李 輝 程振華

(江西省交通科學(xué)研究院，江西南昌 330038)

近年來隧道工程的規(guī)模不斷擴(kuò)大，其重要性也越來越顯著。在隧道掘進(jìn)過程中，對隧道前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)，尤其是對巖溶地區(qū)的溶洞、富水帶和斷層破碎帶等不良地質(zhì)體及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，不僅提高了隧道施工的效率，節(jié)約了成本，而且確保了施工的安全［1，2］。目前常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有工程地質(zhì)調(diào)查與推斷法，超前鉆探法，地震波反射法，地質(zhì)雷達(dá)法等［3，4］，而地質(zhì)雷達(dá)法因其掃描速度快、操作簡便、分辨率高、圖像直觀、可跟蹤施工全過程等諸多優(yōu)點(diǎn)［5］，在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中得到廣泛的應(yīng)用。

1 工作原理［6，7］

地質(zhì)雷達(dá)是基于地下介質(zhì)的電性差異(如介電常數(shù))，向地下發(fā)射高頻電磁波，并接收地下介質(zhì)反射的電磁波進(jìn)行處理、分析、解釋的一項(xiàng)工程物探技術(shù)。其工作原理見圖1，利用高頻電磁波(主頻為數(shù)十至數(shù)百乃至數(shù)千兆赫)以寬頻帶短脈沖形式，由地面通過發(fā)射天線傳入地下，經(jīng)地下地層或目的物反射后返回地面，被接收天線接收。電磁脈沖波旅行時(shí)間為t。當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)的波速已知時(shí)，可根據(jù)t值計(jì)算目標(biāo)體的位置和埋深，根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征，便能分析出地層的特征信息(如介電常數(shù)、層厚、空洞等)。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理圖

在巖土介質(zhì)中，其反射系數(shù)和波速主要取決于介電常數(shù):

其中，r為反射系數(shù);v為介質(zhì)中電磁波的傳播速度;c為光速常數(shù);ε為相對介電常數(shù)，下角標(biāo)1，2分別表示上、下介質(zhì)。空氣的相對介電常數(shù)為1，水的相對介電常數(shù)為81，灰?guī)r為4～8，水泥及其他巖土的相對介電常數(shù)為幾到十幾。

目標(biāo)體到掌子面的距離d為:

其中，t為電磁波的雙程走時(shí)。

2 測試方法

使用地質(zhì)雷達(dá)實(shí)施地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，應(yīng)按以下步驟進(jìn)行:準(zhǔn)備工作、測線布設(shè)、參數(shù)選擇、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)后處理、提供地質(zhì)預(yù)報(bào)信息。

2.1 準(zhǔn)備工作

運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，首先要收集隧道地質(zhì)資料，完成掌子面地質(zhì)素描工作。在地質(zhì)雷達(dá)采集數(shù)據(jù)時(shí)，盡量清除測線附近的金屬物體、電磁干擾等干擾源，如不能清除應(yīng)將其記錄在冊，并標(biāo)出位置。

2.2 測線布設(shè)

由于掌子面通常采用上、下導(dǎo)坑開挖，工作面比較狹小，在測試過程中常用兩橫一豎的布線方式，見圖2。實(shí)際測試時(shí)應(yīng)根據(jù)掌子面的具體情況靈活布置測線，以保證足夠的數(shù)據(jù)以備后期處理。為提高測試準(zhǔn)確性，測試過程中一般每條測線至少測試2遍。

圖2 測線布置圖

2.3 參數(shù)選擇

雷達(dá)探測參數(shù)選擇合適與否關(guān)系到探測效果，探測參數(shù)包括天線中心頻率、時(shí)窗、采樣率、天線方向的取向、數(shù)據(jù)采集方式等。在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測中，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置。

天線的中心頻率越大，其分辨率越高，而探測深度越小;反之則分辨率越小，探測深度越大。選擇天線時(shí)一般在滿足分辨率且場地條件許可時(shí)，盡量采用中心頻率低的天線。

時(shí)窗是指數(shù)據(jù)采集開始到數(shù)據(jù)結(jié)束之間的時(shí)間長度，它決定了雷達(dá)系統(tǒng)對反射回來的雷達(dá)波信號(hào)取樣的最大時(shí)間范圍，直觀地說，就是決定雷達(dá)的探測深度。時(shí)窗主要取決于最大探測深度與地層電磁波速度。

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采集方式一般有三種，即測量輪控制采樣、連續(xù)采樣和點(diǎn)測采樣。測量輪控制采樣是通過測量輪滾動(dòng)觸發(fā)雷達(dá)信號(hào)發(fā)射接收;連續(xù)采樣是按預(yù)先設(shè)定好的時(shí)間間隔自動(dòng)采集數(shù)據(jù);點(diǎn)測采樣是通過電腦鍵盤發(fā)送指令，天線按固定間距移動(dòng)，移動(dòng)一次采集一道數(shù)據(jù)。

根據(jù)隧道工作環(huán)境及現(xiàn)場探測經(jīng)驗(yàn)，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)一般選用中心頻率為100 MHz的地面耦合天線，時(shí)窗為300 ns～600 ns，預(yù)報(bào)范圍為10 m～30 m，由于100 MHz天線淺部干擾較大，故另外選用一個(gè)中心頻率為400 MHz的地面耦合天線做輔助測量，時(shí)窗為60 ns～100 ns，確定掌子面前方3 m～5 m范圍的地質(zhì)情況［5］。數(shù)據(jù)采集采用點(diǎn)測采樣和連續(xù)采樣兩種方式相結(jié)合，每條測線使用兩種天線、兩種采樣方式各測試一遍，測試時(shí)天線長軸方向垂直于測線方向。

2.4 數(shù)據(jù)處理及資料解譯［6，7］

地質(zhì)雷達(dá)探測資料的解釋包括兩部分內(nèi)容，一為數(shù)據(jù)處理，二為資料解譯。

由于地下介質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)復(fù)雜的濾波器，介質(zhì)對波的不同程度的吸收以及介質(zhì)的不均勻性質(zhì)，使得脈沖到達(dá)接收天線時(shí)，波幅減小，波形變得與原始發(fā)射波形有較大的差異。另外，各種隨機(jī)噪聲和干擾，也影響實(shí)測數(shù)據(jù)。因此資料解譯前必須對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理方式主要有濾波、增益、道分析、時(shí)差校正、褶積、速度分析、消除背景干擾等。

地質(zhì)雷達(dá)資料解譯是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)積累的過程，一方面基于地質(zhì)雷達(dá)圖像特征，另一方面由工程實(shí)踐成果獲得。地質(zhì)雷達(dá)圖像解釋的核心內(nèi)容是識(shí)別干擾波及目標(biāo)體的地質(zhì)雷達(dá)圖像特征，各種不良地質(zhì)情況在雷達(dá)圖像上有不同的表現(xiàn)方式。

破碎帶在雷達(dá)波形上通常表現(xiàn)為界面反射強(qiáng)烈，反射面附近振幅顯著增強(qiáng)且變化大，常產(chǎn)生繞射、散射，波形雜亂，同相軸錯(cuò)斷，電磁波衰減快且規(guī)律性差。

巖溶洞穴在雷達(dá)圖像上一般表現(xiàn)為由許多的雙曲線強(qiáng)反射波組成，在洞穴側(cè)壁一般為高幅、低頻、等間距的多次反射波組，而洞穴底界面反射則不太明顯，只有當(dāng)洞穴底部部分充填水或粘土物質(zhì)時(shí)底部反射波會(huì)有所增強(qiáng)?？梢娨唤M較短周期的細(xì)密弱反射，有充填物時(shí)電磁波能量迅速衰減，高頻部分被吸收，反射的多為低頻波。

富水帶在雷達(dá)圖像上一般表現(xiàn)為在含水層表面發(fā)生強(qiáng)振幅反射，電磁波穿透含水層時(shí)將產(chǎn)生一定規(guī)律的多次強(qiáng)反射，在富水帶內(nèi)產(chǎn)生繞射、散射現(xiàn)象，電磁波頻率由高頻向低頻劇烈變化，電磁波能量快速衰減。反射波同相軸連續(xù)性較好，波形相對較均一［8］。

3 工程實(shí)例

某隧道為上下行分離式長隧道，隧址區(qū)域出露地層主要為三疊系灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及砂巖、砂質(zhì)泥巖、二疊系及石炭系灰?guī)r，并有覆蓋于基巖上的第四系粉質(zhì)粘土、碎石、砂卵石等。隧址區(qū)溝谷縱橫，有石芽殘丘、巖溶洼地等形態(tài)，洼地常伴有落水洞、溶洞等分布，地處亞熱帶暖濕氣候區(qū)，其氣候條件有利于巖溶發(fā)育。

圖3為使用美國GSSI公司SIR-20型雷達(dá)連接主頻為100 MHz地面耦合天線在掌子面采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用連續(xù)采樣，時(shí)窗為350 ns，采樣點(diǎn)數(shù)為512，測試時(shí)天線長軸垂直于測線方向。圖4為主頻400 MHz地面耦合型屏蔽天線采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用連續(xù)采樣，時(shí)窗為80 ns，采樣點(diǎn)數(shù)為512。從圖3中可以看出，掌子面前方2.0 m ～4.5 m，6.5 m ～7.5 m 和9.5 m ～11.0 m 范圍有明顯異常。從圖4中可以看出，掌子面前方0.7 m～4.0 m范圍有明顯異常。根據(jù)雷達(dá)波形圖并結(jié)合掌子面及此前開挖的地質(zhì)情況，判斷掌子面前方0.7 m～4.5 m為溶洞，充填粘土，含水;掌子面前方6.5 m～7.5 m和9.5 m～11.0 m為溶蝕腔，充填少量粘土。根據(jù)施工現(xiàn)場開挖實(shí)際情況顯示，預(yù)測情況與實(shí)際情況較為吻合。

圖3 100 MHz耦合天線測試數(shù)據(jù)

圖4 400 MHz耦合天線測試數(shù)據(jù)

圖5為100 MHz天線在另一個(gè)掌子面采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)，采用連續(xù)采樣，時(shí)窗為350 ns，采樣點(diǎn)數(shù)為512，測試時(shí)天線長軸垂直于測線方向。從圖5中可以看出，掌子面前方4.5 m～6.0 m和10.5 m～11.5 m范圍有明顯異常，結(jié)合掌子面地質(zhì)情況判斷為溶蝕腔，充填少量粘土。根據(jù)施工現(xiàn)場開挖實(shí)際情況顯示，預(yù)測情況與實(shí)際情況較為吻合。

圖5 100 MHz天線測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

地質(zhì)雷達(dá)能夠較準(zhǔn)確地探測出掌子面前方一定范圍內(nèi)的不良地質(zhì)情況，對隧道施工具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在預(yù)報(bào)過程中儀器參數(shù)的合理選定與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)關(guān)系密切，測試圖像的識(shí)別應(yīng)該根據(jù)雷達(dá)測試的異常情況、掌子面地質(zhì)情況、區(qū)域地質(zhì)情況進(jìn)行綜合判斷，推斷出掌子面前方的地質(zhì)情況，同時(shí)注意排除圖像中的干擾因素，提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

［1］高才坤，郭世明.采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道掌子面前方地質(zhì)情況預(yù)報(bào)［J］.水力發(fā)電，2000(3):11-13.

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