公路隧道地下水綜合探測技術(shù)探討

江 華

(福建省交通科研院有限公司，福州 350004)

0 引言

開挖隧道掌子面前方地質(zhì)、水文情況復(fù)雜多變，難以把握，隧道時常會穿越一種甚至多種不良地質(zhì)發(fā)育地段，特別是穿過巖溶發(fā)育、斷層破碎帶、地下暗河等不良地質(zhì)區(qū)域時，掌子面易發(fā)生圍巖塌方，涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，這輕則延誤工期，重則造成人員傷亡與財產(chǎn)損失。 因此，隧道超前地質(zhì)預(yù)報在隧道施工過程中顯得尤為重要。 作為地質(zhì)預(yù)報的重點項目之一，地下水探測技術(shù)，隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，其預(yù)報手段也得到豐富和完善。目前隧道中常用的地下水探測方法有地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、紅外探水法以及綜合采用兩種方法及以上的地下水綜合探測法。 然而， 有些作業(yè)人員因缺乏對地下水探測方法的認(rèn)識， 盲目地選取探測方法或僅采用單一的地下水探測方法，導(dǎo)致探測效果較差。 因此，有必要對這些探測方法進(jìn)行梳理并提供一些借鑒性思路。

1 地下水探測技術(shù)原理

1.1 地質(zhì)雷達(dá)法(GPR)

地質(zhì)雷達(dá)法采用高頻電磁波(主頻為數(shù)十兆赫茲至數(shù)百兆赫茲甚至千兆赫茲)以寬頻帶短脈沖形式，由發(fā)射天線T 送入地層， 當(dāng)遇到異常地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時發(fā)生反射并返回，被接收天線R 接收，并由主機(jī)記錄下來，形成雷達(dá)剖面圖，其探測原理圖如圖1 所示。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁波場強(qiáng)度以及波形隨所通過介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，即脈沖波的旅行時間、幅度、頻率和波形等，通過雷達(dá)圖像的處理和分析，可確定掌子面前方界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)特征。 其中脈沖波的旅行時間如式(1)所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理

式中，地層各介質(zhì)電磁波波速v 相對較為固定，可根據(jù)地層特征查表或者經(jīng)驗得到； 雙程走時t 可由儀器精確測得，x 為儀器天線固定參數(shù)。 因此，借助式(1)即可反求出反射界面的深度z。

1.2 瞬變電磁法(TEM)

瞬變電磁法(TEM)是依據(jù)時間域半、全空間瞬變電磁場的基本原理，通過發(fā)射線圈向地質(zhì)體發(fā)射瞬變一次場，這種迅速衰減的電場在其周圍的介質(zhì)中產(chǎn)生出二次感應(yīng)場，通過接收線圈測量二次感應(yīng)場隨時間的變化特征，其反映了感應(yīng)場所覆蓋的地質(zhì)體按電性特征的空間分布規(guī)律。通過瞬變探測技術(shù)的信號處理、干擾校正、算法反演、時深轉(zhuǎn)換及成圖處理等手段， 進(jìn)而得到地質(zhì)異常體的分布、規(guī)模、形態(tài)等信息。

1.3 紅外探水法

巖層由于分子振動和晶體格振動， 每時每刻都在向外輻射電磁波，并形成紅外輻射場。紅外探測技術(shù)就是通過紅外探測儀探測前方一定范圍內(nèi)的紅外輻射場的變化來判別探測前方地質(zhì)的含水情況。 當(dāng)探測前方不存在隱伏的地質(zhì)異常體時，紅外輻射場就是一常值；當(dāng)探測前方一定范圍內(nèi)存在隱伏的地質(zhì)異常體時， 地質(zhì)異常體產(chǎn)生的輻射場就要疊加在正常輻射場上， 從而使得正常輻射場發(fā)生畸變。

2 地下水探測技術(shù)特點

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法(GPR)

地質(zhì)雷達(dá)通常由主機(jī)、電纜、天線和電池組成。 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋原理主要基于信號強(qiáng)弱、信號衰減、電磁信號傳播速度三個因素：其一，反射波信號強(qiáng)弱與掌子面地層差異性成正相關(guān)關(guān)系， 這也是地質(zhì)解釋主要判定依據(jù)[1]；其二，完整巖石電磁波衰減小、衰減較慢，富水帶中電磁波在含水層表面發(fā)生強(qiáng)振幅反射， 穿透部分則在富水帶內(nèi)發(fā)生繞射和散射，能量團(tuán)分布不均勻，能量按一定規(guī)律快速衰。但由于水面通常分布連續(xù)，其同相軸連續(xù)性好，波形基本均一，振幅以高、寬幅為主，且水的介電常數(shù)為81，大于基巖的介電常數(shù)，故從高阻抗的基巖到低阻抗的含水層，反射電磁波與入射電磁波相位相反[2]。 富水帶典型地質(zhì)雷達(dá)特征圖像如圖2 所示[3]。 其三，電磁波傳播速度與巖石類型等級存在一定的對應(yīng)關(guān)系， 可通過巖心取樣和波阻抗測試標(biāo)定現(xiàn)場速度作為地質(zhì)雷達(dá)解釋巖性和地質(zhì)異常的參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 富水帶地質(zhì)雷達(dá)特征圖像

表1 常見介質(zhì)的物理量

在儀器性能和地下介質(zhì)一定的情況下， 探測深度取決于工作頻率和地層的衰減系數(shù)， 用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報的地質(zhì)雷達(dá)天線通常頻率在25MHz～100MHz 范圍內(nèi)，一般天線頻率越高，探測深度越淺，分辨率越高；反之，探測深度越深，分辨率越低。

2.2 瞬變電磁法

由于瞬變電磁法關(guān)斷時間、 一次場干擾等因素的影響， 與其它物探方法相比， 無法探測到更淺部的異常體(淺部2～10m 左右)，稱此現(xiàn)象為瞬變電磁的探測“盲區(qū)”。

隧道圍巖通常為高阻，電磁波易于通過，故圍巖對瞬變電磁法屏蔽性與直流電場相比小得多， 因此瞬變電磁法所測信號為線框周圍全空間巖石電性的綜合反映。 但可利用小線框體積效應(yīng)小、 電磁波傳播具有方向性的特點， 通過改變線框平面方向并結(jié)合地質(zhì)資料來判斷地質(zhì)異常體的空間位置。

2.3 紅外探水法

紅外探水法有兩個技術(shù)特點：

(1)利用掌子面探測數(shù)據(jù)判斷含水構(gòu)造

當(dāng)掌子面前方出現(xiàn)構(gòu)造時，地層結(jié)構(gòu)遭受破壞，介質(zhì)密度發(fā)生變化，構(gòu)造中填充了水。 從微觀角度講，由于上述變化相對各探測點空間距離的不同， 因而使得輻射場強(qiáng)絕對值之差增大，通常把這個輻射場強(qiáng)絕對值稱之為安全值。 故可根據(jù)正常離散值來確定前方有無含水構(gòu)造[5]。

(2)利用探測曲線判斷掌子面前方有無含水構(gòu)造

當(dāng)掌子面前方不存在含水構(gòu)造時， 各探測曲線的數(shù)值變化是在一個正常場的變化范圍內(nèi)波動； 當(dāng)掌子面前方存在含水構(gòu)造時， 含水構(gòu)造這個不良體就會產(chǎn)生一個異常場，向四周傳播，當(dāng)然也會向掌子面后方傳播。 根據(jù)各條探測曲線是否存在異常， 可確定掌子面前方是否存在含水構(gòu)造。

2.4 地下水綜合探測法

地下水綜合探測法是根據(jù)預(yù)報對象的特點， 采用兩種或者兩種以上有效的預(yù)報手段進(jìn)行相互佐證的探水方法。

在日常預(yù)報中， 要根據(jù)儀器設(shè)備的適用特點和現(xiàn)場實際選擇合適的探測方案。例如，紅外探水具有操作簡便迅速、數(shù)據(jù)處理簡單等優(yōu)點，但預(yù)報距離短(小于30m)且易受溫度場影響較大， 同時又難以預(yù)測含水量大小與富水層位置和走向；地質(zhì)雷達(dá)可探測空洞、地下水、斷層破碎帶等，有效預(yù)報距離小于30m，但其參數(shù)較難設(shè)定，且易受干擾，存在多種解譯可能，資料解釋需要有一定的經(jīng)驗積累；瞬變電磁探測水的效果較好，探測距離遠(yuǎn)有效探測深度可達(dá)100m， 但探測點周邊不能有較大金屬物，在碰到含水構(gòu)造時，會產(chǎn)生低阻屏蔽和盲區(qū)，干擾后方地質(zhì)的探水效果，且無法得到地質(zhì)體的真實電阻率。 顯然，單獨采用上述中的一種方法，均存在一定的不足，而地下水綜合探測法可以有效利用各自的優(yōu)點又可對探測結(jié)果進(jìn)行相互佐證，最終得到更加可靠、有效的結(jié)果。

3 工程實例

本文以福州某在建隧道為例，綜合采用地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探水法以及瞬變電磁法對該隧道進(jìn)口右洞YK28+380 掌子面進(jìn)行地下水探測。

3.1 工程概況

隧道采用分離式雙洞布置，雙向八車道設(shè)計，其中左洞長5351m，右洞長5359m，屬大跨徑特長公路隧道。 根據(jù)地質(zhì)資料，隧道最大埋深約490m，洞身圍巖主要為中～微風(fēng)化凝灰?guī)r，區(qū)域構(gòu)造在K28+450 處發(fā)育一北東東向壓性構(gòu)造、并局部發(fā)育小規(guī)模節(jié)理密集帶，在本次探測位置YK28+380 處的溝谷水流較大。

在隧道左洞開挖至YK28+380 附近， 一條斷層破碎帶斜穿隧道，掌子面右上方，一條水柱從破碎巖體涌出，水質(zhì)清澈，總涌水量大于400m3/h，且涌水持續(xù)半個月之久仍未減小，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)展，對設(shè)備及人員安全造成極大威脅。為查明掌子面前方地下水水量及分布狀況，項目組決定綜合采用瞬變電磁法、 紅外探水法和地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行探測。

3.2 地下水綜合探測法的現(xiàn)場應(yīng)用

(1)瞬變電磁法探測

為盡可能多的布置瞬變電磁探測點，根據(jù)現(xiàn)場條件，本次共設(shè)置24 個探測點，每個探測點分別按上仰15°、水平方向、下傾15°探測三次，詳見圖3。

圖3 瞬變電磁法測點布置示意圖

(2)紅外探水法探測

傳統(tǒng)探測時通常在掌子面僅布置4 行5 列20 個探測點，由于該隧道為大跨徑隧道，斷面尺寸較大，故應(yīng)加密探測點布置，加至44 個測點，分4 排、每排11 個測點。在洞身段，沿隧道軸線方向間隔5m 布置一個斷面，共10個斷面，在拱頂、底中、左右拱墻和左右拱腳布設(shè)6 條測線。 測點布置圖如圖4 所示。

(3)地質(zhì)雷達(dá)法探測

由于掌子面右側(cè)涌水量大， 嚴(yán)重影響人員與設(shè)備作業(yè)，因此主要在掌子面左側(cè)布設(shè)測線，分別在左側(cè)上、下部各布設(shè)1 條測線。 測線布置圖如圖5 所示。

圖4 紅外探水測點布置示意圖

圖5 地質(zhì)雷達(dá)測線圖

3.3 探測結(jié)果分析

(1)瞬變電磁法探測結(jié)果

從圖中可以看出，隧道右側(cè)巖體視電阻相對較高，含水率較低，左側(cè)巖體受積水影響，視電阻率相對較低。 目前隧道內(nèi)揭露的導(dǎo)水裂隙帶向掌子面右前方沿伸， 左前方50m 距離以外存在低阻異常區(qū)(潛在含水部位)且有向右前方向沿伸的趨勢， 兩者將交匯于掌子面前方偏右20°距離探測點70m 位置，此處異常區(qū)貫穿頂?shù)装?，并且在底板方向偏向右?cè)發(fā)展。

(2)紅外探水法探測結(jié)果

圖6 掌子面上仰15°視電阻率云圖

圖7 掌子面水平方向視電阻率云圖

圖8 掌子面下傾15°視電阻率云圖

圖9 洞身段紅外探測曲線圖

掌子面采集的44 個紅外場強(qiáng)數(shù)據(jù)中， 最大值為299，最小值為287，最大極差為12，大于安全值10。 根據(jù)洞身段測線輻射場強(qiáng)值及曲線圖，可以看出：紅外探測場強(qiáng)值曲線在YK28+328～YK28+348 區(qū)間段較為平緩，在YK28+348 位置出現(xiàn)拐點，越往掌子面方向，曲線逐漸下降， 至掌子面附近達(dá)到最小值。 因此， 推斷掌子面前方25m 范圍內(nèi)(YK28+380～YK28+405)地下水發(fā)育，可能存在大的含水構(gòu)造帶。

(3)地質(zhì)雷達(dá)法

圖10 地質(zhì)雷達(dá)波形圖

電磁波信號反射強(qiáng)烈，以低-中頻信號為主，同相軸相連續(xù)局部斷續(xù)，初步推測該區(qū)段節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部發(fā)育，巖體較破碎，局部破碎，其中掌子面前方6～11m 存在構(gòu)造裂隙帶，裂隙帶有水充填，開挖后可能呈淋雨狀或涌流狀出水。

綜合分析上述三種探測方法可推斷：(1)目前隧道內(nèi)揭露的導(dǎo)水裂隙帶會向掌子面右前方沿伸；(2)掌子面前方20m 范圍存在富水裂隙帶， 且主要分布在掌子面上部；(3)掌子面前方50m 左上方存在一個富水帶。

后續(xù)的施工揭露結(jié)果與本次探測結(jié)果吻合。

4 結(jié)束語

(1)地下水的各類探測方法因基于不同的探測原理，其適用性及預(yù)報效果也存在一定的區(qū)別。 本文總結(jié)了隧道中常用的地下水探測方法， 分別論述了各類方法的技術(shù)原理及技術(shù)特點， 可為選擇適宜的地下水探測方法提供依據(jù)。

(2)以福州某在建隧道為例，綜合采用地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探水法以及瞬變電磁法對掌子面前方地下水進(jìn)行了探測，探測結(jié)果與施工揭露結(jié)果相吻合，可為今后地下水綜合探測技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用提供成功的借鑒案例。

(3)選擇地下水探測方法時要結(jié)合隧道現(xiàn)場情況，在條件允許時可采用地下水綜合探測法既可以揚(yáng)長避短，克服單一方法的適用的局限性， 而各種探水方法之間也可相互進(jìn)行相互佐證，所得結(jié)果更加準(zhǔn)確。