地質(zhì)雷達在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

吳曄 林彤

(中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

0 引言

隧道開挖前期的勘探資料由于未能詳細(xì)的掌握施工段的地質(zhì)情況，所以只能為其提供大致性的技術(shù)指導(dǎo)，隨著隧道施工環(huán)境和地質(zhì)條件的復(fù)雜程度大幅度上升，內(nèi)部隱藏的大量地質(zhì)災(zāi)害因前期沒有準(zhǔn)確查明而對開挖掘進產(chǎn)生極大的威脅，一旦引發(fā)相應(yīng)的工程事故便會對施工造成影響，所以在隧道開挖過程中跟蹤探測掌子面前方的地質(zhì)情況并及時預(yù)報地質(zhì)災(zāi)害，提前做好防護措施降低施工風(fēng)險是很有必要的。地質(zhì)雷達是利用高頻脈沖電磁波探測地下介質(zhì)分布的一種地球物理探測方法，與其他物探方法相比，它具有輕便、快速、分辨率高、抗干擾能力強、無損傷性等優(yōu)勢，在隧道工程建設(shè)超前地質(zhì)預(yù)報中有著廣泛的應(yīng)用[1]。

1 地質(zhì)雷達工作的基本原理

如圖1所示，地質(zhì)雷達通過發(fā)射天線T向地下定向輸送某一中心頻率的脈沖電磁波，中心頻率的范圍一般為1 MHz～1GHz[2]。在巖土介質(zhì)中傳播的電磁波，其路徑和波形都會因介質(zhì)的電性、幾何形態(tài)的變化而改變[3]。當(dāng)電磁波通過均勻介質(zhì)時則不會產(chǎn)生反射并仍以一定速度繼續(xù)向下傳播，當(dāng)遇到地電特性和幾何形態(tài)有差異的異常目標(biāo)物或不良構(gòu)造時，就會有部分電磁波發(fā)生反射返回至地面被接收天線R接收，而另一部分電磁波則會繼續(xù)向地下傳播并對地下更深的部位進行探測。接收天線在接收到反射波信號后會先將其數(shù)字化，再通過雷達主機將其記錄下來并生成雷達特征圖像。根據(jù)反射電磁波的雙程走時[1]可以求出地下異常目標(biāo)物的埋藏深度。

圖1 地質(zhì)雷達探測原理示意圖

其中，z為反射界面深度;x為收發(fā)天線之間的距離;v為電磁波在地下介質(zhì)中傳播的速度，可按式(2)求得:

理論研究得出反射電磁波的雙程走時t為:

其中，c為電磁波在空氣中的傳播速度;εr為地下介質(zhì)的介電常數(shù)。

由式(1)可變換得到的反射界面深度的計算式:

在實際工作中，收發(fā)天線的距離一般要遠(yuǎn)小于反射界面的深度，即x?z，所以反射界面的深度可近似為:

在確定地下異常目標(biāo)物的埋深后可根據(jù)雷達主機生成的雷達特征圖像分析反射波的振幅、頻率和相位等特征綜合判斷隱藏在地下深處的異常目標(biāo)物或不良構(gòu)造的幾何形態(tài)，從而達到精確探測地下不良地質(zhì)條件的目的。

2 數(shù)據(jù)的采集和處理

2.1 數(shù)據(jù)的采集

在現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)時需要根據(jù)隧道的實際情況合理選擇測線的布置方式和探測方法，它們的選擇在很大程度上影響著數(shù)據(jù)質(zhì)量和解譯結(jié)果的可靠性。

測線的布置一般隨著開挖方式的改變而改變。隧道在全斷面開挖時可布置成“兩橫兩豎”型;在臺階法開挖時可布置成“一橫三豎”型或“兩橫”型;在預(yù)留核心土開挖時可布置成“半弧”型。有時還可以通過加密布置測線或在隧道底面及內(nèi)壁布線的補充方式來獲取更全面的數(shù)據(jù)，從而提高探測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

實際應(yīng)用較多的雷達探測方法是點測和連續(xù)探測。點測是在預(yù)設(shè)測線上每隔一段距離布置一個測點，再在收發(fā)間距固定的情況下手動地逐點采集數(shù)據(jù)。這種方法的測量速度較慢且探測剖面信號較少，但能在掌子面凹凸不平時使用。連續(xù)探測是將天線緊貼掌子面以一定速度沿預(yù)設(shè)測線移動，儀器會以時間觸發(fā)的方式自動采集數(shù)據(jù)，最后系統(tǒng)會自行將各個記錄組合在一起形成探測剖面。這種方法的測量速度快且探測剖面信號多，但需要在剖面上做標(biāo)記以確定掃描剖面的水平距離信息。

2.2 數(shù)據(jù)的處理

由于現(xiàn)場探測時存在各類干擾因素，嚴(yán)重影響了數(shù)據(jù)的質(zhì)量。為了突顯對解譯有用的反射波信息，提高數(shù)據(jù)資料的可譯性，需要對其進行適當(dāng)?shù)奶幚怼?/p>

1)濾波處理:濾波處理的目的是要剔除采集得到的數(shù)據(jù)中摻雜的高頻和低頻干擾波。濾波分為垂向濾波和水平濾波。在垂向濾波處理時會設(shè)置高通截頻和低通截頻阻止干擾波通過。水平濾波分為水平平滑和背景剔除，目的是消除儀器和環(huán)境的背景干擾[4]。

2)增益處理:增益是通過調(diào)節(jié)增益點的數(shù)目來改變增益點位置從而放大反射波振幅使雷達圖像目標(biāo)更加清晰易辨。增益處理時要適當(dāng)調(diào)節(jié)增益點的數(shù)目，因為增益偏大會出現(xiàn)信號削頂現(xiàn)象，而增益偏小則會丟失微弱的有效信號[5]，這都會影響探測結(jié)果的準(zhǔn)確判讀。

3 工程實例

3.1 工程概況

京臺線建甌至閩侯高速公路南平段的八外洋1號隧道位于福建省西北部位，屬剝蝕丘陵地貌單元，微地貌形態(tài)為呈近東向西的帶狀陡峻山嶺與三間溝谷相間分布，山巒起伏，地勢陡峭，支溝發(fā)育，多呈“V”字形。八外洋1號隧道左線里程ZK28+365～ZK29+459，右線里程為YK28+375～YK29+468。隧道最大埋深約130.14 m。左右洞縱坡均為2.0%。隧道區(qū)域圍巖以前震旦系下統(tǒng)龍北溪組云母石英片巖為主，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面結(jié)合程度和風(fēng)化程度不一。隧道洞口淺埋地段圍巖風(fēng)化程度較大，圍巖以強風(fēng)化云母石英片巖為主，為軟質(zhì)巖，結(jié)構(gòu)松散易碎，穩(wěn)定性差，初期若不及時支護則會造成拱頂坍塌，圍巖級別設(shè)計為Ⅴ級。隧址區(qū)位于分水嶺部位，地表水較發(fā)育。

本次探測主要是對八外洋1號隧道的右線進行探測，現(xiàn)場探測采用的是美國GSSI公司生產(chǎn)的SIR-20地質(zhì)雷達，掌子面測試的主要數(shù)據(jù)采集參數(shù)為:中心頻率為100 MHz的屏蔽天線;每次掃描所采集到的樣品數(shù)為512;每秒鐘采集到的掃描數(shù)為100;天線間距為0.5 m;時窗為500 ns;疊加次數(shù)為32次?，F(xiàn)場采集數(shù)據(jù)時主要采用連續(xù)測量的模式，必要時會采用點測方式探測加以核對檢驗。

3.2 探測結(jié)果分析

下面是利用SIR-20地質(zhì)雷達對八外洋1號隧道右線進行超前地質(zhì)預(yù)報過程中探測到的幾種不良地質(zhì)現(xiàn)象:圍巖強風(fēng)化帶、斷層破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶和富水帶，首先結(jié)合如隧道巖層、地質(zhì)概況、地質(zhì)剖面圖等與隧道相關(guān)的常規(guī)資料對其相應(yīng)的雷達波形圖進行簡要分析解譯，再通過開挖結(jié)果對探測成果進行驗證。

圖2 YK28+380掌子面地質(zhì)雷達圖像

3.2.1 圍巖強風(fēng)化帶

圖2是在隧道右線進口掌子面YK28+380處經(jīng)過反復(fù)探測得到的具有代表性的雷達圖像，有效預(yù)報距離為22 m，其波形特征是反射面較多，但反射面振幅較小且無明顯突變，同相軸的連續(xù)性一般，但很少出現(xiàn)錯位、斷開和分叉等雜亂無序的現(xiàn)象。由此波形特征預(yù)測整個探測范圍內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)沒有突變的情況，圍巖和掌子面圍巖質(zhì)量基本一致，受風(fēng)化作用影響強烈且風(fēng)化程度均一，結(jié)構(gòu)松散破碎，穩(wěn)定性較差。現(xiàn)場的開挖情況如圖3所示，該段圍巖為灰黃色強風(fēng)化云母石英片巖，巖體風(fēng)化程度均一，含水較少，這與預(yù)報結(jié)果基本相符。

圖3 YK28+390掌子面

3.2.2 斷層破碎帶

圖4是在右線進口掌子面YK28+470處經(jīng)過多次探測得到的典型雷達波形圖，有效預(yù)報距離為24 m，由波形圖可知，在掌子面前方0 m～10 m范圍內(nèi)反射波波形錯斷無序，同相軸連續(xù)性較差，反射界面波幅顯著增大且變化明顯，預(yù)測這一范圍的圍巖體內(nèi)存在斷層破碎帶，斷層界面大致在掌子面前方4 m的位置，斷層面的平整性和連續(xù)性都較差;在掌子面前方10 m～20 m范圍內(nèi)所對應(yīng)的波形圖顯示反射波信號微弱，分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是電磁波在通過破碎帶時出現(xiàn)了繞射和散射，而且其能量快速衰減、高頻部分被吸收。經(jīng)過現(xiàn)場開挖后發(fā)現(xiàn)，掌子面前方出現(xiàn)一條橫跨整個掌子面的壓性斷裂，為政和—大浦?jǐn)嗔训囊徊糠?，斷裂帶巖石松散破碎，斷層產(chǎn)狀為115°∠75°，長度約為20 km，寬度約為20 m，而且斷層兩側(cè)節(jié)理裂隙發(fā)育，這與探測預(yù)報的結(jié)果基本吻合。

圖4 YK28+470掌子面地質(zhì)雷達圖像

圖5 YK28+900掌子面地質(zhì)雷達圖像

3.2.3 節(jié)理裂隙密集帶

圖5是在右線進口掌子面YK28+900處反復(fù)探測得到的代表性雷達波形圖，有效預(yù)報距離為25 m，但波形圖只有淺部有信號，深部信號微弱甚至無信號。掌子面前方0 m～10 m范圍段的波形特征:該范圍內(nèi)出現(xiàn)了相對平行的條帶狀反射信號，反射波的同相軸連續(xù)性較好且波幅較大，預(yù)測這一范圍的圍巖體內(nèi)蘊含著一個節(jié)理裂隙密集帶，且節(jié)理面的產(chǎn)狀大致相同。由于雷達波形圖上的深部信號微弱，所以無法預(yù)測10 m～25 m范圍段圍巖的地質(zhì)情況。經(jīng)過開挖后發(fā)現(xiàn)，掌子面前方0 m～8 m范圍內(nèi)發(fā)育有2組節(jié)理裂隙，節(jié)理產(chǎn)狀為168°∠90°，呈3條/m分布，裂隙產(chǎn)狀為196°∠82°，呈2條/m分布，節(jié)理多呈閉合狀，構(gòu)造裂隙無論在平面還是在垂直方向上均存在歸并和分歧現(xiàn)象，這與探測預(yù)報的結(jié)果基本吻合。

圖6 YK29+010掌子面地質(zhì)雷達圖像

3.2.4 富水帶

富水帶中的地下水和圍巖介質(zhì)的電性差異較大，電磁波傳至圍巖與地下水的分界面時會產(chǎn)生強烈反射，反射波具有振幅大、頻率高和波峰尖銳等特點，這為地質(zhì)雷達能夠精確地探測提供了有利的天然條件。圖6是在右線進口掌子面YK29+010處多次重復(fù)探測得到典型雷達波形圖，有效預(yù)報距離為24 m，由圖可知，波形圖上出現(xiàn)了一系列明顯的反射界面，反射波的波幅寬大，同相軸連續(xù)性較好且呈條帶狀分布，根據(jù)肖宏躍[6]總結(jié)的地質(zhì)雷達特征預(yù)測掌子面前方圍巖體內(nèi)存有地下水且均勻連續(xù)分布，地下水與基巖的分界面大致在掌子面前方8 m的位置。在對探測范圍段開挖的過程中，在掌子面前方0 m～4 m范圍內(nèi)的巖體較為干燥;4 m～10 m范圍內(nèi)的巖體較濕潤，偶有滴水現(xiàn)象;10 m～15 m范圍內(nèi)的巖體很濕潤，經(jīng)常有滴水現(xiàn)象;15 m～24 m范圍內(nèi)的巖體經(jīng)常有線狀滲水現(xiàn)象。通過探測和開挖對比發(fā)現(xiàn)探測預(yù)報的成果基本符合預(yù)報段的地質(zhì)情況。

4 結(jié)語

地下巖體存有差異性的天然優(yōu)勢為地質(zhì)雷達對隧道未開挖段的準(zhǔn)確探測提供了有利條件，實地探測結(jié)果表明它預(yù)報不良地質(zhì)現(xiàn)象效果顯著。為了提高探測成果的實用性通常需要根據(jù)現(xiàn)場探測環(huán)境制定合理的預(yù)報方案并在獲取數(shù)據(jù)后結(jié)合區(qū)域地質(zhì)情況和多方面的資料對其適當(dāng)處理，探測到不良地質(zhì)情況時應(yīng)及時上報并跟進探測。由于受各方面因素的制約，現(xiàn)階段地質(zhì)雷達技術(shù)在隧道超前預(yù)報中仍存在不可避免的缺陷，在應(yīng)用前人工作經(jīng)驗的同時需要不斷實踐總結(jié)以提高探測的準(zhǔn)確率。

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