地质雷达报告

总编号：BG-001福州绕城公路东南段南峰隧道超前地质预报（地质雷达）编号：BG-CQYB-A16-001合同段：A16合同段施工单位：中铁十七局集团第一工程有限公司探测范畴：右线出口LYK8+335～LYK8+310编制：校核：检测单位：中国科学院武汉岩土力学研究所检测日期：12月27日报告日期：12月27日一、工作概况12月27日，中国科学院武汉岩土力学研究所对福州绕城公路东南段A16合同段南峰隧道出口右洞进行了超前地质预报，采用GSSI公司生产的SIR-20地质雷达进行数据采集，配属100MHZ的屏蔽天线进行了探测。本次探测范畴为右线出口LYK8+335～LYK8+310，共25m。二．预报的办法技术（一）地质雷达超前预报的基本原理地质雷达(GroundPenetratingRadar，简称GPR)是近年来应用于浅层地质构造、岩性检测的一项新技术，其特点是快速、无损、持续检测，并以实时成象方式显示地下构造剖面，使探测成果一目了然，分析、判读直观方便。因探测精度高、样点密、工作效率高而倍受关注。随着该项技术的不停完善和发展，其应用领域不停扩展。隧道地质雷达超前预报办法是一种用于拟定隧道掌子面前方介质分布变化的广谱电磁波技术。如图1所示，运用一种天线向掌子面前方发射无载波电磁脉冲，另一种天线接受由岩体中不同介质界面反射的回波，运用电磁波在岩体介质中传输时，其途径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质(如介电常数Er)及几何形态的变化差别，根据接受到的回波旅行时间、幅度和波形等信息，来探测掌子面前方介质的地层构造与异常地质体。理论研究与实验室模拟实验证明，电磁波在物体或介质中的传输速度v、走时t、与介质的相对介电常数Er有以下关系：式中：z为反射界面深度，x为发射天线到接受天线间的距离，v为电磁波在介质中传输的波速，c为光速（c=0.3m/ns，），εr为介质的相对介电常数，当波速v已知时，通过读取雷达剖面上行程时间来计算界面深度z值。在实际的外业施工过程中，由于掌子面前方介质变化较为复杂，本工作组事先在不同隧道，不同围岩状况下做了多次实验，测算出不同地段的围岩介质波速，运用公式求得每次所测段的围岩平均波速状况，再根据速度来推断异常对象的埋深状况。电磁脉冲反射信号的强度与界面的反射系数和穿透介质的波吸取程度有关，普通，介质的电磁参数（电性）差别大，则反射系数大，因而反射波的能量也大，这就是地质雷达探测的前提条件。PR=式中：PT，PR———发射，接受功率；G———天线增益；R、S、H———地下目的体的反射率、散射面截面和深度；α———岩土衰减率；L———雷达波从发射到接受过程的散射损耗；λ0———介质中雷达波的波长。能够看出，雷达接受到信号的大小与雷达天线的特性、地层的衰减、目的体的深度和反射特性以及雷达的工作频率和发射功率都有关系。在仪器性能和地下介质一定的状况下，探测深度取决于工作频率选择及地层的衰减系数。普通天线频率越高，则探测深度越浅，分辨率越高；天线频率越低，则探测深度越深，分辨率越低。因此，地质雷达技术存在着探测深度与分辨率的取舍或优选问题。（二）仪器设备及技术参数地质雷达系统涉及硬件（主机、天线、传输电缆等）和软件（现场数据采集、预解决、后解决等）两大部分。本次投入的设备为美国产SIR系列地质雷达系统（图2）。在资料的解决上，配备了RADAN6.5系列雷达软件，特别针对多个地质异常状况能够进行多道平均，同相轴追踪，信号偏移，希尔波特变换，褶积与反褶积的滤波变换，傅立叶变换，强制增益变化等等一系列的手段，能够最大程度的确保资料解决的可辨读性；图2地质雷达系统SIR系列地质雷达属工程现场非破坏性的高频电脉冲全数字化地面探测系统，其重要技术参数以下：1．双通道实时数字采集解决器，可同时统计2个通道的数据，并可同时进行4组数据后解决。自带军品级全金属外壳笔记本计算机，可在施工现场进行实时数据采集和数据解决，操作平台可选Windows/NT/XP。2.主机可适配全部高中低频的各类雷达天线，频率范畴从16MHz到2.2GHz，本次预报工作重要选用100MHZ频率的天线；3.显示方式：实时彩显，彩色/灰阶行扫描，变面积/波形显示，线性扫描方式中可使用256种色源来表达信号的幅度和极性；4.采样率可达5ps；5.量程增益范畴：-20～100dB，自动或顾客可选；增益曲线分段能够从1～8进行选择，本次工作随不同状况动态选用；6.滤波器：自动或顾客可选；涉及垂直时间域滤波和水平滤波；7.扫描速率：每秒2～800次扫描可选，含有DSP数据快速采集系统；8.时基精度：0.02%；9.信噪比：>110dB；10.动态范畴：120dB；11.统计长度：自动或顾客可选，0～8000ns；12.尺寸：466x395x174mm左右，重量：≤10kg；13.电源：整个检测系统只需一种电源系统12VDC，11～15VDC；14.含有位置自动伺服系统，便于信号的精确接受；15.迭加：可选2～32768个扫描。三、掌子面工程地质调查分析掌子面LYK8+335重要为强-中风化花岗斑岩，节理裂隙发育，岩体破碎，呈碎块状，自稳能力较差，局部有湿润现象，无其它不良地质现象，围岩状况详见下表：隧道名称南峰隧道掌子面桩号LYK8+335岩性强-中风化花岗斑岩岩层产状风化程度未微弱√强全硬度（抗压强度Rc-MPa）坚硬（＞60）较坚硬（30～60）较软（30～15）√软（15～5）极软（＜5）完整性＜33～1010～20√20～35＞35岩体完整性系数Kv＞0.750.75～0.550.55～0.35√0.35～0.15＜0.15完整程度完整较完整较破碎√破碎极破碎构造面形状与产状构造面产状①组②组③组平均间距（m）＞1.01.0～0.40.4～0.2＜0.2√组数1～22～3＞3无序√张开填充状况（mm）闭合无充填＜1微张少有充填1～3可见明显裂缝填充岩屑张开填充粘土呈分离体、土夹石√粗糙程度粗糙√平整夹泥厚度不不大于起伏差构造面走向与洞轴线夹角<30º，构造面倾角30º～75º（0.4～0.6）构造面走向与洞轴线夹角>60º，构造面倾角>75º（0～0.2）√其它组合（0.2～0.4）断层断层产状断层宽度（m）断层性质正断逆断平移地下水状态无水潮湿或滴水初始应力状态√无高应力高应力区（硬岩偶有岩爆；软岩位移明显）极高应力区（硬岩多岩爆；软岩岩体剥离）毛洞稳定状况无掉块局部小块掉落拱顶有较大坍方拱顶有坍塌侧壁失稳洞体失稳√岩体出露状态风化带断层带节理密集带有侵入体溶洞褶皱核部堆积体支护状况喷锚支护（钢拱架+挂网）其它状况1.施工状况：2.其它：掌子面素描图及雷达测线图围岩判断原设计围岩级别Ⅴ现判断围岩级别Ⅴ四、本次探测成果地质雷达探测是基于电磁波碰到不同反射界面其反射振幅和相位不同来判断前方传输介质的变化。介质介电常数的差别决定了电磁波反射的强弱程度和其相位的正负。岩性、构造、风化程度及其含水量的变化将影响其介电常数。雷达测试资料的解释是根据现场测试的雷达图像，先进行数据解决，对能够解读的图像进行异常分析；根据异常的形态、特性及电磁波的衰减状况，判断波阻抗界面的地质成因，从而能够对测试范畴内的地质状况进行解释。本次探测是在南峰隧道出口右洞里程桩号为LYK8+335的掌子面上进行的。图2、图3为本次超前地质探测的地质雷达统计图。图中统计显示：地质雷达在本次探测的有效预报距离为25m。雷达统计显示掌子面（里程LYK8+335）前方及附近，里程桩号为LYK8+335～LYK8+310段雷达反射波振幅较大，同相轴间断、弯曲，波形杂乱，推测该段围岩较破碎，重要以强-中风化花岗斑岩为主，围岩自稳能力较差，施工时应当引发注意。预测范畴内围岩具体状况如表1所示：表1：预测范畴内探测成果具体解释表序号里程长度（m）推断结果1LYK8+335～LYK8+31817根据现场地质调查及地质雷达探测成果，综合图2和图3分析：雷达反射波在该段围岩内反射波振幅较大，同相轴间断较杂乱，推测该段整体围岩质量较掌子面围岩质量基本一致，重要以强风化花岗斑岩为主，围岩稳定性较差，应及时做好早期支护，围岩等级综合定为Ⅴ级。（原设计为Ⅴ级）2LYK8+318～LYK8+3108根据现场地质调查及地质雷达探测成果，综合图2和图3分析：雷达反射波在该段围岩内反射波信号微弱，同相轴持续性较好，且少有弯曲现象，推测该段整体围岩质量较掌子面围岩质量稍好，节理裂隙较发育，局部较破碎，岩质较现在岩质较坚硬，重要以中风化花岗斑岩为主，且以块状镶嵌构造为主，围岩稳定性普通，应及时做好早期支护，围岩等级综合定为Ⅴ级。（原设计为Ⅴ级）图2（H1）超前探测的地质雷达统计图3（H2）超前探测的地质雷达统计五、结论与建议（1）结论：本次探测范畴内围岩整体质量较差，围岩较破碎，节理裂隙较发育，裂隙多呈张开型，自稳能力较差，洞顶及侧壁可能会出现局部掉块、小坍塌。（2）建议：建议施工时坚持采用“短开挖、弱爆破、强支护、勤量测、早封闭”的开挖原则掘进，在实