紅外探水及地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法在貴陽地鐵2 號(hào)線富森風(fēng)井隧道中的綜合應(yīng)用

朱寶山，趙礽曄，馮俊琪

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著各種地下工程建設(shè)的開展，對(duì)于安全施工的緊迫性要求尤為重視。在貴陽地區(qū)城市軌道建設(shè)中，地下施工時(shí)地質(zhì)災(zāi)害隱患多為巖溶洞穴、富水裂隙、地下暗河、隱伏裂隙密集區(qū)、富水軟弱地層等。如何確保施工時(shí)提前探知地質(zhì)災(zāi)害的位置、規(guī)模及性質(zhì)是工程建設(shè)安全施工的必要需求與重要保障。利用地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)及相關(guān)屬性，將地質(zhì)雷達(dá)與紅外探測(cè)相結(jié)合的地質(zhì)預(yù)報(bào)方法應(yīng)用于城市軌道建設(shè)中，著重探查隱伏災(zāi)害界面及含水體，并在綜合判斷上得到了較好的應(yīng)用效果。本文著重論述分析原理與方法及應(yīng)用效果。

1 地質(zhì)災(zāi)害存在與雷達(dá)及紅外探測(cè)的相關(guān)聯(lián)系

在貴陽地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害異常體大致可以歸類為地質(zhì)構(gòu)造、巖體破碎區(qū)、富水巖溶區(qū)等。這類地質(zhì)災(zāi)害在地球物理參數(shù)特征上存在明顯的差異，表現(xiàn)為介電常數(shù)不同、存在彈性波阻抗差異、視電阻率不同等，良好的地球物理?xiàng)l件為多種物探方法的開展提供了基礎(chǔ)。介于在城市中進(jìn)行探測(cè)，多選用快速、干擾小、效果較好的物探方法，配合地質(zhì)鉆孔驗(yàn)證高效的進(jìn)行施工。

利用雷達(dá)電磁波探測(cè)法的運(yùn)動(dòng)學(xué)探測(cè)原理，將激發(fā)與接收電磁波組合，構(gòu)成極小偏移距觀測(cè)系統(tǒng)，能有效將直達(dá)波、折射波等分離開來，通過分析雷達(dá)電磁波記錄剖面，并提取反射界面參數(shù)，利用歸類屬性特征，將解譯物探信息與地質(zhì)語言相結(jié)合，分析存在地質(zhì)現(xiàn)象的可能。紅外探測(cè)依據(jù)隱伏地質(zhì)災(zāi)害異常體產(chǎn)生的畸變紅外場(chǎng)強(qiáng)，疊加在測(cè)量探區(qū)紅外正常場(chǎng)值之上，分析含水體存在異常場(chǎng)的變化趨勢(shì)，利用場(chǎng)值變化規(guī)律結(jié)合相關(guān)統(tǒng)計(jì)，得出隱伏含水體與紅外探測(cè)結(jié)果的相互關(guān)系。而巖溶地區(qū)含水體常為富水?dāng)鄬?、富水褶皺軸、向斜核部、富水節(jié)理裂隙密集區(qū)、地下河、大型充填性溶洞等。雷達(dá)電磁波探測(cè)到的反射界面位置與含水體界面位置有密切聯(lián)系，故紅外探測(cè)可能存在隱伏水體的分布區(qū)與雷達(dá)電磁波探測(cè)結(jié)果存在密切關(guān)系。

2 雷達(dá)電磁波探測(cè)方法原理

雷達(dá)電磁波探測(cè)法[1]是利用高頻脈沖電磁波（106～109）進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)的一種反射類探測(cè)方法，利用雷達(dá)電磁波的縱向極化波，在連續(xù)界面處不考慮水平極化波[2]。雷達(dá)電磁波探測(cè)主要依據(jù)地質(zhì)體的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、電阻率等地球物理參數(shù)間存在的差異，在不同界面處其值往往不同。利用地下地質(zhì)異常體所具有的地球物理參數(shù)與正常地質(zhì)體所具有的差異，利用介電常數(shù)差異可以得出相鄰界面處的反射系數(shù)。相鄰界面反射系數(shù)估計(jì)如下：

利用雷達(dá)電磁波的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，將發(fā)射與接收天線組合構(gòu)成極小偏移距雷達(dá)電磁波反射剖面法。這樣可合理的避開直達(dá)波與折射波對(duì)反射波的干擾，使雷達(dá)電磁波記錄較干凈，干擾波分離較明顯。依據(jù)雷達(dá)電磁波屬性特征[3]分析方法，將瞬時(shí)頻率、瞬時(shí)相位及瞬時(shí)振幅與雷達(dá)電磁波衰減規(guī)律[4]相結(jié)合，將反射界面與傳播地質(zhì)體的相關(guān)特性緊密連接起來，通過分析判斷得出所探查地質(zhì)體的位置、規(guī)模及性質(zhì)。雷達(dá)電磁波探測(cè)原理見圖1。

圖1 雷達(dá)電磁波探測(cè)原理示意圖

3 紅外線探水法工作原理

利用地質(zhì)體時(shí)刻向外輻射紅外場(chǎng)的特點(diǎn)，利用高精度靈敏紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試探頭接收測(cè)量部位地質(zhì)體所釋放的紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)值，通過隱伏含水體場(chǎng)強(qiáng)特征的變化趨勢(shì)及相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)特點(diǎn)，來分析探測(cè)地質(zhì)體所具有的含水特點(diǎn)。由于正常地質(zhì)體所釋放的紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)平緩，無震跳，較均勻，故未有紅外輻射異常的部位，不具備異常判別標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)隱伏地下水體等明顯可使紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)值降低或升高（見圖2、圖3）的地質(zhì)災(zāi)害異常體存在時(shí)，利用差異判斷準(zhǔn)則，排除干擾后可以分析出異常特征所對(duì)應(yīng)的隱伏地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)機(jī)率。根據(jù)以往統(tǒng)計(jì)所得，將之間的紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)差值設(shè)定為肯能存在含水地質(zhì)異常體，大于時(shí)所具有的異常機(jī)率設(shè)定為紅色報(bào)警值。但是通過以往探測(cè)經(jīng)驗(yàn)判斷，在紅外輻射場(chǎng)值相對(duì)干燥區(qū)明顯低或高的位置排除外漏水體的情況，存在隱伏水體的可能性也較大。當(dāng)探區(qū)存在明顯出露水體時(shí)應(yīng)該排除水體本身所帶來的紅外輻射異常，盡量避免明顯水體干擾。

圖2 隱伏水體紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)變化曲線

圖3 掌子面相對(duì)紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)異常曲線

4 雷達(dá)電磁波屬性特征與紅外線探測(cè)隱伏水體的聯(lián)合應(yīng)用

雷達(dá)電磁波由于具有波場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)特征，其屬性特征與巖體的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)特征聯(lián)系緊密。如巖體密度較高巖體完整性較好的基巖雷達(dá)電磁波波速相對(duì)較高，存在正比關(guān)系?；鶐r含水時(shí)雷達(dá)電磁波被吸收，吸收程度與富水程度和富水體寬度有關(guān)等。利用雷達(dá)電磁波的屬性特征結(jié)合紅外線探測(cè)法，進(jìn)行界面探測(cè)及隱伏水體探測(cè)具有良好的應(yīng)用效果。

5 富森風(fēng)井隧道綜合應(yīng)用實(shí)例

富森風(fēng)井隧道位于森林公園深處，地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，勘察資料有限。探區(qū)以厚層～中厚層～薄層灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，部分區(qū)段存在頁(yè)巖砂巖泥巖較軟巖互層，在小里程和大里程部位存在煤系地層，以薄層碳質(zhì)頁(yè)巖泥巖為主，巖層產(chǎn)狀整體較規(guī)則，部分存在局部構(gòu)造的地方巖層產(chǎn)狀變化較為劇烈，巖性多以壓碎巖、構(gòu)造巖為主。富森區(qū)間構(gòu)造以斷層、褶皺、及節(jié)理裂隙密集帶為主，并伴有巖溶地區(qū)所具有的富水特點(diǎn)。對(duì)于不同性質(zhì)斷層上下盤巖體的富水程度不一、斷層破碎帶與斷層的性質(zhì)緊密相關(guān)、褶皺部位存在富水褶皺軸的情況，節(jié)理裂隙密集帶與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地下水密切相關(guān)。

5.1 YDK40+247 處雷達(dá)電磁波探測(cè)剖面圖

圖4 雷達(dá)電磁波解譯剖面圖

通過圖4 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面結(jié)合地質(zhì)觀測(cè)綜合分析推斷得出：YDK40+247～243 此段巖體層間結(jié)構(gòu)面多，局部巖體較破碎存在裂隙充泥現(xiàn)象（充泥處含水）、YDK40+243～240 段巖體層間結(jié)構(gòu)面多，局部裂隙較發(fā)育巖體較破碎（多有裂隙充泥現(xiàn)象）、YDK40+240～237 段巖體層間結(jié)構(gòu)面多，圍巖整體較破碎（掌子面偏左側(cè)破碎程度較右側(cè)高），此段裂隙充泥處含水、YDK40+237～226 段巖體層間結(jié)構(gòu)面密集，巖體整體較破碎巖質(zhì)較軟，裂隙密集處存在充泥現(xiàn)象、YDK40+226～221 段巖體層間結(jié)構(gòu)面較多，巖體較完整、YDK40+221～217 段巖體層間結(jié)構(gòu)面密集，巖體較破碎，此區(qū)段存在一裂隙密集帶呈一定角度。開挖結(jié)果與實(shí)際相符，并且在YDK40+226 附近拱頂產(chǎn)生涌水，此處為完整與破碎巖體的分界位置。

圖5 雷達(dá)電磁波探測(cè)后開挖情況

所作地質(zhì)分析[5]為此段隧道位于厚層灰?guī)r地段，較完整，巖層較水平，多有構(gòu)造型節(jié)理裂隙，當(dāng)至純厚層灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r位于溶蝕發(fā)育條件中時(shí)易產(chǎn)生巖溶現(xiàn)象，當(dāng)雨水沿巖層結(jié)構(gòu)面從上至下侵蝕時(shí)，往往會(huì)發(fā)育豎向巖溶，對(duì)于產(chǎn)狀變化較快地段可能存在局部構(gòu)造，構(gòu)造為巖溶的發(fā)育提供了良好的物理基礎(chǔ)，當(dāng)圍巖顏色由灰色～灰白色變化為褐黃色時(shí)，說明此處有溶蝕侵蝕的痕跡，應(yīng)考慮進(jìn)入巖溶發(fā)育區(qū)，當(dāng)處于巖性分界面或者破碎與完整界面分界線時(shí)由于雨水淋濾作用導(dǎo)致巖體外力結(jié)構(gòu)面增多，破碎程度加大，局部可能形成充填性溶蝕裂隙，若無充填則存在排水通道。如圖5 所示實(shí)際開挖揭露情況與探測(cè)結(jié)果一致。

5.2 YDK40+247 處紅外探測(cè)法解譯成果

表1 掌子面處紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)探測(cè)表 單位：w/cm2

表1 掌子面處紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)探測(cè)表 單位：w/cm2

曲線1 曲線2 曲線3 曲線4 曲線5 1 308 1 307 1 309 1 307 1 306 2 307 2 305 2 308 2 305 2 305 3 308 3 308 3 307 3 306 3 306 4 303 4 303 4 303 4 303 4 304 5 302 5 304 5 304 5 304 5 304 6 305 6 306 6 305 6 305 6 305

圖6 掌子面紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)曲線圖(單位：w/cm2)

圖7 掌子面紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)等值線圖(單位：w/cm2)

表2 隧道軸向紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)探測(cè)表 單位：w/cm2

表2 隧道軸向紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)探測(cè)表 單位：w/cm2

探測(cè)里程 隧道軸向紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)曲線圖YDK40+247 303 304 303 303 303 305 YDK40+252 304 302 303 302 302 304 YDK40+257 305 305 305 306 306 305 YDK40+262 302 306 306 303 304 303 YDK40+267 304 307 308 305 305 304 YDK40+272 303 304 307 304 305 303 YDK40+277 307 307 306 309 308 306 YDK40+282 308 309 309 309 309 308 YDK40+287 307 308 309 308 308 309 YDK40+292 308 309 308 306 307 307 YDK40+297 309 308 308 307 308 308 YDK40+302 308 308 309 306 308 307

圖8 隧道軸向紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)曲線圖（單位：w/cm2）

通過隧道軸向的紅輻射場(chǎng)強(qiáng)探測(cè)曲線（圖7、圖8）可知，靠近掌子面方向紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)值降低，有降低收斂趨勢(shì)符合隱伏水體紅外異常場(chǎng)分布特點(diǎn)。結(jié)合掌子面的觀測(cè)結(jié)果分析，得出前方存在隱伏含水體的可能性較大。實(shí)際開挖在YDK40+226附近拱頂位置偏右側(cè)出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，與探測(cè)結(jié)果符合。

6 結(jié)論

貴陽地區(qū)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)利用雷達(dá)電磁波探測(cè)地質(zhì)災(zāi)害反射界面，通過雷達(dá)電磁波屬性特征分析界面位置規(guī)模及相關(guān)性質(zhì)，依據(jù)地質(zhì)學(xué)理論判譯界面類型及通過雷達(dá)電磁波動(dòng)力學(xué)結(jié)合屬性特征判斷含水狀態(tài)，并結(jié)合紅外探水確定掌子面前方一定距離內(nèi)存在含水體的概率，有良好的應(yīng)用效果。得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）利用雷達(dá)電磁波反射法探查地質(zhì)災(zāi)害分界面位置結(jié)合屬性特征歸類異常類型，做出合理地質(zhì)解譯。

2）利用紅外探水法進(jìn)行探區(qū)一定距離內(nèi)隱伏水體探查，依據(jù)隱伏水體紅外輻射場(chǎng)收斂規(guī)律，綜合判定掌子面前方含水性的大小。

3）結(jié)合雷達(dá)電磁波反射法與地質(zhì)理論的相關(guān)聯(lián)系，緊密結(jié)合紅外探水與地質(zhì)災(zāi)害含水體的關(guān)系，綜合判定前方圍巖含水性的大小。

由于目前紅外探測(cè)法無法估量隱伏水體含水量及含水位置的預(yù)報(bào)，下一步將致力于含水體賦存狀態(tài)與飽水位置水量的研究，其他物探方法如瞬變電磁法若能一起進(jìn)行探測(cè)，對(duì)于存在低阻異常區(qū)的范圍，若前方紅外探測(cè)含水性較高，則有較大把握低阻異常區(qū)即為含水異常區(qū)，后期將開展相關(guān)研究試驗(yàn)。