成果一目了然，分析、判讀直觀方便。因探測精度高、樣點(diǎn)密、工作效率高而倍受關(guān)注。隨著該項(xiàng)技術(shù)的不停完善和發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域不停擴(kuò)展。隧道地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)辦法是一種用于擬定隧道掌子面前方介質(zhì)分布變化的廣譜電磁波技術(shù)。如圖1所示，運(yùn)用一種天線向掌子面前方發(fā)射無載波電磁脈沖，另一種天線接受由巖體中不同介質(zhì)界面反射的回波，運(yùn)用電磁波在巖體介質(zhì)中傳輸時，其途徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)(如介電常數(shù)Er)及幾何形態(tài)的變化差別，根據(jù)接受到的回波旅行時間、幅度和波形等信息，來探測掌子面前方介質(zhì)的地層構(gòu)造與異常地質(zhì)體。理論研究與實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)證明，電磁波在物體或介質(zhì)中的傳輸速度v、走時t、與介質(zhì)的相對介電常數(shù)Er有以下關(guān)系：式中：z為反射界面深度，x為發(fā)射天線到接受天線間的距離，v為電磁波在介質(zhì)中傳輸?shù)牟ㄋ?，c為光速（c=0.3m/ns，），εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，當(dāng)波速v已知時，通過讀取雷達(dá)剖面上行程時間來計(jì)算界面深度z值。在實(shí)際的外業(yè)施工過程中，由于掌子面前方介質(zhì)變化較為復(fù)雜，本工作組事先在不同隧道，不同圍巖狀況下做了多次實(shí)驗(yàn)，測算出不同地段的圍巖介質(zhì)波速，運(yùn)用公式求得每次所測段的圍巖平均波速狀況，再根據(jù)速度來推斷異常對象的埋深狀況。電磁脈沖反射信號的強(qiáng)度與界面的反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的波吸取程度有關(guān)，普通，介質(zhì)的電磁參數(shù)（電性）差別大，則反射系數(shù)大，因而反射波的能量也大，這就是地質(zhì)雷達(dá)探測的前提條件。PR=式中：PT，PR———發(fā)射，接受功率；G———天線增益；R、S、H———地下目的體的反射率、散射面截面和深度；α———巖土衰減率；L———雷達(dá)波從發(fā)射到接受過程的散射損耗；λ0———介質(zhì)中雷達(dá)波的波長。能夠看出，雷達(dá)接受到信號的大小與雷達(dá)天線的特性、地層的衰減、目的體的深度和反射特性以及雷達(dá)的工作頻率和發(fā)射功率都有關(guān)系。在儀器性能和地下介質(zhì)一定的狀況下，探測深度取決于工作頻率選擇及地層的衰減系數(shù)。普通天線頻率越高，則探測深度越淺，分辨率越高；天線頻率越低，則探測深度越深，分辨率越低。因此，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)存在著探測深度與分辨率的取舍或優(yōu)選問題。（二）儀器設(shè)備及技術(shù)參數(shù)地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)涉及硬件（主機(jī)、天線、傳輸電纜等）和軟件（現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、預(yù)解決、后解決等）兩大部分。本次投入的設(shè)備為美國產(chǎn)SIR系列地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)（圖2）。在資料的解決上，配備了RADAN6.5系列雷達(dá)軟件，特別針對多個地質(zhì)異常狀況能夠進(jìn)行多道平均，同相軸追蹤，信號偏移，希爾波特變換，褶積與反褶積的濾波變換，傅立葉變換，強(qiáng)制增益變化等等一系列的手段，能夠最大程度的確保資料解決的可辨讀性；圖2地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)SIR系列地質(zhì)雷達(dá)屬工程現(xiàn)場非破壞性的高頻電脈沖全數(shù)字化地面探測系統(tǒng)，其重要技術(shù)參數(shù)以下：1．雙通道實(shí)時數(shù)字采集解決器，可同時統(tǒng)計(jì)2個通道的數(shù)據(jù)，并可同時進(jìn)行4組數(shù)據(jù)后解決。自帶軍品級全金屬外殼筆記本計(jì)算機(jī)，可在施工現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)解決，操作平臺可選Windows/NT/XP。2.主機(jī)可適配全部高中低頻的各類雷達(dá)天線，頻率范疇從16MHz到2.2GHz，本次預(yù)報(bào)工作重要選用100MHZ頻率的天線；3.顯示方式：實(shí)時彩顯，彩色/灰階行掃描，變面積/波形顯示，線性掃描方式中可使用256種色源來表達(dá)信號的幅度和極性；4.采樣率可達(dá)5ps；5.量程增益范疇：-20～100dB，自動或顧客可選；增益曲線分段能夠從1～8進(jìn)行選擇，本次工作隨不同狀況動態(tài)選用；6.濾波器：自動或顧客可選；涉及垂直時間域?yàn)V波和水平濾波；7.掃描速率：每秒2～800次掃描可選，含有DSP數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)；8.時基精度：0.02%；9.信噪比：>110dB；10.動態(tài)范疇：120dB；11.統(tǒng)計(jì)長度：自動或顧客可選，0～8000ns；12.尺寸：466x395x174mm左右，重量：≤10kg；13.電源：整個檢測系統(tǒng)只需一種電源系統(tǒng)12VDC，11～15VDC；14.含有位置自動伺服系統(tǒng)，便于信號的精確接受；15.迭加：可選2～32768個掃描。三、掌子面工程地質(zhì)調(diào)查分析掌子面LYK8+335重要為強(qiáng)-中風(fēng)化花崗斑巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，呈碎塊狀，自穩(wěn)能力較差，局部有濕潤現(xiàn)象，無其它不良地質(zhì)現(xiàn)象，圍巖狀況詳見下表：隧道名稱南峰隧道掌子面樁號LYK8+335巖性強(qiáng)-中風(fēng)化花崗斑巖巖層產(chǎn)狀風(fēng)化程度未微弱√強(qiáng)全硬度（抗壓強(qiáng)度Rc-MPa）堅(jiān)硬（＞60）較堅(jiān)硬（30～60）較軟（30～15）√軟（15～5）極軟（＜5）完整性＜33～1010～20√20～35＞35巖體完整性系數(shù)Kv＞0.750.75～0.550.55～0.35√0.35～0.15＜0.15完整程度完整較完整較破碎√破碎極破碎構(gòu)造面形狀與產(chǎn)狀構(gòu)造面產(chǎn)狀①組②組③組平均間距（m）＞1.01.0～0.40.4～0.2＜0.2√組數(shù)1～22～3＞3無序√張開填充狀況（mm）閉合無充填＜1微張少有充填1～3可見明顯裂縫填充巖屑張開填充粘土呈分離體、土夾石√粗糙程度粗糙√平整夾泥厚度不不大于起伏差構(gòu)造面走向與洞軸線夾角<30o，構(gòu)造面傾角30o～75o（0.4～0.6）構(gòu)造面走向與洞軸線夾角>60o，構(gòu)造面傾角>75o（0～0.2）√其它組合（0.2～0.4）斷層斷層產(chǎn)狀斷層寬度（m）斷層性質(zhì)正斷逆斷平移地下水狀態(tài)無水潮濕或滴水初始應(yīng)力狀態(tài)√無高應(yīng)力高應(yīng)力區(qū)（硬巖偶有巖爆；軟巖位移明顯）極高應(yīng)力區(qū)（硬巖多巖爆；軟巖巖體剝離）毛洞穩(wěn)定狀況無掉塊局部小塊掉落拱頂有較大坍方拱頂有坍塌側(cè)壁失穩(wěn)洞體失穩(wěn)√巖體出露狀態(tài)風(fēng)化帶斷層帶節(jié)理密集帶有侵入體溶洞褶皺核部堆積體支護(hù)狀況噴錨支護(hù)（鋼拱架+掛網(wǎng)）其它狀況1.施工狀況：2.其它：掌子面素描圖及雷達(dá)測線圖圍巖判斷原設(shè)計(jì)圍巖級別Ⅴ現(xiàn)判斷圍巖級別Ⅴ四、本次探測成果地質(zhì)雷達(dá)探測是基于電磁波碰到不同反射界面其反射振幅和相位不同來判斷前方傳輸介質(zhì)的變化。介質(zhì)介電常數(shù)的差別決定了電磁波反射的強(qiáng)弱程度和其相位的正負(fù)。巖性、構(gòu)造、風(fēng)化程度及其含水量的變化將影響其介電常數(shù)。雷達(dá)測試資料的解釋是根據(jù)現(xiàn)場測試的雷達(dá)圖像，先進(jìn)行數(shù)據(jù)解決，對能夠解讀的圖像進(jìn)行異常分析；根據(jù)異常的形態(tài)、特性及電磁波的衰減狀況，判斷波阻抗界面的地質(zhì)成因，從而能夠?qū)y試范疇內(nèi)的地質(zhì)狀況進(jìn)行解釋。本次探測是在南峰隧道出口右洞里程樁號為LYK8+335的掌子面上進(jìn)行的。圖2、圖3為本次超前地質(zhì)探測的地質(zhì)雷達(dá)統(tǒng)計(jì)圖。圖中統(tǒng)計(jì)顯示：地質(zhì)雷達(dá)在本次探測的有效預(yù)報(bào)距離為25m。雷達(dá)統(tǒng)計(jì)顯示掌子面（里程LYK8+335）前方及附近，里程樁號為LYK8+335～LYK8+310段雷達(dá)反射波振幅較大，同相軸間斷、彎曲，波形雜亂，推測該段圍巖較破碎，重要以強(qiáng)-中風(fēng)化花崗斑巖為主，圍巖自穩(wěn)能力較差，施工時應(yīng)當(dāng)引發(fā)注意。預(yù)測范疇內(nèi)圍巖具體狀況如表1所示：表1：預(yù)測范疇內(nèi)探測成果具體解釋表序號里程長度（m）推斷結(jié)果1LYK8+335～LYK8+31817根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)雷達(dá)探測成果，綜合圖2和圖3分析：雷達(dá)反射波在該段圍巖內(nèi)反射波振幅較大，同相軸間斷較雜亂，推測該段整體圍巖質(zhì)量較掌子面圍巖質(zhì)量基本一致，重要以強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖為主，圍巖穩(wěn)定性較差，應(yīng)及時做好早期支護(hù)，圍巖等級綜合定為Ⅴ級。（原設(shè)計(jì)為Ⅴ級）2LYK8+318～LYK8+3108根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及地質(zhì)雷達(dá)探測成果，綜合圖2和圖3分析：雷達(dá)反射波在該段圍巖內(nèi)反射波信號微弱，同相軸持續(xù)性較好，且少有彎曲現(xiàn)象，推測該段整體圍巖質(zhì)量較掌子面圍巖質(zhì)量稍好，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部較破碎，巖質(zhì)較現(xiàn)在巖質(zhì)較堅(jiān)硬，重要以中風(fēng)化花崗斑巖為主，且以塊狀鑲嵌構(gòu)造為主，圍巖穩(wěn)定性普通，應(yīng)及時做好早期支護(hù)，圍巖等級綜合定為Ⅴ級。（原設(shè)計(jì)為Ⅴ級）圖2（H1）超前探測的地質(zhì)雷達(dá)統(tǒng)計(jì)圖3（H2）超前探測的地質(zhì)雷達(dá)統(tǒng)計(jì)五、結(jié)論與建議（1）結(jié)論：本次探測范疇內(nèi)圍巖整體質(zhì)量較差，圍巖較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，裂隙多呈張開型，自穩(wěn)能力較差，洞頂及側(cè)壁可能會出現(xiàn)局部掉塊、小坍塌。（2）建議：建議施工時堅(jiān)持采用“短開挖、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、勤量測、早封閉”的開挖原則掘進(jìn)，在實(shí)