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）

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

隧洞；超前預(yù)報；隧洞；地質(zhì)雷達(dá)

1 引言

近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國家在公路、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程中，常常會遇到巖溶、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9#斷層時突水量最大達(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，又如錦屏二級水電站長探洞內(nèi)曾發(fā)生瞬時涌水量大于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）道施工過程中常遇到突水等系列地質(zhì)災(zāi)害問題，據(jù)國內(nèi)隧道施工的不完全統(tǒng)計，施工過程中由于塌方、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間大約占總工期的30%；隧道地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)還會帶來系列的環(huán)境地質(zhì)問題。因而地下工程施工中地質(zhì)災(zāi)害和特殊工程地質(zhì)問題的防治工作是一項急待解決的重大課題。

在我國的西部地區(qū)建設(shè)的國家大型工程中，采用常規(guī)的工程地質(zhì)勘察方法（地面測繪、鉆探、洞探等）對深埋隧洞的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件難以查明；為在隧洞施工過程中能夠提供及時準(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)報研究。

目前國內(nèi)應(yīng)用于隧洞工程地質(zhì)預(yù)報的方法很多，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，通過對錦屏二級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)報研究，成功的對隧洞巖溶發(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，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)報原理與方法

2.1地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報原理

地質(zhì)雷達(dá)是利用高頻電磁脈沖波的反射來探測介質(zhì)層位或目的體，它通過發(fā)射天線向需要探測的目的介質(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，其路徑、電磁場強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性質(zhì)及幾何形態(tài)的變化而變化。因此，根據(jù)接收到波的旅行時間、幅度與波形等資料，可探測介質(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)接收到的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后送到計算機(jī)，經(jīng)過濾波、增益恢復(fù)等一系列數(shù)據(jù)處理后形成雷達(dá)探測圖像。地質(zhì)雷達(dá)圖像是資料解釋的基礎(chǔ)圖件，通過同相軸追蹤可以測定各介質(zhì)反射層的反射波旅行時T。根據(jù)地下介質(zhì)的電磁波速V和反射波旅行時T，由以下公式可計算目的層的深度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)報的理論前提。

2.2 地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報方法

2.2.1地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場工作布置

地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行預(yù)報采用的雷達(dá)天線頻率要兼顧預(yù)報空間、預(yù)報精度、預(yù)報深度的要求，一般選用50～100MH z天線。隧洞每掘進(jìn)20m探測一次，有效探測距離為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線，左右側(cè)壁測線長度應(yīng)大于對應(yīng)隧洞掘進(jìn)深度，且與前次表面雷達(dá)測線至少重合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)測線，或結(jié)合隧洞分層開挖在下層開挖時增加探測預(yù)報。如圖1所示，在開挖斷面或?qū)Ф吹恼谱用?、左?cè)壁、右側(cè)壁布置測線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，左右側(cè)壁測線與上次測線相接，形成整個隧洞側(cè)壁的連續(xù)測線。若有必要，在隧洞底板也可增加Ⅳ測線。

2.2.2地質(zhì)雷達(dá)資料整理

由于高頻雷達(dá)信號衰減且容易受到干擾，現(xiàn)場采集的雷達(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線的正前方，如圖2所示，地質(zhì)雷達(dá)的探測區(qū)域滿足以下關(guān)系:

圖1 地質(zhì)雷達(dá)測線布置圖

式中，λ為電磁波波長，h為探測深度，ε為相對介電常數(shù)。由此可見，我們用雷達(dá)探測時得到的異常強(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要加以識別與區(qū)分，必要時可增加布置測線或采用其他方法驗證。

圖2 雷達(dá)探測的有效區(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）或暗點(diǎn)——弱振幅異常（正反射系數(shù)時）。而對于同一種巖體，當(dāng)巖體完整時可以認(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，反射信號強(qiáng)。根據(jù)測試T52y-2巖體相對介電常數(shù)約為8～9，T6巖體相對介電常數(shù)約為9～12，相對介電常數(shù)的差

2y異導(dǎo)致電磁波穿越兩種巖體巖性界面時反射系數(shù)發(fā)生變化，形成強(qiáng)振幅異?；蛉跽穹惓?。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，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，反射波同相軸一般連續(xù)，與完整巖石的差別在于振幅、波長的不同；當(dāng)節(jié)理裂隙縱向或不規(guī)則發(fā)育時，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，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)到引（2）13+803位置時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，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)圖像上識別，這是因為雙曲線的曲率形態(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)報的準(zhǔn)確性。

4 雷達(dá)預(yù)報的優(yōu)缺點(diǎn)

地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報的優(yōu)點(diǎn):快速、高效和高精度，預(yù)報成果直觀，能夠快速準(zhǔn)確的預(yù)測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)報的缺點(diǎn):由于雷達(dá)探測時得到的異常強(qiáng)反射信息并不僅僅是天線正下方物體的反射信息，通過雷達(dá)圖像對不良地質(zhì)對象的定位帶來了不確定性，往往需要結(jié)合超前鉆孔或其他方法進(jìn)行綜合預(yù)報。另外地質(zhì)雷達(dá)的有效預(yù)報深度較小，有效預(yù)報深度為25～30m。

5 結(jié)束語

地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報具有快速、高效和高分辨率的優(yōu)點(diǎn)，且預(yù)報成果直觀，能夠快速準(zhǔn)確的預(yù)測掌子面前方不良地質(zhì)體，在錦屏二級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)報方法，對各種不良地質(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，成功的對錦屏二級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，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，高級工程師。