探地雷達(dá)在隧道富水區(qū)探水實(shí)例分析

楊小龍，彭 剛，劉文華

（1.中鐵隆工程集團(tuán)有限公司,四川成都 610041；2.中鐵五局集團(tuán)有限公司,貴州貴陽(yáng)550003；3.中煤第五建設(shè)有限公司,江蘇徐州221006）

1 概述

探地雷達(dá)的英文縮寫是GPR，作為20世紀(jì)70年代左右興起的一種針對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)的有效方法，它借助發(fā)射天線發(fā)射出的高頻寬帶電磁波在傳播時(shí)碰到電性特征存在差異的目標(biāo)體會(huì)發(fā)生反射的特性，利用接收天線接收來(lái)自目標(biāo)物的回波（該回波可能是介質(zhì)界面的反射波、異常體的散射波或者是經(jīng)過(guò)某一路徑到達(dá)接收天線的透射波），然后針對(duì)得到的接收波到達(dá)時(shí)間、幅度大小、相位和頻譜特征以及同相軸形態(tài)等信息進(jìn)行分析，以此分析得到介質(zhì)結(jié)構(gòu)和介質(zhì)性質(zhì)。

隨后，由于該技術(shù)不斷地向前推進(jìn)，并產(chǎn)生了性能更好的高頻天線，探地雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)在更多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用和發(fā)展，包括工程勘探和地質(zhì)勘探，隧道、管線和建筑等工程領(lǐng)域的探測(cè)等。

在隧道向前掘進(jìn)時(shí)，對(duì)掌子面前面的地質(zhì)情況進(jìn)行提前預(yù)判是非常必要的，探地雷達(dá)以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中應(yīng)用極廣，在探測(cè)軟弱夾層、水囊、破碎帶等地質(zhì)體時(shí)往往比較準(zhǔn)確，本文以青島地鐵某工區(qū)為例，運(yùn)用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)某區(qū)間進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，成功測(cè)得掌子面前方水囊位置，并通過(guò)高密度電法對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行印證，及時(shí)通知施工單位采取有效應(yīng)對(duì)，避免了危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

2 探測(cè)原理

圖1展示了探地雷達(dá)的工作原理。首先，天線在特定方向上發(fā)射出高頻短脈沖電磁波至地下,由于地下介質(zhì)中的地層分界面和特定目標(biāo)體在電性特征上存在差異，因此電磁波在碰到它們時(shí)會(huì)同時(shí)發(fā)生反射以及透射。此時(shí)，反射信號(hào)會(huì)傳送到接收天線上，并經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理轉(zhuǎn)換為相應(yīng)波形存入電腦中。經(jīng)過(guò)一系列的處理流程，我們就能通過(guò)反射波的傳播時(shí)間、振幅大小和波形特征等信息，對(duì)地下介質(zhì)中特定目標(biāo)的空間位置分布和結(jié)構(gòu)特征做出推斷。

圖1 探地雷達(dá)工作原理

高密度電法和普通電阻率法在基本原理上沒(méi)有太大差異，其基礎(chǔ)都是由于若目標(biāo)地質(zhì)體具有不同的電性特征（如圖2所示），因而會(huì)在外界電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生不同的電流分布情況，從而可以推斷出電阻率不同的地質(zhì)體在地下介質(zhì)中的分布情況。2個(gè)方法均是借助2個(gè)電極A和B對(duì)地下介質(zhì)傳輸電流I，此時(shí)M極和N極會(huì)產(chǎn)生電位差，兩者相除便能得在M極和N極之間的該點(diǎn)的視電阻率。對(duì)得到的不同視電阻率進(jìn)行整理就可以得到視電阻率剖面，此時(shí)就能得到地下介質(zhì)中的電阻率分布，由此便能進(jìn)行地層劃分以及異常地層標(biāo)定等工作。

圖2 高密度電阻率法原理示意圖

3 探測(cè)過(guò)程

探測(cè)工作在隧道掘進(jìn)方向掌子面上布置測(cè)線，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在掌子面布設(shè)一條橫向測(cè)線。掌子面前方左側(cè)存在一口水井，現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。

為了有效探測(cè)掌子面前方地質(zhì)情況，采取了點(diǎn)測(cè)的方法，測(cè)點(diǎn)之間的距離為0.1m，滿足橫向上的分辨要求，疊加次數(shù)可達(dá)128次，大大提高了信噪比。采樣頻率為250MHz，采樣點(diǎn)為900，測(cè)量時(shí)窗400ns，在凝灰?guī)r體中能測(cè)深度為23m左右。測(cè)量時(shí)，天線緊貼巖逐點(diǎn)移動(dòng)。

圖3為測(cè)線測(cè)量解譯圖，從解譯圖能夠看到，掌子面前方水平反射比較強(qiáng)，有數(shù)條連續(xù)同相軸，推斷掌子面前方節(jié)理裂隙，同相軸有斷，但不見(jiàn)明顯錯(cuò)動(dòng)，存在斷層可能性較小，但節(jié)理裂隙在前部較發(fā)育，推測(cè)為爆破所致，巖石存在微風(fēng)化現(xiàn)象，前方左側(cè)有2個(gè)小范圍的連續(xù)反射面，中間含水，推斷為水井位置，由于水井存在，該范圍在剖面圖上顯示為富水區(qū)，存在大量裂隙水。中部區(qū)域存在大量的微小節(jié)理裂隙，根據(jù)反射波動(dòng)力學(xué)特征分析，低頻信號(hào)較少，中高頻信號(hào)居多，能量較強(qiáng)，在節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)有含水或夾泥現(xiàn)象。

圖3 測(cè)線測(cè)量解譯圖

在中后部區(qū)域（約掌子面前方18～22m處），電磁波反射突然大幅度衰減，中間只存在部分微反射且同相軸具有平行現(xiàn)象，出現(xiàn)大范圍的反射異常區(qū)域，且周圍存在富水區(qū)域，推斷可能存在大型水體或大型不良地質(zhì)體，后部區(qū)域存在大量節(jié)理裂隙，且裂隙水含量較高。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查，得知所測(cè)異常區(qū)域?qū)?yīng)地面位置地表表層為砂體，厚約2m，砂體較為濕潤(rùn)，地表存在3口水井，井中均有水，其中2號(hào)水井水量較大，為居民生活用井。

為進(jìn)一步確定地下水體位置，運(yùn)用高密度電法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)得知疑似富水區(qū)域在高密度電法探測(cè)剖面上存在明顯低阻現(xiàn)象（如圖4所示），通過(guò)與周圍高阻區(qū)的明顯對(duì)比，可以確定該區(qū)域地下存在大量地下水，推測(cè)可能為采空區(qū)回填所致，高密度電法探測(cè)結(jié)果與探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了該技術(shù)在超前地質(zhì)情況預(yù)報(bào)應(yīng)用方面的準(zhǔn)確性。在確認(rèn)該區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)之后，通過(guò)及時(shí)和施工單位溝通，采取有效措施，及時(shí)進(jìn)行全帷幕注漿封堵，避免了施工過(guò)程中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 高密度電法探測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過(guò)探地雷達(dá)探水技術(shù)在超前地質(zhì)情況預(yù)報(bào)過(guò)程的實(shí)際應(yīng)用，可以得到如下結(jié)論：

（1）該技術(shù)是一種新型的具有高效率的無(wú)損檢測(cè)方法，可以在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中進(jìn)行較為準(zhǔn)確地探水檢測(cè)；

（2）運(yùn)用探地雷達(dá)與高密度電法相結(jié)合的方式，可以有效對(duì)地下水分布位置進(jìn)行有效定位；

（3）在進(jìn)行探地雷達(dá)資料解譯時(shí)，要具備嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，需要借助積累得到的經(jīng)驗(yàn)，避免漏判以及誤判情況的出現(xiàn)。