王 威，代兵權(quán)

(1.武漢工程大學(xué)國(guó)家磷資源開(kāi)發(fā)利用研究中心，湖北 武漢430074；2.武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，特別是西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，各類(lèi)新建的隧道工程日益增多.我國(guó)西部地區(qū)地形及地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在隧道開(kāi)挖掘進(jìn)過(guò)程中，如何提前了解和發(fā)現(xiàn)隧道前方的巖石等級(jí)和異常情況，為隧道的施工提供準(zhǔn)確的地質(zhì)資料，以便及時(shí)調(diào)整和實(shí)施施工工藝和異常地質(zhì)情況的處理，從而達(dá)到減少和預(yù)防工程事故的發(fā)生.地質(zhì)雷達(dá)作為先進(jìn)物探方法，因具有掃描速度快、設(shè)備重量輕、圖像分辨率高、屏蔽效果好、圖像直觀、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)在隧道超前預(yù)報(bào)中得到廣泛的應(yīng)用[1-7].但是由于預(yù)報(bào)距離短而經(jīng)常結(jié)合隧道地震波超前預(yù)測(cè)系統(tǒng)(Tunnel Seicmic Prediction,TSP)資料進(jìn)行隧道超前預(yù)報(bào).本文介紹了地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)的基本原理，以水綏二級(jí)公路犇溪口隧道為工程背景，介紹了地質(zhì)雷達(dá)在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用.

1 地質(zhì)雷達(dá)的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，GPR)是近年來(lái)興起的一種新型物探方法，應(yīng)用于淺層地質(zhì)構(gòu)造、巖性檢測(cè)以及隧道開(kāi)挖探測(cè)的一項(xiàng)新技術(shù).它利用超高頻電磁波探測(cè)地下介質(zhì)分布，并形成實(shí)時(shí)影像，使探測(cè)結(jié)果能夠快速、直觀進(jìn)行判讀.地質(zhì)雷達(dá)因其探測(cè)精度高、探測(cè)對(duì)象無(wú)損、工作效率高在近幾年倍受關(guān)注.特別是在施工中預(yù)防施工事故的發(fā)生有著重要的意義.

圖1 地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)工作示意圖

隧道地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)方法是一種用于確定隧道掌子面前方地質(zhì)情況分布變化的廣譜電磁波技術(shù)，如圖1所示，其基本原理是：利用一個(gè)天線向掌子面前方發(fā)射中心頻率為12.5 M至1 200 M、脈沖寬度為0.1 ns的脈沖電磁波訊號(hào).當(dāng)這一訊號(hào)在電磁波在巖體介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播的路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形與傳播的機(jī)制的電性質(zhì)以及幾何形體有著明顯的相關(guān)性.接收機(jī)接收到對(duì)應(yīng)的直達(dá)訊號(hào)和反射訊號(hào)，根據(jù)反射訊號(hào)到達(dá)滯后時(shí)間及目標(biāo)物體的平均反射波速,可以計(jì)算出目標(biāo)的大致距離，最后成像形成大體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)剖面.最終達(dá)到探測(cè)掌子面前方介質(zhì)的地層結(jié)構(gòu)與異常地質(zhì)體.

通過(guò)理論研究與實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電磁波在物體或介質(zhì)中的傳播速度v、走時(shí)t、與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)Er滿(mǎn)足以下方程[2]：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：z為反射界面深度，C為光速常量約每秒30萬(wàn)公里，v為電磁波在不同介質(zhì)中傳播的速度，x為發(fā)射天線到接收天線間的距離，Er為傳播介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù).對(duì)地質(zhì)雷達(dá)來(lái)說(shuō)，采用的是雷達(dá)波，所以電磁脈沖的速度v變成了已知變量.根據(jù)公式及通過(guò)讀取雷達(dá)剖面上行程時(shí)間計(jì)算得到界面深度z值.

在實(shí)際的外業(yè)施工過(guò)程中，因?yàn)檎谱用媲胺浇橘|(zhì)變化較為復(fù)雜，建議事先在不同隧道，不同圍巖情況下做多次實(shí)驗(yàn)，測(cè)算出不同地段的圍巖介質(zhì)波速，利用公式求得每次所測(cè)段的圍巖平均波速情況，再根據(jù)速度來(lái)推斷異常對(duì)象的埋深情況.

由于電磁脈沖反射信號(hào)的強(qiáng)度與地質(zhì)界面的反射系數(shù)以及傳播介質(zhì)的波吸收程度有關(guān)，一般情況下，傳播介質(zhì)的電磁參數(shù)(電性)差別大，則反射系數(shù)大，因而反射波的能量也大，這就是地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的前提條件.

(3)

式(3)中：PT，PR分別為發(fā)射和接收功率；G為天線增益；λ0為介質(zhì)中雷達(dá)波的波長(zhǎng)，R、S、H分別為地下目標(biāo)體的反射率、散射面截面和深度；α為巖土衰減率；L為雷達(dá)波從發(fā)射到接收過(guò)程的散射損耗.

通過(guò)公式可以看出，雷達(dá)接收的信號(hào)強(qiáng)弱與很多東西相關(guān)，主要包括雷達(dá)天線的功率和特性、地層對(duì)電磁介質(zhì)的衰減、地層對(duì)電介質(zhì)的反射能力.對(duì)天線頻率、探測(cè)深度以及分辨率的關(guān)系描述主要為：天線頻率越高，則對(duì)地層探測(cè)的深度越淺，得到的圖像分辨率越高；反之，天線頻率越低，則對(duì)地層探測(cè)深度越深，得到的圖像分辨率越低.因此，在對(duì)隧道進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)時(shí)，先需要對(duì)地質(zhì)雷達(dá)的天線進(jìn)行選擇，天線的選擇決定了探測(cè)深度和分辨率.這就存在探測(cè)深度與分辨率的取舍或優(yōu)選問(wèn)題.

2 隧道工程概況

云南省水富至綏江(水綏)二級(jí)公路是連接向家壩水電站與溪洛渡水電站的便捷通道，也是向家壩水電站淹沒(méi)區(qū)水綏公路的還建工程.水綏二級(jí)公路的建成，對(duì)攀西―六盤(pán)水開(kāi)發(fā)區(qū)的建設(shè)，特別是沿線地區(qū)的資源開(kāi)發(fā)，具有重要意義.位于三項(xiàng)目部第九工區(qū)的中城鎮(zhèn)犇溪口隧道是水綏二級(jí)公路新增隧道之一，全長(zhǎng)1 170 m，是水綏二級(jí)公路最長(zhǎng)的一個(gè)隧道，也是地質(zhì)最復(fù)雜、環(huán)境最?lèi)毫?、施工難度最大的一個(gè)隧道.

犇溪口隧道出口地層為紫灰、紫紅色粉砂巖、泥巖，呈弱風(fēng)化碎石狀，巖性質(zhì)軟，受結(jié)構(gòu)影響較嚴(yán)重，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，巖層產(chǎn)狀200°∠12°，產(chǎn)狀對(duì)圍巖穩(wěn)定不利，如圖2所示，該段地下水埋藏較深，但處于基巖侵入接觸帶，地下水富水性中等，施工中將有中等水量的滲水.為了保證施工安全進(jìn)行，我們采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)犇溪口隧道進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，取得了較好的效果.

圖2 犇溪口隧道地質(zhì)結(jié)構(gòu)圖

3 儀器設(shè)備及技術(shù)參數(shù)

地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)包括硬件(主機(jī)、天線、傳輸電纜等)和軟件(現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、后處理等)兩大部分.本次投入的設(shè)備為美國(guó)產(chǎn)SIR系列地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)(圖3).

圖3 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)

在獲取到地質(zhì)雷達(dá)影像的處理上，配備了RADAN6.5系列雷達(dá)軟件，特別針對(duì)各種地質(zhì)異常情況可以進(jìn)行多道平均，同相軸追蹤，信號(hào)偏移，希爾波特變換，褶積與反褶積的濾波變換，傅立葉變換，強(qiáng)制增益變化等等一系列的手段，可以最大程度的保證資料處理的可辨讀性.

SIR系列地質(zhì)雷達(dá)屬工程現(xiàn)場(chǎng)非破壞性的高頻電脈沖全數(shù)字化地面探測(cè)系統(tǒng)，其主要技術(shù)參數(shù)如下：

a.掃描速率：每秒2～800次掃描可選，具有DSP數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)；

b．分辨率：5 ps；

c.主機(jī)可適配所有高中低頻的各類(lèi)雷達(dá)天線，頻率范圍從16 MHz到2.2 GHz，本次預(yù)報(bào)工作主要選用100 MHz，400 MHz頻率的天線；

d.量程增益：-20～100 dB，自動(dòng)或用戶(hù)可選；增益曲線分段可以從1～8進(jìn)行選擇；

e.具有位置自動(dòng)伺服系統(tǒng)，便于信號(hào)的準(zhǔn)確接收.

4 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)及結(jié)果分析

根據(jù)犇溪口隧道掌子面現(xiàn)場(chǎng)情況，沿水平方向布置了2條測(cè)線，測(cè)線A1距離上臺(tái)階1.5 m，測(cè)線A2距離上臺(tái)階4.5 m，具體測(cè)線位置如圖4.由于掌子面的不平整，為提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，測(cè)試時(shí)根據(jù)情況對(duì)某些測(cè)試剖面進(jìn)行了重復(fù)測(cè)試.為提高預(yù)報(bào)精度，本次預(yù)報(bào)采用400 M屏蔽天線(僅向掌子面前方發(fā)射電磁波和僅接收掌子面前方的反射波)進(jìn)行探測(cè)，并沿測(cè)線進(jìn)行連續(xù)測(cè)量.限于篇幅，本文僅介紹K72+443掌子面的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果.

圖4 掌子面雷達(dá)測(cè)線位置示意圖

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是基于電磁波遇到不同反射界面其反射振幅和相位不同來(lái)判斷前方傳播介質(zhì)的變化.介質(zhì)介電常數(shù)的差異決定了電磁波反射的強(qiáng)弱程度和其相位的正負(fù).巖性、構(gòu)造、風(fēng)化程度及其含水量的變化將影響其介電常數(shù).

雷達(dá)測(cè)試資料的解釋是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的雷達(dá)圖像，先進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)可以解讀的圖像進(jìn)行異常分析；根據(jù)異常的形態(tài)、特征及電磁波的衰減情況，判斷波阻抗界面的地質(zhì)成因，從而可以對(duì)測(cè)試范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進(jìn)行解釋.

縱觀本次地質(zhì)雷達(dá)圖像，圖像顯示較為清晰，在剖面探測(cè)深度內(nèi)基本未見(jiàn)電磁波反射異常，在K72+443豎直測(cè)線A2剖面深度為10 m的位置發(fā)現(xiàn)電磁波強(qiáng)反射等異常.

K72+443處A1和A2測(cè)線的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面波列圖如圖5(a)、4(b)所示，由圖中可以看出，探測(cè)剖面無(wú)明顯反應(yīng)異常區(qū)，表明該段圍巖情況與掌子面圍巖相比變化不大，從掌子面的巖體情況可以對(duì)掌子面前方的巖體情況進(jìn)行推斷，節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體比較破碎，推斷為溶蝕破碎帶，裂隙夾泥及小塊石，含少量水，層間及節(jié)理裂隙粘土充填，圍巖完整性一般，推斷圍巖等級(jí)為Ⅳ級(jí)，而在在K72+443豎直測(cè)線A2剖面深度為10 m的位置發(fā)現(xiàn)電磁波強(qiáng)反射等異常區(qū)域可以推斷在此區(qū)域的圍巖較其他區(qū)域的圍巖更加破碎，從而對(duì)該破碎區(qū)域推斷為V級(jí).當(dāng)隧道進(jìn)尺到該區(qū)域時(shí)，應(yīng)格外注意支護(hù).以避免掉塊和塌方情況發(fā)生.

5 結(jié) 語(yǔ)

從犇溪口隧道現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查情況看，掌子面圍巖為紫灰、紫紅色粉砂巖，巖體比較破碎，夾少量泥，水量小，圍巖強(qiáng)度較低，圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí).根據(jù)雷達(dá)探測(cè)結(jié)果結(jié)合地質(zhì)調(diào)查分析，推測(cè)預(yù)報(bào)段K72+443～K72+423整段圍巖質(zhì)量一般，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育、巖體較破碎，溶蝕發(fā)育，形成的小塊石較多.從A1測(cè)線來(lái)推測(cè)圍巖的圍巖進(jìn)尺1.5 m左右和10 m左右有少量的強(qiáng)反射信號(hào)，從A2測(cè)線可以觀察到同樣的結(jié)果，推測(cè)此位置的圍巖等級(jí)為V級(jí).建議施工方在此段區(qū)域加強(qiáng)防護(hù)，避免掉塊和塌方情況發(fā)生.實(shí)踐證明地質(zhì)雷達(dá)是隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的一種快捷有效的方法，對(duì)隧道施工具有較好的指導(dǎo)作用.

圖5 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面

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