李江林（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014）

地質(zhì)雷達(dá)在隧洞工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

李江林
（浙江華東工程安全技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310014）

在隧洞開挖施工過(guò)程中，為避免不良地質(zhì)構(gòu)造引起的地質(zhì)災(zāi)害帶來(lái)災(zāi)難性事故的發(fā)生，需采用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)手段及時(shí)掌握隧洞掌子面前方工程地質(zhì)與水文地質(zhì)情況。文章通過(guò)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞地質(zhì)超前預(yù)報(bào)實(shí)踐，對(duì)不同地質(zhì)體的雷達(dá)圖像特征和雷達(dá)預(yù)報(bào)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。

隧洞；超前預(yù)報(bào)；隧洞；地質(zhì)雷達(dá)

1 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國(guó)家在公路、鐵路、城市軌道交通、水利水電等基礎(chǔ)領(lǐng)域的投入越來(lái)越大。在山區(qū)修建的高速公路、鐵路、水利水電工程以及城市地下軌道交通工程，為縮短里程、改善線性及環(huán)境保護(hù)的需要，都需要進(jìn)行隧洞開挖施工，而在隧洞開挖施工過(guò)程中，常常會(huì)遇到巖溶、含水構(gòu)造、斷層破碎帶等不良地質(zhì)構(gòu)造帶來(lái)的塌陷、涌水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，以及由于開挖而誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，往往會(huì)造成工程施工困難甚至人員傷亡和施工機(jī)械設(shè)備損毀，并導(dǎo)致延誤工期、增加工程費(fèi)用。在國(guó)內(nèi)，由于地質(zhì)災(zāi)害使得隧道建設(shè)受挫的實(shí)例很多，如京廣線大瑤山隧道通過(guò)9#斷層時(shí)突水量最大達(dá)5.2×104m3/d、南嶺隧道下連溪段施工中未能及時(shí)堵水致使地面塌陷地表水突入坑道，最大曾達(dá)1.1×104m3/d，又如錦屏二級(jí)水電站長(zhǎng)探洞內(nèi)曾發(fā)生瞬時(shí)涌水量大于0.1m3/s的突水突泥點(diǎn)10處，最大突水點(diǎn)瞬時(shí)最大涌水量達(dá)到4.91m3/s，造成施工設(shè)備被淹，影響施工工期。在水利水電、鐵路、公路、礦山的隧（巷）道施工過(guò)程中常遇到突水等系列地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，據(jù)國(guó)內(nèi)隧道施工的不完全統(tǒng)計(jì)，施工過(guò)程中由于塌方、涌水、碎屑流、高地溫、高地應(yīng)力及巖爆、高瓦斯等等地質(zhì)災(zāi)害事故造成的停工時(shí)間大約占總工期的30%；隧道地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)還會(huì)帶來(lái)系列的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。因而地下工程施工中地質(zhì)災(zāi)害和特殊工程地質(zhì)問(wèn)題的防治工作是一項(xiàng)急待解決的重大課題。

在我國(guó)的西部地區(qū)建設(shè)的國(guó)家大型工程中，采用常規(guī)的工程地質(zhì)勘察方法（地面測(cè)繪、鉆探、洞探等）對(duì)深埋隧洞的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件難以查明；為在隧洞施工過(guò)程中能夠提供及時(shí)準(zhǔn)確的工程地質(zhì)資料，預(yù)防前方開挖洞段出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害，必須進(jìn)行工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)研究。

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于隧洞工程地質(zhì)預(yù)報(bào)的方法很多，如工程地質(zhì)分析法、超前平行導(dǎo)坑法、超前鉆孔法、紅外線探測(cè)法、高密度電法、陸地聲納法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法、T SP等（詳見參考文獻(xiàn)）。在2005至2012年間，通過(guò)對(duì)錦屏二級(jí)水電站輔助洞及引水隧洞采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)研究，成功的對(duì)隧洞巖溶發(fā)育情況、含水構(gòu)造、斷層破碎帶等不良地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了預(yù)報(bào)，指導(dǎo)了該水電隧洞的開挖施工，保證了工程安全順利施工直至貫通。

2 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)原理與方法

2.1地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)原理

地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁脈沖波的反射來(lái)探測(cè)介質(zhì)層位或目的體，它通過(guò)發(fā)射天線向需要探測(cè)的目的介質(zhì)發(fā)射高頻寬帶短脈沖電磁波，此電磁波經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)層位或目的體反射后返回，為接收天線所接收。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過(guò)介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時(shí)間、幅度與波形等資料，可探測(cè)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及目標(biāo)體的埋藏深度等。

地質(zhì)雷達(dá)接收到的信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后送到計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)濾波、增益恢復(fù)等一系列數(shù)據(jù)處理后形成雷達(dá)探測(cè)圖像。地質(zhì)雷達(dá)圖像是資料解釋的基礎(chǔ)圖件，通過(guò)同相軸追蹤可以測(cè)定各介質(zhì)反射層的反射波旅行時(shí)T。根據(jù)地下介質(zhì)的電磁波速V和反射波旅行時(shí)T，由以下公式可計(jì)算目的層的深度h:

式中h為目的層的深度，x為發(fā)射天線和接收天線的間距，V值為介質(zhì)中的電磁波速度。

電磁波到達(dá)兩種不同的介質(zhì)分界面處會(huì)發(fā)生反射，反射系數(shù)公式為:從反射系數(shù)公式可以看出，界面兩側(cè)介質(zhì)介電常數(shù)差異越大，反射波幅越強(qiáng)。在地下隧洞工程中，無(wú)論是掌子面前方的不良地質(zhì)體，如巖溶、斷層破碎帶、節(jié)理裂隙、含水構(gòu)造，還是巖性分界面，由于和周圍介質(zhì)存在較大的電性差異，這種掌子面前方不良地質(zhì)體電性差異的存在是地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的理論前提。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)方法

2.2.1地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)工作布置

地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行預(yù)報(bào)采用的雷達(dá)天線頻率要兼顧預(yù)報(bào)空間、預(yù)報(bào)精度、預(yù)報(bào)深度的要求，一般選用50～100MH z天線。隧洞每掘進(jìn)20m探測(cè)一次，有效探測(cè)距離為25～30m，每次重復(fù)5～10m。在隧洞開挖掌子面、左側(cè)壁、右側(cè)壁及洞底板至少各布置一條測(cè)線，左右側(cè)壁測(cè)線長(zhǎng)度應(yīng)大于對(duì)應(yīng)隧洞掘進(jìn)深度，且與前次表面雷達(dá)測(cè)線至少重合2m以上。若有必要，在掌子面或側(cè)壁不同高程增加布置雷達(dá)測(cè)線，或結(jié)合隧洞分層開挖在下層開挖時(shí)增加探測(cè)預(yù)報(bào)。如圖1所示，在開挖斷面或?qū)Ф吹恼谱用?、左?cè)壁、右側(cè)壁布置測(cè)線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，左右側(cè)壁測(cè)線與上次測(cè)線相接，形成整個(gè)隧洞側(cè)壁的連續(xù)測(cè)線。若有必要，在隧洞底板也可增加Ⅳ測(cè)線。

2.2.2地質(zhì)雷達(dá)資料整理

由于高頻雷達(dá)信號(hào)衰減且容易受到干擾，現(xiàn)場(chǎng)采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)必須使用專用雷達(dá)處理軟件，經(jīng)頻譜分析、濾波、增益恢復(fù)、偏移等一系列處理，提高雷達(dá)信號(hào)的信噪比，突出目標(biāo)地質(zhì)體信息，形成高質(zhì)量的雷達(dá)圖像。

雷達(dá)圖像上異常強(qiáng)反射位置并不一定在測(cè)線的正前方，如圖2所示，地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)區(qū)域滿足以下關(guān)系:

圖1 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置圖

式中，λ為電磁波波長(zhǎng)，h為探測(cè)深度，ε為相對(duì)介電常數(shù)。由此可見，我們用雷達(dá)探測(cè)時(shí)得到的異常強(qiáng)反射信息并不僅僅是天線正下方物體的反射信息，也有可能是側(cè)前方的信息，在資料處理與解釋時(shí)要加以識(shí)別與區(qū)分，必要時(shí)可增加布置測(cè)線或采用其他方法驗(yàn)證。

圖2 雷達(dá)探測(cè)的有效區(qū)域

3 典型地質(zhì)體雷達(dá)圖像特征

3.1 不同巖性界面雷達(dá)圖像特征

由于不同巖性的巖體介電常數(shù)存在一定的差異，因此根據(jù)電磁波反射系數(shù)可以形成亮點(diǎn)反射——強(qiáng)振幅異常（負(fù)反射系數(shù)時(shí)）或暗點(diǎn)——弱振幅異常（正反射系數(shù)時(shí)）。而對(duì)于同一種巖體，當(dāng)巖體完整時(shí)可以認(rèn)為介電常數(shù)的差異很小或不存在，因此在完整巖體內(nèi)電磁波不發(fā)生反射或反射能量較小，波形均一，振幅、波長(zhǎng)基本一致，同相軸連續(xù)。

錦屏引水隧洞T`2y5-2與T62y兩種不同的巖體巖性界面雷達(dá)圖像揭示兩種巖體界面同相軸連續(xù)性好，反射信號(hào)強(qiáng)。根據(jù)測(cè)試T52y-2巖體相對(duì)介電常數(shù)約為8～9，T6巖體相對(duì)介電常數(shù)約為9～12，相對(duì)介電常數(shù)的差

2y異導(dǎo)致電磁波穿越兩種巖體巖性界面時(shí)反射系數(shù)發(fā)生變化，形成強(qiáng)振幅異常或弱振幅異常。從圖像中還可以看到，完整的T52y-2與T62y巖體雷達(dá)波反射能量較小，波形均一且同相軸連續(xù)性好。

3.2 節(jié)理裂隙雷達(dá)圖像特征

當(dāng)巖體內(nèi)發(fā)育有節(jié)理裂隙或破碎帶時(shí)，由于巖石被節(jié)理裂隙切割，反射面增多。當(dāng)節(jié)理裂隙近似水平發(fā)育時(shí)，反射波同相軸一般連續(xù)，與完整巖石的差別在于振幅、波長(zhǎng)的不同；當(dāng)節(jié)理裂隙縱向或不規(guī)則發(fā)育時(shí)，反射波能量發(fā)生變化、頻率降低，反射波同相軸連續(xù)性變差；巖石破碎時(shí)雷達(dá)波將出現(xiàn)散射和漫反射，雷達(dá)波同向軸不連續(xù)。

根據(jù)引（2）13+817掌子面雷達(dá)圖像，該段隧洞地層巖性為T62y灰黑色薄層狀細(xì)晶大理巖，圍巖完整性差，根據(jù)圖象分析，在掌子面前方15～23m范圍內(nèi)有一條N 60OE雷達(dá)波同向軸，反射信號(hào)較強(qiáng)，推斷為一含水裂隙。因此在掌子面布置超前鉆孔進(jìn)行探測(cè)，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)到引（2）13+803位置時(shí)鉆孔揭示巖體較破碎，且鉆孔出水，出水量約40L/s。

根據(jù)引（2）3+338掌子面地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)圖像，從圖像分析，掌子面前方0～10m范圍內(nèi)雷達(dá)波反射較強(qiáng)，同向軸連續(xù)，10～20m范圍內(nèi)雷達(dá)波同向軸連續(xù)性較差，且在19～20m處有一組N N E向結(jié)構(gòu)面發(fā)育。說(shuō)明掌子面前方巖體節(jié)理裂隙及結(jié)構(gòu)面發(fā)育，且局部巖體較破碎。隧洞開挖結(jié)果表明:該洞段引（2）3+338掌子面前方20m范圍內(nèi)局部節(jié)理發(fā)育，洞室成型不好，巖體完整性差。開挖結(jié)果與雷達(dá)預(yù)報(bào)成果相符。

3.3 巖溶雷達(dá)圖像特征

電磁波在溶洞周界發(fā)生反射，一般形成振幅較強(qiáng)的雙曲線形反射波；當(dāng)部分充填巖石碎塊時(shí)，與破碎區(qū)相似，表現(xiàn)為振幅增強(qiáng)、波形雜亂，當(dāng)部分充填粘土?xí)r，由于粘土對(duì)電磁波的強(qiáng)吸收，表現(xiàn)為局部反射波振幅減弱或消失。

根據(jù)在5#高壓管道底板利用75MH z天線探測(cè)到的雷達(dá)圖像，圖像縱向深度46m處出現(xiàn)明顯的雙曲線形態(tài)雷達(dá)反射波同相軸，推測(cè)為巖溶，巖溶中心位置在雙曲線頂峰下方，但巖溶的規(guī)模很難從雷達(dá)圖像上識(shí)別，這是因?yàn)殡p曲線的曲率形態(tài)不僅與巖溶的規(guī)模有關(guān)，還與埋深、介質(zhì)電磁波速度、雷達(dá)天線間距等有關(guān)，因此根據(jù)雙曲線形態(tài)很難定量判斷巖溶的規(guī)模，需要結(jié)合鉆孔等其他方法綜合判斷。根據(jù)在5#高壓管道底板布置鉆孔所測(cè)得的電視圖像，可以明顯看到溶蝕空洞，證實(shí)了雷達(dá)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

4 雷達(dá)預(yù)報(bào)的優(yōu)缺點(diǎn)

地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的優(yōu)點(diǎn):快速、高效和高精度，預(yù)報(bào)成果直觀，能夠快速準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)掌子面前方不良地質(zhì)體。

地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的缺點(diǎn):由于雷達(dá)探測(cè)時(shí)得到的異常強(qiáng)反射信息并不僅僅是天線正下方物體的反射信息，通過(guò)雷達(dá)圖像對(duì)不良地質(zhì)對(duì)象的定位帶來(lái)了不確定性，往往需要結(jié)合超前鉆孔或其他方法進(jìn)行綜合預(yù)報(bào)。另外地質(zhì)雷達(dá)的有效預(yù)報(bào)深度較小，有效預(yù)報(bào)深度為25～30m。

5 結(jié)束語(yǔ)

地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)具有快速、高效和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，且預(yù)報(bào)成果直觀，能夠快速準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)掌子面前方不良地質(zhì)體，在錦屏二級(jí)水電站輔助洞及引水隧洞開挖施工期間，采用地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)方法，對(duì)各種不良地質(zhì)構(gòu)造的雷達(dá)特征進(jìn)行了研究，并結(jié)合工區(qū)地質(zhì)資料和超前鉆孔等資料綜合分析，成功的對(duì)錦屏二級(jí)水電站掌子面前方巖體結(jié)構(gòu)面、節(jié)理裂隙、巖性分界面、巖溶及含水構(gòu)造等進(jìn)行了地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，指導(dǎo)隧洞開挖施工，保證了隧洞安全順利施工直至貫通。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.025

李江林（1970年—），男，高級(jí)工程師。