李怡哲 王 威 謝逸超

(1.武漢工程大學郵電與信息工程學院 武漢 430073；2.武漢工程大學土木工程與建筑學院 武漢 430074； 3.湖北省宜昌市夷陵區(qū)公路管理局 宜昌 443100)

隧道施工[1]過程中，由于掌子面前方圍巖地質(zhì)情況復雜，經(jīng)常會遇到巖溶發(fā)育區(qū)、斷層破碎帶、地下水富集區(qū)及高應力帶、大小偏壓區(qū)等不良地質(zhì)體，從而導致隧道塌方、巖爆、突泥突水等地質(zhì)災害，在隧道工程建設初期，一般都會進行工程地質(zhì)勘察，但受條件、技術(shù)及成本的限制，地質(zhì)勘察結(jié)果往往與實際情況存在一定偏差，因此，在隧道施工階段進行超前地質(zhì)預報十分必要。

目前，針對地質(zhì)雷達超前地質(zhì)預報的研究較多，胡先進等[2]將典型地質(zhì)現(xiàn)象對應的雷達圖像與現(xiàn)場實際情況進行對比分析，成果顯著，但其對于波形圖的振幅、頻率與不同地質(zhì)情況之間的對應關(guān)系分析不夠深入，如何通過地質(zhì)雷達波形圖有效識別不同地質(zhì)現(xiàn)象方面仍有待完善。巫克霖等[3]運用探地雷達對地質(zhì)復雜環(huán)境下富水區(qū)進行了超前地質(zhì)預報，因水與巖土體介電常數(shù)存在較大差異，水巖界面反射強烈，反射波異常明顯，對比了富水區(qū)和干燥區(qū)雷達波形圖的異同，對超前地質(zhì)預報中地下水的判斷有參考價值。

基于前人的研究基礎，本文對掌子面斜向節(jié)理發(fā)育區(qū)及富水帶2種不同地質(zhì)條件進行超前地質(zhì)預報，分析比較雷達波形圖在2種不同地質(zhì)條件下的振幅頻率變化特征，對雷達波形圖進行全面詳細地解譯，對Reflexw軟件進行雷達波的后處理步驟進行一定優(yōu)化，對數(shù)據(jù)采集方法及過程進行說明，最后對掌子面進行開挖驗證，以進一步證實在短距離超前地質(zhì)預報中采用地質(zhì)雷達探測法的準確性。

1 地質(zhì)雷達超前預報原理

地質(zhì)雷達利用發(fā)射天線向介質(zhì)發(fā)射高頻電磁波(當電磁波遇到電性差異界面時將發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，同時介質(zhì)對電磁波也會產(chǎn)生吸收、濾波和散射作用)，用接收天線接收反射波并做記錄，采用雷達信號處理軟件進行數(shù)據(jù)后處理，根據(jù)處理后的雷達圖像結(jié)合工程地質(zhì)及地球物理特征進行推斷解釋，對掌子面前方的工程地質(zhì)情況做出預測。探測原理如圖1所示。

圖1 探測原理圖

2 地質(zhì)超前預報方法及步驟

2.1 準備工作

進行地質(zhì)雷達探測之前，首先要對探測場地進行清理，確保隧道掌子面平整且周邊環(huán)境利于開展探測，將地質(zhì)雷達安裝連接，調(diào)試雷達功能是否正常。

2.2 測線布置

在確認檢測環(huán)境良好且雷達功能正常后，應對測線進行布置，測線布置方式靈活多樣，原則是能有效探測隧道掌子面前方開挖全斷面地質(zhì)情況，一般有“十”字形布置，即以拱頂為中心，橫、豎各布置1條測線，或采用“=”形布置，從左至右，從右至左各布置1條測線，在圍巖條件較差區(qū)域可對測線進行適當加密。

2.3 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集時，雷達信號觸發(fā)方式有3種[4]。

1) 測距輪觸發(fā)方式，要求掌子面光滑平整，測距輪可以正常的在掌子面上滾動。

2) 時間觸發(fā)方式，雷達采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)按照相等的時間間隔自動發(fā)出電磁波并采集反射信號。

3) 點觸發(fā)方式，用電腦鍵盤發(fā)送指令給雷達數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，每點擊鍵盤1次，發(fā)射1次電磁波，相應地采集1次數(shù)據(jù)，然后將屏蔽天線按固定間距移動一下，再點擊鍵盤采集下1組數(shù)據(jù)，適合掌子面凹凸不平的工作環(huán)境。

2.4 參數(shù)的選取

現(xiàn)場采用IDS公司RIS-K2型地質(zhì)雷達，主要參數(shù)為天線頻率80 MHz，點距0.10 m，采樣點數(shù)1 024，時窗600 ns，具體記錄時間、采樣頻率、疊加次數(shù)可根據(jù)隧道進行適當調(diào)整，在超前地質(zhì)預報初期進行標定。

2.5 數(shù)據(jù)后處理及解譯

雷達數(shù)據(jù)采集完成后，要對采集的數(shù)據(jù)進行后處理[5]，本文采用Reflexw軟件對數(shù)據(jù)進行后處理，優(yōu)化后分6步進行：①減平均值，去偏移信號；②靜校正；③去水平信號，背景去噪；④進行增益；⑤帶通濾波；⑥去毛刺噪聲，取滑動平均。

目前，地質(zhì)雷達的使用已經(jīng)較為普遍，為雷達圖像的解譯積累了一些經(jīng)驗，但由于隧道內(nèi)工程地質(zhì)情況復雜，單一地從雷達波形角度對隧道圍巖進行解譯并不是非常準確，需要將雷達圖像解譯同現(xiàn)場地質(zhì)觀察及地勘資料相結(jié)合，才能提高解譯及預報的準確性。雷達圖像解譯主要是對后處理的波形圖進行分析和解讀，主要的判斷參數(shù)有雷達波的波形、波速、振幅、頻率、相位變化情況，以及同相軸是否連續(xù)、電磁波能量吸收情況等。

2.6 現(xiàn)場開挖驗證

當隧道開挖到預報里程時，可以對雷達圖像的解譯進行驗證，將預測結(jié)果與現(xiàn)場實際地質(zhì)情況進行對比，是一個經(jīng)驗積累的過程。

3 工程實例

3.1 工程概況

勐遠3號隧道是小磨高速公路改擴建工程的1座單洞隧道，所在路段為在既有公路右側(cè)擴建，與既有公路基本平行，線間凈距離約70 m，既有公路與之鄰近的構(gòu)筑物主要為隧道。

勐遠3號隧道區(qū)海拔高程介于799.51～967.98 m之間,相對高差168.47 m,屬構(gòu)造剝蝕中低山地貌區(qū)，地形起伏較大。隧道區(qū)未見有地質(zhì)構(gòu)造的跡象。根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗及同類相似工程經(jīng)驗，隧道區(qū)第四系土劃分為中硬土類型,覆蓋層厚度3～50 m,綜合判定隧道區(qū)場地類別為II級。

根據(jù)地質(zhì)勘查報告，擬建隧道區(qū)范圍內(nèi)主要地層為第四系坡殘積(Qdl+el)粉質(zhì)黏土，硬塑狀態(tài)。含少量強風化砂巖碎石，切面粗糙，干強度較高，韌性一般，無搖振反應。場區(qū)內(nèi)多被該層覆蓋。承載力基本容許值250 kPa。三迭系中統(tǒng)易比組巖層：①石英砂巖，褐黃、青灰色，細粒結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造；②砂巖，褐黃、青灰色，細粒結(jié)構(gòu)，鈣泥質(zhì)膠結(jié)，薄～中厚層狀構(gòu)造。該層分布于隧道區(qū)大部分地段；③泥巖，灰綠、灰黑色，主要有黏土礦物組成。泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，中厚層狀構(gòu)造。

3.2 數(shù)據(jù)采集及雷達分辨率影響因素分析

現(xiàn)場采用意大利IDS公司RIS-K2型地質(zhì)雷達，結(jié)合掌子面施工情況，由于掌子面凹凸不平且中間預留核心土開挖，因此，采用點觸發(fā)式進行數(shù)據(jù)采集，檢測天線頻率為80 MHz，點距0.10 m，采樣點數(shù)1 024，時窗600 ns，結(jié)合現(xiàn)場施工條件及探測要求，測線采用“=”形布置，見圖2。

圖2 測線布置圖

影響地質(zhì)雷達分辨率的主要因素有2方面：①介質(zhì)波速的大?。虎诶走_波頻率的選擇。因此，在對勐遠3號隧道進行超前地質(zhì)預報前應進行雷達的隧道標定，即測定雷達波在該隧道中標準波速、頻率。

3.3 雷達波形圖分析解譯

選取勐遠3號隧道幾個典型的斷面進行研究分析，對采集的雷達圖像進行解譯，其中勐遠3號進口K92+870掌子面，預測里程K92+870-K92+890。其雷達波形圖中反映的斜向?qū)永硖卣髅黠@，與實際開挖吻合，雷達探測波形圖見圖3。

圖3 勐遠3號進口K92+870-K92+890段地質(zhì)雷達探測波形圖

通過地質(zhì)觀察，勐遠3號進口K92+870掌子面，圍巖以灰白色、黃褐色砂巖為主，強～中風化，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)松散，呈碎石狀碎裂結(jié)構(gòu)，受構(gòu)造影響嚴重，層間結(jié)合差，巖體很破碎，地下水含量不豐富，掌子面呈干燥狀，未見明顯滴水、滲水現(xiàn)象，總體上，圍巖穩(wěn)定性較差，基本無自穩(wěn)能力。

由圖3可見，掌子面前方區(qū)域電磁波整體反射較強烈，掌子面前方時間深度30～90 ns(構(gòu)造深度2～5 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，電磁波反射信號較強烈，振幅頻率變化較大，同相軸較連續(xù)，初步推測此區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間填充質(zhì)潮濕，巖體較破碎，局部可能含碎石、塊石；在掌子面前方時間深度90～180 ns(構(gòu)造深度5～10 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，靠近左邊墻區(qū)域，雷達電磁波信號逐漸由高頻向低頻過渡，振幅由大至小，同相軸較連續(xù)，初步推測此區(qū)域左邊墻一側(cè)節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部含泥質(zhì)填充，中間及右側(cè)完整性較好；在掌子面前方時間深度180～310 ns(構(gòu)造深度10～17 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，電磁波整體反射較強烈，斜向?qū)永硖卣髅黠@，振幅變化較大，同相軸較連續(xù)～斷續(xù)，結(jié)合地質(zhì)情況，初步推測此區(qū)域巖層走向從左至右呈斜向下方向，巖體較破碎，層間結(jié)合差，局部裂隙有潮濕泥質(zhì)充填；在掌子面前方時間深度310～360 ns(構(gòu)造深度17～20 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，電磁波反射較弱，振幅頻率變化不大，初步推測此區(qū)域巖性與掌子面基本一致，圍巖相對較穩(wěn)定。

總體上，本次超前地質(zhì)預報范圍內(nèi)(K92+870-K92+890段)掌子面前方圍巖穩(wěn)定性較差，開挖時側(cè)壁及拱頂易產(chǎn)生坍塌掉塊等現(xiàn)象，對施工安全不利，開挖前應對掌子面進行超前支護，加強襯砌，特別注意當遇到圍巖破碎區(qū)、地下水較豐富區(qū)域及巖層走向發(fā)生改變區(qū)域時，應實施信息化動態(tài)施工，采取小進尺開挖，防止圍巖失穩(wěn)坍塌等。

對于勐遠3號進口K92+950掌子面及K93+131掌子面，兩者因地下水存在顯著差異，將各自預測區(qū)段的雷達波形圖及單道波圖導出見圖4、圖5。

圖4 K92+950

由圖4可見，在掌子面K92+950前方時間深度20～180 ns(構(gòu)造深度1.5～3 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，電磁波能量分布不均勻，局部衰減較快，振幅較寬，同相軸較連續(xù)～斷續(xù)，初步推測此區(qū)域節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間填充質(zhì)潮濕，地下水較豐富，局部存在點滴狀滲水等現(xiàn)象。在掌子面前方時間深度110～420 ns(構(gòu)造深度6～23 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，靠近右邊墻區(qū)域，縱向深度范圍電磁波反射強烈，振幅較高、較寬，能量衰減較快，從單道波可以看出電磁波高頻部分被吸收，以低頻成分為主。綜合判斷，推測K92+950掌子面前方區(qū)域為富水帶，地下水豐富，節(jié)理裂隙發(fā)育，填充質(zhì)潮濕，圍巖穩(wěn)定性較差，開挖后局部可能出現(xiàn)線流等現(xiàn)象。

由圖5可見，在掌子面K93+131前方時間深度50～160 ns(構(gòu)造深度3～7.2 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內(nèi)，中部偏右區(qū)域，局部電磁波存在小幅震蕩信號，同相軸不連續(xù)。從單道波可以看出，電磁波振幅較大，頻率較高，能量衰減有一定規(guī)律，衰減較慢。推測此區(qū)域巖體較完整，局部存在少量節(jié)理裂隙，地下水不豐富，圍巖較穩(wěn)定。

對比富水區(qū)電磁波雷達圖像與干燥區(qū)電磁波雷達圖像，發(fā)現(xiàn)兩者存在明顯差異，富水區(qū)能量團分布不規(guī)律，能量衰減較快，且高頻信號被吸收，以低頻信號為主，振幅較高、較寬。干燥區(qū)能量按一定規(guī)律衰減，衰減較慢。電磁波振幅較大，頻率較高，波形均一，同相軸連續(xù)。

3.4 現(xiàn)場開挖驗證

為了驗證地質(zhì)雷達在地質(zhì)超前預報中預測結(jié)果的準確度，采用現(xiàn)場開挖驗證法[6]，對于斜向?qū)永硖卣髅黠@的區(qū)段，選取對應掌子面后方1個斷面進行驗證。對于富水區(qū)斷面開挖對比，以驗證雷達圖像推測是否準確。

通過現(xiàn)場開挖驗證，可以看到K92+880斷面巖層走向呈明顯的傾斜式走向，圍巖呈片狀層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部含泥質(zhì)膠結(jié)，巖質(zhì)偏硬，圍巖穩(wěn)定性較差，驗證了地質(zhì)雷達在超前預報中對巖層走向及圍巖破碎情況預測結(jié)果與實際基本一致。

通過開挖驗證，可以明顯看出K92+953斷面地下水豐富，局部呈淋雨狀滴水，圍巖潮濕，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性較差，開挖時易產(chǎn)生坍塌掉塊等現(xiàn)象。驗證了地質(zhì)雷達波形圖對圍巖的推測。

開挖驗證結(jié)果表明，地質(zhì)雷達對圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育情況、巖體破碎程度的預測與實際情況基本吻合，巖層走向預測結(jié)果與實際情況也基本一致，地下水豐富程度與預測基本相符，從而說明了地質(zhì)雷達在短距離超前地質(zhì)預報中辨識度較強，精度較高，預報結(jié)果較準確。

4 結(jié)語

1) 地質(zhì)雷達在進行短距離(20～30 m)的隧道超前地質(zhì)預報中準確率較高，能夠有效地探測隧道掌子面前方圍巖情況，通過對可能存在的不良地質(zhì)(如溶洞、巖層破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)、地下水富集區(qū)、巖性變化區(qū)等)的區(qū)域進行超前預測，對隧道安全施工起到參考及保障作用。

2) 通過對地質(zhì)雷達波形圖的解譯進行深入研究，結(jié)果表明，在斜向節(jié)理發(fā)育區(qū)，電磁波整體反射強烈，斜向?qū)永硖卣髅黠@，振幅變化較大，同相軸較連續(xù)～斷續(xù)，在富水區(qū)，縱向深度范圍電磁波反射強烈，振幅較高、較寬，能量衰減較快，單道波可以看出電磁波高頻部分被吸收，以低頻成分為主。

3) 針對勐遠3號隧道施工環(huán)境選擇了點測法，并布置了多條測線進行數(shù)據(jù)采集。對數(shù)據(jù)的后處理步驟進行了優(yōu)化，結(jié)合工程實際，對雷達圖像進行解譯，積累了經(jīng)驗。

4) 在勐遠3號隧道施工過程中，全程跟進、使用地質(zhì)雷達進行了超前地質(zhì)預報，取得了良好的效果，準確地預測出多處地質(zhì)不良段，有效地彌補了勘查時存在的不足及不準確的情況，對隧道施工過程的安全性及經(jīng)濟性起到了重要作用。