地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在隧道進(jìn)口段超前探測(cè)中的應(yīng)用

尚本峰，李永輝，浦少云

(1.貴州大學(xué) 國(guó)土資源部喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴陽 550025)

近年來，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入不斷增大，全國(guó)各地的高速鐵路、公路和地鐵建設(shè)進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)期。相應(yīng)地，隧道的修建與日俱增。在隧道開挖過程中，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，如穿過采空區(qū)、巖溶區(qū)、軟弱破碎帶等[1]，若事先未能探查清楚往往容易發(fā)生塌方、涌水等災(zāi)害性事件，不僅會(huì)影響施工進(jìn)度、增加隧道建設(shè)成本，甚至?xí)o施工單位帶來隧道施工安全等方面的隱患。因此，利用有效物探方法對(duì)隧道地質(zhì)情況進(jìn)行超前預(yù)報(bào)十分必要。目前，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)常用方法有地質(zhì)分析預(yù)報(bào)法、隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)(TSP)、探地雷達(dá)(Ground penetrating Radar，簡(jiǎn)稱 GPR)、瞬變電磁法、BEAM法等[2]。

從近些年國(guó)內(nèi)外探地雷達(dá)的應(yīng)用和發(fā)展情況來看，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在工程檢測(cè)中的應(yīng)用效果不錯(cuò)，前景也非常廣闊，同時(shí)考慮到地質(zhì)雷達(dá)設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)量快速、精度高、抗干擾能力強(qiáng)，因此采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道進(jìn)口段區(qū)域進(jìn)行超前預(yù)報(bào)是本文的首選方法[3]。

1 地質(zhì)雷達(dá)原理及參數(shù)

1.1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法為電磁波反射法，采用設(shè)備為地質(zhì)雷達(dá)。

地質(zhì)雷達(dá)是采用無線電波檢測(cè)地下介質(zhì)分布和對(duì)不可見目標(biāo)體或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁技術(shù)[4]。其工作原理為：高頻電磁波以寬頻帶脈沖形式，通過發(fā)射天線被定向發(fā)射，經(jīng)存在電性差異的目標(biāo)體反射或透射，由接收天線所接收，見圖1。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理圖Fig.1 Principle of geology prediction by geo-radar

電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性中有電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透(探測(cè))深度，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，所謂電性界面也就是電磁波傳播的速度界面。不同地質(zhì)體(物體)具有不同的電性，因此在不同電性地質(zhì)體的分界面上，都會(huì)形成電性界面，雷達(dá)信號(hào)傳播到電性界面時(shí)產(chǎn)生反射信號(hào)返回地面，通過接收反射信號(hào)到達(dá)地面的時(shí)間就可以推測(cè)地下介質(zhì)的變化情況。

高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性特征及幾何形態(tài)而變化。通過主機(jī)記錄下反射波到達(dá)的時(shí)間、相位、振幅、波長(zhǎng)等特征，再通過信號(hào)疊加放大、濾波降噪、圖像合成等數(shù)據(jù)加工處理手段，形成地下斷面的掃描圖像[5]。反射波波形的正負(fù)峰分別以黑白表示，或者以灰階或者彩色表示。這樣，同相軸或等灰線、等色線即可形象地表征出地下反射面或目標(biāo)體。在波形圖上各測(cè)點(diǎn)均以測(cè)線的鉛錘方向記錄波形，構(gòu)成雷達(dá)剖面[6]。通過對(duì)波形的分析，就可以確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

電磁波在相同介質(zhì)中的傳播速度V是不變的[7]，因此根據(jù)探地雷達(dá)記錄上的地面反射波與地下反射波的時(shí)間差T，即可計(jì)算出地下異常體的埋藏深度H，公式如下：

H=V·T/2

(1)

式中：V為電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度，其大小由式(2)表示：

(2)

式中：C為電磁波在大氣中的傳播速度，約為3×108m/s[7]；ε為相對(duì)介電常數(shù)，取決于地下各層構(gòu)成物質(zhì)的介電常數(shù)。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)

本文采用美國(guó)GSSI-3000型地質(zhì)雷達(dá)，雷達(dá)主要采用高頻、寬頻帶、短脈沖和高速采樣技術(shù)，儀器配置包括主機(jī)、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、計(jì)算機(jī)和電池包。該機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1) 主機(jī)。

量程:50～2 975 ns

發(fā)射脈沖重復(fù)頻率:115 kHz

掃描速度:56次/s

采樣:128,256,512/s

增益控制范圍:0～80 dB

動(dòng)態(tài)范圍:128 dB

濾波:用戶可選

檢測(cè)模式:連續(xù)

轉(zhuǎn)換:16位

數(shù)據(jù)傳輸:以太網(wǎng)接口

輸入電源:12 V

充電電池,10.5～13 V

電池容量:6.5 Ah

消耗電流:0.7 A

尺寸:35 cm×30 cm×5.5 cm

重量:3.0 kg

2) 天線。測(cè)試采用100 MHz屏蔽天線。

類型:藕極，空氣耦合

發(fā)射器輸出:200 V

接收器敏感性:50 mV

探測(cè)深度:10 m(75M)

尺寸:95 cm×12 cm×4 cm

重量:2～7 kg

3) 軟件。采集與分析軟件為同一軟件包，與本探測(cè)儀器系統(tǒng)配套。

2 工程實(shí)例

2.1 工程地質(zhì)條件

區(qū)域構(gòu)造線方向與地層總體走向一致，均為北北東向，地層傾向北西，傾角平緩，一般5°～15°。隧道區(qū)構(gòu)造主要受印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng)的影響，形成近東西向的背向斜、斷層和北北東向的斷層和褶曲構(gòu)造。

由于隧道施工區(qū)域的地質(zhì)復(fù)雜性,查明隧道掌子面前方巖層的裂隙、巖溶、斷層等不良地質(zhì)因素,對(duì)隧道進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)則顯得尤為必要。本次探測(cè)的主要目的是：探測(cè)隧道進(jìn)口段DK242+039～DK242+079范圍內(nèi)地表至隧道正洞的不良地質(zhì)體情況，為安全施工提供依據(jù)。

2.2 采集信號(hào)時(shí)注意事項(xiàng)

1) 進(jìn)行掌子面探測(cè)時(shí),要盡量保持掌子面的平整,以保證天線在移動(dòng)過程中能勻速移動(dòng)并能貼緊掌子面，否則容易造成采集信號(hào)的異常。

2) 在采集過程中，要及時(shí)記錄環(huán)境中的干擾信號(hào),如金屬管件、臺(tái)車等的反射信號(hào)。如不參考現(xiàn)場(chǎng)記錄，則很容易將其判斷為地質(zhì)異常體。在記錄過程中,要記錄干擾物的性質(zhì)及其與測(cè)線的位置關(guān)系,以便分析。

3) 天線移動(dòng)過程中要及時(shí)打碼,并且標(biāo)記位置準(zhǔn)確。

2.3 測(cè)線布置

在皇后嶺隧道進(jìn)口DK242+03～DK242+079段地表布置3條測(cè)線，測(cè)線1位于正洞中線左側(cè)約3 m，測(cè)線2位于隧道中線，測(cè)線3位于正洞中線右側(cè)約3 m。圖2為地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置圖。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線布置圖Fig.2 Line of geology prediction by geo-radar

2.4 數(shù)據(jù)處理

探測(cè)的雷達(dá)圖形常以脈沖反射波波形的形式記錄。由于隧道內(nèi)巖體構(gòu)成的復(fù)雜性及各種介質(zhì)對(duì)電磁波反射和吸收程度的差異,同時(shí)受到外界的各種干擾,使得接收天線接收到的雷達(dá)波后,振幅降低、波形雜亂,難以直接從圖像識(shí)別巖體的構(gòu)成,所以要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)處理。圖像處理包括增益調(diào)節(jié)、濾波處理以及反卷積處理等[8]，對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行預(yù)處理之后，最終得到各測(cè)線的成果圖，并據(jù)此進(jìn)行探測(cè)對(duì)象的地質(zhì)判斷。

2.5 探測(cè)結(jié)果分析

皇后嶺隧道進(jìn)口DK242+039～DK242+079段地表探測(cè)分析成果圖見圖3～圖5。

從圖3～圖5的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖可知，在DK242+039～DK242+079范圍內(nèi)局部存在異常區(qū)域，分析如下：

在有效測(cè)試范圍深度內(nèi)，雷達(dá)反射波反射較強(qiáng)且雜亂，部分區(qū)域有異常反射波，其中：

右線：DK242+039～DK242+049測(cè)線，路面，積水，距拱頂4.6 m。深2～5 m及深10 m以下反射較強(qiáng)烈，推測(cè)為巖體破碎。

DK242+039～DK242+049測(cè)線，地臺(tái)1，距拱頂8.1 m。DK242+049～DK242+051.5深8～15 m，DK242+56.5～DK242+60.5深14 m附近反射強(qiáng)烈，推測(cè)為巖土體軟弱破碎；DK242+049～DK242+059深8 m附近，DK242+63～DK242+69深9.5 m附近有異常界面反射，推測(cè)為巖土體軟弱破碎。

圖3 測(cè)線1地質(zhì)雷達(dá)剖面圖Fig.3 Profile of geology prediction by line 1 geo-radar

圖4 測(cè)線2地質(zhì)雷達(dá)剖面圖Fig.4 Profile of geology prediction by line 2 geo-radar

圖5 測(cè)線3地質(zhì)雷達(dá)剖面Fig.5 Profile of geology prediction by line 3 geo-radar

中線：DK242+039～DK242+049測(cè)線，路面，積水，距拱頂4.6 m。深3～17 m無較大異常反射，17 m以下反射較強(qiáng)烈且雜亂，推測(cè)該段巖體破碎。

DK242+049～DK242+069測(cè)線，地臺(tái)1，距拱頂8.1 m。DK242+049～DK242+051.5深8～9 m有界面反射，推測(cè)為軟弱夾層發(fā)育，10 m以下反射較強(qiáng)烈且雜亂，推測(cè)該段巖體破碎。

DK242+069～DK242+079測(cè)線，地臺(tái)2，距拱頂8.1 m。深12.5～17.5附近有界面反射，推測(cè)為巖性分界面。

左線：DK242+039～DK242+049測(cè)線，路面，積水，距拱頂4.6 m。深3～17 m無較大異常反射，10 m以下反射較強(qiáng)烈且雜亂，推測(cè)該段巖體破碎。

DK242+049～DK242+059測(cè)線，地臺(tái)1，距拱頂8.1 m。DK242+049～DK242+051深8～9 m有界面反射，推測(cè)為軟弱夾層發(fā)育，10 m以下反射較強(qiáng)烈且雜亂，推測(cè)該段巖體破碎。

DK242+059～DK242+079測(cè)線，地臺(tái)2，距拱頂10.1 m。DK242+059～DK242+065深12.5 m以下反射強(qiáng)烈且雜亂，推測(cè)該段巖體破碎。

2.6 建議措施

在進(jìn)行DK242+039～DK242+079范圍內(nèi)的圍巖施工時(shí)，為了保障隧道開挖安全施工，特提出以下建議：

1) 堅(jiān)持貫徹“短進(jìn)尺、弱爆破、勤量測(cè)、早封閉”的原則，合理組織施工，注意拱頂?shù)魤K、坍塌，做好排險(xiǎn)、防護(hù)工作。

2) 該測(cè)段開挖后，應(yīng)及時(shí)施作支護(hù)措施，盡量減少圍巖的暴露時(shí)間，以保護(hù)圍巖的自承能力。

3) 在軟弱破碎洞段建議適當(dāng)加強(qiáng)支護(hù)措施。

4) 注意施作加深炮孔探測(cè)，結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料，進(jìn)一步確定前方圍巖及地下水發(fā)育情況，以確保施工安全。

3 結(jié) 論

在皇后嶺隧道進(jìn)口段地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的應(yīng)用對(duì)安全施工是非常有指導(dǎo)意義的。通過實(shí)際開挖情況對(duì)比也證明地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是比較準(zhǔn)確的，地質(zhì)雷達(dá)能較好的對(duì)地質(zhì)情況做定性的判斷，并且從現(xiàn)場(chǎng)施作情況來看地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)具有對(duì)施工干擾小、現(xiàn)場(chǎng)要求低的優(yōu)點(diǎn)。目前，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是一種正在發(fā)展中的預(yù)測(cè)方法，它受技術(shù)人員的技術(shù)水平及現(xiàn)場(chǎng)施作環(huán)境影響較大，仍需要在實(shí)踐中不斷改進(jìn)、提高，以便有效地為現(xiàn)場(chǎng)施工及安全提供可靠的依據(jù)和保證。