引水隧洞地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)應(yīng)用研究

羅英珊

（葫蘆島平山供水有限公司，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)正處于快速發(fā)展時(shí)期，公路、鐵路、水利、地鐵等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)全面開展，地下隧洞工程是基礎(chǔ)建設(shè)中重要的組成部分。設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)勘察受資金、工期和方法的限制，精度一般不會(huì)太高，隧洞開挖過程中，實(shí)際地質(zhì)條件與設(shè)計(jì)資料不符的情況難以避免。隧洞實(shí)際開挖過程中，遇到斷層、圍巖破碎、涌水等突發(fā)不良地質(zhì)情況后，為避免事故發(fā)生，不能貿(mào)然繼續(xù)掘進(jìn)，需要結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)論制定下一步計(jì)劃。

目前工程中常用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有TSP 法、地質(zhì)素描法、地質(zhì)雷達(dá)法、超前鉆孔法和紅外探測法等[1]。其中地質(zhì)雷達(dá)法具有輕便、無損、效率高、速度快、精度準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程質(zhì)量檢測和地質(zhì)預(yù)報(bào)之中[2]。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)工作原理見圖1，緊貼著掌子面的發(fā)射天線向掌子面前方發(fā)出脈沖電磁波，電磁波遇到不同介電特性的介質(zhì)后，部分電磁波被反射回掌子面，由接收天線捕捉并記錄時(shí)間。由電磁波在介質(zhì)內(nèi)的波速和總時(shí)間可以計(jì)算出反射界面與掌子面的距離(h=V×t/2)，其中，電磁波的速度為：

式中：C 是電磁波在真空中的速度0.3 m/ns，εr為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。

根據(jù)波的反射時(shí)間、幅度、頻率與波形變化等信息，結(jié)合不同地質(zhì)體的介電特性資料，就可以推斷出掌子面前方地質(zhì)結(jié)構(gòu)及分布狀況[3]。一般的，凝灰質(zhì)砂巖的介電常數(shù)為7，干沙土的介電常數(shù)為4～10，濕沙土介電常數(shù)為10～30，空氣的介電常數(shù)為1，水的介電常數(shù)為81。

地質(zhì)雷達(dá)的分辨率高，但探測的距離較短，一般在20 m～30 m以內(nèi)，同時(shí)雷達(dá)波易受洞內(nèi)機(jī)器以及金屬干擾，探測作業(yè)時(shí)，掌子面附近應(yīng)盡量避免堆置金屬物品，如臺(tái)車、錨桿、鋼絲網(wǎng)等，探測分析過程中還需注意波相解析識(shí)別[4]。

1 工程應(yīng)用

1.1 工程概況

遼寧省重點(diǎn)引水工程的某標(biāo)段隧洞位于遼寧省北票市和雙塔區(qū)境內(nèi)，總長度26.3 km，開挖斷面為圓拱斜墻，成洞斷面為圓形，成洞直徑3.9 m，平均坡度0.0076%，走向295°，采用鉆爆法開挖。

C6#支洞下游控制段在開挖至掌子面樁號(hào)C19+209 附近，發(fā)現(xiàn)沿主要結(jié)構(gòu)面及短小裂隙出水，且經(jīng)過24 h 后，水壓、流量未見減小。為完善隧洞前方地質(zhì)資料，避免事故擴(kuò)大，以供施工過程中及時(shí)制定方案與措施，采用地質(zhì)雷達(dá)方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。

目前開挖掌子面圍巖級(jí)別為Ⅳ類，掌子面照片見圖2。巖性為侏羅系上統(tǒng)土城子組（J3t3）凝灰質(zhì)砂巖，灰綠色，弱風(fēng)化，中硬巖。節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理面微張～閉合，無充填，節(jié)理間距約為1 m，延伸長度約為7 m，發(fā)育于兩壁及拱頂，貫穿洞室。樁號(hào)C19+184 ～C19+200 段巖體較完整；樁號(hào)C19+200 ～C19+209 段，主要結(jié)構(gòu)面與右前方短小節(jié)理相互切割，巖體完整性差，右側(cè)拱腰局部較破碎。沿主要結(jié)構(gòu)面及短小裂隙出水，水量約為1023 L/min，水壓約為0.35 MPa。

圖2 掌子面照片（樁號(hào)C19+209）

1.2 測量儀器

本次工作使用美國的地球物理探測公司(GSSI) 制造的SIR-30E 型地質(zhì)雷達(dá)，見圖3。

圖3 SIR-30E 型地質(zhì)雷達(dá)

1.3 測線布置

測線布置見圖4，在掌子面上設(shè)置了2 條水平測線和1 條豎直測線，測點(diǎn)間距20 cm，水平測線長4 m，距離底板高度分別為1.0 m 和1.7 m；豎直測線長3 m。測量時(shí)，兩名工作人員互相配合，手持測量天線貼著掌子面從測量起點(diǎn)移動(dòng)至測量終點(diǎn)。

圖4 測線布置示意圖

1.4 數(shù)據(jù)處理與解釋

目標(biāo)地質(zhì)體為不良地質(zhì)體和含水構(gòu)造，當(dāng)電磁波傳播到這些目標(biāo)體時(shí)電性結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，直觀的特征是在相應(yīng)的位置發(fā)生強(qiáng)烈的反射，反射同相軸會(huì)出現(xiàn)一些錯(cuò)斷。

經(jīng)過資料整理、距離歸一化、時(shí)間深度轉(zhuǎn)換、增益調(diào)整、濾波等步驟的數(shù)據(jù)處理后，得到探測圖像。

地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)處理成果圖見圖5～圖7，即地質(zhì)雷達(dá)深度剖面圖。剖面圖橫軸為掌子面位置，縱軸為掌子面掘進(jìn)方向，圖中天藍(lán)、淺藍(lán)、黃色和紅色的同相軸為強(qiáng)反射區(qū)域，綠色的區(qū)域?yàn)槿醴瓷鋮^(qū)域。縱觀三幅深度剖面圖，趨勢基本一致，都在0.0～2.5 m 和5.0 m～11.0 m 左右出現(xiàn)強(qiáng)反射。

圖5 測線Ⅰ深度剖面

圖6 測線Ⅱ深度剖面

圖7 測線Ⅲ深度剖面

測線Ⅰ：如圖5 所示，0.0～2.5 m，此范圍反射波能量較強(qiáng)、反射波同相軸出現(xiàn)錯(cuò)斷，這是受爆破松弛影響造成的圍巖松動(dòng)區(qū)的反映。推斷與掌子面巖體完整程度相近，推測圍巖級(jí)別為Ⅳ類；2.5 m～5.0 m，此范圍內(nèi)的反射波能量較弱，反射波頻率較為一致，推測該段巖石完整程度較前段有所提升，推測圍巖級(jí)別為Ⅳ類；5.0 m～10.0 m，此范圍反射波能量較強(qiáng)、反射波同相軸出現(xiàn)錯(cuò)斷，反射波頻率有所下降，根據(jù)反射波同相軸形態(tài)推斷該范圍應(yīng)有節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強(qiáng)度有所下降，裂隙中可能含水，推測圍巖劃分為Ⅳ類；10.0 m～17.5 m，此范圍反射波能量較弱，反射波頻率較為一致，推測該段巖石完整程度和巖石強(qiáng)度較前段有所提升，推測圍巖級(jí)別為Ⅳ類；

測線Ⅱ：如圖6 所示，0.0～2.5 m，推斷與掌子面巖體完整程度相近，推測圍巖級(jí)別為Ⅳ類；2.5 m～5.0 m，推測該段巖石完整程度較前段有所提升，推測圍巖級(jí)別為Ⅳ類；5.0 m～11.0 m，推斷該范圍應(yīng)有節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強(qiáng)度有所下降，裂隙中可能含水，推測圍巖級(jí)別為Ⅳ類；11.0 m～17.5 m，推測該段巖石完整程度較前段有所提升，巖石強(qiáng)度較前段有所提升，推測圍巖級(jí)別為Ⅳ類；對(duì)比測線Ⅰ，此測線反射波能量要強(qiáng)些，推測在5.0 m～11.0 m 范圍掌子面下方的巖體完整性要比上方的差些；

測線Ⅲ：如圖7 所示，0.0～2.5 m，推斷與掌子面巖體完整程度相近，推測圍巖級(jí)別為Ⅳ類；2.5 m～5.0 m，推測該段巖石完整性較前段有所提升，推測圍巖級(jí)別為Ⅳ類；5.0 m～8.0 m，推斷該范圍應(yīng)有節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體強(qiáng)度有所下降，裂隙中可能含水，推測圍巖級(jí)別為Ⅳ類；8.0 m～15.0 m，此范圍反射波能量較弱，反射波頻率較為一致，推測該段巖石完整程度較前段有所提升，巖石強(qiáng)度較前段有所提升，推測圍巖級(jí)別為Ⅳ類。

預(yù)報(bào)結(jié)論匯總見表1。

表1 C6# 支洞下游控制段（樁號(hào)19+209～19+226.5）地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果表

在得到地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)結(jié)論后，監(jiān)理人組織業(yè)主、設(shè)計(jì)、地質(zhì)、承包人進(jìn)行了五方會(huì)商，決定縮短進(jìn)尺至2.0 m 繼續(xù)向前全斷面爆破開挖。兩個(gè)循環(huán)進(jìn)尺后，掌子面附近不再出現(xiàn)新的較大涌水點(diǎn)，圍巖整體情況有所好轉(zhuǎn)，開挖至樁號(hào)C19+217后，巖體完整性變差，再下一循巖體完整性又有所提升，與地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)預(yù)測結(jié)果基本相符。

2 結(jié)論與建議

剖面是前方復(fù)雜地質(zhì)體的綜合反映，分析解釋就是一個(gè)去除干擾提取目標(biāo)層，提高分辨率與精確度的過程。現(xiàn)場條件如，掌子面凹凸不平會(huì)影響雷達(dá)天線與掌子面的耦合程度，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)弱變化、探測方位和反射波旅行時(shí)的變化；掌子面附近有磁鐵性物質(zhì)會(huì)對(duì)雷達(dá)信號(hào)吸收干擾，對(duì)解譯成果有一定影響；掌子面空間狹小會(huì)造成探測盲區(qū)等等。因此實(shí)際問題會(huì)出現(xiàn)一定的誤差與多解性，必要時(shí)可配合超前水平鉆孔驗(yàn)證。

1）對(duì)遼寧省重點(diǎn)引水工程隧洞掌子面進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)探測，掌子面前方圍巖情況好轉(zhuǎn)。后經(jīng)過開挖，實(shí)際地質(zhì)情況與預(yù)報(bào)結(jié)論吻合較好，為下一步工作安排提供了依據(jù)。

2）地質(zhì)雷達(dá)探測具有輕便、無損、效率高、速度快、精度準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，在深埋隧道，可根據(jù)需要進(jìn)行雷達(dá)掃描，排除安全隱患，提高施工效率，避免事故損失。

3）物探方法都有一定的誤差與多解性。實(shí)際工作中也存在很多影響精度的因素，巖體原本就是不均一體，所測得的雷達(dá)