泥水混合物充填型巖溶電磁波反射特性研究

賈金曉，曾知法

（招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 400000）

引言

近年來，在巖溶發(fā)育的湖北、廣西、云南等地區(qū)的隧道工程在建設(shè)過程中經(jīng)常遭遇巖溶涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，誘發(fā)了多起施工安全事故。巖溶填充物類型復(fù)雜，根據(jù)巖溶充填物特征可將巖溶進行分類（表1），不同充填物下電磁波反射特征不同，可以為地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預(yù)報預(yù)測分析巖溶構(gòu)造充填特征提供指導(dǎo)。地質(zhì)雷達電磁波法基于其高效、簡便、精確度高、采集環(huán)境要求低等優(yōu)點具有顯著優(yōu)勢，在巖溶區(qū)預(yù)報中應(yīng)用廣泛。多位專家學(xué)者通過案例分析或正演模擬的方法對含水巖溶的電磁波反射特征進行了研究。其中，溫世儒、楊曉華等以廣西六寨至宜州高速公路40座公路隧道為依托研究了巖溶區(qū)不同含水率破碎圍巖電磁波回波中心頻率及分布范圍[1]。劉偉、周斌等對不同性質(zhì)充填溶洞進行了地質(zhì)雷達正演實驗研究，分析了泥漿充填溶洞的電磁波的運動學(xué)和動力學(xué)特征[2]。劉坤、巨能攀等分析了地質(zhì)雷達在不同介質(zhì)填充下的頻譜差異，得到了混合型充填溶洞、空溶洞、富水破碎帶的主頻值[3]。對巖溶進行準確定位及充填物特征判斷仍是地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預(yù)報的難題。

表1 巖溶分類

本文通過案例分析，研究了較完整灰?guī)r中泥水混合物充填型巖溶的電磁波回波特征及頻譜特征，得出了較完整灰?guī)r的介電常數(shù)?？梢詾檩^完整灰?guī)r中地質(zhì)雷達超前預(yù)報預(yù)測巖溶構(gòu)造的充填物類型及巖溶構(gòu)造定位提供依據(jù)。

1 工程概況

廣西某隧道穿越二疊系上統(tǒng)長興組-吳家坪組(P2c—P2w)灰?guī)r地層。隧道沿線地表由無數(shù)個巖溶個體形態(tài)組合而成的地貌形成調(diào)查區(qū)獨特的巖溶地貌。其中巖溶洼地、巖溶漏斗、落水洞是隧道范圍內(nèi)峰叢洼地谷地的負地形，洼地大小不一，以橢圓形為主，洼地中發(fā)育一個或多個落水洞，落水洞與地下河相連，成為洼地下部地下河的主要補給通道。隧道沿線地表水不發(fā)育。地下水主要為賦存于第四系覆蓋層中的孔隙水及巖溶水。擬建線路位于箱狀折斷區(qū)東翼的向斜區(qū)，該折斷區(qū)構(gòu)造方向為南北向或僅于南北向，與隧道走向基本一致。

在隧道施工過程中，分別在左線ZK17+025.6部位、右線YK17+028部位揭露了泥水混合物充填型巖溶構(gòu)造。

2 研究方法

施工過程中，利用地質(zhì)雷達超前預(yù)報系統(tǒng)進行跟蹤探測，采集探測區(qū)域電磁波回波數(shù)據(jù)。對開挖揭露的泥水混合物充填型巖溶電磁波回波特征及頻譜特征進行分析，查明此類填充物巖溶構(gòu)造的電磁波反射特。根據(jù)開挖揭露的巖溶構(gòu)造前端與掌子面的距離，計算出前段圍巖的介電常數(shù)。探測時采用SIR-4000型地質(zhì)雷達配100MHz天線，在掌子面布置水平測線，以點測方式進行數(shù)據(jù)采集，點距不大于20cm。利用RADAN后處理分析軟件對波形及頻譜進行分析。

2.1 地質(zhì)雷達電磁波法及其適用條件

地質(zhì)雷達電磁波法以脈沖形式向地下發(fā)送高頻寬帶電磁波，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中，當(dāng)遇到存在電性差異的目標體時，比如空洞、分界面時，電磁波便發(fā)生反射，反射信號由接收天線接收。對接收到的電磁波進行信號處理和分析，根據(jù)信號波形、強度、雙程走時等參數(shù)來推斷地下目標體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而實現(xiàn)對地下目標體的探測[4]。電磁波在巖土體中傳播時，巖土體中不同介質(zhì)的相對介電常數(shù)對電磁波的波長、波速和反射系數(shù)影響很大[5]。

電磁波在介質(zhì)中旅行距離（h）與時長（t）、波速（v）及介質(zhì)相對介電常數(shù)YεY關(guān)系見公式1，如下：

其中c為真空中電磁波傳播速度，約等于3×108m/s。

自然界中所遇到的干燥巖體皆為高阻低導(dǎo)介質(zhì)：δ＜10-7S/m，≤1，電磁波的衰減常數(shù)（α）與頻率（ω）和電導(dǎo)率（δ）成正比。電磁波在兩種不同物質(zhì)中的反射系數(shù)可簡化為：

其中Ri表示反射系數(shù)，ε1表示第一層物質(zhì)的相對介電常數(shù)，ε2表示第二層物質(zhì)相對介電常數(shù)。反射波的相位可以判斷兩側(cè)的介質(zhì)的相對性質(zhì)，其能量的大小來可判斷定量判斷反射界面兩側(cè)差異的大小。

在地下物體中，一般包含：各類巖石、土壤、水、空氣等物質(zhì)。其中空氣是自然界中電阻率最大而介電常數(shù)最小（介電常數(shù)為1）的物質(zhì)，電磁波速最高，衰減最小。水是自然界中介電常數(shù)最大（介電常數(shù)為81）的物質(zhì)，電磁波速最低。干燥的巖石、土和混凝土的電磁參數(shù)差異不大，基本上多數(shù)屬于高阻介質(zhì)，介電常數(shù)為4—9，屬中等波速介質(zhì)。由此，當(dāng)電磁波從巖石中進入含水腔體中會發(fā)生強烈反射。

3 結(jié)果與討論

3.1 案例1

3.1.1 掌子面及巖溶構(gòu)造情況

圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r，錘擊聲較清脆，較堅硬；巨厚層狀結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀約為72°/SE∠52°，節(jié)理裂隙發(fā)育1—2組，圍巖較完整；地下水不發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較好。

隧道左線在開挖至ZK17+025.6時揭露巖溶構(gòu)造，巖溶構(gòu)造受巖體節(jié)理裂隙控制形態(tài)多為溶蝕管道，交錯發(fā)育；填充物形態(tài)為流動性較強的泥水混合物，瞬時突水涌泥量約達80m3。揭露巖溶構(gòu)造前，本次雷達探測區(qū)間內(nèi)圍巖與探測時掌子面情況一致，現(xiàn)場情況見下圖1—2。

圖1 巖溶初步揭露情況

圖2 揭露后溶腔形態(tài)

3.1.2 電磁波反射特征分析

在圖3中，電磁波通過完整灰?guī)r與巖溶構(gòu)造分界面時發(fā)生強反射；波形呈同相軸形態(tài)，連續(xù)性較好；波幅明顯變寬；反射前端界面子波相位發(fā)生變化，為負相位；發(fā)生反射時，電磁波旅行時常為323ns，旅行距離約為17m（根據(jù)實際情況測得），根據(jù)公式1可以得到較完整灰?guī)r的相對介電常數(shù)約為8.12。圖4中，異常區(qū)頻譜特征表現(xiàn)為：回波中心頻率分布范圍在44.7—124.2Mhz，主頻約為84.46Mhz。

圖3 地質(zhì)雷達探測回波圖

圖4 異常區(qū)頻譜特征

3.2 案例2

3.2.1 掌子面及巖溶構(gòu)造情況

圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r，錘擊聲較清脆，較堅硬；巨厚層狀結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀約為70°/SE∠55°，節(jié)理裂隙發(fā)育1—2組，圍巖較完整；地下水不發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力較好。

隧道右線在掘進至YK17+028時揭露巖溶構(gòu)造，巖溶構(gòu)造形態(tài)為垂向發(fā)育上大下小漏斗型溶腔；填充物形態(tài)為流動性較強的泥水混合物。揭露巖溶構(gòu)造前，本次雷達探測區(qū)間內(nèi)圍巖與探測時掌子面情況一致，現(xiàn)場情況見下圖5—6。

圖5 巖溶初步揭露情況

3.2.2 電磁波反射特征分析

在圖7中，電磁波通過完整灰?guī)r與巖溶構(gòu)造分界面時發(fā)生強反射；受巖溶構(gòu)造形態(tài)影響，波形呈局部同相軸形態(tài)，同相軸局部連續(xù)；波幅明顯變寬；反射前端界面子波為負相位；發(fā)生反射時，電磁波旅行時常為435ns，旅行距離約為23.6m（根據(jù)實際情況測得），根據(jù)公式1可以得到較完整灰?guī)r的相對介電常數(shù)約為7.64。圖8中，異常區(qū)頻譜特征表現(xiàn)為：回波中心頻率分布范圍在48.7—112.4Mhz，主頻約為82.45Mhz。

圖6 揭露后溶腔形態(tài)

圖7 地質(zhì)雷達探測回波圖

圖8 異常區(qū)頻譜特征

4 結(jié)論

（1）在較完整灰?guī)r中，利用地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)可以較為準確的探測到泥水混合物充填型巖溶構(gòu)造。

（2）電磁波在通過較完整灰?guī)r與巖溶構(gòu)造分界面時發(fā)生強反射，形成較為連續(xù)的同相軸界面，電磁波波幅明顯變寬，反射前端界面子波為負相位。

（3）經(jīng)眾多案例計算統(tǒng)計，得到較完整灰?guī)r相對準確的介電常數(shù)，在7.64—8.12范圍附近，據(jù)此可以推算出較為準確的巖溶構(gòu)造前緣位置。

（4）泥水混合物充填型巖溶構(gòu)造會出現(xiàn)一定的低頻現(xiàn)象，表現(xiàn)為：頻率范圍為44.7Mhz—124.2Mhz之間，主頻值約83Mhz，可為充填物形態(tài)判定提供依據(jù)。