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地面穿透雷达检测公路路基岩溶洞穴的应用研究

发布时间:2019-03-23 11:58所属分类:科技论文浏览:1

[摘要]主要采用公路隧道中最常用的地质雷达法(GPR)进行,通过对其使用原理、优缺点、应用条件的分析,以湖南某隧道工程为例,采用有限差分方法对岩溶地质灾害进行数值模拟,结果表明,如果某地区存在较大的电解质差异性,最终能够通过各种手段得到较好的雷达

  [摘要]主要采用公路隧道中最常用的地质雷达法(GPR)进行,通过对其使用原理、优缺点、应用条件的分析,以湖南某隧道工程为例,采用有限差分方法对岩溶地质灾害进行数值模拟,结果表明,如果某地区存在较大的电解质差异性,最终能够通过各种手段得到较好的雷达探测效果。溶洞的探地雷达具有较强的反应,空洞、填充溶洞或者基岩的电常数具有较大差异,溶洞界面很可能将导致探地雷达出现弧形,并且造成比较强的反射。雷达同相轴的散乱、不连续等情况也经常出现再裂隙发育、岩体破碎等状况,同时其反射能量非常强,在评价岩体完整性的过程中需要综合上述指标进行操作。

  [关键词]地质雷达法,洞穴,岩溶,公路路基,弧形

华东公路

  目前我国正处于交通运输产业迅速发展的重要阶段,也在不断增多公路建设隧道施工的项目,与此同时也需要面对各种各样的地质问题,特别是在岩溶地带,常会有断层破碎带、溶洞、岩爆、涌水突泥、软弱夹层等地质灾害出现[1]。要对地质灾害进行有效预防,在隧道开挖时,需探测、判释、分析围岩及不良地质体,能够进一步指导隧道施工的推进[2]。

  超前地质预报指的是通过多元化手段和方法,探测并分析前方工程当中可能存在的地质体情况,从而为隧道施工项目的正常运行保驾护航[3]。超前地质预报当中所需要判定的内容主要有地下水、地层岩性以及地质构造等,在超前地质预报方法当中出现频率较高的方法主要是超前钻探和物探[4]。

  在超前地质预报过程中,最为有效且直接的方法是超前钻探法,能够直接揭示其所包含的各项内容和情况,但是需要花费较高的成本,甚至会影响隧道的正常工期。因此,以红外探水、地质雷达为代表的物探在超前预报当中的使用范围最广,其具有时间短、成本低等优势[5]。本文主要采用公路隧道中最常用的地质雷达法(GPR)进行,通过对其使用原理、优缺点、应用条件的分析,以湖南某隧道工程为例,采用有限差分方法对岩溶地质灾害进行数值模拟,研究分析了地质雷达的工程应用效果。

  1地质雷达法及其优势

  1.1地质雷达法

  地质雷达法属于一种地球物理方法,通过宽带高频电磁波的利用,对地下各种介质分布状况进行确定,地质雷达主机可以在很大程度上控制微毫秒级脉冲信号,在系统处理环节以后,通过发射天线发射信号,探测地层的信号传播形式以特定高频电磁波形式为主,一旦有异常体对其进行信号阻挡,将发生显著的异常反应[6]。

  磁导率、介电常数等各种参数均会对地下介质的雷达传播产生影响,这些参数在不同介质间会有较大差异存在[7]。在进行水、洞穴等有关地质异常体探测时,地质雷达法较为敏感,能较为准确的探测出,因而,在公路隧道超前预报中,地质雷达法被广泛使用。

  1.2地质雷达法优势

  对于传统暗河、溶洞检测时,常采用的是钻芯取样法,该方法检测结果缺乏代表性,随机性较大,难以对暗河、溶洞质量状况进行全面把握,且效率低,工作量较大[8]。探地雷达可对这种情况进行改变,可便捷、高效、无损、连续完成暗河、溶洞检测任务,可将检测速度加快,使工作效率提高,确保暗河、溶洞的检测精度,全面对暗河、溶洞质量状况进行掌握。若掌握等出现质量问题,可从电磁波图形上看到病害部位[9]。

  2工程概况

  本工程为湖南某高速公路隧道工程,该工程全长405.5m。近年来,由于降雨等因素的影响,在距隧道进口250.3m附近,道床发生大量涌水,并将泥砂带出,涌出泥砂将道床充填,从而使轨道线路得到抬高,对行车运行造成一定的安全隐患。

  因此,非常有必要对该隧道进行病害勘察。通过排查确定隧道病害的主要影响因素,从而促进隧道病害整治工作的有序推进。隧道的地理位置主要在山丘陵地区,其特点主要包括构造溶蚀,地势起伏等特征,山坡上有非常茂密的灌木丛和植被覆盖。本工程区四季分明、雨量充沛、无霜期长、汛期雨量集中,属亚热带季风湿润气候。年降雨量在1465~1495mm,年平均相对湿度为75.5%。

  2.1不良地质体的解译判读

  在本工程区高速路段,岩溶发育,地表多岩溶洼地、管道,同时有多条地下河流存在,具有非常大的施工难度。隧道上行全长为405.8m,下行段线长为404.1m,高7.3m,宽10.4m,建筑限高5.0m。隧道大部分基岩为强风化白云质灰岩、二迭系白云质灰岩。工程区内岩溶具有较高的发育的程度,在隧道北面和南面,有串珠状的溶洼分布,在低洼处,常有岩溶洞穴裸露。

  在工程区内,有一个库容量为39.5万m3的水库存在,受重力渗入水的影响,隧道工程为裂隙水类型。在隧道周边,具有发育明显的断层。基于本工程概况,本文选取研究对象为K147+974~K147+979段和K148+155~K148+207段,对于隧道不良地质体及地质灾害,采用探地雷达超前探测技术进行探测识别。

  2.2岩溶地质灾害的数值模拟

  模拟地层介质传播电磁波的过程主要通过数值方法来实现,对岩溶地质灾害的电磁响应特征进行分析。通过正演模拟岩溶地区的地质体,与地质雷达实测图像进行对比分析,可将雷达图像解译精度有效地提高。在地下介质传播时,由于电磁波遵循Maxwell方程组,因而,基于Maxwell方程组,建立地质雷达数值模拟的正演理论。

  介质传播过程中电磁波涉及到以下特征:如果界面两侧的介电常数差异较大,此时将会出现巨大的反射能量,而如果界面两侧的介电常数差异较小,此时所产生的反射能量则比较小;如果存在介质穿透的现象,且有比较低的电阻率,则具有相对较大的介电常数,但电磁波衰减则非常剧烈,同时有反射波的细、窄同相轴出现,且波幅较小,在情况相反时,出现的反射波全部为粗、宽同相轴,且波幅较大;在介质松散时,或有成分不均的、不连续的反射介面介质出现,此时很容易形成散射现象,甚至雷达当中的图像情况非常杂乱,同相轴现象的发生概率非常低,在情况相反时,反射波具有连续稳定的同相轴;如果被测介质存在空隙,则会有雷达反射波形的波宽和振幅同时变大的情况出现[10]。

  本文在进行对应的数值解求取时,所使用的手段以时域有限差分法(FDTD)为主,实现模拟探地雷达数值的目的。通过建立3种不同的地电模型,对岩溶地区不同地质体的雷达图像特征进行准确模拟,在进行设计时,结合隧道开挖面大小,将模型尺寸设计为11.5m×15.5m,设定地质雷达主频为100MHz,模型网格尺寸设计为0.051m,点测模式采集通过0.10m的步距进行,设定时窗大小为254ns,移动方向从左往右。

  3数据采集与分析

  3.1选取雷达天线

  本研究在进行探测时,采用的是LTD-2100型探地雷达仪。为确保探测的深度与精度,主要对探地雷达仪进行3个方面的综合衡量,分别为稳定性、分辨率、穿透力,在工程现场,有2种实验中选取的天线,天线的探测深度分别为100、300MHz,如果天线的探测深度为300MHz,则意味着其具有较高的探测精度。

  再将2种天线放在同一条探测线上,并采取重复探测的方法,这样可对路基岩溶发育规模进行宏观控制,同时对岩溶局部充填、发育情况进行详细了解,全面结合2种不同天线测量得出的雷达图像特征,并展开分析探究,得到准确度更高的效果。

  3.2线路布置的探测

  结合本工程检测过程中的实际情况,最终进行雷达检测共使用了5条线,测线箭头即为检测防线。

  3.3数据处理

  雷达数据的影响因素有很多,包括空中规则和地下规则以及随机因素等,因此必须要采取一定手段处理深部信息,尽可能压制干扰因素,增强雷达剖面的信噪比和分辨率。本研究在进行雷达数据的处理时,主要进行5个步骤,第1步需要将飘移消除,尽可能将所有不稳定的因素和延迟因素都去除,设定领先和剖面起始时间;第2步是增益信号,放大深部信息,均衡浅部信息和深部信息的能量,使弱信号显示得到增强;第3步是需要对背景和声进行消除;第4步是滤波化处理一维,采取多元化手段压制干扰信号;第5步需要增强图像质量,进一步分析异常现象。

  4探测成果处理分析

  8条雷达探测剖面,其中100kHz天线4条,300kHz天线4条,同时与现场地质调研相结合,对本工程高速公路隧道K147+974~K147+979~K148+155~K148+207段路基稳定情况和岩溶发育情况进行推断,结果表明,全路段共有18条较大规模的裂隙,路基溶蚀裂隙发育程度较高,在上行线和下行线的路基当中多存在裂隙现象;宽度通常在0.25~0.75m之间,充填为碎石或粘土等,间或夹小孔洞。工程隧道路段路基的溶洞数量较多,且其大小均小于1.0m,路面不容易出现动荡情况,较为稳定。在地表水浸入以及行车压力等情况的影响,沿着裂隙带,路面可能会有沉降发生,对行车安全会造成一定的影响。

  5成果分析

  本次探测工区岩溶为白云岩岩性,且发育程度较高,通过LTD-2100型探地雷达仪的选择为隧道路基的安全性保驾护航,对路基下方岩溶发育情况进行探测。对雷达成果进行分析:对于L1—L1’线,有3处异常存在,其中异常1位于K147+974段左13.5m处,深约为5.2~6.3m,为弧形异常,具有较强的反射能量,因此推测由反射引起裂隙;异常2位于K147+979左12m,顶面埋深约为6.0m,这是典型的弧形异常现象,因此其反射能量较大,并且反射情况较多,所以我们暂时可以将其视为小型空洞;在K147+997段左15m可能存在异常3,深度达到2.4m,因为其表现处断开迹象,因此我们推测存在岩溶裂隙发育现象。

  对于L8—L8'线,在测线范围内,有1处明显异常存在,记为异常4,位于K148+063段右8.5m附近,顶面埋深约为3.75m,为弧形异常,具有较强的反射能量,因此推测该位置有溶洞存在。对于L9—L9',在测线范围内,有两处范围存在较大异常,1处记为异常5,位于K148+124右12.5m附近,深约为1.5~7.5m,雷达波形具有杂乱的同相轴,且具有较强的反射能量,因此推测岩体破碎、裂隙发育;另1处记为异常6,位于K148+132右13.0m附近,深度约为2.7~6.6m,为弧形异常,具有较强的能量,因此推测为岩溶裂隙发育,可能有溶洞存在。对于L10—L10',在测线范围内,有一明显异常存在,记为异常7,位于K148+190段右13.5m附近,其深度达到3.2~7.0m,且存在散乱的雷达同相轴现象,所以我们认为其存在岩体破碎现象。

  6结论

  本文主要采用公路隧道中最常用的地质雷达法(GPR)进行,通过对其使用原理、优缺点、应用条件的分析,以湖南某隧道工程为例,采用有限差分方法对岩溶地质灾害进行数值模拟,得出结论如下。

  a.如果某地区存在较大的电解质差异性,最终能够通过各种手段得到较好的雷达探测效果。溶洞的探地雷达具有较强的反应,空洞、填充溶洞或者基岩的电常数具有较大差异,溶洞界面很可能将导致探地雷达出现弧形,并且造成比较强的反射。

  b.雷达同相轴的散乱、不连续等情况也经常出现再裂隙发育、岩体破碎等状况,同时其反射能量非常强,在评价岩体完整性的过程中需要综合上述指标进行操作。

  [参考文献]

  [1]尹付州.地质雷达在公路路基路面检测中的应用[J].西南公路,2013(2):216-218.

  [2]姚先国.跨孔雷达CT在贵州高速公路岩溶勘察中的应用[J].中国水运,2013,13(5):220-223.

  [3]郑建颖.探地雷达在公路路基路面检测中的应用[J].交通世界·建养机械,2015(22):86-88.

  [4]周平,胡丽琴.探地雷达在公路路基岩溶探测中的应用研究[J].科技创新导报,2015(6):72-74.

  [5]郝士华,娄国充.探地雷达在岩溶公路隧道地区超前探测技术研究[J].公路工程,2017,42(4):285-290.

  [6]郭晓华.地质雷达在公路路基质量检测中的应用[J].交通建设与管理,2015(1):51-54.

  [7]宋培海.物探技术在高速公路溶岩地区地质勘探中的应用[J].交通建设与管理,2015(1):51-54.

  [8]于颖.地质雷达技术在公路路面检测中的应用[J].黑龙江交通科技,2014(12):30-32.

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