GPR地質預報技術在穿煤段地下工程中的應用*

朱寶合，鄭邦友，戴亦軍，劉 燦

GPR地質預報技術在穿煤段地下工程中的應用*

朱寶合，鄭邦友，戴亦軍，劉 燦

(中國隧道建設有限公司，重慶 404100)

某高速公路隧道為穿煤段施工，存在斷層、破碎帶、裂隙、巖溶等不良地質體，地質條件十分復雜，因此，采用地質雷達進行超前探測。介紹了地質雷達的工作原理和本次探測的施工方案，并根據探測數據分析隧道前方的地質條件。將物探結果與鉆探結果以及開挖結果進行對比，得出地質雷達在復雜穿煤工程中的探測效果，總結了影響探測結果的原因、并提出了在復雜地質條件下進行預報的可靠性建議。

超前地質預報;地質雷達;施工方案;穿煤工程

0 引 言

貴州省某高速公路隧道為穿煤段施工，該穿煤隧道為分離式長隧道，區(qū)內條件復雜。區(qū)域內有松坎向斜、斷層有楠木園和白毛平，區(qū)內地層復雜、巖性多樣，含泥巖、角礫巖、泥質灰?guī)r等，區(qū)內地下水發(fā)育，主要為碳酸鹽巖溶水、基巖裂隙水。整個工程共穿越7層煤，巖層扭曲嚴重，隧道穿煤段里程可能存在變化。所以地質條件十分復雜。

地質雷達（GPR）具有數據采集快、分辨率高、可以做到無損檢測，在多種工程中得到了很好的應用，目前地質雷達預報方法是一種應用比較廣泛的超前預報方法[1]。本文將結合揭煤段地質雷達實測結果與鉆探和開挖結果，分析該方法在復雜地質條件下的探測效果。

1 地質雷達工作原理

地質雷達法（GPR）是利用電磁波探測地下介質分布和對不可見目標體或地下界面進行掃描，已確定其位置和形態(tài)的一種物探技術[2-3]。工作原理是通過發(fā)射天線發(fā)射的電磁波，到達目標體后會有部分反射和部分透射，反射回來的電磁波被接收天線所接收，主機將接收到的數據儲存形成時域波形圖[4]，工作原理圖見圖1。

電磁波的傳播取決于巖體的電性（電導率和介電常數），其中由公式（1）可知，介電常數決定了電磁波的傳播速度：

由式（1）得到的傳播速度可計算出目標體距離掌子面的距離：

式中，為探測體到開挖面的距離；為波從發(fā)出到接收的時間；為發(fā)射線與接收線距離。

式中，為波在差異介質界面的反射系數；1為前面介質的介電常數；2為后面介質的介電常數。

由公式（1）和（2）可以推測出目標體的性質和距離，由公式（3）可知上下兩層介質的介電常數差越大發(fā)射系數就越大，相應的地質雷達對目標體的探測效果也就越好。

由于水的介電常數比巖石等要大得多，根據常見含水率的經驗公式Roth公式、Topp公式、Ferre公式以及Alharathio公式，隨著含水率的增加，介電常數越大，接收到的反射波越明顯[5-8]。同時隧道圍巖是固、液、汽的結合體，所以含水地質體更容易被探測。

3 探測方案及數據處理

3.1 探測方案

本次探測選用的是中科院CAS－S100地質雷達，采用100 MHz屏蔽低頻天線進行探測，使用配套的Radarview軟件進行數據分析，本次探測共布置三條測線，測線長度10 m，采樣時間600 ns，測線1和測線2布置在掌子面上，測線3延隧道開挖方向左側布置，測線布置見圖2。

圖2 雷達測線布置圖

3.2 數據處理

由于介質本身的不均勻性導致其對波的吸收能力不同，使得電磁波到達接收器時振幅減小，波形與發(fā)出時的波形圖有較大差異。施工現場的設備也會干擾探測工作，所以需對波形進行處理。圖形處理包括消除隨機噪聲壓制干擾進行自動時變增益或控制增益以補償介質吸收和抑制雜波，對波進行過濾處理以消除高頻，突出探測體，降低設備噪聲影響[9]。對數據進行預處理、增益調整、濾波和成圖等方法的處理最終得到各測線的成果圖，并據此對探測對象的地質進行解譯[10]。

4 地質雷達探測結果與鉆探結果分析

4.1 探測段地質情況

探勘資料顯示探測段隧道頂板埋深大約470 m；巖體破碎，在前方18 m處有大約1 m厚的煤層穿過開挖區(qū)域，該煤層為整個工程的第一層煤，開挖段水量較大；由于埋深較大、地應力較高，地下水較發(fā)育，圍巖無支護時易產生松動變形、擠壓破壞和塌方，圍巖級別為IV級。本段巖溶較發(fā)育，存在豎向巖溶的風險高，存在隱伏溶洞的可能性大，工程風險高，開挖揭露隱伏溶洞易產生涌水、突泥和冒頂等危害。

4.2 雷達探測結果分析

本次探測為隧道進口左幅，測線1與測線2探測掌子面前方0～25 m（ZK57+985～ZK58+010），測線3探測（ZKZ57+970～ZKZ57+985）左側邊墻。

通過使用配套的Radarview軟件對收集到的數據進行處理，得到最終結果見圖3。

（1）根據圖3（a）和（b）可知，掌子面前方0～17 m范圍內存在比較明顯的異常波帶，雷達波振幅較強、局部繞射波特征明顯、同相軸較錯斷、能量較高，推測對應里程ZK57+988～ZK58+005段圍巖巖溶和水體較發(fā)育，局部發(fā)育有溶腔，圍巖自穩(wěn)能力較差，開挖過程中拱頂等位置易出現掉塊、坍塌現象；掌子面前方17～25 m范圍內反射能量較低，推測該段巖體完整情況較好或結構面張開角度不大。

（2）根據圖3（c）可知，同相軸連續(xù)性較差、波形較雜亂、振幅變化較大、低頻穿插高頻、能量較高，推測左側邊墻后方可能存在填充型溶腔，巖體裂隙發(fā)育，圍巖較破碎，地下水發(fā)育。

（3）掌子面和左側邊墻有效探測采樣時間為400 ns，兩者都小于設置采樣時間600 ns，推測由于前方地下水的存在使得雷達波衰減的比較厲害導致有效探測時間小于設置時間。

4.3 鉆探與開挖結果分析

左邊墻鉆探（0～10 m）顯示：前方中度風化灰?guī)r，在4 m處出現卡鉆現象，有渾濁的黃泥水流出，巖體較破碎、有巖石碎屑填充。左側邊墻拱腳滲水。

圖3 雷達圖像分析

掌子面開挖顯示：前方灰色中度風化灰?guī)r，0～10 m范圍內節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體較破碎、爆破后塊狀巖石濕潤，在10～15 m范圍內有巖溶溶腔，在17～19 m范圍內見煤、煤層較破碎、爆破后塊狀巖石濕潤。

5 結 論

（1）根據邊墻和掌子面物探的分析結果提出的邊墻支護和掌子面開挖方案對施工的安全性具有重大意義，同時也提高了經濟效益。

（2）通過雷達探測結果與邊墻鉆探結果以及掌子面開挖結果的對比，認為地質雷達對煤層的探測并不準確，僅憑探測無法區(qū)分煤層和巖體。

（3）根據探測結果分析地質雷達波在水體中衰減的較快，所以在對較大水體進行探測時其有效的探測距離會有相應的減小。

（4）開發(fā)在含水體中探測距離更遠以及能更好的分辨煤層與巖體的設備對于條件復雜的地下工程施工將起到非常大的作用。

[1] 巫克霖,溫春橋,蔣慶彬.探地雷達在地質復雜環(huán)境下對富水區(qū)的超前預報[J].工程勘察,2016,44(10):66-71.

[2] 黃霄寒.綜合物探技術在隧道巖溶超前預報中的應用研究[D].成都:成都理工大學,2016.

[3] 李術才,劉 斌,孫懷鳳,聶利超,鐘世航,蘇茂鑫,李 貅,許振浩.隧道施工超前地質預報研究現狀及發(fā)展趨勢[J].巖石力學與工程學報,2014,33(06):1090-1113.

[4] 李枝文.隧道地質超前預報信號采集與成像方法研究[D].武漢:長江大學,2013.

[5] 王晉國,于曉明,徐春龍,魏俊波.應用探地雷達數據提取填土路基含水量的方法[J].西北大學學報(自然科學版),2010,40(01):61-65.

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[7] 朱曉娟,李志斌.地質雷達原理及其在隧道超前預報中的應用[C]//中國土木工程學會第十二屆年會暨隧道及地下工程分會第十四屆年會論文集,2006.

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[10] 李怡哲,王 威,謝逸超.地質雷達在勐遠3號隧道超前地質預報中的應用[J].交通科技,2018(05):102-105+117.

(2018-11-03)

朱寶合（1980—），河北承德人，本科，工程師， 從事隧道超前地質預報及建設工作，Email: 1358813416@qq. com。

中建股份科技研發(fā)課題項目(CSCEC-2017-Z-28).