， ，，

(長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

1 研究背景

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法種類繁多，例如TSP、TGP、TRT、瞬變電磁、地質(zhì)雷達(dá)(GPR)等。其中，GPR因其現(xiàn)場(chǎng)操作簡(jiǎn)便、資料處理快速、探測(cè)分辨率高等特點(diǎn)，成為隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的一種優(yōu)選方法。GPR在探測(cè)溶洞[1-4]、含水體[5-6]、破碎帶[7-9]等多種隧道不良地質(zhì)體方面具有十分廣泛的應(yīng)用。

在GPR波場(chǎng)正演模擬方面，通過對(duì)隧道不良地質(zhì)體雷達(dá)剖面特征的模擬，我們可以調(diào)整觀測(cè)方式、更有針對(duì)性地識(shí)別出雷達(dá)剖面中的有效信息，提高探測(cè)結(jié)果的精度[10-11]。正演是反演的前提條件，根據(jù)正演能夠?qū)崿F(xiàn)用地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)資料反演二維地下介質(zhì)的過程[12]。

由于GPR是基于隧道圍巖的相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率等電性參數(shù)差異來探測(cè)不良體，在對(duì)雷達(dá)剖面識(shí)別時(shí)會(huì)出現(xiàn)多解，造成誤判。因此，實(shí)際工作中對(duì)不良地質(zhì)體的推斷和圍巖級(jí)別判定時(shí)，應(yīng)結(jié)合開挖工作面地質(zhì)情況、隧道埋深情況、洞內(nèi)外地質(zhì)條件、以及前期地勘資料等綜合分析。

本文利用二維時(shí)域有限差分法正演模擬地質(zhì)雷達(dá)剖面記錄，分析隧道空間不良地質(zhì)體雷達(dá)剖面特征，獲取實(shí)測(cè)雷達(dá)資料解譯的理論依據(jù)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)隧道工作面地質(zhì)素描資料，在安江高速公路3個(gè)巖溶隧道的施工過程中，開展了大量地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，其中就包含了一些含水溶洞、空腔溶洞、溶蝕破碎帶等不良地質(zhì)體的成功預(yù)報(bào)案例。通過對(duì)上述實(shí)例的總結(jié)，提高了地質(zhì)雷達(dá)法在隧道空間內(nèi)探測(cè)不良地質(zhì)體的精度，為隧道工程施工提供了安全保證，具有一定的理論意義和經(jīng)濟(jì)效益。

2 工作原理

GPR是一種電磁波探測(cè)方法。其工作原理為：通過雷達(dá)天線向需測(cè)試面的前方發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波在傳播過程中遇到電性差異界面(破碎帶、斷層、巖溶等)時(shí)，電磁波將發(fā)生反射和透射，反射電磁波將被接收天線所接收，如圖1(a)所示。

由于地質(zhì)體分界面上下層介質(zhì)存在電性差異，會(huì)在此形成電性界面，當(dāng)電磁波傳播到電性界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射信號(hào)回到地面。電磁波在介質(zhì)中傳播的路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形將隨所通過界面的電性和幾何形態(tài)而變化，通過對(duì)時(shí)域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置和結(jié)構(gòu)狀態(tài)[13]，如圖1(b)所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)(GPR)工作原理Fig.1 Working principle of Ground Penetrating Radar(GPR)

3 正演模擬

3.1 正演方法

GPR正演模擬采用時(shí)間域有限差分法(FDTD)[14]。FDTD將Maxwell方程中的微分算符利用二階精度的中心差分近似，模擬計(jì)算電磁波在介質(zhì)中傳播以及遇到不良地質(zhì)體反射的過程。FDTD采用PML吸收邊界條件，使得計(jì)算可以在有限的空間范圍內(nèi)進(jìn)行，這樣就可以降低程序?qū)τ?jì)算機(jī)硬件的要求。

正演模擬步驟為：

(1) 確定不良體模型尺寸，主要依據(jù)隧道施工中常見不良體發(fā)育規(guī)模。

(2) 確定GPR天線頻率f0，主要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的探測(cè)深度和精度要求。

(3) 計(jì)算模擬區(qū)域的相對(duì)介電常數(shù)εr，磁導(dǎo)率μ，電導(dǎo)率σ。

(4) 劃分離散網(wǎng)格，根據(jù)理論求出網(wǎng)格步長(zhǎng)Δx和Δy及時(shí)間步長(zhǎng)Δt。

(5)根據(jù)探測(cè)深度確定時(shí)間窗口大小。

(6)給定發(fā)射天線和接收天線的坐標(biāo)位置、天線距、移動(dòng)步長(zhǎng)。

(7)GPR模擬頻率為100 MHz。

(8)迭代計(jì)算，輸出結(jié)果。

3.2 理論模型設(shè)計(jì)

隧道施工中，常遇地質(zhì)災(zāi)害主要包括：因斷層破碎帶引起的圍巖失穩(wěn)坍塌、因溶洞空腔引起的洞室塌陷、因含水巖溶引起的涌水突水等。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了隧道環(huán)境下的水平破碎帶、傾斜破碎帶、空腔溶洞和含水溶洞的4種理論模型，如圖2所示。具體參數(shù)見表1和表2。

圖2 層間破碎帶模型和溶洞模型Fig.2 Models of fracture zones and limestone caves

介質(zhì)類型相對(duì)介電常數(shù)εr電導(dǎo)率σ/(S·m-1)相對(duì)磁導(dǎo)率μr空氣101水811×10-4～3×10-21破碎帶253×10-31灰?guī)r71×10-91

表2 不良地質(zhì)體模型參數(shù)Table 2 Parameters of bad geological model

3.3 正演模擬結(jié)果

層間破碎帶模型和溶洞模型的正演模擬結(jié)果如圖3所示。

從圖3(a)可以發(fā)現(xiàn)：雷達(dá)剖面頂部同相軸為沿工作面的直達(dá)波；水平破碎帶上下兩層界面反射同相軸清晰，上層反射界面距掌子面10 m處，與模型破碎帶位置一致，下層反射界面距掌子面14 m處，比模型位置遠(yuǎn)2 m；層間破碎帶厚度大于實(shí)際厚度，且上層反射界面振幅能量大于下層反射界面，推斷電磁波在破碎帶區(qū)域中傳播能量被吸收，且發(fā)生衰減和受散射所影響；從雷達(dá)剖面圖中可以清晰分辨出層間破碎帶處于工作面前方，為平行的水平狀態(tài)。

從圖3(b)中可以發(fā)現(xiàn)：右傾破碎帶上下界面的反射波同相軸清晰可辨，上層反射界面位置與模型一致，下層反射界面位置下移，模擬出的右傾破碎帶厚度大于實(shí)際厚度；上層反射界面振幅能量大于下層反射界面振幅，分析其原因與水平破碎帶模擬結(jié)果類似；破碎帶傾斜角度小于實(shí)際層間破碎帶的傾斜角度，說明雷達(dá)波在角度判斷中存在一定偏差。

從圖3(c)可以發(fā)現(xiàn)：雷達(dá)剖面頂部同相軸為沿工作面的直達(dá)波；在距離工作面10 m處出現(xiàn)強(qiáng)反射界面，且界面呈雙曲弧形狀，弧形頂點(diǎn)距工作面9 m，該位置對(duì)應(yīng)為溶洞的頂點(diǎn)；溶洞的下邊界面反射不明顯，電磁波能量衰減較快，無多次反射界面。

從圖3(d)中可以發(fā)現(xiàn)：在深度為10 m處出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)反射界面，且界面呈雙曲弧形，與溶洞所處位置相對(duì)應(yīng)，弧形頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)溶洞的上部頂點(diǎn)；雷達(dá)波在傳播過程中發(fā)生多次反射，如圖中深度17.5 m處和25 m處分別產(chǎn)生2次和3次反射；由于透射進(jìn)入含水溶洞的雷達(dá)波能量極弱，未能見到溶洞下表面的反射波界面，說明雷達(dá)波在溶洞發(fā)育深度判斷中存在一定缺陷。

圖3 層間破碎帶模型和溶洞模型正演結(jié)果Fig.3 Forward simulation results of fracture zones and limestone caves

上述正演模擬結(jié)果證明GPR在短距離內(nèi)識(shí)別破碎帶、溶洞等不良地質(zhì)體的位置和水平發(fā)育情況上效果比較明顯，而對(duì)于不良地質(zhì)體垂直發(fā)育情況以及傾斜角度方面還存在一定的局限性?？傊淼揽臻g不良地質(zhì)體雷達(dá)波場(chǎng)特征能夠?yàn)閷?shí)際探測(cè)提供有效的判別依據(jù)。

4 工程應(yīng)用

下面分別以安江高速公路GY隧道、DY隧道和DAP隧道的GPR超前預(yù)報(bào)為例，以詳細(xì)的工作面地質(zhì)素描為基礎(chǔ)，利用加拿大EKKO PRO型雷達(dá)及100 MHz天線，以0.2 m采樣點(diǎn)距進(jìn)行測(cè)試，結(jié)合隧道不良地質(zhì)體雷達(dá)剖面特征分析了實(shí)測(cè)GPR資料，對(duì)隧道工作面前方的空腔溶洞、含水溶洞和破碎帶等不良地質(zhì)體進(jìn)行了成功預(yù)報(bào)，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。

4.1 含水溶洞

GY隧道設(shè)計(jì)為一座上下行分離式隧道。右線起訖樁號(hào)K108+067—K111+100，長(zhǎng)3 033 m，最大埋深約207 m。根據(jù)勘查和地面地質(zhì)調(diào)查資料，隧址區(qū)覆蓋層主要為第四系殘坡積紅黏土，進(jìn)出口分布范圍及厚度較大，出露地層巖性為寒武系金頂山組砂巖、頁(yè)巖，寒武系明心寺組石灰?guī)r、頁(yè)巖。

4.1.1 地質(zhì)素描

隨著數(shù)字化校園理念的提出，高校越來越重視信息化管理的重要性，利用數(shù)字化、信息化等技術(shù)手段對(duì)高校固定資產(chǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，準(zhǔn)確地掌握固定資產(chǎn)的使用現(xiàn)狀，從而進(jìn)行合理配置，避免固定資產(chǎn)大批量閑置，發(fā)揮固定資產(chǎn)最大效益，為高校實(shí)現(xiàn)自身資源的優(yōu)化配置奠定基礎(chǔ)。

圖4 GY隧道地質(zhì)素描示意圖Fig.4 Geologic sketch of GY tunnel

GY隧道進(jìn)口左洞工作面樁號(hào)為K109+593。巖性為中風(fēng)化石灰?guī)r，灰色；節(jié)理裂隙較發(fā)育，圍巖整體較完整，局部較破碎。工作面非常潮濕，錘擊聲音清脆，略有回彈，較難擊碎，為硬巖。地質(zhì)素描如圖4所示。

4.1.2 GY隧道GPR剖面解譯

在隧道工作面前方2～4 m(樁號(hào)K109 + 595—K109+597)段反射同相軸呈雙曲弧形，剖面向下陸續(xù)有雙曲弧形反射(圖5(a))，與正演模擬結(jié)果(圖3(d))相對(duì)應(yīng)，再結(jié)合地質(zhì)素描中工作面十分潮濕的情況，推斷前方2～4 m有含水溶洞發(fā)育。實(shí)際開挖至樁號(hào)K109+595處，挖到溶洞，直徑在1 m左右，有水體流出，具體位于工作面下部偏左處(圖5(b))。

圖5 GY隧道GPR剖面圖與實(shí)際開挖照片F(xiàn)ig.5 GPR profile and excavation photo of GY tunnel

4.2 空腔溶洞

DAP隧道設(shè)計(jì)為一座上下行分離式短隧道，右線隧道起訖樁號(hào)K115+065—K115+500，長(zhǎng)435 m，最大埋深88 m。隧址區(qū)覆蓋層主要為素填土及第四系殘坡積紅黏土，分布范圍及厚度較小，部分段基巖出露，出露地層巖性為震旦系上統(tǒng)燈影組淺灰色中厚—厚層狀白云巖。

4.2.1 地質(zhì)素描

圖6 DAP隧道地質(zhì)素描示意圖Fig.6 Geologic sketch of DAP tunnel

圖7 DAP隧道GPR剖面圖與實(shí)際開挖照片F(xiàn)ig.7 GPR profile and excavation photo of DAP tunnel

4.2.2 DAP隧道GPR剖面解譯

在隧道工作面前方2～3 m(樁號(hào)YK115+129— YK115+131)段，有1條十分明顯的雙曲弧形反射，弧形內(nèi)視波長(zhǎng)變短(圖7(a))，與正演模擬結(jié)果(圖3(c))相對(duì)應(yīng)，再結(jié)合地質(zhì)素描情況，推斷該處空腔溶洞發(fā)育。實(shí)際開挖至樁號(hào)YK115+130處發(fā)現(xiàn)溶洞，直徑為0.5 m左右，內(nèi)部無充填物(圖7(b))。

4.3 溶蝕破碎帶

DY隧道設(shè)計(jì)為一座進(jìn)口段小凈距中隧道，右幅隧道起訖樁號(hào)K122+932—K123+500，長(zhǎng)568 m，最大埋深118 m。隧道穿越地層為震旦系上統(tǒng)燈影組白云巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、黏土頁(yè)巖等，白云巖風(fēng)化面呈刀砍狀，局部表面風(fēng)化成砂礫，其中白云巖巖質(zhì)較堅(jiān)硬，但溶蝕較發(fā)育，炭質(zhì)頁(yè)巖、黏土頁(yè)巖工程地質(zhì)性質(zhì)較差。

4.3.1 地質(zhì)素描

圖8 DY隧道地質(zhì)素描示意圖Fig.8 Geologic sketch of DY tunnel

DY隧道工作面樁號(hào)為K123+391。巖性為中風(fēng)化白云巖，灰色，略帶淺黃色；工作面頂部主要發(fā)育2條結(jié)構(gòu)面，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，呈碎裂狀松散結(jié)構(gòu)；圍巖穩(wěn)定性較差，易發(fā)生松動(dòng)變形和掉塊；工作面干燥，錘擊聲音較悶，略有回彈，較易擊碎，為較軟巖。地質(zhì)素描如圖8所示。

4.3.2 DY隧道GPR剖面解譯

在隧道工作面前方5～7 m(樁號(hào)YK123+396—YK123+398)段，有2條平行的強(qiáng)反射同相軸，視波長(zhǎng)變長(zhǎng)(圖9(a))，與正演模擬結(jié)果(圖3(a))相對(duì)應(yīng)，再結(jié)合工作面結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體破碎的地質(zhì)素描結(jié)果，推斷該異常為一條溶蝕破碎帶。實(shí)際開挖至樁號(hào)YK123+398處發(fā)育白云質(zhì)溶蝕破碎帶(圖9(b))。

圖9 DY隧道GPR剖面圖與實(shí)際開挖照片F(xiàn)ig.9 GPR profile and excavation photo of DY tunnel

5 結(jié) 論

通過本文研究可以得出如下結(jié)論：

(1) 隧道不良地質(zhì)體雷達(dá)波場(chǎng)特征能夠?yàn)閷?shí)際探測(cè)提供有效判別依據(jù)。

(2) 隧道工作面地質(zhì)素描可以為GPR資料解譯提供參考依據(jù)，例如巖性、結(jié)構(gòu)面和裂隙發(fā)育情況、滲水情況等。

(3) GPR在短距離內(nèi)識(shí)別破碎帶、溶洞等不良地質(zhì)體的位置和水平發(fā)育情況上效果比較明顯，而對(duì)于不良地質(zhì)體垂直發(fā)育情況以及傾斜角度方面存在一定的局限性。

(4) 以詳細(xì)的工作面地質(zhì)素描為基礎(chǔ)，利用隧道不良地質(zhì)體雷達(dá)剖面特征對(duì)實(shí)測(cè)GPR資料進(jìn)行分析，可以獲得較好的超前預(yù)報(bào)結(jié)果。

[1] 孫柏林,張 騫,張乾青，等.充填型巖溶隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案優(yōu)選[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào),2014,10(增1):1728-1734.

[2] 林傳年.巖溶隧道綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)應(yīng)用研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào),2008,4(6):1086-1090.

[3] 崔德海,楊慶波.宜萬鐵路隧底巖溶探查物探技術(shù)應(yīng)用研究[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào),2009,(2):80-84,98.

[4] 趙云威,朱自強(qiáng),魯光銀,等.地質(zhì)雷達(dá)在玄武巖地區(qū)溶洞勘察中的應(yīng)用[J]. 公路工程,2012,37(3):204-208.

[5] 陳 松,周黎明,羅士新.基于隧道超前預(yù)報(bào)的GPR正演模擬及應(yīng)用分析[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào),2015,32(9):128-133.

[6] 王振宇,程圍峰,劉 越,等.基于掌子面編錄和地質(zhì)雷達(dá)的綜合超前預(yù)報(bào)技術(shù)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(增2):3549-3557.

[7] 吳寶杰,田 鋼.基于matlab的pulseEKKO PRO型地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)讀取與顯示[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào),2006,3(5):381-385.

[8] 張家松,朱自強(qiáng),魯光銀,等.偏移成像與希爾伯特變換在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)隧道裂隙流水通道中的應(yīng)用[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展,2012,27(6): 2722-2728.

[9] 張英德,劉江平,劉良瓊.Hilbert 變換在地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào), 2004,1(4):349-352.

[10] 劉東坤,巨能攀,霍宇翔.地質(zhì)雷達(dá)在不同介質(zhì)填充下的頻譜差異分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013,50(5)：23-28.

[11] 劉 偉,周 斌,甘伏平，等.隧道超前預(yù)報(bào)中不同性質(zhì)充填溶洞地質(zhì)雷達(dá)正演實(shí)驗(yàn)研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(1)：153-158.

[12] 王兆磊,周 輝,李國(guó)發(fā).用地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)資料反演二維地下介質(zhì)的方法[J].地球物理學(xué)報(bào),2007,50(3):897-904.

[13] 韓浩東,丁建芳,郭如軍.隧道底部不良地質(zhì)體的地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)數(shù)值模擬及應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(1):159-163.

[14] YEE K S. Numerical Solution of Initial Boundary Value Problems Involving Maxwell’s Equations in Isotropic Media[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 1966,14(3): 302-307.