地質(zhì)雷達(dá)GPR 技術(shù)在公路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用分析

■喻海軍 李 云

（1.重慶航天職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 重慶 400021； 2.中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 武漢 430050）

在山嶺地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，要在勘察設(shè)計(jì)階段完全確定隧道工程所在區(qū)域不良地質(zhì)體的準(zhǔn)確位置和規(guī)模是非常困難的。 因此在隧道開(kāi)挖中經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)料不到的地質(zhì)災(zāi)害， 如節(jié)理發(fā)育圍巖、軟弱破碎帶、斷層、冒頂、涌水、涌泥（砂）、高瓦斯和強(qiáng)地震帶等不可預(yù)見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害[1]，給施工帶來(lái)很大困難。 在施工階段進(jìn)行有效的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，及時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)這些不良地質(zhì)情況，不僅可以提前采取相應(yīng)的措施提高隧道施工效率， 還可以保證安全施工。 目前國(guó)內(nèi)外從單一的預(yù)報(bào)手段和理論角度來(lái)研究地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的成果頗豐， 但若出現(xiàn)巖溶裂隙含水量時(shí)， 預(yù)報(bào)失敗情況幾率還是相當(dāng)?shù)母摺?隧道的巖溶突水預(yù)報(bào)在國(guó)內(nèi)外工程建設(shè)中都是還沒(méi)有得到很好解決的難題， 其整體的技術(shù)水平還不能滿足指導(dǎo)隧道工程施工控制安全的要求。 由于每一種物探技術(shù)都有其各自的探測(cè)盲區(qū)，選取合適的物探方法顯得尤為重要。 探地雷達(dá)GPR 技術(shù)是目前隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)短距離探水的主要手段之一。

由于巖溶裂隙水通常埋藏在含水量較低的基巖中，電磁波在基巖中傳播速度快，裂隙巖體含水層的水文特征具有非均質(zhì)性、地質(zhì)雷達(dá)分辨力高等特點(diǎn)[2]，這使得地質(zhì)雷達(dá)在巖溶裂隙水—巖石環(huán)境中的分辨率高于其他地球物理探測(cè)方法[3-4]。 目前，結(jié)合巖溶地質(zhì)分析的探地雷達(dá)信號(hào)數(shù)據(jù)處理和解譯方法以及含水量推算缺乏有效準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)方法。因此，開(kāi)展高精度超前預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)巖溶富水地區(qū)巖溶裂隙水及其含水量的推算具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 工程地質(zhì)概況

莫洛隧道為分離式長(zhǎng)隧道，左幅隧道起訖樁號(hào)為ZK56+805～ZK59+330，長(zhǎng)度為2525 m；右幅隧道起訖樁號(hào)為YK56+780～YK59+297，長(zhǎng)度為2517 m。隧道區(qū)屬壟崗溶谷（K56+770～K58+630）、中切壟脊中山（K58+630～K59+300）地帽區(qū)，山體地層巖性組成為三疊系、二疊系、志留系。 場(chǎng)區(qū)主要不良地質(zhì)主要為斷層破碎帶、采空區(qū)、巖溶、崩塌及巖堆。 根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，測(cè)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度小于0.05 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，隧道區(qū)地震基本烈度小于Ⅵ度。

2 水文地質(zhì)特征分析

場(chǎng)區(qū)地下水類(lèi)型主要為基巖裂隙水、碎屑巖孔隙水。 地表水體弱發(fā)育， 在調(diào)繪過(guò)程中僅于K58+940 處分布雨源性地表沖溝小徑流， 未發(fā)現(xiàn)有泉、井。 旱季流量小或斷流，該沖溝切割較深，底部處隧道頂板約15 m，須做好上方地表水防滲措施。 地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水等幾種類(lèi)型。 隧道內(nèi)地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水及地表水的入滲補(bǔ)給。 其徑流條件受地形、巖性、構(gòu)造、巖溶、發(fā)育程度的影響，地下水局均勻性差的特點(diǎn)。 隧道兩端泥頁(yè)巖及泥質(zhì)灰?guī)r相對(duì)隔水，地下水主要為土層空隙滯水，屬淺層地下水，水量不豐富，無(wú)統(tǒng)一穩(wěn)定水位。 主要以分布狀滲出水形式向附近溝谷洼地排泄； 中部碳酸鹽巖巖溶管道較發(fā)育，透水性、富水性相對(duì)較好，地下水類(lèi)型為巖溶水，主要以灌流方式徑流。 特別是斷層破碎帶及其影響帶巖體破碎，有利于地下水富集，地下水運(yùn)移于兩盤(pán)巖層節(jié)理裂隙、巖溶管道中，向斷層及影響帶匯集。 考慮到煤礦采空區(qū)可能存在集水、隧道開(kāi)挖易發(fā)生涌水，隧道區(qū)總體水文地質(zhì)條件更復(fù)雜。

3 物理探測(cè)方法選取分析

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是一項(xiàng)實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)，最終目的是解決工程實(shí)際問(wèn)題， 避免重大事故的發(fā)生，降低安全隱患，造福于人類(lèi)。 目前市場(chǎng)上主流的2 種物探方法是基于高頻電磁波的反射原理GPR 和地震波的反射原理的TSP，2 種物理探測(cè)方法原理基本相似，但各有不同的特點(diǎn)和適用范圍（表1）[5]。 由表1 可知，地震波的反射（TSP）有效預(yù)報(bào)范圍較大，使用便捷，對(duì)巖體、巖溶及水害的探測(cè)效果良好；而地質(zhì)雷達(dá)對(duì)巖溶、水害探測(cè)效果較好但對(duì)巖體情況預(yù)報(bào)效果相對(duì)較差。 合理選取物探方法可以減少預(yù)報(bào)工作量、降低預(yù)報(bào)成本。

表1 2 種物理探測(cè)方法的對(duì)比分析

4 GPR 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)原理

GPR 是利用高頻電磁波決定地下介質(zhì)內(nèi)部物質(zhì)分布的廣域電磁技術(shù)。 該技術(shù)利用天線向地下或縱深發(fā)射高頻寬帶電磁脈沖波，利用接收天線接收結(jié)構(gòu)層內(nèi)不同介質(zhì)層面的反射雷達(dá)波，根據(jù)介質(zhì)電磁特性的不同，收集、處理、分析回波的反射特征，判斷地下界面、地質(zhì)體的空間位置、幾何形態(tài)。 GPR 探測(cè)的工作原理和基本組成及工作程序如圖1 所示。

圖1 GPR 探測(cè)的工作原理示意圖

在已知地下介質(zhì)波速的情況下，結(jié)合對(duì)反射電磁波頻率和振幅的處理和分析，可以根據(jù)實(shí)測(cè)的t值確定地下界面和地質(zhì)體的空間位置和幾何形狀。 在假設(shè)為均勻、線性、各向同性的低耗損介質(zhì)中，電磁波以電場(chǎng)表達(dá)的麥克斯韋方程可寫(xiě)為[6]：

式（1）中的第1 項(xiàng)為能量存儲(chǔ)，第3 項(xiàng)為能量耗散。 在低損耗介質(zhì)中，能量耗散往往小于能量存儲(chǔ)，地質(zhì)雷達(dá)可以有效探測(cè)。 其中無(wú)界均勻有耗介質(zhì)中的電磁波的電場(chǎng)表達(dá)式為：

式（2）中：K=β-jα，其中β 為相位常數(shù)，α 為衰減系數(shù)。 E0為電場(chǎng)強(qiáng)度；r 為空間坐標(biāo)系。 某些介質(zhì)的介電常數(shù)差別很大，與其巖性及其內(nèi)部所含的電導(dǎo)體有關(guān)，主要媒質(zhì)的物性相對(duì)差異如表2 所示[7]。

表2 主要媒質(zhì)的物性相對(duì)差異

在地質(zhì)雷達(dá)的應(yīng)用中，可將介質(zhì)在空間中的介電常數(shù)（ε）和電導(dǎo)率（σ）從矢量形式簡(jiǎn)化為與場(chǎng)無(wú)關(guān)的標(biāo)量，其衰減系數(shù)有如下表達(dá)式：

Arkhipow 等[9]研究認(rèn)為水的介電常數(shù)表達(dá)為：

水在接近室溫情況下的弛豫時(shí)間t=8.28×10-12s，靜態(tài)相對(duì)介電常數(shù)εs=81， 高頻相對(duì)介電常數(shù)ε∞=5.6， 可知電磁波在水中的顯著損耗產(chǎn)生于高頻段。從式（4）可以看出，在電導(dǎo)率較大的水體探測(cè)中，宜使用低頻天線（中心頻率）。

地質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)的能力衰減問(wèn)題可由波阻抗的表達(dá)式描述：

式（5）中，由于磁導(dǎo)率（μ）在介質(zhì)中變化較小，波阻抗主要由相對(duì)介電常數(shù)決定。 同時(shí)，電磁波的功率反射系數(shù)r 表達(dá)式為[9]，對(duì)高電阻介質(zhì)，在從介電常數(shù)為ε1的介質(zhì)向介電常數(shù)為ε2的介質(zhì)垂直入射情況下，有如下關(guān)系式：

式（6）中，r 為界面電磁波反射系數(shù)；ε1、ε2為界面上、下介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。 因此，雷達(dá)反射信號(hào)在濕潤(rùn)巖層與水的界面上的反射強(qiáng)烈，且雷達(dá)波在含水層界面的反射波相位與入射波相差180°[9]。

介電常數(shù)由電磁波所傳播的介質(zhì)頻率特性決定。 對(duì)純凈的極化介質(zhì)（水），通過(guò)極化消除介質(zhì)頻率特性影響的Debye 極化介電常數(shù)表達(dá)式為[9]：

圖2 由Debye 確定的介電常數(shù)的實(shí)部和虛部

從圖2 中可以看出在頻率較高或較低的時(shí)候，虛部和實(shí)部分別趨于零和常數(shù)。 在隧道的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作中，天線的主頻一般較?。?0～200 MHz），相對(duì)于介電常數(shù)的虛部≈0， 實(shí)部≈20， 且在20～200 MHz 頻率段內(nèi)的大部分巖土介質(zhì)并不表現(xiàn)出松弛介電特性，因此，介電常數(shù)和波速的計(jì)算表達(dá)式為：

經(jīng)過(guò)大量的模型實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作，一個(gè)通用的介電常數(shù)與介質(zhì)含水量間的簡(jiǎn)化公式為[10]：

通過(guò)測(cè)試信號(hào)的分析可以求得υ，將其帶入式（8），可求得異常體的相對(duì)介電常數(shù)，再利用式（9）可推斷異常體的含水量，進(jìn)而估算前方含水體的水量大小。

根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播和反射特點(diǎn)，電磁脈沖波走時(shí)見(jiàn)式（10）[7]：

當(dāng)發(fā)射天線和接收機(jī)器相距不遠(yuǎn)時(shí)或位于異常體正上方時(shí)，簡(jiǎn)化計(jì)算公式見(jiàn)式（11）[7]：

式 （11） 中，z 為勘察目標(biāo)深，m；t 為脈沖波走時(shí)，s；υ 為電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，m/s；x 為發(fā)射與接收天線的距離，m（其中z＞x，故x 可忽略）。

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度主要由地層的介電常數(shù)決定。 電磁波的傳播速度見(jiàn)式（12）[11]：

式（12）中：εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；μr為介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率，一般取值為1；c 為電磁波在真空中的傳播速度，3×108m/s。 通過(guò)測(cè)試信號(hào)的分析可以求得υ，將其帶入式（8），可求得異常體的相對(duì)介電常數(shù)，再利用式（9）可推斷異常體的含水量，進(jìn)而估算前方含水體的水量大小。

地質(zhì)雷達(dá)圖像反映的是地下介質(zhì)的電性分布特征，在進(jìn)行成果分析時(shí)，必須將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的地質(zhì)體分布。 通過(guò)在地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試和開(kāi)挖驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，可建立起完整巖體、斷層破碎帶、富水帶、巖脈帶、裂隙密集帶及巖性變化帶等典型地質(zhì)體同雷達(dá)圖像特征之間的關(guān)系（表3）；此外，表3 所述地質(zhì)雷達(dá)圖像、 波形特征描述并非針對(duì)單一地質(zhì)體，而是測(cè)程范圍內(nèi)所有地質(zhì)體的綜合反映。

表3 典型地質(zhì)體與地質(zhì)雷達(dá)圖像、波形特征之間的關(guān)系

5 工程實(shí)例

5.1 GPR 技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

莫洛隧道ZK57+077、YK57+053 掌子面地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線分上、下線，測(cè)點(diǎn)均為布置間距2 m，從左到右排列如圖3 所示。 采用美國(guó)研制生產(chǎn)（型號(hào)：SIR-20 型）的地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和測(cè)試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可選擇單（多）天線連測(cè)或點(diǎn)測(cè)等多種方式， 可以選用100（80、40）MHz以內(nèi)的屏蔽接收—發(fā)射一體天線，每秒可進(jìn)行64 次信號(hào)數(shù)字疊加，增益可根據(jù)探測(cè)深度的變化進(jìn)行指數(shù)放大。 數(shù)據(jù)處理和反演解釋使用儀器制造商和加州大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的地質(zhì)雷達(dá) （型號(hào)：RADAN6.6）處理軟件對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行處理、解釋和計(jì)算。

圖3 莫洛隧道掌子面地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置圖

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果以及掌子面地質(zhì)情況綜合分析，結(jié)論如下：莫洛隧道左線如圖4 所示，進(jìn)口ZK57+094～ZK57+096 段左側(cè)及中部存在有一采煤遺留采空區(qū)， 該采空區(qū)未被填充；ZK57+083～ZK57+086 段左側(cè)、ZK57+089～ZK57+094 段、ZK57+084～ZK57+094 段中部及右側(cè)圍巖完整性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育， 巖體較破碎， 局部裂隙夾泥質(zhì)；ZK57+079～ZK57+082 段圍巖較軟弱， 泥質(zhì)含量較重；其余段圍巖整體完整性一般，局部夾有少量泥質(zhì)，穩(wěn)定性一般。

圖4 莫洛隧道左線ZK57+077～ZK57+106 段掌子面地質(zhì)雷達(dá)波形圖

莫洛隧道右線如圖5～6 所示，進(jìn)口YK57+054～YK57+059 下部、YK57+055～YK57+069 段上部圍巖完整性較差，巖體較軟弱和破碎，泥質(zhì)和煤層含量較重；YK57+059～YK57+065 段中部及右側(cè)圍巖完整性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部巖體較破碎，局部裂隙含泥質(zhì)；其余段圍巖整體完整性一般，局部夾有少量泥質(zhì)，穩(wěn)定性一般。

圖5 莫洛隧道右線YK57+053～YK57+081 段掌子面上部地質(zhì)雷達(dá)波形圖

圖6 莫洛隧道右線YK57+053～YK57+081 段掌子面下部地質(zhì)雷達(dá)波形圖

表4 莫洛隧道地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試分析

5.2 掌子面揭露圍巖狀態(tài)

左線進(jìn)口ZK57+077 掌子面出露巖性主要為灰色中層灰?guī)r、 淺灰色至淺灰黑色的薄至中層泥灰?guī)r、煤線及灰黑色薄層頁(yè)巖，層狀結(jié)構(gòu)，局部碎裂狀結(jié)構(gòu)，微至弱風(fēng)化。 掌子面上部為巖體較完整的灰?guī)r，中部及左下側(cè)泥灰?guī)r巖體節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，下部層間夾有薄層泥質(zhì)，右下側(cè)為灰黑色頁(yè)巖夾煤線，共見(jiàn)3 層煤線，最厚層約10 cm，掌子面左下側(cè)存在一勘探孔見(jiàn)小股水流出，其單位流量約2 L/min·m，水量隨時(shí)間不斷減少，驗(yàn)證了基于地質(zhì)規(guī)律認(rèn)識(shí)和雷達(dá)數(shù)據(jù)信號(hào)分析綜合推斷的結(jié)果，對(duì)隧道施工起到了一定指導(dǎo)作用，如圖7 所示。

圖7 莫洛隧道左線進(jìn)口ZK57+077 掌子面地質(zhì)情況

右線進(jìn)口YK57+053 掌子面出露巖性主要為灰黑色至淺灰色中層泥灰?guī)r、黑色煤層及灰黑色至淺灰綠色薄層頁(yè)巖，碎裂狀至層狀結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化。 掌子面上部主要為頁(yè)巖，巖體中含有礦物，強(qiáng)風(fēng)化，基本成碎片狀， 巖體破碎， 其上出露一層厚約30 cm的煤層， 其下部為中層淺灰綠色至灰黑色泥灰?guī)r，巖體含少量金屬礦物及白云母，右下部出露瘤狀泥灰?guī)r，厚約30 cm，瘤體呈橢圓狀、球狀及扁球狀，其大小為2～5 cm； 掌子面從上到下共出露4 層煤層，其中最厚層約80 cm （位于斷面中部）， 最薄層約10 cm（位于斷面右下部），拱頂及斷面局部易掉塊，圍巖穩(wěn)定性一般，如圖8 所示。

圖8 莫洛隧道右線進(jìn)口YK57+053 掌子面地質(zhì)情況

5.3 開(kāi)挖驗(yàn)證及施工建議

莫洛隧道左線ZK57+079～ZK57+094（15 m）段圍巖完整性較差，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎化程度較高，局部斷面圍巖含泥量較重，巖體松散呈軟弱狀；結(jié)合掌子面出露圍巖情況，施工時(shí)應(yīng)注意該段局部失穩(wěn)或坍塌情況的發(fā)生；該段原設(shè)計(jì)支護(hù)類(lèi)型為Ⅳb 級(jí)偏弱，可根據(jù)圍巖實(shí)際開(kāi)挖情況，及時(shí)修正支護(hù)參數(shù)；同時(shí)縮短循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺，關(guān)注前方圍巖變化及開(kāi)挖情況， 確保安全施工。 ZK57+094～ZK57+096 （2 m） 段左側(cè)及中部留有未充填的采空區(qū)， 施工到此階段時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)某涮罴凹庸谭桨福ㄗh縮短循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)度，降低對(duì)圍巖的擾動(dòng)，防止局部發(fā)生塊體墜落或碎石坍塌，順利通過(guò)此路段。

莫洛隧道右線YK57+054～YK57+069（15 m）段圍巖完整性較差，巖體較軟弱和破碎，泥質(zhì)和煤層含量較重，施工到該階段時(shí)應(yīng)圍巖失穩(wěn)或局部塌方情況的發(fā)生，該階段原設(shè)計(jì)支護(hù)類(lèi)型為Ⅳb 級(jí)偏弱，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)建議可提高該段的支護(hù)參數(shù)類(lèi)別，同時(shí)縮短循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺，同時(shí)關(guān)注前方圍巖變化及開(kāi)挖情況，確保安全施工。

鑒于此，對(duì)于軟弱煤層、節(jié)理裂隙帶較密集的圍巖地段，應(yīng)嚴(yán)格遵循“弱爆破、短開(kāi)挖、多循環(huán)、早支護(hù)”的施工原則，做好超前支護(hù)，防止圍巖坍塌，加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測(cè)預(yù)警措施， 及時(shí)降低隧道瓦斯含量，防止隧道瓦斯超限引發(fā)瓦斯事故；此外應(yīng)采取超前水平巖芯鉆探探明隧道前方采空區(qū)位置和規(guī)模大小、地層及不良地質(zhì)情況，以便及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)及支護(hù)方案，預(yù)防瓦斯突出及突水突泥等事故的發(fā)生。

6 結(jié)論

（1）工程實(shí)踐表明，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)不良地質(zhì)狀況的探測(cè)效果良好，要進(jìn)一步提高隧道預(yù)測(cè)精度， 一方面要對(duì)探測(cè)波形圖像準(zhǔn)確解釋判斷，需要積累大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)；另一方面選取不同探測(cè)手段，將不同的結(jié)果按最不利組合進(jìn)行預(yù)報(bào)。 （2）物探技術(shù)在使用時(shí)具有前后間接性，與巖層是否存在含水量、含水量大小以及圍巖裂隙的發(fā)育程度有著一定的聯(lián)系。 探測(cè)結(jié)果往往可作為進(jìn)一步評(píng)估圍巖穩(wěn)定性的依據(jù)。 （3）施工過(guò)程中，若是條件允許，可以同時(shí)采用多種超前預(yù)報(bào)相結(jié)合的預(yù)報(bào)手段，結(jié)合工程勘察成果進(jìn)行地質(zhì)圍巖產(chǎn)狀系統(tǒng)性分析， 更精確地定位其圍巖發(fā)育位置， 實(shí)施動(dòng)態(tài)信息的優(yōu)化施工方式，為減少施工的盲目性，降低事故發(fā)生率起到了重要的作用。