沧榆高速顶管区地质雷达探测分析.pdf
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1、中 国 煤 炭 地 质COAL GEOLOGY OF CHINA第 35 卷 8 期2023 年 8 月Vol.35 No.8Aug.2023沧榆高速顶管区地质雷达探测分析卢斌荧(陕西省交通规划设计研究院有限公司,陕西西安,710065)摘要:在高速公路运营阶段,利用地质雷达探测并分析次生灾害的案例并不多见,尤其是在探测公路顶管穿越区的次生灾害方面。在道路顶管施工中,不可避免出现次生灾害,影响公路的正常运营。为便捷的识别路基以下的次生地质灾害对路网的影响,本研究应用地质雷达技术,以特定的顶管为中心,两侧各15米,分布多条测线,探测道路病害,经过治理后复测,对探测出的病害路段再次治理后探测。关键
2、词:地质雷达;次生灾害探测;公路顶管穿越区中图分类号:P642文献标识码:ADetection and Analysis of GPR in Cangyu Highway Pipe Crossing AreasLU Binying(Shaanxi Provincial Transport Planning Design and Research Institute Co.,Ltd.,Xi an,Shaanxi 710065)Abstract:During the operation phase of highways,there are not many cases of using grou
3、nd penetrating radar to detect and analyzesecondary disasters,especially in detecting secondary disasters area where highway top pipes pass through.During road jackingconstruction,secondary hazards inevitably occur,affecting the routine operation of the highway.In order to conveniently identify thei
4、mpact of secondary geological hazards below the roadbed on the road network,this study applies GPR technology to detect roaddiseases by distributing multiple survey lines centered on a specific pipe jacking,15 meters on each side,and after treatment and re-testing,and detecting the detected diseased
5、 sections after treatment again.Keywords:ground penetrating radar(GPR);secondary disaster detection;highway pipe-crossing area地质雷达是工程技术人员探测地下目标的一种常用手段。20世纪 50年代,地质雷达开始用于冰层、冰川厚度的探测,因其携带方便、快速准确等的优势,广泛应用工程验收等无损检测,在公路隧道探测、岩土工程勘察等领域,能够直观、实时的显示工程地质情况。随着计算机技术的突破性发展,地质雷达性能越来越强大,地质雷达探测在理论研究、硬件设备制造、探测原理、数据的解译
6、和分析处理方面取得了重大突破,天线覆盖范围越来越广,探测深度和精度得到了极大拓展。随着技术的不断更新发展,其应用领域更加广泛,社会经济效益显著。在高速公路勘察设计阶段,为隧道的围岩分级,判明裂隙发育区、富水区的位置提供了参考,也为探明隧道施工区的地质情况,钻孔的布设、断层的分布提供了基础数据。然而,在高速公路运营阶段,地质雷达探测次生灾害治理应用的案例并不多见。地质雷达(GPR),是一种利用高频无线电磁波来确定介质内部物质分布规律的地球物理探测方法,在地下传播过程中,通过对电磁波回波的研究和分析,就可以获得地下目标体的几何形态与空间位置1-3。姜化冰对深度不同、尺寸各异的方形空洞进行正演模拟,
7、分析各种因素空洞目标雷达图谱的变化4;李世念等利用基于三维时域有限差分方法原理的GprMax 3D软件,充气型和充水型空洞三维探地雷达正演模拟,对数据体不同方向的图像特征进行分析,并结合工程实例,验证了正演模拟结果的可靠性5;李政用Matlab语言编写模拟程序,对隧道衬砌检测和超前预报中的典型地电模型进行正演模拟,取得了正演图像,提高图像的解释水平6;韩俊涛建立了常见铁路路基病害模型和检测的图谱判识基本规律,圆形空洞呈双曲线特征,矩形空洞在边界上呈现一段水平圆弧7;刘胜峰通过不同高度、圆形和方形两种规则空洞雷达探测实验,结论是雷达对水平尺度探测效果良好,但是垂直大小的精度逊于水平方向8;陈婕通
8、过GprMax计算原理,建立了不同大小,不同深度、不同形状的不同填充介质的混凝土空洞模型,总结出其成像的规作者简介:卢斌荧(1972),男,博士,高级工程师,研究方向:遥感地质、地理信息系统。E-mail:收稿日期:2023-05-06责任编辑:张燕生doi:10.3969/j.issn.1674-1803.2023.08.12文章编号:1674-1803(2023)08-0070-058 期卢斌荧:沧榆高速顶管区地质雷达探测分析律9。韩佳明总结出地下圆形空洞雷达扫描图像对称轴左侧为单调递减的连续凹函数,厚度由不断增大至稳定10;对称轴右侧为单调递增的连续凹函数,厚度由稳定至不断减小;随着埋深
9、与半径增大,曲线曲率减小,曲线图像趋于缓和,曲线的特征体现出张开弧度增大的趋势。1研究背景1.1研究区概况本项目位于榆林市,场地地形高低起伏,地面高程在1 149.801 342.80m。场地地貌单元主要分为风砂滩地地貌和黄土梁地地貌,风砂滩地地貌,表层风积砂较厚,低洼处常年积水形成海子,滩地大小不一,多曲折相连,黄土梁地多被风沙半覆盖,梁地大小不一。沿线地表植被稀疏,主要生长为黄蒿、杨树等沙生植物。在区域范围内地基土自上而下分层描述如下:层细砂(Q4eol):褐黄色,含云母片,稍湿饱和,松散中密状态,以稍密状态为主,摇震反应中等,无光泽反应,干强度低,韧性低。层厚 5.508.50m,层底深
10、度为 5.508.50m,土质均匀,稍湿,松散-中密,以稍密状态为主,中压缩性,工程性能一般,可选做管道和工作坑地基持力层。层黄土(Q3eol):黄褐色红褐色,饱和,可塑软塑,以可塑状态为主,针状孔隙发育,含钙质结核,局部含粉土夹层,偶见蜗牛碎片,无湿陷性,属中压缩 性 土。层 厚 4.505.30m,层 底 深 度 为 10.6013.00m,土质均匀,稍湿,坚硬硬塑,以硬塑状态为主,中压缩性土,无湿陷性,工程性能一般,可选做管道和工作坑地基持力层。层粉土(Q3eol):褐黄色,含云母片,饱和,中密,含钙质结核,局部钙质结核富集,摇震反应中等,无光泽反应,干强度低,韧性低。未揭穿,最大揭露厚
11、度11.40m,土质均匀,稍湿,中密密实转台,以中密状态为主,中压缩性,工程性能一般,可选作管道和工作坑地基持力层。地层情况的复杂程度,影响到了地质雷达数据分析的精准程度,本研究充分收集研究区的地层情况,便于后续研判。1.2区域灾害治理实验概况本次实验根据探测结果提供的数据作为灾害治理设计的依据,对探测出的缺陷(脱空和不密实)区域进行治理,治理后运行一段时间后再次探测,对仍存在灾害缺陷,进一步治理,直至完全探测不出缺陷为止,满足公路运营的需要。2数据来源和技术方法2.1数据来源本研究收集到高速公路和顶管的施工阶段的资料,包括地质勘察资料、路基和路面结构图、顶管施工图,详细整理了路面及其以下的包
12、括路面结构层、路基、底基层的结构,底基层以下的地质钻探资料。这些资料都作为后续分析的参考资料。2.2地质雷达检测原理地质雷达技术(Ground Penetrating Radar,简称GPR)利用主频为106109Hz波段的电磁波,以宽频带短脉冲的形式,由地面通过地质雷达天线发射器发送到地下,电磁波经地下目的体或地层反射界面后返回,被地质雷达天线接收器所接收,通过对收到的雷达信号进行处理和解译,达到探测地下目标体的目的11-12。地表下的介质比较复杂,电磁波吸收和反射的存在差异,通过对反射波形的分析,可以建立地下介 质 的 结 构 模 型(地 质 雷 达 检 测 原 理 示 意 图见图1)。图
13、1 地质雷达检测原理示意Figure 1 Schematic of GPR detection principle71中国煤炭地质第 35 卷电磁波在介质中传播,电场强度分量关系式如下:Ex=E0e-kx(1)式中:Ex为传播距离Z=x处的电场强度;E0为传播距离Z=0处的电场强度;k为传播系数,其表达式为k=+j,其中为衰减常数,表示每单位距离衰减程度的常数;j为电流密度;为相移常数,表示每单位距离落后的相位11。=221+()2-1(2)=221+()2+1(3)式中:为电磁波的角频率(=2f,f为电磁波中心频率);为介质的磁导率;为介质的电导率;为介质的介电常数。实际计算中,通常用相对磁
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