TSP地質(zhì)雷達(dá)紅外探水在工程中的應(yīng)用原理

1、地質(zhì)雷達(dá)方法地質(zhì)雷達(dá)檢測是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式， 其工作 過程是由置于地面的發(fā)射天線發(fā)送入地下一高頻電磁脈沖波（主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫乃至千兆 ），地層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層可以根據(jù)其電磁 特性如介電常數(shù)來區(qū)分， 當(dāng)相鄰的結(jié)構(gòu)層材料的電磁特性不同時， 就 會在其界面間影響射頻信號的傳播， 發(fā)生透射和反射。 一部分電磁波 能量被界面反射回來，另一部分能量會繼續(xù)穿透界面進(jìn)入下一層介 質(zhì)，電磁波在地層系統(tǒng)內(nèi)傳播的過程中，每遇到不同的結(jié)構(gòu)層，就會 在層間界面發(fā)生透射和反射， 由于介質(zhì)對電磁波信號有損耗作用， 所 以透射的雷達(dá)信號會越來越弱。探地雷達(dá)主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收 機(jī)、信號處理機(jī)和終端設(shè)

2、備 （計算機(jī) ）等組成。各界面反射電磁波由天線中的接收器接收并由主機(jī)記錄，利用采 樣技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行處理。 從測試結(jié)果剖面圖得到從發(fā)射 經(jīng)地下界面反射回到接收天線的雙程走時t。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速已知時，可根據(jù)測到的精確 t 值求得目標(biāo)體的位置和埋深。這樣，可對各 測點(diǎn)進(jìn)行快速連續(xù)的探測， 并根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征， 通過 數(shù)據(jù)處理得到地質(zhì)雷達(dá)剖面圖像。 而通過多條測線的探測， 則可了解 場地目標(biāo)體平面分布情況 （如圖 2.2 所示）。通過對電磁波反射信號 （即 回波信號 ）的時頻特征、振幅特征、相位特征等進(jìn)行分析，便能了解 地層的特征信息 （如介電常數(shù)、層厚、空洞等 ）。紅外探水

3、儀簡介地質(zhì)體每時每刻都在由向外部發(fā)射紅外能量，并形成紅外輻 射場。地質(zhì)體由內(nèi)向外發(fā)射紅外輻射時，必然會把地質(zhì)體內(nèi)部的 地質(zhì)信息，以紅外電磁場的形式傳遞出來。當(dāng)隧道前方和外圍介質(zhì)相對比較均勻，且不存在隱蔽災(zāi)害源 時，沿隧道走向分別對頂板、底板、左邊墻、右邊墻向外進(jìn)行探 測，所獲得的紅外探測曲線，具有正常場特征。當(dāng)隧道斷面前方 或隧道外圍任一空間部位存在隱蔽災(zāi)害源時，隱蔽災(zāi)害源產(chǎn)生的 災(zāi)害場就一定會迭加到正常場上，使正常場中的某一段曲線發(fā)生 畸變，畸變段稱作紅外異常。紅外探測就是根據(jù)紅外異常來確定 隱蔽災(zāi)害源的存在。隱蔽災(zāi)害源是指含水?dāng)鄬?、含水溶洞、地?暗河。HW 304型紅外探測儀，是在 30

4、3型的基礎(chǔ)上向前邁進(jìn)了一 步，它可將探測場強(qiáng)數(shù)據(jù)儲存在儀器內(nèi)，用通訊電纜與微機(jī)連接 后，可將探測數(shù)據(jù)直接傳輸至微機(jī)，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確成圖。用途在復(fù)雜地質(zhì)條件下，特別是巖溶發(fā)育地區(qū)，相對掘進(jìn)隧道的 隱伏水體或含水構(gòu)造，除了出現(xiàn)在掘進(jìn)前方之外，還可能出現(xiàn)在 頂板上方、底板下方、兩邊墻外部。針對復(fù)雜水文地質(zhì)特點(diǎn)，紅 外探測儀可實(shí)現(xiàn)全空間全方位探測。其具體地質(zhì)預(yù)報內(nèi)容如下：1、 通過超前探測可預(yù)報掘進(jìn)前方30米范圍內(nèi)有無含水?dāng)鄬?和溶洞。2、通過對頂板上方探測，可確定隧道上方 30米范圍有無含 水層或含水構(gòu)造。3、通過對底板下方探測，可了解下方有無含水構(gòu)造，以預(yù) 防滯后突水。4、 分別向兩邊墻外部探測，了

5、解30米范圍內(nèi)有無含水體或 者含水?dāng)鄬?，以預(yù)防含水?dāng)鄬釉谇胺脚c隧道相交造成大突水。使用環(huán)境條件：溫度：0C+40C濕度：應(yīng)不大于 80%。在潮濕環(huán)境工作不應(yīng)超過8小時。大氣壓力：(0.8 1.1 ) x 105PQ無腐蝕性氣體和強(qiáng)電磁場干擾。技術(shù)參數(shù)：瞄準(zhǔn)方式：紅色激光電源：鎳氫可充電電池電源電壓：1.2V x 5電流參數(shù)：正常工作電流為18mA背景光電流為28mA激光器電流為20mA輻射場場強(qiáng)分辨率：H檔0.05 mw/cm2 ; m檔0.07 mw/cm2液晶顯示：LCD帶背景光照明儀器尺寸：180X 88X 34 ( mm重量：350 g超前地質(zhì)預(yù)報在烏鞘嶺特長隧道中的應(yīng)用隧道網(wǎng) (20

6、05-8-2)來源：隧道網(wǎng)摘要隧道超前地質(zhì)預(yù)報是工程地球物理研究中疑難問題之一。具體闡述了TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理解釋結(jié)果以及工程實(shí)例的應(yīng)用情況。關(guān)鍵詞隧道工程烏鞘嶺特長隧道TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)工程實(shí)例分類號 P 631.8 ，U 45文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1000-6915（2004） 增2-5140-071引言隨著我國西部大開發(fā)的深入，在鐵路、公路、水利等工程施工中往往要遇到一些埋深大、長度大 的隧道。這些隧道工程在設(shè)計階段有關(guān)地質(zhì)資料多在地表獲得，而由于受工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條 件復(fù)雜多變性和目前勘察技術(shù)水平的影響，要想在施工前查明隧道圍巖和其周圍不良

7、地質(zhì)體（斷層、破碎帶、溶洞、暗河、軟弱地層等）所處狀態(tài)，特別是要準(zhǔn)確查明隧道施工中可能發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害的位置、規(guī)模和性質(zhì)是十分困難的。而由于地質(zhì)災(zāi)害的可能存在，僅靠施工揭露后再進(jìn)行處理的辦法， 帶有很大的盲目性，常常發(fā)生各種突發(fā)事故，造成投資增加、資源浪費(fèi)、人員和施工設(shè)備的損害、工 期延誤等諸多問題。因此，采用科學(xué)的、先進(jìn)的隧道超前地質(zhì)預(yù)報方法來準(zhǔn)確地預(yù)測預(yù)報隧道開挖工 作面前方巖體及其狀態(tài)，減少隧道施工的盲目性一直是國內(nèi)外隧道施工和地質(zhì)工作的重要研究課題。目前，國內(nèi)外超前地質(zhì)預(yù)報的方法有許多，總體上分直接法和間接法2種。直接法采用導(dǎo)坑、超前鉆探等手段；間接法采用FSP法、負(fù)速度法、高頻地震反射

8、法、水平聲波剖面法、地質(zhì)雷達(dá)等物探方法。直接法涉及昂貴的費(fèi)用和較長的預(yù)報時間；間接法采用物探手段，具有施工快捷、預(yù)報結(jié)果及 時、費(fèi)用低廉等特點(diǎn)，是今后地質(zhì)預(yù)報的發(fā)展方向。通過對上述各種方法的比較，從其使用效果、預(yù) 報成本、可操作性等方面綜合考慮，瑞士Amberg公司研制的TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)（圖1）具有一定的優(yōu)勢。該系統(tǒng)具有超前地質(zhì)預(yù)報距離長、準(zhǔn)確度高、成本低、提交資料及時等優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)已逐 步在很多長大隧道中發(fā)揮了較好的作用。圖1 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)組成圖2 工程概況2.1 概況烏鞘嶺特長隧道是蘭新鐵路蘭州一武威南段增建第2線的重點(diǎn)控制工期工程。其位于蘭新線蘭武段打柴溝車站

9、與龍溝車站之間，設(shè)計為2座單線隧道，左右線隧道長 20 050 m,除隧道岀口段線路位于半徑為 1 200 m 曲線上、左右線緩和曲線伸入隧道68.84 及 127.29 m 外，隧道其余地段均位于直線上，線間距40 m 2座隧道縱坡相同，主要為 11%0的單面下坡，右線隧道較左線隧道高0.560.73m；隧道洞身最大埋深1100 m左右。中鐵十二局集團(tuán)承擔(dān)5#斜井2 182.35 m，7#斜井3 361.97 m，5#豎井 466.6 m及 YDK169+70卜 YDKI71+350, YDKI72+1 00YDK172+463段正洞，DK171+35L DK172+463 段平導(dǎo)施工任務(wù)。

10、2.2 工程地質(zhì)條件 烏鞘嶺隧道被稱為“地質(zhì)博物館”，其施工過程就是同地質(zhì)災(zāi)害作斗爭的過程。2.2.1 地層巖性本段地層巖性復(fù)雜，沉積巖、火成巖、變質(zhì)巖 3 大巖類均有，但以沉積巖為主，其分布主要受區(qū) 域斷裂構(gòu)造控制。區(qū)內(nèi)出露的地層主要有第四系、第三系、白堊系及三疊系沉積巖，志留系、奧陶系 變質(zhì)巖，并伴有加里東晚期閃長巖侵入體。2.2.2 地質(zhì)構(gòu)造 褶皺構(gòu)造在本區(qū)較為發(fā)育，褶皺形態(tài)復(fù)雜，據(jù)其形成時代和所處的構(gòu)造部位不同，由南向北劃分為加里東期和海西印支期 2個褶皺構(gòu)造帶；區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要為區(qū)域性大斷裂，走向基本為 北西向，壓性壓扭性，具有深切割、延伸長、規(guī)模大的特點(diǎn)，破碎帶一般較寬，斷裂

11、帶內(nèi)物質(zhì)主要 為碎裂巖、斷層角礫。本標(biāo)段內(nèi)斷層由南向北依次分布如下：(1) 毛山南緣斷層(F4):為逆斷層，延伸長度 80 km,斷層走向近東西向，傾向北，傾角40。60°，斷層帶物質(zhì)主要由斷層泥礫、碎裂巖組成，松散破碎，破碎帶出露寬度200500 m。(2) 大柳樹一黑馬圈河斷層(F5):為逆斷層，延伸長度 60 km，斷層走向北西西向，傾向南，傾角70°左右，斷層帶物質(zhì)主要由斷層泥礫、碎裂巖組成，松散破碎，破碎帶出露寬度80260 m。(3) 毛毛山嶺中斷層(F6):為逆斷層，延伸長度 48 km,斷層走向北西西向，傾向北，傾角80°左右，斷層帶物質(zhì)主要由斷層

12、泥礫、碎裂巖組成，松散破碎，破碎帶出露寬度4080 m。2.2.3 可能的地質(zhì)災(zāi)害隧道最大埋深在1 100 m左右，地應(yīng)力值較高；嶺脊為堅硬的閃長巖，山W類同巖占80%左右；洞身通過斷層破碎帶的長度約 1 400 m ；巖性為砂、頁巖夾煤層，軟硬不均，存在小褶皺、節(jié)理密集 帶，工程地質(zhì)條件復(fù)雜。施工中極度可能出現(xiàn)突泥、涌水、圍巖失穩(wěn)、巖爆、高地溫、瓦斯等地質(zhì)災(zāi) 害。2.3 水文地質(zhì)條件5 #斜井范圍地表水、地下水均不發(fā)育，但正洞穿過F4, F5斷層及其影響帶，有突然涌水的可能；7#斜井范圍地下水主要為基巖裂隙水。其中，志留系下統(tǒng)板巖夾千枚巖及 F6斷層破碎帶，地下水較豐富，屬中等富水區(qū):三疊系

13、上統(tǒng)砂巖夾頁巖段地下水較發(fā)育，為弱富水區(qū)；加里東晚期閃長巖段地下 水不發(fā)育，為貧水區(qū)。3 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)流程 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)流程見圖 2。瑕廈口FflCH Mt MW(I) T fLftIV 卅till忑卞丸戲陽f ftQi圖2 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)流程圖4 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)工作原理、工作方法4.1 工作原理TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)工作原理見圖3。TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，是由瑞士Amberg測量技術(shù)公司開發(fā)應(yīng)用于隧道超前預(yù)報的先進(jìn)技術(shù)，其工作原理是利用隧道反射地震波法，即由人工弱爆破 產(chǎn)生的地震波在隧道中的巖體內(nèi)傳播，當(dāng)遇到地質(zhì)界面時（

14、如斷層、破碎帶等），一部分地震波被反射回來，即反射波經(jīng)過一段時間后到達(dá)接收傳感器，再通過接收傳感器被記錄儀所接收，然后經(jīng)專門的 分析軟件進(jìn)行處理，就得到清晰的反射波圖像，反射界面兩側(cè)的巖性差異越大，反射回來的信號就越 強(qiáng)。由于從產(chǎn)生地震波到反射信號被接收這段時間是與反射界面的位置、反射信號的強(qiáng)弱與反射界面 的性質(zhì)、產(chǎn)狀有密切關(guān)系，因此，通過對反射波性質(zhì)的分析可以推斷反射界面的性質(zhì)。圖3 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)工作原理圖TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)使用的是非常靈敏的三分量傳感器（圖1中）,它可以接收來白掌子面前方和四周很遠(yuǎn)的地震反射波。因此，處理方法有獨(dú)到之處，該方法在歐洲、亞洲有廣泛的應(yīng)

15、用，該 系統(tǒng)預(yù)報距離遠(yuǎn)、預(yù)報范圍大。一般情況下，TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)可以預(yù)報 100250 m,在地質(zhì)條件較好時，甚至可以預(yù)報更長的距離。4.2 工作方法圖4 TSP203超前地質(zhì)系統(tǒng)的現(xiàn)場測試示意圖TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的現(xiàn)場測試示意圖見圖4 o TSP203超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)采集是由一個三分量接收器承擔(dān)，接收器孔布置在隧道兩側(cè)各1個，使用© 45 mm鉆頭，鉆孔深度為2m鉆孔傾角為向上5°爆破孔布置在隧道任何一側(cè)巖壁上，使用© 38 mn鉆頭，鉆孔深度為1.2 1.6 m鉆孔向下傾斜10±5°o爆破孔等間距（間距1.5

16、 m）布置在與接收點(diǎn)為1條平行于隧道軸線的直線上。 在數(shù)據(jù)采集前，鉆孔、接收傳感器 （圖1中）套管的安裝、以及接受器孔和爆破孔傾角、傾向和三維 坐標(biāo)測量要先期完成，由于這些準(zhǔn)備工作不干擾正常施工，可與隧道施工平行作業(yè)。當(dāng)正式爆破采集 數(shù)據(jù)時，洞內(nèi)一切施工必須停止，以確保采集到的數(shù)據(jù)盡可能少地受外界噪聲的干擾。在數(shù)據(jù)采集時，相互間配合要做好，一般情況下數(shù)據(jù)采集時間可以控制在50 min內(nèi)。5 TSP203超前地質(zhì)預(yù)報的實(shí)施5.1數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理結(jié)果見圖5和6。數(shù)據(jù)處理用專門處理軟件對隧道內(nèi)采集到的原始資料不采用走時曲線分析方法，而是采用深度偏移成像方法。偏移成像方法偏移成像之前進(jìn)行二維Radn變

17、換，利用視速的差異，消除與隧道走向近乎平行的反射界面。該方法對縱橫P, SV, SH分別進(jìn)行處理，可提供反映掌子面前方結(jié)構(gòu)的剖面及各種地震巖性參數(shù)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以前，應(yīng)將描述隧道輪廓的參數(shù)、各孔 的三維坐標(biāo)、各炮孔裝藥量等數(shù)據(jù)輸入處理軟件中，數(shù)據(jù)處理共需11步，其流程見圖7o5.2數(shù)據(jù)解釋TSP203 超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理以后，提供了20個反射界面的空間位置，包括各反射界面距基準(zhǔn)點(diǎn)的距離、與隧道軸線的夾角、各反射面處的巖性參數(shù)（包括波速、密度、泊松比、動靜態(tài)彈性模量、縱橫波速比等）以及各反射面在隧道中的二維、三維圖像。圖5 7 #斜井（1+2561+403段）2D圖圖6 7 #斜井

18、（1+2561+403段）3D圖-r-s*u fl - Iff戛ft*沖圖7數(shù)據(jù)處理流程圖經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，提供的直接成果僅僅描述了圍巖性質(zhì)可能發(fā)生變化的位置及各反射界面圍巖的物理性質(zhì)、類別。因此，根據(jù)各反射界面的巖性參數(shù)、產(chǎn)狀以及各步解釋后的隱含信息，推斷圍巖的巖性以及可能存在的不良地質(zhì)段的性質(zhì)是數(shù)據(jù)解釋的難點(diǎn)和重點(diǎn)。在TSP203超前地質(zhì)預(yù)報實(shí)踐中，要不斷總結(jié)和積累經(jīng)驗(yàn)，提高解釋技術(shù)人員地質(zhì)知識(特別是工程地質(zhì)力學(xué)的知識)和野外、洞內(nèi)地質(zhì)工作的基本功。同時，還需要認(rèn)真參考設(shè)計勘察地質(zhì)資料，緊密結(jié)合現(xiàn)場的地質(zhì)情況。6工程實(shí)例在2003年11月18日對7#斜井1+2561+403段做了一次超前地

19、質(zhì)預(yù)報， 其成果與實(shí)際開挖情況 對比結(jié)果見表1。對比結(jié)果顯示，此次預(yù)報掌子面前方 100150 m范圍內(nèi)地質(zhì)情況與實(shí)際情況基本吻 合，為前方施工起到了指導(dǎo)作用，減少了施工的盲目性。本次預(yù)報中，1+3881+397段為重點(diǎn)預(yù)報段，主要表現(xiàn)為開挖后右側(cè)拱頂向下1 m位置有股狀水涌岀，其判斷過程如下：(1) 從圖5中可以看出，此地段反射面(節(jié)理面)非常多，從圖6中也同樣可以證實(shí)此觀點(diǎn)，說明 此地段節(jié)理相當(dāng)發(fā)育，巖體整體性差。(2) 從表2巖體力學(xué)參數(shù)中可以看出：此地段巖體P波波速低，說明此地段中存在液體或空隙率較大；此地段泊松比非常高，說明此地段有液體存在。7 結(jié)束語7.1超前地質(zhì)預(yù)報與施工表1 T

20、SP203超前地質(zhì)預(yù)報與實(shí)際開挖地質(zhì)情況對比表I "【辛 2卜 吟1“ K* 4 *W h «' 1F _ 暉i>l-f"-M°r T *< -”.；n i*¥ $ . A k E*nlt Cri lE. ti h-i tn i>耳 r i hi- t«tr* ! ph忡百 Hi *甲HlIF* -r <fr r JK/尺：l血1 * b t1 存4 4frvr t b r d ill. “ Vti - i ai-10in i : x « « t B h r -ii in i. i

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