文档介绍：美国地质雷达隧道超前预报工作介绍
目前我们国家地下隧道建设工作量大,地质条件复杂,有灰岩地区、花岗岩地区、黄土高原、第四季覆盖等等。
隧道开挖中常常遇到岩溶发育、出现大的空洞,充水或者充泥,有时地下暗河发育;也会遇到构造带,或者岩石破碎,同时地下水发育,这给隧道开挖和建设造成很多困难,同时也给隧道运营造成一定的隐患。因此需要采用一定的手段对这些地质构造和地质灾害进行探测和预报,提前采取措施来排除灾害。
工作任务
为了能够探明隧道开挖面(俗称"掌子面")前方的地质构造,通常采用多种方法进行综合分析、探测、预报。常见的方法有:地质分析,地球物理探测(声波法、直流电法、电磁波方法),钻孔方法,或者超前导洞等等。采用各种地球物理方法进行探测,分别给出探测结果,综合地质构造情况,进行综合解释,给出掌子面前方的地质构造和可能的地质灾害信息。
探测前提条件
隧道开挖中遇到的地下材料或者介质,主要有石灰岩、花岗岩、大理岩、砂岩、第四季覆盖、沙土、黄土,还有地下水、空洞等等。由于这些材料的物理性质有很多种,比如密度、导电率、介电常数、磁导率等等。
声波超前预报。由于密度不同、声波传播速度不同,可以采用声波法进行探测,出现了地震波超前预报。
直流电法超前预报。根据导电率的差异采用直流电法,预报掌子面前方材料的导电率差异,尤其是含盐份的地下水表现为良导体、而空气为高阻体;
地质雷达预报。根据导电率、介电常数、磁导率的差异,采用地质雷达高频电磁波方法进行探测,获取掌子面前方材料的介电常数差异信息,
瞬变电磁预报。由于岩石、土壤、水、空气的电磁响应不同,采用瞬变电磁方法探测材料的差异。
目前这4种方法在隧道超前预报中都有使用,尤其是地质雷达超前预报方法得到了普遍使用,利用地质雷达方法在隧道掌子面上进行探测,对隧道开挖超前预报,下面介绍这部分内容。
探测仪器
地质雷达方法通常采用高频电磁波发射法工作,频带范围为几兆赫兹到几千兆赫兹,不同的频率探测深度不同,低频电磁波探测深度较大,因而出现了不同中心频率的天线,商业地质雷达通常采用窄脉冲宽频带电磁波信号工作,一般情况下100兆天线在土壤、破碎的岩石、基岩上探测深度范围从几米到十几米甚至30米左右。
目前隧道开挖地质超前预报距离正好是要求在十几米到30米左右,并且要求能够精确预报,这与地质雷达100兆天线的探测正好吻合。鉴于掌子面的工作面比较窄,通常从几米到十几米宽。而100兆天线本身仅仅不到1米长,也不需要把天线埋入地下进行非常紧密的接触,因而探测方便。经过多年的探测试验研究,目前地质雷达100兆天线在隧道超前预报中得到了广泛使用。
常见的地质雷达系统有美国GSSI公司的SIR系列地质雷达系统、加拿大Sensor&Software公司的EKKO系列地质雷达系统、瑞典Mala公司的地质雷达系统等等。
GSSI公司的SIR系列地质雷达系统在国内使用普遍,主机型号有专业型SIR-10A,10B,10H,SIR-20,便携式SIR-2,SIR-2000,SIR-3000。主机兼容所有天线。目前使用较多的是SIR-20和SIR-3000两款主机,都兼容100兆赫兹天线。采用地质雷达主机、电缆、天线和电池就可以进行超前预报。
SIR-20主机
SIR-3000主机
100兆天线
数据采集与现场工作
测线布置:
在隧道超前预报探测中,根据围岩和掌子面岩石构造和岩性分析,来布置测网测线。
对于构造简单的围岩,而掌子面岩石完整,同时已经开挖的几十米甚至几百米隧道内岩石完整,都为基岩,比如沉积岩,通常建议在掌子面上布置一条测线。
灰岩地区开挖隧道,由于灰岩地区岩溶非常发育,溶洞发育不规则,而且其尺寸和地下赋存状态非常复杂,通常含有地下水,或者跟地下暗河连通,有时处于大山底部属于承压地下水,一旦承压水从隧道掌子面涌出将非常危险。鉴于此就需要对掌子面前方的溶洞进行精细探测,因此在岩溶发育地区尤其是地下水丰富的隧道内,需要在掌子面布置井字型测线,构成密集的测网。
由于隧道开挖通常是采用全断面开挖技术或者阶梯状开挖技术。对于全断面开挖,可以利用100兆天线在隧道掌子面上多测几条测线;对于阶梯状开挖,利用100兆天线在隧道掌子面的特定部位有针对性的进行探测和预报。
由于目前地质雷达系统多数天线多设计为贴地耦合式,建议天线尽量紧贴被测物体的表面,接触约好探测效果约理想,一般建议离开地面的距离控制在1/4波长以内,100兆天线建议距离被测物体表面的距离控制在10厘米以内,天线最好能够紧贴其表面。
地质雷达超前预报工作照片
地质雷达探测系统有3种触发方式,分别为时间方式连续测量、手动点测方式、测量轮触发距离测量方式。鉴于隧道开挖掌子面通常凹凸不平整,天线不方便在掌子面上快速移动,因此建议