地質(zhì)雷達(dá)在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

貴州省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 胡先進(jìn) 鄒啟學(xué) 吳 瑾 夏曉勇

地質(zhì)雷達(dá)在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

貴州省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 胡先進(jìn) 鄒啟學(xué) 吳 瑾 夏曉勇

隧道是鐵路、公路、水電等建設(shè)項(xiàng)目中的常見工程。隨著建設(shè)工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧道工程的埋深、數(shù)量、長度和跨度也在不斷增加，大大增加了隧道勘察工作的難度。為此，地質(zhì)雷達(dá)近年來在隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中逐漸得到推廣。

一、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理及方法

1.探測(cè)原理。地質(zhì)雷達(dá)方法是指利用高頻電磁波，以脈沖形式通過發(fā)射天線定向地向地下發(fā)射。電磁波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，當(dāng)遇到存在電性差異介質(zhì)的界面會(huì)發(fā)生反射，返回地面后由接收天線接收，并由采集系統(tǒng)以數(shù)字形式記錄下來。通過處理采集數(shù)據(jù)，可以獲得時(shí)間或深度剖面；根據(jù)記錄到的反射波的到達(dá)時(shí)間和求得的電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，可以確定反射界面或目標(biāo)體的深度；同時(shí)根據(jù)反射波同向軸的形態(tài)及其振幅的相對(duì)強(qiáng)弱變化等因素，可以判斷目標(biāo)體的性質(zhì)及空間規(guī)模，從而達(dá)到對(duì)地層或地下目標(biāo)體的探測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)的工作原理如圖1所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

2.探測(cè)方法。測(cè)線主要布置在隧道掌子面上，在探測(cè)過程中可采用兩橫兩豎或一橫三豎的布線方式，必要時(shí)可加密雷達(dá)測(cè)線，或在隧道開挖底板或側(cè)壁布置雷達(dá)測(cè)線，以增加雷達(dá)的原始數(shù)據(jù)信息量，保證探測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

地質(zhì)雷達(dá)測(cè)量通常采用點(diǎn)測(cè)和連測(cè)兩種方式。點(diǎn)測(cè)法主要適用于隧道掌子面較為粗糙、凹凸不平的工作環(huán)境，要求天線按固定的距離移動(dòng)才能保證采集數(shù)據(jù)的剖面寬度與測(cè)線長度一致；連測(cè)方式是通過測(cè)距輪的滾動(dòng)或預(yù)先設(shè)置好的時(shí)間間隔自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，適用于較光滑的掌子面。由于隧道掌子面工作環(huán)境較差，一般情況下均采用點(diǎn)測(cè)法。

二、工程應(yīng)用實(shí)例

龍井隧道為貴州省思南至劍河高速公路中的一條公路隧道。隧道場(chǎng)區(qū)地處云貴高原向湘西丘陵及廣西丘陵過渡的斜坡地帶，隧道主要穿越奧陶系下統(tǒng)大灣組（Q1d）泥灰?guī)r、紅花園組（Q1h）灰?guī)r、桐梓組（Q1t）白云質(zhì)灰?guī)r。由于地質(zhì)情況較為復(fù)雜，查明隧道掌子面前方巖溶、巖體破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶、地下水等不良地質(zhì)非常重要。在龍井隧道的預(yù)報(bào)過程中，采用美國GSSI生產(chǎn)的SIR20型地質(zhì)雷達(dá)，100 MHz 主頻天線，采樣點(diǎn)數(shù)為512，采樣窗口長400 ns，介電常數(shù)、掃描率等參數(shù)根據(jù)隧道掌子面地質(zhì)情況進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。下面，筆者就龍井隧道預(yù)報(bào)實(shí)例簡單介紹幾個(gè)典型的地質(zhì)情況。

1.節(jié)理裂隙密集帶。節(jié)理裂隙密集帶主要存在于斷層影響帶、巖脈帶及軟弱夾層中，由于裂隙內(nèi)有不同成分、不均勻的充填物，與周邊圍巖形成電性差異。當(dāng)雷達(dá)電磁波傳播到裂隙表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的界面反射波，同相軸的連續(xù)性反映了裂隙面是否平直、連續(xù)；在穿越裂隙的過程中會(huì)產(chǎn)生繞射、散射、波形雜亂、波幅變化大等現(xiàn)象，反映了裂隙內(nèi)充填物的不均勻性。在龍井隧道出口ZK88＋220 處掌子面進(jìn)行探測(cè)時(shí)，得到圖2 – a所示的雷達(dá)圖像。從圖中可以看出，雷達(dá)波在ZK88＋220－ZK88＋233 范圍內(nèi)反射較強(qiáng)，反射波同相軸規(guī)整度較差，且波形細(xì)碎、雜亂，雷達(dá)波能量衰減也較快，結(jié)合掌子面地質(zhì)情況推測(cè)ZK88＋220－ZK88＋233里程段為節(jié)理裂隙密集帶，圍巖穩(wěn)定性差，建議施工單位在本段施工時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎掘進(jìn)，并做好加強(qiáng)支護(hù)。后經(jīng)開挖驗(yàn)證，該段巖體呈薄層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育。該段發(fā)育狀況如圖2 – b所示。

圖2 節(jié)理裂隙密集帶探測(cè)狀況

2.巖溶。巖溶是指地表水和地下水對(duì)可溶性巖石所進(jìn)行的以化學(xué)溶解作用為主、機(jī)械侵蝕作用為輔的溶蝕作用，以及侵蝕–溶蝕作用和與之伴生的堆積作用的總稱。一般來說，溶洞雷達(dá)圖像特點(diǎn)是被溶洞側(cè)壁的強(qiáng)反射所包圍的弱反射空間，溶洞底界面的反射則不太明顯。當(dāng)溶洞為空洞或充水時(shí)，洞體內(nèi)雷達(dá)波幾乎是沒有反射的；當(dāng)溶洞充填覆蓋物質(zhì)時(shí)，則可見一組較短周期的細(xì)密的弱反射，這是由洞內(nèi)土體所產(chǎn)生的。

在龍井隧道進(jìn)口YK88＋580處掌子面進(jìn)行探測(cè)時(shí)，得到圖3所示的雷達(dá)圖像。從圖中可以看出，雷達(dá)波在YK88＋583－YK88＋591 里程段有一明顯雷達(dá)波反射異常區(qū)，該段雷達(dá)波反射較強(qiáng)，并且衰減較慢，反射區(qū)有明顯邊界。該段隧道穿越白云質(zhì)灰?guī)r地層，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)掌子面地質(zhì)情況和地勘資料，推測(cè)YK88＋583－YK88＋591里程段發(fā)育一溶洞，可能充水、充泥。后經(jīng)開挖驗(yàn)證，該段發(fā)育一溶洞，充泥一般，如圖5所示。

圖3 巖溶狀況

3.富水帶。隧道富水帶是指含水量大，開挖后可能產(chǎn)生涌水現(xiàn)象的段落。介電常數(shù)是雷達(dá)工作的基礎(chǔ)，水的相對(duì)介電常數(shù)為81，水的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于隧道巖體，預(yù)報(bào)中地質(zhì)雷達(dá)對(duì)水特別敏感。一般情況下地質(zhì)雷達(dá)探水有以下規(guī)律：雷達(dá)波對(duì)水和含水率高的介質(zhì)的反射強(qiáng)烈，反射波強(qiáng)度大；雷達(dá)波從其他介質(zhì)到含水層界面的反射波相位與入射波相反；雷達(dá)波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優(yōu)勢(shì)頻率降低。在龍井隧道出口ZK88＋310處掌子面進(jìn)行探測(cè)時(shí)，得到如圖4所示的雷達(dá)波圖像。從圖中可以看出，雷達(dá)波在掌子面前方ZK88＋313－ZK88＋323里程段衰減較快。結(jié)合隧道掌子面地質(zhì)情況和地勘資料，推測(cè)ZK88＋313－ZK88＋323里程段為富水帶。后經(jīng)開挖驗(yàn)證，該段地下水發(fā)育，呈線流狀出水，富水帶如圖4所示。

圖4 富水帶狀況

三、結(jié)論

1.地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)過程中，可準(zhǔn)確探測(cè)到各種不良地質(zhì)現(xiàn)象，如巖體破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶、地下水、巖溶等，且分辨率較高，能夠?yàn)樗淼腊踩┕ぬ峁┛煽康囊罁?jù)。

2.地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度和探測(cè)精度受巖體性質(zhì)影響較大，圍巖完整性越好，探測(cè)深度和探測(cè)精度就越高。

3.地質(zhì)雷達(dá)在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)時(shí)，易受施工現(xiàn)場(chǎng)干擾，特別是開挖臺(tái)車等金屬物的影響。因此，如何正確識(shí)別干擾，從而得到準(zhǔn)確的探測(cè)結(jié)果至關(guān)重要。

4.隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是地質(zhì)勘察工作的延續(xù)和補(bǔ)充。在使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)時(shí)，除了要采集高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和選擇合理的參數(shù)外，對(duì)于預(yù)報(bào)成果的解釋還必須要與地勘資料、掌子面地質(zhì)資料有機(jī)結(jié)合起來進(jìn)行綜合分析。同時(shí)對(duì)預(yù)報(bào)成果的正確解釋，還需要大量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和豐富的地質(zhì)、物探知識(shí)。