铜锣山隧道出口左线(地质雷达第2期)(1)

四川省南充～大竹～梁平高速公路隧道超前地质预报简报铜锣山隧道出口左线（地质雷达第002期）委托单位：南大梁高速公路E标项目经理部测试单位：中铁西南科学研究院有限公司二〇一一年九月二十二日四川省南充～大竹～梁平高速公路隧道超前地质预报简报铜锣山隧道出口左线（地质雷达第2期）（测试范围：ZK136+920～ZK136+900底板）参加人员：席锦州、鄢景、帅义、吴丰收、花晓鸣技术负责：席锦州报告编写：席锦州鄢景报告复核：吴丰收委托单位：南大梁高速公路E标项目经理部测试单位：中铁西南科学研究院有限公司2011年09月22日四川省南大梁高速公路铜锣山隧道超前地质预报简报（地质雷达第2期）i目录1前言.................................................................................................12工程地质概况.................................................................................23探地雷达探测原理、测试方法及软硬件系统.................................23.1探地雷达原理.........................................................................23.2仪器设备及软件系统.............................................................63.3资料处理.................................................................................74测试面地质描述..............................................................................85测试及分析.....................................................................................96结论及建议...................................................................................116.1测试结论...........................................................................116.2施工建议...........................................................................11四川省南大梁高速公路铜锣山隧道超前地质预报简报（地质雷达第2期）中铁西南科学研究院有限公司工程地质研究所第1页共11页四川省南大梁高速公路铜锣山隧道出口左线超前地质预报简报[地质雷达法第2期]1前言2011年9月22日对铜锣山隧道出口左隧道掌子面进行现场地质预报测试工作，本次测试的主要目的是：探测隧道掌子面前方围岩工程地质及水文地质情况，并提出相应的建议措施。本次探测方法为电磁波反射法，采用美国劳雷公司生产的SIR-20探地雷达系统及配套分析软件。现场利用中心频率为100MHz屏蔽天线对ZK136+920～ZK136+900布置探地雷达测线进行连续测试，并结合地质调查法对ZK136+920～ZK136+900下方围岩进行分析。图1为测线布设图。K136+920K136+917.5K136+910K136+905K136+900掌子面方向测线①测线②测线③测线④测线⑤图1测线布设图本次预报范围：ZK136+920～ZK136+900下方27.5m。四川省南大梁高速公路铜锣山隧道超前地质预报简报（地质雷达第2期）中铁西南科学研究院有限公司工程地质研究所第2页共11页2工程地质概况南充～大竹～梁平（川渝界）高速公路项目位于川东南充和达州市境内，其中铜锣山隧道穿越铜锣山山脉，隧道长5023.5m（平均），隧道进、出口均穿越煤层及煤层采空区，赋存瓦斯等有害气体，且判定为高瓦斯隧道。隧道中部穿越岩溶发育的三叠系嘉陵江组（T1j）和雷口坡组（T2l）地层，岩溶发育。铜锣山隧道地下水主要为碎屑岩类裂隙孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水；洞身位于水平循环带内，岩溶及岩溶水极其发育；铜锣山隧道正常涌水量为20万方/d，最大涌水量59万方/d；洞身岩溶分布规模不均，施工中遇高水压、涌水（突泥）的风险性极高；铜锣山隧道距供核心区生活用水的青眼洞岩溶泉和五峰山水库（大气降雨入渗补给）水平最短距离1.7km，二者高差167m，水力坡降9.82％。隧道开挖后，青眼洞岩溶泉及五峰山水库水可能通过F2断裂带进入隧道，甚至被疏干。3探地雷达探测原理、测试方法及软硬件系统3.1探地雷达原理探地雷达（GroundPenetratingRadar简称GPR）是用频率介于106～109Hz的无线电波来确定地下介质分布的一种方法，是指利用宽带的电磁波以脉冲形式来探测地表之下或确定不可视的物体或结构。其工作原理为：电磁波以宽频带脉冲形式通过发射天线发射，经目标体反射或透射，被接受天线所接收，见图2。四川省南大梁高速公路铜锣山隧道超前地质预报简报（地质雷达第2期）中铁西南科学研究院有限公司工程地质研究所第3页共11页发射机收发转换开关接受机主机噪声目标体发射接收信号图2探地雷达工作原理及其基本组成探地雷达是一种高频电磁波方法。电磁波在介质中的传播满足麦克斯韦方程。描述电磁波传播特点时，常用传播常数k。在导电媒质中k为复数，即jk式中：122122(112(112在电偶极子场强公式中jkre可改写成rjarreee。表明随着距离r的增加，电磁波场强因介质损耗而衰减，为吸收系数（单位dB／m）。jare表明单谐波相位随着距离改变而改变，为相位系数（单位rad／m）。电磁波在介质中的传播参数受上面两个参数控制。⑴电磁波在介质中的传播速度探地雷达测量的是地下界面的反射波的走时，为了获取地下界面的深度，必须要有介质的电磁波传播速度v，其值为四川省南大梁高速公路铜锣山隧道超前地质预报简报（地质雷达第2期）中铁西南科学研究院有限公司工程地质研究所第4页共11页1221()12v绝大多数岩石介质属非磁性、非导电介质，在高频情况下，常常满足《1，于是可得rcv式中c为真空中电磁波传播速度0.3/cmns，r为相对介电常数。上式表明对大多数非导电、非磁性介质来说，其电磁波传播的相速度v主要取决于介质的介电常数。⑵电磁波在介质中的吸收特性吸收系数决定了场强在传播过程中的衰减速率，对以位移电流为主（1/《）的介质，的近似值为:2即与导电率成正比，与介电常数的平方根成正比。表l列出了一些常见介质的相对介电常数、导电率、传播速度。表1常见介质的电性参数介质电导率(Db/m)相对介电常数速度(m/ns)空气01.00.3砂0.140.15砂土0.560.12湿粘土20120.09水0.1800.03金属10103000.017⑶电磁波在两种不同介质交界面上的特性对于非均匀介质中电磁波的传播情况，首先要研究电磁波在两种不四川省南大梁高速公路铜锣山隧道超前地质预报简报（地质雷达第2期）中铁西南科学研究院有限公司工程地质研究所第5页共11页同的均匀介质分界面上发生的情况。偶极子源的辐射场虽然是一种球面波，但在离开辐射源很远的区域，可以将其看成是平面波。平面电磁波到达两种不同的均匀介质的分界面处会发生反射与折射。入射波、反射波与折射波的传播方向遵循反射定律与折射定律。电磁波在到达界面时，还将发生能量再分配。入射波、反射波和折射波三者之间的能量关系，因入射波电磁场相对界面的方向（极化特性）而不同。下面仅讨论垂直极化波（电场矢量垂直入射面）在界面的反射与折射，这相当干有一平行于界面的水平电偶极子从远处入射到界面的情况，如图3所示。图3介质表面电磁波传播示意图图3中Ei、Er与Et分别表示入射波、反射波和折射波的电场强度幅值；它们的磁场强度幅值分别为Hi、Hr和Ht。根据电磁理论，电磁波在跨越介质交界面时，紧靠界面两侧的电场强度和磁场强度的切向分量分别相等，则得ttrriitriHHHEEEcoscoscos令itirEETEER/,/1212，分别表示波从介质1入射到介质2时界面的反射系数和折射系数。可得四川省南大梁高速公路铜锣山隧道超前地质预报简报（地质雷达第2期）中铁西南科学研究院有限公司工程地质研究所第6页共11页)sin/(coscos2sincos/sincos2122212iiiiiiinTnnR其中n表示折射率，1122~/~n。下面讨论不同入射角时，反射系数R12与折射系数T12的变化规律。①i=0，即垂直入射，此时。)1/(2);1/()1(1212nTnnR当n＞l时，R12＜0，T12＜l；Er与Ei反向，Hr与Hi同向。当n1时，则与上述情况相反。②sini=n，t=90o。于是折射波沿界面在介质2中“滑行”，并折向第1介质，而无向下传播的波。这时的入射角称为临界角c⑷电磁脉冲波旅行时vzvxzt2422式中：z-勘查目标体的埋深；x-发射、接收天线的距离（式中因zx,故X可忽略）；v-电磁波在介质中的传播速度。⑸地质雷达记录时间和勘查深度的关系tcvtzr2121式中z—勘查目标体的深度；t—雷达记录时间。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度和波形将随所通过介质的电性性质及集合形态而变化，由此通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置或结构状态。地质雷达具有高分辨率、无损性、高效率、抗干扰能力强等特点，在工程质量检测中得到广泛的应用。3.2仪器设备及软件系统四川省南大梁高速公路铜锣山隧道超前地质预报简报（地质雷达第2期）中铁西南科学研究院有限公司工程地质研究所第7页共11页本次探测采用的是美国劳雷公司生产的SIR-20地质雷达，采用天线频率为100MHz。⑴主机量程：50-2000纳秒；发射脉冲重复：115KHz；扫描速度：56次/秒；采样：512/s。增益控制范围：0-80dB；动态范围：128dB。滤波：用户可选；检测模式：连续；A/D转换:16位；数据传输：以太网接口。输入电源：12V充电电池，10.5～13V；电池容量：6.5Ah；消耗电流：0.7A。尺寸：35×30×5.5cm；重量：3.0Kg。⑵天线：40-100-400-1000MHz可变频天线，测试采用100MHz天线类型：偶极，屏蔽发射器输出：200V接收器敏感性：50mV探测深度：25米(100M)尺寸：98×52×4cm重量：2-7Kg⑶软件：采集与分析软件为同一软件包，与本探测仪器系统配套。3.3资料处理探测的雷达图形常以脉冲反射波的波形形式记录。由于地下介质相当于一个复杂滤波器，介质对电磁波不同程度的吸收以及介质的不均匀四川省南大梁高速公路铜锣山隧道超前地质预报简报（地质雷达第2期）中铁西南科学研究院有限公司工程地质研究所第8页共11页性，使得脉冲到达接收天线时，波幅减小，波形变得与原始发射波形有较大的差异。另外，不同程度的各种随机噪声和干扰，也影响实测数据。因此，必须对接收信号实施适当的处理，以改善资料的信噪比，为进一步解释提供清晰可变的图像。图像处理包括消除随机噪声压制干扰，改善背景；进行自动时变增益或控制增益以补偿介质吸收和抑制杂波，进行