地質(zhì)雷達(dá)在犇溪口隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

王 威，代兵權(quán)

(1.武漢工程大學(xué)國家磷資源開發(fā)利用研究中心，湖北 武漢430074；2.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，特別是西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，各類新建的隧道工程日益增多.我國西部地區(qū)地形及地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在隧道開挖掘進(jìn)過程中，如何提前了解和發(fā)現(xiàn)隧道前方的巖石等級和異常情況，為隧道的施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，以便及時調(diào)整和實(shí)施施工工藝和異常地質(zhì)情況的處理，從而達(dá)到減少和預(yù)防工程事故的發(fā)生.地質(zhì)雷達(dá)作為先進(jìn)物探方法，因具有掃描速度快、設(shè)備重量輕、圖像分辨率高、屏蔽效果好、圖像直觀、操作簡便等優(yōu)點(diǎn)在隧道超前預(yù)報中得到廣泛的應(yīng)用[1-7].但是由于預(yù)報距離短而經(jīng)常結(jié)合隧道地震波超前預(yù)測系統(tǒng)(Tunnel Seicmic Prediction,TSP)資料進(jìn)行隧道超前預(yù)報.本文介紹了地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報的基本原理，以水綏二級公路犇溪口隧道為工程背景，介紹了地質(zhì)雷達(dá)在超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用.

1 地質(zhì)雷達(dá)的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)是近年來興起的一種新型物探方法，應(yīng)用于淺層地質(zhì)構(gòu)造、巖性檢測以及隧道開挖探測的一項(xiàng)新技術(shù).它利用超高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布，并形成實(shí)時影像，使探測結(jié)果能夠快速、直觀進(jìn)行判讀.地質(zhì)雷達(dá)因其探測精度高、探測對象無損、工作效率高在近幾年倍受關(guān)注.特別是在施工中預(yù)防施工事故的發(fā)生有著重要的意義.

圖1 地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報工作示意圖

隧道地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報方法是一種用于確定隧道掌子面前方地質(zhì)情況分布變化的廣譜電磁波技術(shù)，如圖1所示，其基本原理是：利用一個天線向掌子面前方發(fā)射中心頻率為12.5 M至1 200 M、脈沖寬度為0.1 ns的脈沖電磁波訊號.當(dāng)這一訊號在電磁波在巖體介質(zhì)中傳播時，其傳播的路徑、電磁場強(qiáng)度與波形與傳播的機(jī)制的電性質(zhì)以及幾何形體有著明顯的相關(guān)性.接收機(jī)接收到對應(yīng)的直達(dá)訊號和反射訊號，根據(jù)反射訊號到達(dá)滯后時間及目標(biāo)物體的平均反射波速,可以計(jì)算出目標(biāo)的大致距離，最后成像形成大體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面.最終達(dá)到探測掌子面前方介質(zhì)的地層結(jié)構(gòu)與異常地質(zhì)體.

通過理論研究與實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電磁波在物體或介質(zhì)中的傳播速度v、走時t、與介質(zhì)的相對介電常數(shù)Er滿足以下方程[2]：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：z為反射界面深度，C為光速常量約每秒30萬公里，v為電磁波在不同介質(zhì)中傳播的速度，x為發(fā)射天線到接收天線間的距離，Er為傳播介質(zhì)的相對介電常數(shù).對地質(zhì)雷達(dá)來說，采用的是雷達(dá)波，所以電磁脈沖的速度v變成了已知變量.根據(jù)公式及通過讀取雷達(dá)剖面上行程時間計(jì)算得到界面深度z值.

在實(shí)際的外業(yè)施工過程中，因?yàn)檎谱用媲胺浇橘|(zhì)變化較為復(fù)雜，建議事先在不同隧道，不同圍巖情況下做多次實(shí)驗(yàn)，測算出不同地段的圍巖介質(zhì)波速，利用公式求得每次所測段的圍巖平均波速情況，再根據(jù)速度來推斷異常對象的埋深情況.

由于電磁脈沖反射信號的強(qiáng)度與地質(zhì)界面的反射系數(shù)以及傳播介質(zhì)的波吸收程度有關(guān)，一般情況下，傳播介質(zhì)的電磁參數(shù)(電性)差別大，則反射系數(shù)大，因而反射波的能量也大，這就是地質(zhì)雷達(dá)探測的前提條件.

(3)

式(3)中：PT，PR分別為發(fā)射和接收功率；G為天線增益；λ0為介質(zhì)中雷達(dá)波的波長，R、S、H分別為地下目標(biāo)體的反射率、散射面截面和深度；α為巖土衰減率；L為雷達(dá)波從發(fā)射到接收過程的散射損耗.

通過公式可以看出，雷達(dá)接收的信號強(qiáng)弱與很多東西相關(guān)，主要包括雷達(dá)天線的功率和特性、地層對電磁介質(zhì)的衰減、地層對電介質(zhì)的反射能力.對天線頻率、探測深度以及分辨率的關(guān)系描述主要為：天線頻率越高，則對地層探測的深度越淺，得到的圖像分辨率越高；反之，天線頻率越低，則對地層探測深度越深，得到的圖像分辨率越低.因此，在對隧道進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報時，先需要對地質(zhì)雷達(dá)的天線進(jìn)行選擇，天線的選擇決定了探測深度和分辨率.這就存在探測深度與分辨率的取舍或優(yōu)選問題.

2 隧道工程概況

云南省水富至綏江(水綏)二級公路是連接向家壩水電站與溪洛渡水電站的便捷通道，也是向家壩水電站淹沒區(qū)水綏公路的還建工程.水綏二級公路的建成，對攀西―六盤水開發(fā)區(qū)的建設(shè)，特別是沿線地區(qū)的資源開發(fā)，具有重要意義.位于三項(xiàng)目部第九工區(qū)的中城鎮(zhèn)犇溪口隧道是水綏二級公路新增隧道之一，全長1 170 m，是水綏二級公路最長的一個隧道，也是地質(zhì)最復(fù)雜、環(huán)境最惡劣、施工難度最大的一個隧道.

犇溪口隧道出口地層為紫灰、紫紅色粉砂巖、泥巖，呈弱風(fēng)化碎石狀，巖性質(zhì)軟，受結(jié)構(gòu)影響較嚴(yán)重，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，巖層產(chǎn)狀200°∠12°，產(chǎn)狀對圍巖穩(wěn)定不利，如圖2所示，該段地下水埋藏較深，但處于基巖侵入接觸帶，地下水富水性中等，施工中將有中等水量的滲水.為了保證施工安全進(jìn)行，我們采用地質(zhì)雷達(dá)對犇溪口隧道進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報，取得了較好的效果.

圖2 犇溪口隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

3 儀器設(shè)備及技術(shù)參數(shù)

地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)包括硬件(主機(jī)、天線、傳輸電纜等)和軟件(現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、后處理等)兩大部分.本次投入的設(shè)備為美國產(chǎn)SIR系列地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)(圖3).

圖3 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)

在獲取到地質(zhì)雷達(dá)影像的處理上，配備了RADAN6.5系列雷達(dá)軟件，特別針對各種地質(zhì)異常情況可以進(jìn)行多道平均，同相軸追蹤，信號偏移，希爾波特變換，褶積與反褶積的濾波變換，傅立葉變換，強(qiáng)制增益變化等等一系列的手段，可以最大程度的保證資料處理的可辨讀性.

SIR系列地質(zhì)雷達(dá)屬工程現(xiàn)場非破壞性的高頻電脈沖全數(shù)字化地面探測系統(tǒng)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

a.掃描速率：每秒2～800次掃描可選，具有DSP數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)；

b．分辨率：5 ps；

c.主機(jī)可適配所有高中低頻的各類雷達(dá)天線，頻率范圍從16 MHz到2.2 GHz，本次預(yù)報工作主要選用100 MHz，400 MHz頻率的天線；

d.量程增益：-20～100 dB，自動或用戶可選；增益曲線分段可以從1～8進(jìn)行選擇；

e.具有位置自動伺服系統(tǒng)，便于信號的準(zhǔn)確接收.

4 地質(zhì)雷達(dá)探測及結(jié)果分析

根據(jù)犇溪口隧道掌子面現(xiàn)場情況，沿水平方向布置了2條測線，測線A1距離上臺階1.5 m，測線A2距離上臺階4.5 m，具體測線位置如圖4.由于掌子面的不平整，為提高測試的準(zhǔn)確性，測試時根據(jù)情況對某些測試剖面進(jìn)行了重復(fù)測試.為提高預(yù)報精度，本次預(yù)報采用400 M屏蔽天線(僅向掌子面前方發(fā)射電磁波和僅接收掌子面前方的反射波)進(jìn)行探測，并沿測線進(jìn)行連續(xù)測量.限于篇幅，本文僅介紹K72+443掌子面的地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果.

圖4 掌子面雷達(dá)測線位置示意圖

地質(zhì)雷達(dá)探測是基于電磁波遇到不同反射界面其反射振幅和相位不同來判斷前方傳播介質(zhì)的變化.介質(zhì)介電常數(shù)的差異決定了電磁波反射的強(qiáng)弱程度和其相位的正負(fù).巖性、構(gòu)造、風(fēng)化程度及其含水量的變化將影響其介電常數(shù).

雷達(dá)測試資料的解釋是根據(jù)現(xiàn)場測試的雷達(dá)圖像，先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對可以解讀的圖像進(jìn)行異常分析；根據(jù)異常的形態(tài)、特征及電磁波的衰減情況，判斷波阻抗界面的地質(zhì)成因，從而可以對測試范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行解釋.

縱觀本次地質(zhì)雷達(dá)圖像，圖像顯示較為清晰，在剖面探測深度內(nèi)基本未見電磁波反射異常，在K72+443豎直測線A2剖面深度為10 m的位置發(fā)現(xiàn)電磁波強(qiáng)反射等異常.

K72+443處A1和A2測線的地質(zhì)雷達(dá)探測剖面波列圖如圖5(a)、4(b)所示，由圖中可以看出，探測剖面無明顯反應(yīng)異常區(qū)，表明該段圍巖情況與掌子面圍巖相比變化不大，從掌子面的巖體情況可以對掌子面前方的巖體情況進(jìn)行推斷，節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體比較破碎，推斷為溶蝕破碎帶，裂隙夾泥及小塊石，含少量水，層間及節(jié)理裂隙粘土充填，圍巖完整性一般，推斷圍巖等級為Ⅳ級，而在在K72+443豎直測線A2剖面深度為10 m的位置發(fā)現(xiàn)電磁波強(qiáng)反射等異常區(qū)域可以推斷在此區(qū)域的圍巖較其他區(qū)域的圍巖更加破碎，從而對該破碎區(qū)域推斷為V級.當(dāng)隧道進(jìn)尺到該區(qū)域時，應(yīng)格外注意支護(hù).以避免掉塊和塌方情況發(fā)生.

5 結(jié) 語

從犇溪口隧道現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查情況看，掌子面圍巖為紫灰、紫紅色粉砂巖，巖體比較破碎，夾少量泥，水量小，圍巖強(qiáng)度較低，圍巖級別為Ⅳ級.根據(jù)雷達(dá)探測結(jié)果結(jié)合地質(zhì)調(diào)查分析，推測預(yù)報段K72+443～K72+423整段圍巖質(zhì)量一般，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育、巖體較破碎，溶蝕發(fā)育，形成的小塊石較多.從A1測線來推測圍巖的圍巖進(jìn)尺1.5 m左右和10 m左右有少量的強(qiáng)反射信號，從A2測線可以觀察到同樣的結(jié)果，推測此位置的圍巖等級為V級.建議施工方在此段區(qū)域加強(qiáng)防護(hù)，避免掉塊和塌方情況發(fā)生.實(shí)踐證明地質(zhì)雷達(dá)是隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報的一種快捷有效的方法，對隧道施工具有較好的指導(dǎo)作用.

圖5 地質(zhì)雷達(dá)探測剖面

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇貴玉.地質(zhì)雷達(dá)在云臺山隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用[J].山西交通科技，2011(2)：44-46.

[2]李盼，黃仁東，楊光,等.地質(zhì)雷達(dá)在隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2011，23(4)：140-142,145.

[3]張海東，徐周.地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報中的應(yīng)用[J].江蘇交通科技，2011(1)：34-35,40.

[4]崔芳，高永濤，吳順川.基于地質(zhì)雷達(dá)的隧道掌子面前方地質(zhì)預(yù)報研究[J].中國礦業(yè)，2011，20(3)：115-118.

[5]宋波，張文居，曾知法.地質(zhì)雷達(dá)在隧道施工中的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2011(1)：101-104.

[6]李鎬，仲曉杰，韓煜.地質(zhì)雷達(dá)在隧道富水區(qū)超前預(yù)報中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ)，2010(4)：88-90.

[7]董棟，陳光榮.地質(zhì)雷達(dá)在大西客專Ⅱ標(biāo)隧道工程施工超前地質(zhì)預(yù)報中的運(yùn)用[J].水電施工技術(shù)，2010(3)：108-110.