地質(zhì)雷達(dá)在西山隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

曹延海 張甫珂

0 引言

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)是一種廣泛用于地質(zhì)探測的高頻電磁脈沖波技術(shù)，再利用電磁脈沖波的反射來探測地下目的體分布形態(tài)及特征。近年來被廣泛地應(yīng)用于高速公路隧道、鐵路隧道、路基病害等領(lǐng)域，隨著我國公路隧道工程數(shù)量和建設(shè)速度的加快，為了更好地保障隧道施工過程安全和加強(qiáng)隧道工程質(zhì)量管理，通過地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報來及時發(fā)現(xiàn)異常變化，預(yù)報出掌子面前方不良地質(zhì)體的位置產(chǎn)狀，為隧道選擇正確的開挖斷面、支護(hù)設(shè)計參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供了依據(jù)。另外由于地質(zhì)雷達(dá)與其他型預(yù)報相比具有設(shè)備簡單、測量速度快、高分辨率、基本不干擾現(xiàn)場施工，特別是在20 m～30 m范圍內(nèi)的高精度預(yù)報等特點，而被廣泛應(yīng)用于隧道短距離超前地質(zhì)預(yù)報中。

1 地質(zhì)雷達(dá)的基本探測原理和方法

1.1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理

地質(zhì)雷達(dá)的探測原理是根據(jù)巖層、土質(zhì)及其他物質(zhì)電導(dǎo)率和介電常數(shù)的不同，以及相鄰兩種物質(zhì)的電性、物性差異作為測試條件，形成反射界面而探測地下目的體分布形態(tài)及特征(見圖1)。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

地質(zhì)雷達(dá)工作時在主機(jī)控制下，雷達(dá)脈沖源產(chǎn)生周期性的毫微秒信號，經(jīng)過電纜直接反饋給發(fā)射天線，經(jīng)由發(fā)射天線耦合到前方圍巖的信號在傳播路徑上遇到介質(zhì)的非均勻體(如斷層、空洞、破碎帶等)時，產(chǎn)生反射信號。發(fā)射信號接收后傳輸?shù)浇邮諜C(jī)，信號在接收機(jī)經(jīng)過整形和放大等處理后，再經(jīng)由電纜傳輸?shù)嚼走_(dá)主機(jī)，經(jīng)處理后傳輸?shù)轿C(jī)。在微機(jī)中對采集的信號依照幅度進(jìn)行編碼，并以偽彩色圖或灰色圖的方式顯示出來，再通過分析電磁波的時頻特征、振幅特征、相位特征、頻譜等，便可以推斷出掌子面前方異常地質(zhì)或目的體分布情況。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)探測方法

1.2.1 測試頻率和測線布置

考慮到本隧道不具備巖溶發(fā)育條件，超前地質(zhì)預(yù)報主要在于精確定位掌子面前方的斷層、破碎帶、含水區(qū)等，即以準(zhǔn)確預(yù)報不良地質(zhì)的分布為首要目的。本隧道每次的探測深度為30 m，連續(xù)預(yù)報，且前后兩次重疊長度為5 m，當(dāng)日測試便當(dāng)日提交超前地質(zhì)預(yù)報報告，并及時報送決策部門和施工單位。

地質(zhì)雷達(dá)的測線布置方法相對比較靈活，可以根據(jù)現(xiàn)場情況布置一些測線、測點或網(wǎng)格。一般以掌子面前方為檢測目標(biāo)，以拱頂為中心，“十”字形布置兩條測線，有時開挖工作面會凸凹不平整，可采用點測法，一般點距0.5 m～1 m。在地質(zhì)復(fù)雜地段可以采用“井”字形布置測線，當(dāng)發(fā)現(xiàn)明顯異常反射時，可以加密雷達(dá)測線以提高測試結(jié)果。隧道采用了一條測線加點測的方式，如圖2所示。

圖2 雷達(dá)測線及測點布設(shè)示意圖

1.2.2 數(shù)據(jù)采集及處理

對于不同深度、不同巖性的探測目的層與目的物，在應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)檢測時，需選擇相應(yīng)頻率的天線和適當(dāng)?shù)膬x器參數(shù)。當(dāng)探測深度為20 m～30 m時，一般選用頻率相對較低的天線。本隧道使用美國勞雷公司SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)，天線頻率100 MHz，采樣點數(shù)1024，時間根據(jù)探測深度而定。

實測的數(shù)據(jù)處理主要采用“RADAN5.0”軟件進(jìn)行分析。通過該軟件可以對雷達(dá)波原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波器(如FIR Filter，IIR Filter)、偏移(Migration)、希爾伯特變換(Hilbert Xform)等預(yù)處理，然后再結(jié)合掌子面地質(zhì)情況、地質(zhì)勘探資料、區(qū)域地質(zhì)情況和地質(zhì)工程經(jīng)驗對數(shù)據(jù)處理結(jié)果做出合理準(zhǔn)確的解釋。

2 地質(zhì)雷達(dá)在西山隧道中的實際應(yīng)用

2.1 工程地質(zhì)概況

西山隧道是太原至古交高速公路第三合同段一座分離式隧道。隧道位于山西省太原市西部的呂梁山脈東翼的石千峰山北麓，是目前國內(nèi)第二大公路隧道，屬特長隧道。隧道右線全長13570 m，最大埋深 445.85 m，位于 YK6+960處;左線全長13654 m，最大埋深451.61 m，位于ZK7+020處。左右線均屬特長隧道，最大間距55 m，最小間距48 m。

隧址區(qū)位于五臺山塊隆次級構(gòu)造單元古交掀斜地塊的中部，共有發(fā)育斷層17條。局部地段顯示一些規(guī)模不大的斷裂和微弱的褶皺，構(gòu)造線方向大多呈北東向，少數(shù)呈東西向或近南北向。

所以通過超前預(yù)報預(yù)測隧道掌子面前方巖層的裂隙、斷層、含水區(qū)等不良地質(zhì)，及時反饋施工方，采取有效的技術(shù)措施和安全措施，保障施工的安全進(jìn)行。

2.2 典型雷達(dá)圖像分析

2.2.1 巖層含水區(qū)預(yù)測

西山隧道左線在里程為ZK9+692的掌子面巖性為石灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化，節(jié)理、裂隙較發(fā)育且分布密集雜亂，呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)，掌子面潮濕局部層間夾有粘性土，設(shè)計為Ⅲ級圍巖?？辈煸O(shè)計認(rèn)為該段平均埋深較大，且圍巖巖性以石灰?guī)r為主，富水可能性較小，但實際由于西山隧道所在山體內(nèi)煤層發(fā)育，曾經(jīng)歷過數(shù)年的采掘，可能會有積水，再由于地表水補(bǔ)給容易，富水性仍較強(qiáng)。如圖3所示是在掌子面自左向右進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報的波形圖。

圖3 西山隧道左線里程ZK9+692雷達(dá)波圖像

從圖3中可見，掌子面(里程為ZK9+692)前方0 m～18 m段為相對低幅反射波組，局部存在強(qiáng)反射同相軸，預(yù)計該段圍巖特征與目前掌子面基本相似。相比較而言，距目前里程18 m～30 m范圍內(nèi)(即ZK9+710～ZK9+722)雷達(dá)電磁波出現(xiàn)多組規(guī)律性較強(qiáng)的反射波同相軸，且反射波同相軸連續(xù)，振幅較大，以低頻為主，推斷該段圍巖破碎，可能存在滲水現(xiàn)象。

后經(jīng)開挖證實，在ZK9+712處圍巖破碎松散，掌子面出現(xiàn)股狀滲水并伴有掉塊現(xiàn)象，由于預(yù)報及時準(zhǔn)確，施工方提前進(jìn)行了加固處理和排水措施，保障了施工安全。

2.2.2 裂隙破碎帶預(yù)測

裂隙破碎帶或密集帶一般存在于斷層影響帶、巖脈帶及軟弱夾層中。由于裂隙內(nèi)比較破碎且不連續(xù)，與周邊圍巖形成電性差異，在雷達(dá)波形圖上顯示為區(qū)域性的高頻密紋反射波。

從西山隧道右線出口里程YK12+456雷達(dá)波圖像上看，距目前掌子面10 m～25 m范圍內(nèi)(即YK12+446～YK12+431)雷達(dá)波信號相對比較平靜，振幅不大，沒有較強(qiáng)的反射波和連續(xù)的同相軸出現(xiàn)，說明該段圍巖與掌子面特征相似，相對穩(wěn)定。但掌子面前方5 m～10 m和25 m～30 m范圍內(nèi)存在多組區(qū)域性的強(qiáng)反射波，同相軸錯亂，反射界面較多，推斷該段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層層面結(jié)合性較差，可能存有斷層或軟弱夾層。

實際開挖至該段時，掌子面風(fēng)化程度不均勻，呈壓碎～松散結(jié)構(gòu)，有一條破碎帶且有軟弱夾層，預(yù)報結(jié)果與實際情況基本吻合。

3 地質(zhì)雷達(dá)的注意事項

1)在探測之前要進(jìn)行場地調(diào)查，地質(zhì)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)時，極易受到施工現(xiàn)場的影響，特別是金屬(臺車，錨桿)、對講機(jī)等對電磁波的干擾，應(yīng)準(zhǔn)確記錄實際情況，并標(biāo)出位置，必要時應(yīng)布置多條測線，以保證雷達(dá)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2)在探測過程中，原則上應(yīng)盡量靠近掌子面軸心位置，測線距離盡可能長，盡可能多采集數(shù)據(jù)，便于后期數(shù)據(jù)分析處理。

3)圖像解釋時應(yīng)著眼整條波形線，重點研究連續(xù)距離長、振幅變化大、波形穩(wěn)定的波，對繞波、散波、同相軸現(xiàn)象不連續(xù)進(jìn)行解析。

4)波速是不穩(wěn)定的，判讀一般都有誤差，這就需要在施工進(jìn)度達(dá)到預(yù)報里程時，把預(yù)測結(jié)果和現(xiàn)場掌子面情況進(jìn)行對比，不斷檢驗和修正。

4 結(jié)語

通過地質(zhì)雷達(dá)在西山隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用實例，得到以下體會:

1)采用地質(zhì)雷達(dá)探測隧道掌子面前方地質(zhì)狀況是一種快速簡便、分辨率高、屏蔽效果好、圖像直觀、對施工影響小的方法。

2)地質(zhì)雷達(dá)對斷層、含水區(qū)、裂隙破碎帶等具有較高的識別能力，探測效果明顯，為保障施工安全提供了有效指導(dǎo)。

3)含水區(qū)巖層在雷達(dá)圖像中表現(xiàn)為強(qiáng)反射帶，反射波主頻降低，相位發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并且通過富水區(qū)后能量衰減較快，削波現(xiàn)象嚴(yán)重。

4)裂隙反射波同相軸雜亂，反射界面較多，如果巖層比較破碎時，頻譜較寬，主頻特征不明顯，并且波幅衰減很快。

5)把雷達(dá)探測的解釋和地質(zhì)特征解釋進(jìn)行綜合分析和判讀是一種提高預(yù)報準(zhǔn)確度的方法，但由于不同的地質(zhì)構(gòu)造差異很大，對雷達(dá)圖像的判讀和識別具有多解性。這就要求廣大工程技術(shù)人員不斷努力，積累實際工程經(jīng)驗，提高專業(yè)技能，使雷達(dá)預(yù)報技術(shù)達(dá)到一個新的高度。

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