地质雷达在地铁隧道深度探测中的应用

李金奎，吴 凯

(大连大学 建筑工程学院， 辽宁 大连 116622)

地质雷达在地铁隧道深度探测中的应用

李金奎，吴 凯

(大连大学 建筑工程学院， 辽宁 大连 116622)

根据大连地铁5号的工程实例，运用瑞典地质雷达对隧道区间进行深度探测，分别介绍了溶洞、裂隙、富含水以及软弱夹层探测中雷达图像的特征。给予了一些施工建议，提早预防工程灾害。可以为地质雷达在隧道不良地质深度探测中积累一些经验并为以后相似工程提供借鉴。

地质雷达；深度探测；隧道；不良地质

近年来，为了振兴东北经济，国家在东北交通基础设施上投入巨资，隧道作为道路的重要工程，在项目中所占的比例越来越大[1-2]，隧道深度探测技术也迅速的发展起来。目前，随着人们生活水平的提高，全国更多的城市需要建设地铁，，建设过程中安全事故时有发生，隧道建设安全形势严峻[3]。地铁在建设的过程中，往往会由于许多不良的地质灾害给工程带来事故灾害。在修建过程中也经常发生一些比较大的事故，例如隧道地下突涌水、甚至还有因为地质不良造成塌方[4-5]。为了避免由于地质不良而给工程带来事故，造成财产和生命的损失，对地铁隧道进行不良地质的深度预报的将越发重要，也很有实际意义。

由于大连地铁5号线隧道施工区域地质条件非常复杂，并且本区间段沿线路段西边为住宅区，下铺设管线多，是人流、车流的密集区域，为了能给大连地铁5号线隧道施工提供更加准确的地质情况，需要对隧道上方地质进行勘测。雷达在工程探测中有许多优点，它使用比较方便而且快捷，并且不扰动土层，在处理结果中分辨率也很高，除此之外，最大的优点就是在探测过程中不影响施工。损伤、探测和处理数据速度快、不影响施工的特点[6-11]，因此该工程运用了地质雷达在隧道施工区间进行了深度探测预报。

1 基本原理

在应用地质雷达深度探测预报时，需要掌握雷达的工作原理以及参数的设置，这样才能更好的准确勘测地质情况。

1.1 雷达的探测原理

地质雷达探测是地球物理探测的一部分，它属于地下不同介质发射的宽屏带波不同的电磁的方法[12]。地质雷达的使用原理是它通过天线向地层下面以宽频短脉冲的形式发射高频电磁波，当电磁波向下传播过程中遇到目的物就会返回到地面，最后被雷达上的接受天线接受。假设电磁波在地层中传播的时间为t,并且地下介质的波速在可知的情况下，就可以精确算出反射物的深度。因此可以由发射和接受波时间t，以及一些波形资料，就可以推断出地下地质情况[13]，雷达系统的基本部分如图1所示。

图1 雷达系统示意图

(1) 电磁波脉冲波旅行时程

t=4z2+4x2/v≈2z/v

(1)

式中：z为勘查目标体的埋深；x为发射、接收天线的距离；v为电磁波在介质中的传播速度。

(2) 电磁波地下不同介质中的传播速度。

(2)

式中：c为电磁波在真空中的传播速度(0.29979 m/ns)；ε为介质的相对介电常数；μ为介质的相对磁导率(一般μ≈1)

(3) 电磁波在地下不同介质的反射系数

(3)

式中：r为不同界面的电磁波反射系数；ε1为第一层介质的相对介质常数；ε2为第二层介质的相对介质常数。

电磁波在地下不同介质中的传播过程中，当遇到明显不同的目标体时，电磁波就会发生反射有一部分发生透射，它的反射和透射的能量上的分配取决于异常变化界面的电磁波的反射系数。

(4) 地质雷达记录时间和勘测深度的关系

(4)

式中：z为地层反射物的深度；t为雷达上的显示时间。

1.2 设置参数的方法

地质雷达参数的设置一般有采样的频率、采样的间隔、道间距、时窗和对于探测结果至关重要的中心频率、测点之间的间距、接受发射天线之间的距离。

在调整时窗的时候，每20 ns就等于1 m的探测深度，但实际工作时，都要超出既定深度的10%～20%的范围，以免测试深度达不到需要的测深。

2 应用实例

地铁5号线区处于千山山脉南延的丘陵区，由于长期受地质构造、风化剥蚀及水流侵蚀堆积等内外营力的作用形成了不同地貌单元，地形复杂多变。区内可分为低丘陵、山前倾斜平原、坡残积台地、山间谷地、河谷及海岸等地貌单元。

2.1 工程概况

本文将对大连地铁五号线泉水东站—前盐站区间进行雷达探测。它位于大连市甘井子区大连湾街道，沿汇泉路铺设区间起讫里程为K19+265.180—K20+089.029，全长823.849 m，设计顶板高程4.76 m～11.08 m，设计底板高程-1.44 m～4.87 m，拟采用盾构法施工。

2.2 布线及参数选择

本区间为泉水东站—盐站区间，有两条并行隧道贯穿其区间。每条隧道的直径为6 m，相隔14 m。每个隧道顶面布线方式采用中心线两侧各2 m的方式布线，测量布线如图2所示。对地铁5号线进行了实地考察后，根据地铁隧道的实际工作环境，决定采用瑞典MALA地质雷达对其进行测量，主机用CUⅡ型号,设置时的主要技术参数为：天线类型为100 MHz屏蔽天线;采样频率1 113.64 MHz;采样点数为786;时窗长度705.796560 ns;触发方式滚轮触发自动采集;道间距为0.1 m。

图2 测量布线图

2.3 典型雷达图像

在大连隧道工程中常见的地质不良情况有：断层破碎带、大型溶洞、富含水区、裂隙发育、涌水和溶蚀发育等。

2.3.1 溶洞的地质雷达图像

探地雷达对于岩洞探测效果十分明显，余中明等[14]对岩溶的探测工程有十几项的成果，并取得较好的效果。如图3所示，两条黑色虚线为此段盾构的高度，溶洞发生在盾构高度的中下部。其波形主要特征：在13 m～16.5 m的深度范围内；从雷达波形图上可知，黑色圆形框内界面反射强烈，反射波极性反转，存在大量多次震荡，相位不同轴、不均匀，幅值弱比较均匀，低频均匀，判断它为溶洞。

图3 溶洞的雷达图像

施工建议：预报后，要求施工方进行从地表深层注浆，达到稳固漏斗型溶洞上下部，防止在施工过程中发生塌方事件。

2.3.2 裂隙的地质雷达图像

当地下层某处结构受损，而导致裂隙延长，最终成为塌方时，塌方处反射波会明显比其他地方波的强度大，在波形图上明显的呈现出与周围地层波同向轴不连续、错位的现象。如图4所示，其波形主要特征：在隧道下方15.6 m～22.5 m范围内，即黑色矩形框内，裂隙界面反射强烈，反射面附近波幅显著增强，反射波的相位同相轴错断， 幅值强弱不均匀，频率在高中频混乱，裂隙面上反射波高频部分衰减很快，初步判断为裂隙发育区。

施工建议：预报后要求施工方在进行隧道盾构时采用超前注浆拱底加固，使得隧道顺利通过。

2.3.3 富含水的地质雷达图像

如图5所示，其波形主要特征：在3 m～24 m的深度范围内，从雷达波形图5可知，黑色矩形框内雷达波在含水层介面发生较强振幅的反射波，当穿透含水层时高频波被滤掉很大部分，有低频段波可穿透，波形相位有序连续，幅值变化均匀，且频率低频有序，初步判断为富含水区。

图4 裂隙的雷达图像

施工建议：在盾构高度11 m～17 m范围内含有大量水，预报后要求施工方在进行隧道盾构时用泵抽取地下水，做好排水工作，防止在盾构施工时发生涌水现象。

2.3.4 软弱夹层及溶蚀发育的地质雷达图像

如图6所示，软弱夹层含水其波形主要特征：在3.5 m～9.8 m的深度范围内，从雷达波形图6可知，黑色矩形框内雷达波对称性很好，界面反射强烈，在深度方向上9.5 m～12 m范围内，反射波信号比较差，相位同轴、比较均匀，幅值强度不匀，中低频不均匀，初步判断为软弱夹层含水；溶蚀发育其波形主要特征：盾构高度范围为10.6 m～16.8 m，而溶蚀发育区高度范围在12 m～16 m内，其在盾构高度范围，黑色矩形框内雷达波高频波衰减很快，界面反射较强烈，反射波的相位轴错断不连接， 幅值强弱不均匀，频率在中低频混乱不均匀，初步判断为溶蚀发育。

施工建议：在盾构纵向区域上方3.8 m～9.8 m范围内有软弱夹层含水层并且在盾构高度10.6 m～16.8 m范围内含有溶蚀发育区，预报后要求施工方在进行隧道盾构时隧道上方用超前小导管进行支护且在掘进时缓慢进行。

图5 富含水的雷达图像

图6 软弱夹层含水及溶蚀发育的地质雷达图像

3 结 论

(1) 在勘测过程中经常会有许多干扰因素存在，如车辆、电线杆等。因此，数据处理时干扰波的滤去判断对于探测的精确度也是至关重要的[15]。

(2) 对地质雷达数据处理时波形图更准确的解释和判断，就必须积累大量各种不良地质条件下的各种介质雷达波形图像资料，并对它的特征进行反复研究，以实现与真实隧道不良地质灾情相对于某种现象需要反复实践才能取得较满意的雷达波形图。

(3) 该地质雷达探测工作，为地质雷达应用于隧道施工超前地质预报积累了一些经验。

[1] 徐 超，李 哲.TSP技术在隧道探测中的应用[J]．低温建筑技术，2012，34(11):90-92.

[2] 许涛涛．地质雷达在某公路隧道地质超前预报中的应用[J]．科技广场，2011(10):174-176．

[3] Li S C, Li S C, Zhang Q S, et al. Predicting geological hazards during tunnel construction[J]. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering，2010，2(3):232-242．

[4] 田海涛,董益华,王延辉.隧道涌水量预测的研究[J].水利与建筑工程学报,2007,5(3):75-77，97.

[5] 张 伟,李姝昱,张诗悦,等.探地雷达在水利工程隐患探测中的应用[J].水利与建筑工程学报,2011,9(1):34-38.

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[8] 唐 龙,孙晓宾.应用地质雷达探测隧道地质构造[J].山西建筑,2001,27(3):148-149.

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[11] 张志龙,王兰生,王跃飞，等.公路隧道施工超前地质预报技术方法研究现状综述[J].公路交通科技,2005,22(9):126-128,136.

[12] 张 伟,李姝昱,张诗悦,等.探地雷达在水利工程隐患探测中的应用[J].水利与建筑工程学报,2011,9(1):34-38.

[13] 张先锋．隧道超前地质预报技术指南[M]．北京:人民交通出版社，2013．

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[15] Jeff Griffin.探地雷达技术应用的继续改进[J].王玉龙译.非开挖技术,2010(4):136-138.

Application of Geological Radar in Metro Tunnel Depth Detection

LI Jinkui, WU Kai

(CollegeofCivilEngineering,DalianUniversity,Dalian,Liaoning116622,China)

With the rapid development of subway construction, accidents occur frequently during the subway construction, so it is very important to detect the bad geological condition and its depth to the ground. Taking Dalian Metro Line 5 project as an example, the Swedish geological radar was adopted to detect the tunnel depth, the cave, fissure water rich soft interlayer , according to the radar image some construction suggestions were given, to prevent engineering disasters. The research can provide some experience for the geological radar in the detection of bad geological condition of tunnel and provide reference for similar projects in the future.

geological radar; depth detection; tunnel; unfavorable geology

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.027

2017-02-10

2017-03-10

李金奎(1972—)，男，辽宁大连人，博士，教授，主要从事岩土、矿业等方面的工作。E-mail:120803591@qq.com

U452.1

A

1672—1144(2017)03—0134—04