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情況復雜，經常會遇到巖溶發(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)等不良地質體，從而導致隧道塌方、巖爆、突泥突水等地質災害，在隧道工程建設初期，一般都會進行工程地質勘察，但受條件、技術及成本的限制，地質勘察結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預報十分必要。

目前，針對地質雷達超前地質預報的研究較多，胡先進等[2]將典型地質現(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、頻率與不同地質情況之間的對應關系分析不夠深入，如何通過地質雷達波形圖有效識別不同地質現(xiàn)象方面仍有待完善。巫克霖等[3]運用探地雷達對地質復雜環(huán)境下富水區(qū)進行了超前地質預報，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種不同地質條件進行超前地質預報，分析比較雷達波形圖在2種不同地質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預報中采用地質雷達探測法的準確性。

1 地質雷達超前預報原理

地質雷達利用發(fā)射天線向介質發(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，同時介質對電磁波也會產生吸收、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)據后處理，根據處理后的雷達圖像結合工程地質及地球物理特征進行推斷解釋，對掌子面前方的工程地質情況做出預測。探測原理如圖1所示。

圖1 探測原理圖

2 地質超前預報方法及步驟

2.1 準備工作

進行地質雷達探測之前，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，將地質雷達安裝連接，調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)據采集

數(shù)據采集時，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，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，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)可根據隧道進行適當調整，在超前地質預報初期進行標定。

2.5 數(shù)據后處理及解譯

雷達數(shù)據采集完成后，要對采集的數(shù)據進行后處理[5]，本文采用Reflexw軟件對數(shù)據進行后處理，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，地質雷達的使用已經較為普遍，為雷達圖像的解譯積累了一些經驗，但由于隧道內工程地質情況復雜，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)場地質觀察及地勘資料相結合，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，將預測結果與現(xiàn)場實際地質情況進行對比，是一個經驗積累的過程。

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)未見有地質構造的跡象。根據地區(qū)經驗及同類相似工程經驗，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。

根據地質勘查報告，擬建隧道區(qū)范圍內主要地層為第四系坡殘積(Qdl+el)粉質黏土，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，細粒結構，中厚層狀構造；②砂巖，褐黃、青灰色，細粒結構，鈣泥質膠結，薄～中厚層狀構造。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。泥質結構，泥質膠結，中厚層狀構造。

3.2 數(shù)據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型地質雷達，結合掌子面施工情況，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

影響地質雷達分辨率的主要因素有2方面：①介質波速的大??；②雷達波頻率的選擇。因此，在對勐遠3號隧道進行超前地質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層理特征明顯，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段地質雷達探測波形圖

通過地質觀察，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，中厚層狀構造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，結構松散，呈碎石狀碎裂結構，受構造影響嚴重，層間結合差，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(構造深度2～5 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內，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(構造深度5～10 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內，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)域左邊墻一側節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部含泥質填充，中間及右側完整性較好；在掌子面前方時間深度180～310 ns(構造深度10～17 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內，電磁波整體反射較強烈，斜向層理特征明顯，振幅變化較大，同相軸較連續(xù)～斷續(xù)，結合地質情況，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，層間結合差，局部裂隙有潮濕泥質充填；在掌子面前方時間深度310～360 ns(構造深度17～20 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內，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，本次超前地質預報范圍內(K92+870-K92+890段)掌子面前方圍巖穩(wěn)定性較差，開挖時側壁及拱頂易產生坍塌掉塊等現(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(構造深度1.5～3 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內，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(構造深度6～23 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內，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(構造深度3～7.2 m，參考電磁波速0.1 m/ns)范圍內，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

為了驗證地質雷達在地質超前預報中預測結果的準確度，采用現(xiàn)場開挖驗證法[6]，對于斜向層理特征明顯的區(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，圍巖呈片狀層狀構造，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部含泥質膠結，巖質偏硬，圍巖穩(wěn)定性較差，驗證了地質雷達在超前預報中對巖層走向及圍巖破碎情況預測結果與實際基本一致。

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，結構松散，穩(wěn)定性較差，開挖時易產生坍塌掉塊等現(xiàn)象。驗證了地質雷達波形圖對圍巖的推測。

開挖驗證結果表明，地質雷達對圍巖節(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，從而說明了地質雷達在短距離超前地質預報中辨識度較強，精度較高，預報結果較準確。

4 結語

1) 地質雷達在進行短距離(20～30 m)的隧道超前地質預報中準確率較高，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(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) 通過對地質雷達波形圖的解譯進行深入研究，結果表明，在斜向節(jié)理發(fā)育區(qū)，電磁波整體反射強烈，斜向層理特征明顯，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)據采集。對數(shù)據的后處理步驟進行了優(yōu)化，結合工程實際，對雷達圖像進行解譯，積累了經驗。

4) 在勐遠3號隧道施工過程中，全程跟進、使用地質雷達進行了超前地質預報，取得了良好的效果，準確地預測出多處地質不良段，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濟性起到了重要作用。