隧洞中雷達探測地質(zhì)構(gòu)造的測線布置與三維地質(zhì)解譯

陳文華

隧洞中雷達探測地質(zhì)構(gòu)造的測線布置與三維地質(zhì)解譯

陳文華

（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司 浙江杭州 310014）

本文介紹了隧洞中地質(zhì)雷達探測地質(zhì)構(gòu)造原理，提出測線布置和三維解譯方法，并在工程中得到成功應(yīng)用。

地質(zhì)雷達 地質(zhì)構(gòu)造 探測 測線布置 三維解譯

前言

在隧洞掘進過程中，探測隧洞前方或周圍的地質(zhì)變化，及時、有針對性地調(diào)整施工工藝，或采取有效的防范措施，對預(yù)防和減少隧洞掘進過程中的生產(chǎn)事故非常重要。隨著國民經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，在水電、鐵路、公路及市政等領(lǐng)域，隧洞工程越來越多。因此，準確、可靠地探測隧洞前方或周圍地質(zhì)構(gòu)造（包括斷層破碎帶、巖溶發(fā)育帶以及含水構(gòu)造等）就成為探測工作研究的課題。目前隧洞中探測前方或周圍地質(zhì)構(gòu)造的方法較多，地質(zhì)雷達法（GPR）、彈性波反射法（TSP）和紅外測溫法等是比較常用的方法。其中地質(zhì)雷達法以其高分辨率和高效率得到了廣泛的應(yīng)用。地質(zhì)雷達是利用超高頻窄脈沖電磁波探測介質(zhì)分布的一種地球物理勘探方法。在隧洞中探測地質(zhì)構(gòu)造，雷達天線選擇非常重要，一般選用體積較小、抗干擾小、頻率低（75～250MHz）的天線。這樣在隧洞內(nèi)操作方便，施工干擾少，工作效率高。由于雷達發(fā)射和接收電磁波信號具有方向性和探測距離的有限性，單測線不一定能探測到隧洞前方或周圍的地質(zhì)構(gòu)造，而多測線在隧洞中不好布置，實施困難或施工干擾大。因此，結(jié)合工程地質(zhì)構(gòu)造特征，合理布置測線也是值得研究的課題。另外，獲取了足夠的雷達圖像信息，如何準確、快捷解釋，以便及時指導施工，也是非常重要的。本文就這些方面做些探討，供大家參考。

1 基本原理

地質(zhì)雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）方法是一種用于探測地下（或周圍）介質(zhì)分布的廣譜（1MHz～2GHz）電磁技術(shù)。電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化。地質(zhì)雷達工作頻率高，在地質(zhì)介質(zhì)中以位移電流為主。高頻寬頻帶電磁波傳播，實質(zhì)上很少頻散，速度基本上由介質(zhì)的介電性質(zhì)決定。地質(zhì)雷達用1個天線發(fā)射高頻電磁波，另1個天線接收來自測線前方介質(zhì)界面的反射波，通過對接收到的反射波進行分析來推斷測線前方地質(zhì)情況。

根據(jù)波動理論，電磁波的波動方程為：

式中：第2個指數(shù)-βr是一個與時間無關(guān)的項，它表示電磁波在空間各點的場值隨著離場源的距離增大而減小，β稱為吸收系數(shù)；第1個數(shù)冪中αr表示電磁波傳播時的相位項，α稱為相位系數(shù)，與電磁波的傳播速度V的關(guān)系為：

當電磁波的頻率極高時，上式可簡寫為：

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度；ε為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

地質(zhì)雷達所使用的是高頻電磁波。因此，地質(zhì)雷達在測線前方介質(zhì)中的傳播速度主要由介質(zhì)中的相對介電常數(shù)確定。

電磁波向周圍介質(zhì)傳播過程中，遇到不同的波阻抗界面時將產(chǎn)生反射波和透射波。反射與透射遵循反射與透射定律。反射波能量大小取決于反射系數(shù)R，其數(shù)學表達式為：

式中：ε1和ε2分別表示反射界面兩側(cè)的相對介電常數(shù)。

從上式可知，反射系數(shù)的大小主要取決于反射界面兩側(cè)介質(zhì)的相對介電常數(shù)的差異。差異越大反射系數(shù)越大，探測出的異常越明顯。這為采用地質(zhì)雷達探測前方異常體（或面），提供了良好的地球物理基礎(chǔ)。

2 測線布置

在隧洞中布置測線，要考慮探測方便、占用時間少、周圍磁場干擾少及與施工干擾小等情況。一般在隧洞掌子面、左右側(cè)壁、底板及頂面布置測線。理想的測線布置形式見圖1，稱之為“U”字型測線，即“1234”和“5678”為“U”字型測線。其中“23”和“67”布置在隧洞掌子面，“56”和“78”布置在隧洞側(cè)壁，“12”布置在隧洞底板，“34”布置在隧洞頂面。

圖1 雷達測線布置示意圖

在實際工程中，測線“5678”能實現(xiàn)，但測線“1234”難做到，特別是隧洞頂面的“34”測線，探測難度較大，常采用“L”字型測線布置，即“123”測線為“L”字型測線。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，“5678”測線也可調(diào)整為“L”字型測線，如“567”測線或“678”測線。在掌子面上，也可采用“23”測線加“67”測線的“十”字型測線布置。在特定條件下，也可采用“一”字型測線布置，如“12”測線、“23”測線、“56”測線及“67”測線等等。因此，在隧洞中雷達探測地質(zhì)構(gòu)造的測線布置可為“U”字型、“L”字型、“十”字型或“一”字型。

3 解釋方法

3.1單測線地質(zhì)構(gòu)造雷達圖像解釋方法

雷達圖像的解釋是建立在可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上，利用波形同相軸追蹤對比是常用的方法之一。因為多數(shù)情況下是利用兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差異來推測地質(zhì)構(gòu)造界面的。值得注意的是，在利用同相軸對比分析時，雷達圖像上反映的是視夾角。雷達探測接收到的反射信號是構(gòu)造面的法向反射信號，雷達成像存在一個偏移角問題，當測線與構(gòu)造面成較大夾角時這種偏移很大。因此，在解釋時需要進行修正。

圖2所示為測線Ⅰ的雷達圖像，在圖像中可明顯分辨反射同相軸B’A’，將B’A’延伸，和測線Ⅰ的延長線相交于O，測線與同相軸的夾角（視夾角）為θ，測線Ⅰ與構(gòu)造面AB的真夾角為α，則α和θ有如下關(guān)系：

圖3為雷達成像的視夾角與測線和構(gòu)造的真夾角的關(guān)系。從式（1）和圖3可知，當構(gòu)造面AB與測線Ⅰ的真夾角逐漸增大時，雷達成像的視夾角越來越偏離真夾角，真夾角越大偏離越大。從理論上說，當夾角為90°時，成像角度為45°。

圖2 雷達圖像解譯示意圖

3.2多測線地質(zhì)構(gòu)造雷達圖像三維解釋方法

在不同位置或高程布置雷達測線，施測后提取各測線的雷達同相軸，根據(jù)測線的空間位置及與雷達同相軸的相對距離，以空間幾何原理及數(shù)值擬合求解理論，求解構(gòu)造面的真實產(chǎn)狀，確定構(gòu)造面的空間位置。根據(jù)空間幾何原理，構(gòu)造面的方程可寫為：

圖3 視夾角與真夾角關(guān)系圖

式中：a、b、c、d為構(gòu)造面空間常數(shù)。

由數(shù)值擬合求解理論，采用最小二乘法求解f（a、b、c、d）函數(shù)的最小值。當函數(shù)f（a、b、c、d）為最小值時，對應(yīng)的a、b、c、d值就是需要求解的構(gòu)造面常參數(shù)值：

構(gòu)造面法線與X軸、Y軸、Z軸的夾角余弦l、m、n可按下式分別計算：

則構(gòu)造面的傾角α與方位角β為：

根據(jù)上述方法，編制了計算軟件。

4 工程實例

4.1單測線雷達圖像解釋實例

某水電站B輔助洞的洞軸線方向為N58°W，在BK11+102～BK11+030（從大樁號向小樁號方向掘進）段左側(cè)壁布置“一”字型測線，探測到的雷達圖像見圖4。量得雷達圖像同相軸與B輔助洞軸線的夾角為25°，根據(jù)式（1）計算得真夾角為28°。根據(jù)宏觀地質(zhì)資料分析，此部位的地質(zhì)構(gòu)造均為陡傾角（80°以上），因而推算此構(gòu)造面的走向大約為N30°W。后在BK11+030左側(cè)壁揭露此構(gòu)造面的走向確實為N30°W。

4.2多測線雷達圖像解釋實例

在某水電站廠支1（洞軸向N61°E）、廠支1-1（洞軸向N153°E）和廠支1-2（洞軸向N153°E）探洞中，測線cz1-3、cz1-4及T2的傾角均近似0°，測線T2與cz1-3、cz1-4正交，測線cz1-3、T2的天線與地面耦合，測線cz1-4的天線與廠支1探洞的右邊墻耦合，如圖5。各測線探測到的雷達圖像見圖6～圖8。

圖4 地質(zhì)構(gòu)造雷達圖像解釋示意圖

圖5 測線布置示意圖

從圖6～圖8可清晰地分辨兩個雷達反射界面Ly1和Ly2。據(jù)此可初步斷定測線所在平面以下存在兩個地質(zhì)異常層面。從圖7可知，Ly1和Ly2的視夾角都近似0°，因測線cz1-3在一個水平面上，可推斷Ly1和Ly2所反映的兩個構(gòu)造面的走向等于測線的走向N60°E，且Ly1與Ly2的視夾角即為真實構(gòu)造面的視傾角。根據(jù)本文介紹的方法計算得到的結(jié)果見表1和圖9。由圖9可知，Ly1在測線的44m處視傾角變緩，Ly2在測線的61m處視傾角變緩，因此Ly1和Ly2應(yīng)為兩個彎折面。

測線T2和cz1-3在鉆孔ZK5位置的反射面Ly1的視深度均為8.8m，反射面Ly2的視深度均為20.8m，Ly1在鉆孔ZK5位置的計算深度是9.6m，Ly2在鉆孔ZK5位置的計算深度是22.7m。根據(jù)鉆孔資料在孔深22.6m涌水，表明Ly2是一含水構(gòu)造面，而Ly1是不含水構(gòu)造面。

圖6 測線T2雷達圖像

圖7 測線cz1-3雷達圖像

圖8 測線cz1-4雷達圖像

表1 雷達反射面Ly1與Ly2計算成果

圖9 Ly1與Ly2地質(zhì)解釋成果示意圖

5 結(jié)語

在隧洞中，用地質(zhì)雷達法探測地質(zhì)構(gòu)造，應(yīng)充分利用隧洞空間布置測線。兩側(cè)邊墻測線適宜探測陡傾角構(gòu)造面，底板和拱頂測線適宜探測緩傾角構(gòu)造面。受天線發(fā)射角限制，掌子面測線難以探測與隧洞軸線夾角較小的構(gòu)造面，應(yīng)在隧洞的某個開挖面上針對探測構(gòu)造布置多條測線，才能聯(lián)合求解構(gòu)造面產(chǎn)狀。對于洞徑較大的隧洞，除了布置水平測線外，還可增加豎直方向的測線。

通過工程實例計算與成果對比驗證，地質(zhì)雷達法可有效探測隧洞前方和周圍的地質(zhì)構(gòu)造。本文提出的單測線地質(zhì)構(gòu)造雷達圖像解釋方法和多測線地質(zhì)構(gòu)造雷達圖像三維解釋方法可應(yīng)用于其它工程地質(zhì)構(gòu)造雷達探測的成果解譯。

1 李大心. 探地雷達方法與應(yīng)用[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1994.

2 巨浪，沙椿. 地質(zhì)雷達在福堂水電站引水隧洞施工超前預(yù)報中的應(yīng)用[J]. 水電站設(shè)計，2005，21（1）：94-98.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.012

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1672-2469（2014）02-0044-04

陳文華（1963年- ），男，教授級高級工程師。