隧道施工中的地质灾害——断层破碎带地质雷达数值模拟研究与应用.pdf
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1、2019 年 11 月 28 日,在云凤高速路第二合同段安石隧道口出现突泥涌水,导致现场13 名施工人员被困。2021 年 7 月 15 日,珠海市香洲区的兴业快线南段石景山隧道掌子面拱顶坍塌,诱发透水事故,造成 14 人死亡。因此,在隧道施工前需要查清掌子面前方地质信息,确保现场施工人员安全以及财产损失。目前常用的隧道探测方法有 TSP 弹性波法、瞬变电磁法、地质雷达法等超前预报方法(杜俊等,2022)。其中地质雷达法操作简单、探测速度快、分辨率高,对围岩异常变化较为敏感,可以详细的探测掌子面前方地质体。刘常昊等(2022)提前模拟隧道典型不良地质体,总结雷达波图像,最后成功预判隧道掌子面前
2、方不良地质体。蒋建国等(2019)结合地质雷达数值模拟图像结果特征,成功预判掌子面前方断层富水带。本文通过地质雷达数值模拟研究不同断层倾角及填充物发生变化时,断层破碎带雷达图像变化特征,从而指导现场地质雷达工作者解译图像。结合蒙西华中铁路三荆段核桃园隧道现场地质雷达探测实例,预报掌子面前方断层破碎带。1地质雷达探测原理1.1地质雷达探测原理地质雷达是通过连续扫描电磁波反射曲线叠加,利用电磁波探测隧道掌子面信号差异,判断前图 1 地质雷达探测示意图方地质异常(史付生等,2003)。通过发射天线(T)探测不良地质体,接收天线(R)接收信号,地质雷达探测如图 1 所示。1.2地质雷达探测不良地质体可
3、行性分析地质雷达法是利用电磁波探测,依据反射系数判断反射体属性(龚俊等,2022)。反射系数和电磁波传播速度有关,电磁波传播的速度由介电常数和磁导率决定。所以介质电磁属性差异越大,电磁波衰减越快,雷达反射信号越明显。电磁波反射系数公式可以简写如下式:1212R(1)式中,1和2表示上层、下层介质介电常数。根据上下介质介电常数不同,推算出不良地质具体位置。表 1 为常见介质介电参数表。2断层破碎带数值模拟研究地质论评 2023 年 69 卷增刊 1522表 1 常见介质介电参数表材质相对介电常数r电导率-1/(s.m)衰减系数1/(.m)dB水810.01淤泥5300.0010.10.07109
4、空气1.00水81.000.01地质雷达法能够探测出不良地质类型和埋深,但无法准确探测不良地质体具体形态(王锦标等,2020;张湘桂等,2021)。为了更好的研究围岩断层破碎带倾角变化特征,本文利用 GprMax 结合Matlab 软件,针对隧道内存在的潜在断层破碎带,建立对应的不良体模型进行数值模拟,得到对应的地质雷达图像,总结对应的图像规律,为雷达探测者解译图像提供理论基础。2.1不同倾角断层破碎带模拟研究本文建立如图 2 所示的地层构造模型,模型大小设置为:5 m3 m,顶部留置 0.2 m 空气层,普通围岩介质大小为 5 m4.8 m,断层破碎带大小设置 2m0.3 m。设置普通围岩介
5、电常数为 6,电导率为雷图2 不同倾角断层破碎带模拟结果:(a)断层倾角为0;(b)断层倾角为10;(c)断层倾角为20;(d)断层倾角为30达数值模拟共采集 64 道雷达信号,经过 GprMax和 0.01 s/m,断层破碎带介电常数为 8,电导率为0.05 s/m。设置水平倾角为 0、10、20、30断层破碎带,Matlab 软件处理后,模拟结果如下图所示。通过分析图 2 模拟结果,断层破碎带反射波呈现出曲直线特征。随着断层倾角增加,反射波曲线变化幅度越大、越倾斜,反射波波能量变弱。当倾角为 30时断层破碎带反射波倾斜最明显,倾角断层破碎带反射波倾斜走向与实际模型断层倾斜方向一致。并且在倾
6、角为 0、10、20、30的断层破碎带中,发现模拟图像存在相互交叉的散射波和绕射,会对图像解译造成一定干扰。2.2不同填充体断层破碎带模拟隧道地质条件往往非常复杂,为了更加符合实际现场情况,在 5 m3 m 地质构造模型中建立含有填充体的断层破碎带模型。该模型采用上下三角形为断层破碎带,直角边为 2 m、高为 0.2 m,中间采用长方形作为填充体大小为 2 m0.1 m,设置埋深为 1.75 m 的断层破碎带。为了更好的研究不同介电常数下断层带模拟结果,通过改变填充物相对电导率和介电常数来实现空洞、淤泥、富水体模拟,实现不同的模拟效果(图 3)。图 3 不同填充断层破碎带模拟结果:(a)断层破
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