高家屯隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)報(bào)告2011

1、新建鐵路長沙至昆明客運(yùn)專線貴州段12標(biāo)隧 道 地 質(zhì) 超 前 預(yù) 報(bào) 報(bào) 告報(bào)告編號：CQYB2011-GZ-GPR01預(yù)報(bào)地點(diǎn)：高家屯隧道橫洞預(yù)報(bào)里程：HD1K0+284HD1K0+254預(yù)報(bào)人員： 報(bào)告編寫： 北京工業(yè)大學(xué)中鐵二十二局集團(tuán)2011年03月18日新建鐵路長沙至昆明客運(yùn)專線貴州段12標(biāo)高家屯隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)報(bào)告目 錄1 地震預(yù)報(bào)的原理及現(xiàn)場工作11.1 探測原理11.2 探地雷達(dá)在勘查中的基本參數(shù)21.2.1 電磁脈沖波旅行時(shí)21.2.2 電磁波在介質(zhì)中的傳播速度21.2.3 電磁波的反射系數(shù)31.3 數(shù)據(jù)處理方法31.3.1 距離歸一化31.3.2確定波速31.3.3 水平和

2、垂直濾波32 高家屯隧道橫洞地質(zhì)超前預(yù)報(bào)42.1 探測儀器與工程布置42.2 現(xiàn)場工程地質(zhì)條件52.3 地震超前預(yù)報(bào)成果圖表52.3.1 探測能量圖和波形圖52.3.2 解譯分析62.4 結(jié)論和建議77北京工業(yè)大學(xué) 中鐵二十二局集團(tuán)新建鐵路長沙至昆明客運(yùn)專線貴州段12標(biāo)高家屯隧道橫洞地質(zhì)超前預(yù)報(bào)報(bào)告1 地震預(yù)報(bào)的原理及現(xiàn)場工作1.1 探測原理探地雷達(dá)是一種用于確定地下介質(zhì)分布情況的高頻電磁技術(shù)，基于地下介質(zhì)的電性差異，探地雷達(dá)通過一個(gè)天線發(fā)射高頻電磁波，另一個(gè)天線接收地下介質(zhì)反射的電磁波，并對接收到的信號進(jìn)行處理、分析、解譯。其詳細(xì)工作過程是：由置于地面的天線向地下發(fā)射一高頻電磁脈沖，當(dāng)其在地

3、下傳播過程中遇到不同電性（主要是相對介電常數(shù)）界面時(shí)，電磁波一部分發(fā)生折射透過界面繼續(xù)傳播，另一部分發(fā)生反射折向地面，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄，在更深處的界面，電磁波同樣發(fā)生反射與折射，直到能量被完全吸收為止(見圖1.1和1.2)。反射波從被發(fā)射天線發(fā)射到被接收天線接收的時(shí)間稱為雙程走時(shí)t，當(dāng)求得地下介質(zhì)的波速時(shí)，可根據(jù)測到的精確t值折半乘以波速求得目標(biāo)體的位置或埋深，同時(shí)結(jié)合各反射波組的波幅與頻率特征可以得到探地雷達(dá)的波形圖像，從而了解場地內(nèi)目標(biāo)體的分布情況。圖1.1 探地雷達(dá)電磁波傳播示意圖圖1.2 探地雷達(dá)電磁波傳播示意圖一般，巖體、混凝土等的物質(zhì)的相對介電常數(shù)為48，空氣相對介電常

4、數(shù)為1，而水體的相對介電常數(shù)高達(dá)81，差異較大，如在探測范圍內(nèi)存在水體、溶洞、斷層破碎帶，則會在雷達(dá)波形圖中形成強(qiáng)烈的反射波信號，再經(jīng)后期處理，能夠得到較為清晰的波形異常圖。在眾多地質(zhì)超前預(yù)報(bào)手段中，使用探地雷達(dá)預(yù)報(bào)屬于短期預(yù)報(bào)手段，預(yù)報(bào)距離與圍巖電性參數(shù)、測試環(huán)境干擾強(qiáng)弱有關(guān)。一般，探地雷達(dá)預(yù)報(bào)距離在1535m。1.2 探地雷達(dá)在勘查中的基本參數(shù)1.2.1 電磁脈沖波旅行時(shí)式中：z為勘查目標(biāo)體的埋深； x為發(fā)射、接收天線的距離（式中因z>x,故X可忽略）；v為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。1.2.2 電磁波在介質(zhì)中的傳播速度式中：c為電磁波在真空中的傳播速度（0.29979m/ns）;為介

5、質(zhì)的相對介電常數(shù)，為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率（一般）1.2.3 電磁波的反射系數(shù)電磁波在介質(zhì)傳播過程中，當(dāng)遇到相對介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)：=(11/2-21/2)/(11/2+21/2)式中：r 為界面電磁波電場反射系數(shù)；為第一層介質(zhì)的相對介電常數(shù)；為第二層介質(zhì)的相對介電常數(shù)。1.3 數(shù)據(jù)處理方法本次數(shù)據(jù)處理工作主要使用RADAN65軟件進(jìn)行，所作的處理工作如下：1.3.1 距離歸一化在用探地雷達(dá)進(jìn)行連續(xù)探測時(shí)，由于不可避免的因素，天線移動的速度很難做到勻速，導(dǎo)致每米掃描線數(shù)不同，需要使用標(biāo)記功能測算出天線

6、移動的距離，通常是每2米1個(gè)標(biāo)記，在后期處理中根據(jù)選擇每米掃描數(shù)，增補(bǔ)或刪除一些掃描線，使得測線內(nèi)的掃描線均勻。1.3.2確定波速由于探地雷達(dá)記錄的是反射波的雙程走時(shí)t，需要用波速計(jì)算出目標(biāo)體的位置，這關(guān)系到深度解釋的問題，是一項(xiàng)非常重要的工作，波速計(jì)算可通過以下公式進(jìn)行：其中：v為電磁波波速；c為真空中電磁波波速；s為相對介電常數(shù)；1.3.3 水平和垂直濾波雷達(dá)資料中水平波特別發(fā)育，它產(chǎn)生于雷達(dá)儀器本身。即使將天線對空，也會記錄到回波，這回波不是來自天空，而是來自于控制器、數(shù)據(jù)線、天線的相互作用，是難以避免的。水平波具有時(shí)間相等的特點(diǎn)，水平濾波就是利用這一特性。濾波過程中，可將相鄰的一定數(shù)量

7、的掃描線求平均，再與個(gè)別掃描線相比較，就可消除水平波。水平濾波中選取的掃描線數(shù)越大，濾波效果越小。相反選取的掃描線數(shù)越小，濾除水平波的效果越明顯。但如果水平濾波掃描線取得太少，可能會濾掉一些緩變界面信號。因而在進(jìn)行水平濾波時(shí)，要根據(jù)對象進(jìn)行試驗(yàn)、調(diào)整，以求最佳效果。垂直濾波中較為常用的方法有帶通濾波，高通濾波，低通濾波，小波變換等。垂直濾波的目的是為了消除雜散波干擾，這些雜散波是來自于外源，不是天線自身發(fā)出的，頻率不在雷達(dá)天線頻帶內(nèi)。有時(shí)為了區(qū)分不同的地質(zhì)體，選取不同的頻帶，都要用到垂直濾波。垂直濾波是一種數(shù)學(xué)變換，有時(shí)會帶來較大的失真，濾波的頻帶越窄，失真越大，應(yīng)用中要認(rèn)真選取方法和參數(shù)。因

8、為雷達(dá)天線的發(fā)射與接收都設(shè)定了帶寬，也就是說雷達(dá)信號本身已經(jīng)過濾波，所以一般資料處理中的濾波處理改善并不明顯。2 高家屯隧道橫洞地質(zhì)超前預(yù)報(bào)2.1 探測儀器與工程布置本次工作采用美國GSSI公司的SIR-20探地雷達(dá)，其精度高，性能穩(wěn)定、可靠。主要工作技術(shù)參數(shù)為：100Hz屏蔽天線，每次掃描的采樣點(diǎn)數(shù)：500；每秒鐘的掃描數(shù)：100；相對介電常數(shù)：6。測線布置圖如圖2.1所示。圖2.1 探地雷達(dá)測線布置示意圖2.2 現(xiàn)場工程地質(zhì)條件根據(jù)勘察和設(shè)計(jì)文件地質(zhì)特征為： 表層為塊石，松散結(jié)構(gòu)，石灰?guī)r為薄層狀，質(zhì)軟，節(jié)理裂隙十分發(fā)育；鈣質(zhì)千枚巖節(jié)理、裂隙發(fā)育，片理間結(jié)合較差，巖質(zhì)軟，順層，設(shè)計(jì)為級圍巖。

9、3月18日在高家屯隧道橫洞進(jìn)行了現(xiàn)場踏勘，掌子面地質(zhì)情況與地質(zhì)報(bào)告一致，掌了面地層為泥質(zhì)薄層狀石灰?guī)r，間夾薄層泥巖，多呈互層狀。隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)里程為HD1K0+284HD1K0+254段。2.3 地震超前預(yù)報(bào)成果圖表2.3.1 探測能量圖和波形圖采用前述方法，對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，獲得的主要結(jié)果如圖2.2和2.3所示。圖2.2 HD1K0+284掌子面雷達(dá)橫向測線掃描圖（彩色能量圖）圖2.3 HD1K0+284掌子面雷達(dá)橫向測線掃描圖（波形堆積圖）圖2.2和2.3所示為探地雷達(dá)橫向測線解譯所得的能量圖和波形圖。圖中縱坐標(biāo)標(biāo)識數(shù)字為根據(jù)電磁波傳播雙程走時(shí)計(jì)算出的視深度，本次探地雷達(dá)探測范圍為3

10、0m；橫坐標(biāo)標(biāo)識數(shù)字為測線長度（單位：m），測線長約為5m。2.3.2 解譯分析本次雷達(dá)探測距離根據(jù)電磁速度和反射走時(shí)計(jì)算為30m，根據(jù)探地雷達(dá)解譯結(jié)果得出以下結(jié)論：(1) 掌子面前方06m范圍內(nèi)雷達(dá)呈低能反射，無明顯的反射界面。推測該段圍巖巖體特征無大的變化，基本維持與掌子面類似的特征。因?yàn)闊o明顯電磁波反射。(2) 掌子面前方715m,電磁波反射波明顯增強(qiáng)，且測線由右向左依次出現(xiàn)較強(qiáng)的電磁反射波。推測該區(qū)段由右向左依次會出現(xiàn)巖體特征的較大變化，使得圍巖綜合介電常數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而使得該段反射電磁波明顯增強(qiáng)。(3) 掌子面前方1530m，雷達(dá)波整體出現(xiàn)強(qiáng)反射，且有頻率降低，局部出現(xiàn)明顯的小范圍的反射波組。推測該段圍巖局部有較為明顯的變化，且含有一定地下水，使得電磁在該段高頻損失，低頻突出，且能量很強(qiáng)。2.4 結(jié)論和建議本次超前地質(zhì)預(yù)報(bào)距離為30m，預(yù)報(bào)里程范圍HD1K0+284HD1K0+254，綜合地質(zhì)和物探的結(jié)果，具體預(yù)報(bào)結(jié)論如下：1、HD1K0+284HD1K0+280段：圍巖巖性無大的變化，掌子面底部仍然以石灰?guī)r為主，間夾薄層泥層，開挖容易產(chǎn)生掉塊現(xiàn)象。2、HD1K0+280HD1K0+271段：結(jié)合物探和地質(zhì)資料分析，推測該段為風(fēng)化巖層與基巖接觸帶，接觸面有裂隙不發(fā)育，水量不大，呈滲滴水狀出露，圍巖穩(wěn)定較差，容