地質(zhì)雷達(dá)在武都西隧道預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究

趙香玲 王豐倉(cāng)

地質(zhì)雷達(dá)在武都西隧道預(yù)報(bào)中的應(yīng)用研究

趙香玲 王豐倉(cāng)

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099）

本文在詳細(xì)闡述地質(zhì)雷達(dá)工作原理的基礎(chǔ)上，分析雷達(dá)波在遇到斷層破碎帶、富水地層、裂隙時(shí)反射波的具體特征。通過分析得出，斷層破碎帶雷達(dá)反射波波形雜亂，同相軸錯(cuò)斷，甚至模糊不清；富水巖層反射振幅顯著增強(qiáng)、同相軸異常；裂隙雷達(dá)反射波呈明顯帶狀分布。最后結(jié)合成武高速工程實(shí)例，對(duì)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

公路隧道；超前預(yù)報(bào)；地質(zhì)雷達(dá)

公路隧道穿越較為復(fù)雜的地層時(shí)，勘察階段很難完全準(zhǔn)確勘察其隧址地質(zhì)條件。因此，公路隧道在施工過程中可能遇到諸多不良地質(zhì)體，如斷層裂隙、破碎帶、巖溶溶洞等。因這些不良地質(zhì)而導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害有坍塌、涌水、涌泥、冒頂?shù)龋?-2］。如何準(zhǔn)確有效地確定諸多地質(zhì)災(zāi)害成為公路隧道施工過程中面臨的主要難題。TSP地震預(yù)報(bào)被廣泛應(yīng)用在隧道施工過程中，但TSP地震預(yù)報(bào)存在一定缺陷，如現(xiàn)場(chǎng)操作繁瑣、影響施工、數(shù)據(jù)處理還不成熟，其結(jié)果應(yīng)用效果不理想。而對(duì)隧道掌子面前方不良地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)報(bào)，應(yīng)用較多的是地質(zhì)雷達(dá)。地質(zhì)雷達(dá)隧道超前預(yù)報(bào)的優(yōu)點(diǎn)是快速便捷、分辨率高、無損傷、探測(cè)和處理數(shù)據(jù)快、不影響施工等，且能準(zhǔn)確探測(cè)不良地質(zhì)條件。為了能更好準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)武都西隧道掌子面前方地質(zhì)災(zāi)害情況，在隧道施工過程中應(yīng)用了地質(zhì)雷達(dá)。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，GPR）主要利用高頻電磁波束探測(cè)地下目標(biāo)物體。地質(zhì)雷達(dá)通過發(fā)射天線向掌子面前方發(fā)射電磁波以脈沖，當(dāng)高頻電磁波束遇到電介性不同的物質(zhì)（如含水層、破碎帶、溶洞等）時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生反射，反射波的振幅、路徑和波形將隨所通過電介質(zhì)的電性特征和幾何形狀變化。反射脈沖信號(hào)的強(qiáng)度與界面反射系數(shù)和穿透介質(zhì)的波吸收程度有關(guān)。垂直界面入射的反射系數(shù)R的模值和幅角分別可由下列關(guān)系式表示：

μ、ε和σ分別為介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)、相對(duì)介電常數(shù)和電導(dǎo)率。角標(biāo)1和2分別代表入射介質(zhì)和透射介質(zhì)。根據(jù)接收天線所接收到反射信號(hào)的傳輸時(shí)間、振幅、頻率與波形變化特征，可確定目標(biāo)體的位置和埋深。

1.1 斷層破碎帶的雷達(dá)圖像

地質(zhì)雷達(dá)對(duì)斷層破碎帶有良好的探測(cè)效果。如圖1所示，斷層破碎帶的圖像特征：當(dāng)電磁脈沖遇到斷層破碎帶時(shí)，破碎巖層界面電磁脈沖反射強(qiáng)烈、反射面振幅與以前相比有所增強(qiáng)、反射波形雜亂、波形能量分布不均勻。產(chǎn)生此圖像特征的主要原因：①斷層構(gòu)造形成過程中，相對(duì)運(yùn)動(dòng)、擠壓導(dǎo)致巖層破碎形成破碎帶，從而使破碎帶內(nèi)的巖石孔隙度、含水率相比整體巖石較大，進(jìn)而使電磁波在斷層破碎帶處反射波明顯加強(qiáng)；②當(dāng)電磁波通過含有角礫和泥質(zhì)較多的斷層時(shí)，形成比較寬的頻帶，主波不明顯甚至發(fā)生雜亂衍射。

圖1 掌子面前方為斷層的雷達(dá)圖像

1.2 富水地層的雷達(dá)圖像

地質(zhì)雷達(dá)在隧道施工超前預(yù)報(bào)中，當(dāng)電磁波在傳播過程中遇水時(shí)，電磁波的反射較為敏感，其特征如下：電磁波放射波能量強(qiáng)大，放射波與入射波波形相反，高頻波能力被水吸收，波的能量衰減迅速。分析原因，主要是電磁波在不同介質(zhì)中傳播時(shí)在其界面處會(huì)發(fā)生放射，而反射波所具有的能量由反射系數(shù)決定，而反射系數(shù)由巖層的介電常數(shù)決定，所以說，介電常數(shù)越大，反射波能量越大，而水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于其他圍巖的介電常數(shù)。因此，當(dāng)電磁波通過富水巖層時(shí)瞬時(shí)反射波會(huì)顯著增大。當(dāng)電磁波遇到非電磁性水時(shí)，電磁波增大了巖溶水離子的導(dǎo)電性。而電導(dǎo)率的增大使衰減系數(shù)同時(shí)增大，進(jìn)而致使電磁波的頻率迅速衰減。如圖2所示，電磁波在掌子面前方10m處發(fā)生明顯反射，其振幅明顯增強(qiáng)，致使在9.2～10.5m區(qū)域波形重疊區(qū)域顯著。

圖2 富水巖體的地質(zhì)雷達(dá)圖像

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 隧道工程概況

武都西隧道位于武都區(qū)黑壩里北側(cè)上沒水山山體內(nèi)，該隧道設(shè)計(jì)為分離式巖質(zhì)隧道。隧址區(qū)地層由第四系中上更新黃土、粉質(zhì)黏土（Q2-3）和中-上志留統(tǒng)-白龍江群上部（S2+3b11）組成，白龍江群上部巖性為灰?guī)r夾千枚夾、板巖、泥灰?guī)r，白龍江群下部為千枚巖夾灰?guī)r、片巖組成，千枚巖由泥巖、泥灰?guī)r變質(zhì)而成，整體呈現(xiàn)千枚巖、板巖、灰?guī)r、呈互夾層或夾裝層。板巖裂隙發(fā)育，其富水性、透水性均較弱，千枚巖破碎、風(fēng)化嚴(yán)重。根據(jù)隧道地質(zhì)推測(cè)，在隧道施工過程中可能有因斷層破碎帶、裂隙節(jié)理發(fā)育而導(dǎo)致的坍塌，由含水裂隙、空隙、斷層破碎帶而進(jìn)入隧道的涌水。

2.2 雷達(dá)探測(cè)及其結(jié)果分析

如圖3（a）所示，在YK86+648～YK86+652處，波形雜亂、雷達(dá)反射波波幅明顯增大、同相軸反射界面錯(cuò)亂。根據(jù)設(shè)計(jì)資料及地質(zhì)知識(shí)分析該區(qū)段為Ⅴc級(jí)千枚巖，可能夾雜碳質(zhì)板巖，圍巖破碎、松散受振動(dòng)易塌方，穩(wěn)定性極差，建議采用機(jī)械開挖不易爆破。在YK86+652～YK86+665處，波形能量團(tuán)分布不均，反射波振幅變化較大、頻率中等、節(jié)理、裂隙發(fā)育、巖體較為破碎，據(jù)此推斷，該區(qū)段依然以千枚巖、炭質(zhì)板巖、泥巖為主，風(fēng)化程度較高、強(qiáng)度不高。在YK86+670～YK86+675區(qū)段，反射波同相軸被錯(cuò)段后呈斜線，該處可能為一軟弱層面或是與隧道走向基本垂直的泥質(zhì)填充長(zhǎng)大節(jié)理未貫通隧道，局部位置較為破碎，偶有掉塊，呈碎塊裂鑲嵌結(jié)構(gòu)，節(jié)理多為長(zhǎng)大節(jié)理，碎裂鑲嵌結(jié)構(gòu)，開挖中應(yīng)防止垮塌。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)成果圖

圖4 掌子面前方地質(zhì)預(yù)測(cè)圖

從圖3（b）可以看出，在YK86+655～YK86+664區(qū)段，反射波振幅較大，頻率較高，表明該區(qū)段反射界面較多，節(jié)理，裂隙發(fā)育，巖體較為破碎。推斷該區(qū)段圍巖可能為破碎千枚巖，強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)千枚巖，圍巖變差大，圍巖呈碎裂、松散結(jié)構(gòu)。通過對(duì)武都西隧道YK86+645處掌子面前方圍巖狀況多次預(yù)報(bào)，結(jié)合掌子面處開挖實(shí)際圍巖情況分析得出掌子面前方圍巖大體狀況（見圖4），對(duì)其施工有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)武都西隧道多次預(yù)報(bào)，對(duì)預(yù)報(bào)中遇到不同地質(zhì)雷達(dá)波的圖像特征分析得出如下結(jié)論。

①對(duì)于武都西深埋隧道較為破碎的斷層帶，雷達(dá)反射波波形雜亂且有明顯反射截面，反射波區(qū)域增強(qiáng)。

②對(duì)富水巖層雷達(dá)反射波進(jìn)行分析得出，雷達(dá)波遇到富水地層反射波振幅顯著增強(qiáng)，且波形重疊區(qū)域增強(qiáng)明顯，增強(qiáng)區(qū)域之后電磁波能量迅速衰減。

［1］楊天春，周勇，李好.超前探測(cè)中探地雷達(dá)應(yīng)用與結(jié)果的處理分析［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010（6）：71-72.

［2］劉建友，伍法權(quán)，盧丙清，等.雅礱江錦屏二級(jí)水電帶輸送隧洞施工中的地質(zhì)問題分析及處理措施［J］.工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2009（5）：590-596.

The GPR Technical Applications in Tunnel Geology Advanced Forecast

Zhao Xiangling Wang Fengcang
（Shaanxi Railway Institute，Weinan Shaanxi 714099）

Based on the detailed description of the working principle of GPR,the characteristics of reflected waves of radar waves in faults,broken zones,water rich formations and fissures were analyzed.Through the analysis,the fault fracture zone of radar reflection wave form random phase axis staggered,even obscure;water rich strata reflection amplitude significantly enhanced,abnormal events;fracture showed obvious zonal distribution of reflection wave radar.Finally,combined with the example of Chengwu high speed project,the geological forecast results were comprehensively analyzed.

highway tunnel；ahead geological prediction；ground probing radar

U452.1

A

103-5168（2017）09-0105-03

2017-08-01

陜西省渭南市科研發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2015KYJ-3-2）。

趙香玲（1988-），女，碩士，助教，研究方向：橋梁與隧道。