地質(zhì)雷達在隧道巖溶地層超前地質(zhì)預報中的應(yīng)用

梁宏浩, 季曉峰, 楊 躍

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

地質(zhì)雷達在隧道巖溶地層超前地質(zhì)預報中的應(yīng)用

梁宏浩, 季曉峰, 楊 躍

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

巖溶隧道中溶洞發(fā)育存在復雜性，對其進行準確預測是隧道安全施工的重要保障。在簡述地質(zhì)雷達基本工作原理基礎(chǔ)上，探討了地質(zhì)雷達探測溶洞的可行性，并介紹了地質(zhì)雷達的探測技術(shù)和測量方法。文章依托牛旺三號隧道，采用地質(zhì)雷達SIR-3000對隧道現(xiàn)場掌子面采集數(shù)據(jù)，并結(jié)合施工現(xiàn)場開挖進行驗證?，F(xiàn)場開挖情況與預報結(jié)果基本吻合，表明地質(zhì)雷達在巖溶隧道超前預報中的準確性。溶洞對應(yīng)的地質(zhì)雷達波形圖有明顯的特征：反射波以低頻波為主，同相軸錯斷，振幅明顯增強，并伴隨弧形繞射現(xiàn)象。

地質(zhì)雷達； 巖溶； 超前地質(zhì)預報

我國華南和西南地區(qū)分布有大面積的碳酸巖地層，在地下水長期溶蝕作用下，碳酸巖地層容易形成大小不一的溶洞。溶洞在山體內(nèi)的分布形狀各異，其產(chǎn)狀、位置、涌水量等性質(zhì)均很難準確把握，極大的增加了巖溶隧道設(shè)計和施工的難度。為避免地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生和提高施工效率，同時為隧道支護設(shè)計及動態(tài)施工提出指導性建議，對巖溶隧道掌子面前方進行超前地質(zhì)預報顯得尤為重要。

地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)探測技術(shù)是利用超高頻電磁波脈沖的反射探測地下目標體分布形態(tài)及特征的一種高科技無損物理探測方法，具有快捷、高效、適應(yīng)能力強等特點，對溶洞、富水巖層、破碎帶等不良地質(zhì)具有較好的探測效果，在隧道超前地質(zhì)預報中得到廣泛的應(yīng)用。本文通過牛旺3隧道巖溶段開展探討與研究，為今后類似的工程提供參考意見。

1 地質(zhì)雷達探測原理

1.1 地質(zhì)雷達探測原理

地質(zhì)雷達發(fā)射的脈沖波在不同地下介質(zhì)傳播時，會發(fā)生折射和反射現(xiàn)象。根據(jù)回波的單程旅行時間和電磁波在相應(yīng)介質(zhì)中的傳播速度確定目標體距離，并通過綜合分析判斷目標性質(zhì)。地質(zhì)雷達原理示意見圖1。

圖1 地質(zhì)雷達原理示意

地質(zhì)雷達的發(fā)射天線向地下定向發(fā)射高頻帶短脈沖電磁波，另一個接收天線接受來自地下各種不同介質(zhì)的界面或目標的反射波。在介質(zhì)中傳播的電磁波，其路徑與電磁場強度隨所通過介質(zhì)的電性，幾何形態(tài)及尺寸等不同而變化，因此所接收到的反射回波的振幅，形態(tài)及其在縱、橫向上的展布特征也隨之變化。結(jié)合地質(zhì)知識，對反射波形的變化特征進行綜合分析，從而完成探測目標的判定。

地質(zhì)雷達通過反射回波波速確定地下目標體的位置，目標體位置確定的計算公式如下:

(1)

式中：h為所探目標體與接觸面之間距離(m)；t為電磁波從發(fā)射到接收時間間隔(s)；v為電磁波在巖土體中的傳播速度(m/s)；x為發(fā)射天線和接收天線間的距離(m)。

波速的準確求解，是保證地質(zhì)雷達的預報精度的關(guān)鍵之處，波速的計算公式如下：

(2)

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

1.2 地質(zhì)雷達探測巖溶區(qū)的可行性

地質(zhì)雷達所發(fā)射的電磁波向地下各介質(zhì)傳播過程中，遇到不同的波阻抗界面時，將發(fā)生反射波和折射波。反射波的能量大小取決于反射系數(shù)R。對于隧道工程不良地質(zhì)體探測而言，圍巖屬于高阻抗體，所以反射系數(shù)R可表示為：

(3)

式中：ε1、ε2分別為界面上下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

由式(3)可知，反射系數(shù)的大小主要取決于界面兩側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)和電導率的差異，這種差異越大，反射越強，反射系數(shù)越大則越有利與探測。兩種介質(zhì)的介電常數(shù)相差較大，這是地質(zhì)雷達探測隧道工程不良地質(zhì)體的地球物理基礎(chǔ)。隧道工程中常見介質(zhì)的介電常數(shù)見表1。

因巖溶區(qū)與周圍巖體存在較明顯的介電常數(shù)差異，當雷達波通過富水巖溶區(qū)時，由于水的介電常數(shù)較大，導致雷達波高頻成分被吸收，反射波的頻率降低，電磁波速也會降低，反射波表現(xiàn)為較強的波峰異常，同時出現(xiàn)強反射，波形較紊亂，并在反射波表現(xiàn)為典型的弧形繞射現(xiàn)象。因此，巖溶區(qū)物質(zhì)的介電常數(shù)存在差異，有利于實現(xiàn)地質(zhì)雷達探測。

表1 隧道工程中常見介質(zhì)物理參數(shù)

2 地質(zhì)雷達探測技術(shù)

2.1 地質(zhì)雷達技術(shù)參數(shù)

在進行雷達探測時，主要參數(shù)的設(shè)定是否合適對于后期數(shù)據(jù)的解釋及圖像判定具有很大的影響，并且直接關(guān)系到探測效果的好壞。主要參數(shù)包括：天線中心頻率、時窗長度、介電常數(shù)、采樣頻率、增益等。

2.1.1 天線中心頻率

天線中心頻率的選擇需要兼顧目標體深度與尺寸，天線的中線頻率可由下式初步確定：

(4)

式中：f為天線頻率(MHz)；x為空間分辨率(m)；ε為圍巖的介電常數(shù)。

在對到超前地質(zhì)預報中，空間分辨率在0.25 m即可滿足要求，圍巖節(jié)點常數(shù)在5～10之間，在綜合考慮探測距離和可操作性，天線中心頻率一般選擇為100 MHz。

2.1.2 時窗長度的選擇

最大探測深度h(m)與地層電磁波速度v(m/ns)，可由公式(5)確定：

(5)

根據(jù)工程經(jīng)驗，時窗長度選擇400～500 ns比較合適。

2.1.3 其他參數(shù)

介電常數(shù)根據(jù)具體工程的巖性來確定，一般為5～10之間。為保證原始數(shù)據(jù)的豐富性，在進行雷達探測時，若采取連續(xù)探測，采樣頻率一般設(shè)定在50～100S can/s；采取離散探測時，測點間距設(shè)定在0.05 m左右。電磁波在巖土體傳播時，能量會發(fā)生衰減，為了補償這種衰減，通過增加增益點數(shù)可以使反射波波幅更明顯，根據(jù)經(jīng)驗，增益點數(shù)一般選擇5。

2.2 測量方法

地質(zhì)雷達的探測方式分為連續(xù)探測和離散探測兩種。連續(xù)探測是指將天線緊貼掌子面，沿測線勻速移動，發(fā)射天線會自動向掌子面前方連續(xù)發(fā)射電磁波，在圍巖中傳播的電磁波，遇到不良地質(zhì)界面將產(chǎn)生反射波，由接收天線接收。該方法探測信號豐富，便于發(fā)現(xiàn)異常地質(zhì)體，但由于隧道開挖時掌子面往往很不平整，天線在勻速移動時會脫離掌子面，對探測信號的采集造成干擾，影響探測結(jié)果的準確性。離散探測是指探測時天線緊貼掌子面，在每一個測點上，保持靜止狀態(tài)，有操作人員發(fā)出指令，發(fā)射天線發(fā)射一組電磁波，接收天線接收反射波。該探測方式干擾小，但信號不豐富。根據(jù)現(xiàn)場施工條件，結(jié)合探測過程中操作的可行性，在滿足預報精度的前提下，采用連續(xù)探測方式比較符合實際。

3 工程實例

3.1 工程概況

新建牛旺3號隧道呈西南-東北走向，位于河北省邢臺縣境內(nèi)，太行山山脊東側(cè)，隧道進口位于白岸鄉(xiāng)洺水村西北側(cè)的山坡處，出口位于白岸鄉(xiāng)馱道村西側(cè)的山坡上。隧道將穿過多條地震斷裂帶，存在瓦斯、巖溶、涌突水等多種不良地質(zhì)情況。根據(jù)地勘資料以及實地調(diào)查，本次選取試驗里程段為DK81+205- DK81+220，該里程段地層巖性主要有碳酸巖，砂巖，大理巖等，圍巖條件復雜多變，易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

3.2 現(xiàn)場測量與記錄

本次地質(zhì)雷達探測在新建牛旺3號隧道出口Ⅳ級圍巖上臺階右側(cè)DK81+220掌子面使用地質(zhì)雷達SIR-3000進行，采用連續(xù)探測方式進行探測。隧道采用臺階法開挖，根據(jù)現(xiàn)場條件，在掌子面布置兩條測線，測線布置示意見圖2。掌子面地質(zhì)素描見圖3。

圖2 現(xiàn)場測線布置示意

圖3 掌子面地質(zhì)素描

掌子面揭露圍巖主要為碳酸巖，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖級別為Ⅳ級偏弱。

3.3 地質(zhì)雷達探測結(jié)果

經(jīng)過對新建牛旺3號隧道出口Ⅳ級圍巖上臺階右側(cè)DK81+220掌子面采用地質(zhì)雷達SIR-3000進行連續(xù)掃描采集，并由 RADAN6.0 軟件對所采集的數(shù)據(jù)通過道標準化、增益調(diào)節(jié)、帶通濾波、背景消除等一系列旨在突出有效目標層的手段進行轉(zhuǎn)換處理，得出雷達波形見圖4。

圖4 雷達波形

從圖4中可以得出: 在掌子面前方3.5～5.5 m，掌子面左側(cè)0.5～2.0 m范圍內(nèi)，反射信號以低頻信號為主，同相軸錯斷，振幅增大，并伴有斷面波、繞射現(xiàn)象。

根據(jù)地質(zhì)雷達反射波圖像，結(jié)合隧道工程現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和地質(zhì)勘探資料，掌子面左前方3.5～5.5 m范圍內(nèi)存在溶洞，并在溶腔內(nèi)有泥質(zhì)充填或巖土碎屑充填。

3.4 現(xiàn)場驗證

對地質(zhì)雷達的預報結(jié)果進行現(xiàn)場開挖驗證，圖5為新建牛旺3號隧道出口Ⅳ級圍巖上臺階右側(cè)DK81+220掌子面掌子面圍巖照片。

圖5 牛旺3號隧道DK81+220掌子面圍巖

牛旺3號隧道出口在Ⅳ級圍巖上臺階右側(cè)(DK81+218.8-216.0)開挖過程中出現(xiàn)溶洞，其中最大溶洞尺寸為2.40 m×2.5 m×4.31 m。驗證表明：預報結(jié)果與現(xiàn)場開挖圍巖實際情況基本吻合，說明地質(zhì)雷達在隧道巖溶區(qū)超前地質(zhì)預報中預報結(jié)果較為準確。

3.5 處理措施及效果

為了加強支護措施，改善不良地質(zhì)對工程的影響，我們改用4榀鋼拱架對圍巖進行支護，并且埋設(shè)7根注漿管進行注漿，然后噴射C25混凝土(共計32 m3)，鋼拱架處理見圖6，截至2016年6月15日溶洞現(xiàn)象基本處理完畢，溶洞處理效果見圖7。

圖6 鋼拱架處理

圖7 溶洞處理效果

4 結(jié)論

(1)地質(zhì)雷達在隧道巖溶地層的超前地質(zhì)預報應(yīng)用是可行的，通過現(xiàn)場開挖驗證，預報結(jié)果與實際開挖情況基本吻合，表明地質(zhì)雷達在隧道巖溶地層超前地質(zhì)預報中預報結(jié)果較為準確。

(2)地質(zhì)雷達波在穿越巖溶區(qū)域時，波阻抗差異大，反射波能量變化明顯。巖溶區(qū)地質(zhì)體的雷達波形圖識別性很高，反射波同相軸錯斷，頻率降低，振幅明顯增大，并伴有繞射波現(xiàn)象。

(3)溶洞是隧道工程常見的不良地質(zhì)體，對溶洞進行準確的預測并提出合理的施工建議，為隧道安全施工提供保障，有重要的工程實際意義。

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梁宏浩(1992～)，男，碩士研究生，研究方向為山嶺隧道工程。

P631.8

A

[定稿日期]2017-03-22