GPR在張花高速公路巖溶隧道超前預報中的應用

彭 杰

(湖南張花高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南張家界 427000)

0 引言

張花高速公路地處湘西北,位于張家界市和湘西自治州境內(nèi),起于張家界,與常張高速公路相接,終于湘西自治州的花垣縣,與吉茶高速公路相連,途經(jīng)張家界永定區(qū)、永順、保靖、花垣三縣。路線全長147.6 km,總投資130.97億元。張花高速是湖南省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“五縱七橫”路網(wǎng)中的第二橫——瀏陽(贛湘界)至花垣(湘渝界)高速公路的重要組成部分。它的建設(shè)將在湘西北地區(qū)形成一條東西方向的運輸主動脈,促進少數(shù)民族區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展,為執(zhí)行西部大開發(fā)戰(zhàn)略奠定堅實基礎(chǔ)。

由于張花高速沿線地質(zhì)、地形條件復雜,大部分隧道處在軟弱圍巖中,溶洞、斷層破碎帶、巖溶水、巖石裂隙等不良地質(zhì)體發(fā)育,難以對復雜的地質(zhì)情況做出準確的微觀把握,從而造成地質(zhì)勘探資料往往與實際情況不符,特別是不良地質(zhì)地段準確位置之間不可避免存在的誤差,為了及時掌握掌子面前方的不良地質(zhì)情況,提前采取預防措施,避免隧道內(nèi)坍方、突泥、涌水等地質(zhì)災害現(xiàn)象發(fā)生,必須實施地質(zhì)超前預報。本文在介紹地質(zhì)雷達探測原理的基礎(chǔ)上,針對張花高速上出現(xiàn)的幾種不良地質(zhì)體的探測實踐,闡述地質(zhì)雷達在隧道不良地質(zhì)體超前預報中的應用,可為類似工程提供借鑒。

1 GPR探測基本原理及理論

地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar,簡稱GPR)是利用超高頻窄脈沖電磁波探測介質(zhì)分布的一種地球物理勘探儀器,其工作原理是發(fā)射天線向隧道掌子面前方發(fā)射電磁波信號,在電磁波向掌子面前方傳播的過程中,當遇到電性差異的目標體(如空洞、裂隙、巖溶等)時,電磁波便發(fā)生反射,由接收天線接收反射波。電磁波在介質(zhì)界面產(chǎn)生反射就是因為兩側(cè)介質(zhì)的介電常數(shù)不同,差異越大反射信號越強烈,反之反射信號越弱。然后在對地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)進行處理和分析的基礎(chǔ)上,根據(jù)雷達波形、電磁場強度、振幅和雙程走時等參數(shù),推斷掌子面前方異常地質(zhì)或目標體的分布情況。地質(zhì)雷達探測原理如圖1。

1.1 地質(zhì)雷達進行超前預報的基本理論

1.1.1 地質(zhì)雷達方程

根據(jù)經(jīng)典對空雷達方程導出的地質(zhì)雷達方程為:

式中:Pr為接收機收到的功率,W;Pt為發(fā)射機發(fā)射功率,W;R為天線到目標的距離,m;G為天線增益,dB;Q為目標截面積,m2;f為雷達中心工作頻率;η為界面功率反射系數(shù);α為介質(zhì)的電場衰減系數(shù),Db/m;v為介質(zhì)的雷達波傳播速度,m/s。

1.1.2 電磁波的傳播與波速

雷達電磁波可近似為平面電磁波,它的電場分量瞬時波動方程為:

式中,E0為z=0,t=0時的電磁場強度;α為介質(zhì)的電場衰減系數(shù);β為相移系數(shù);z為傳播的距離;ω為電磁波角頻率。當cos(ωt-βz)=1時,電場強度最大,求得電磁波波速的表達式為:

圖1 地質(zhì)雷達探測原理、工作示意圖

式中:μ為磁導率;ε為介電常數(shù);σ為電導率。

1.1.3 電磁波的反射與透射

地質(zhì)雷達發(fā)射電磁波在地下介質(zhì)中的傳播速度主要由介質(zhì)中的相對介電常數(shù)確定,電磁波在傳播過程中,遇到不同的阻抗界面將產(chǎn)生反射和折射,其反射和折射遵循反射與折射定律。反射波和折射波的能量取決于反射系數(shù)和折射系數(shù),反射系數(shù)和折射系數(shù)的公式如下:

式中:R為反射系數(shù);T為折射系數(shù);ε1、ε2分別表示不同介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

1.1.4 電磁波波長與頻率之間的關(guān)系

雷達的探測分辨率與頻率有關(guān),頻率越大,分辨率越高,且只有當目標體大于介質(zhì)中的波長時才可分辨出來。根據(jù)電磁波傳播理論可知,介質(zhì)中電磁波波長與頻率之間的關(guān)系如下:

式中:f、ε、μ、ρ分別為工作頻率、介電常數(shù)、磁導率及電阻率。

1.2 地質(zhì)雷達的影響因素

地質(zhì)雷達的影響因素決定地質(zhì)雷達的探測深度、分辨率及精度。主要包括內(nèi)在與外在兩方面,內(nèi)在因素主要是指探測對象所處環(huán)境的電導率、介電常數(shù)等,常見介質(zhì)的介電常數(shù)如表1。表中是相對介電常數(shù)和速度的近似值,相對介電常數(shù)隨介質(zhì)中的含水量而急劇變化,含水少的介質(zhì)其值較大。外在因素主要與探測所采用的頻率、采樣速度等探測方法有關(guān)。探測時所采用的天線中心頻率稱為探測頻率,而其實際的工作頻率范圍是以探測頻率為中心的頻帶,探測頻率主要影響探測深度和分辨率,當?shù)刭|(zhì)雷達工作在介電極限條件時,高頻電磁波的衰減幾乎不受探測頻率的影響。比如,電磁波在空氣中傳播,由于不存在傳導電流,電磁波不發(fā)生衰減。但實際上,由于大地電阻率一般都比較低,其工作條件達不到介電極限條件,由于傳導電流的存在,高頻電磁波在傳播過程中發(fā)生衰減,其衰減的程度隨電磁波頻率的增加而增加。因此,在實際工作時,必須根據(jù)目標體的探測深度選用合理的探測頻率,探測頻率同時也決定了探測的分辨率。一般是探測頻率越高,探測深度越淺,探測的分辨率越高。探測頻率和介質(zhì)的介電常數(shù)是決定分辨率的兩個主要因素,電磁波的傳播是以一個圓錐體區(qū)域向前發(fā)送能量,當目標體的水平尺度小于反射區(qū)尺度時,雷達是難以分辨的,電磁波頻率越高,波長越短,反射區(qū)的半徑越小,水平分辨率高。其天線頻率與分辨率、最大測深的關(guān)系見表2。

表1 相對介電常數(shù)表

表2 天線頻率與分辨率、最大測深及盲區(qū)表

2 GPR隧道超前探測的方法與步驟

2.1 準備工作

在探測之前必須要進行場地調(diào)查,因為使用地質(zhì)雷達采集數(shù)據(jù)時,易受到測線附近的構(gòu)造物、金屬物體的電磁干擾,應將其記錄在冊,并標出位置,在這樣的區(qū)域探測時應重復觀測,排除干擾的影響。

2.2 測線布置

地質(zhì)雷達的測線布置方法比較靈活,根據(jù)具體情況布置一些測點、測線或網(wǎng)格以掌子面前方為檢測目標,以拱頂為中心,“十”字形布置2條測線,在開挖工作面凹凸不平不符合條件時,可采用點測法,一般點距0.5～1m。在地質(zhì)復雜地段,可以“井”字形布置測線,必要時加密雷達測線以提高測試資料結(jié)果的解釋。常用測線布置圖如圖2。

圖2 掌子面測線布置示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集及處理

探測深度為15～25m時,一般采用的雷達天線為低頻100MHz天線。樣點數(shù)一般設(shè)為512,時間根據(jù)探測深度而定,采用連續(xù)測量的方法,在條件不允許的情況下也可用點測法。地質(zhì)雷達探測所得的原始雷達波數(shù)據(jù)需對其進行移動開始時間靜校正、增益,去直流漂移和巴特沃斯帶通一維濾波,抽取平均值及滑動平均等二維濾波處理,壓制和剔除干擾波,突出有效波,這樣有利于增強雷達測探測結(jié)果的準確性。

2.4 數(shù)據(jù)分析與解釋

地質(zhì)雷達在公路隧道超前地質(zhì)預報中的應用目前雖已在實踐中積累了一些經(jīng)驗,但由于隧道內(nèi)地質(zhì)情況復雜,僅從測試資料進行地質(zhì)解釋準確度較差,所以要把測試資料的解釋和地質(zhì)特征解釋(包括掌子面地質(zhì)情況、地質(zhì)勘探資料及區(qū)域地質(zhì)情況)進行綜合分析和判斷,才能提高地質(zhì)預報的準確性和可靠性。

測試資料的解釋是根據(jù)現(xiàn)場測試的雷達圖像,對測試的圖像進行異常分析。根據(jù)異常的形態(tài)、特征及電磁波的衰減情況對測試范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進行推斷解釋。反射信號強則說明前方存在異常的形態(tài)和特征;電磁波衰減則說明前方圍巖質(zhì)量較差,因為完整巖石對電磁波的吸收相對較小,衰減較慢,當圍巖較破碎或含水率較大時對電磁波的吸收較強,衰減較快。

為了提高測試的精度,在測試過程中需要地質(zhì)人員對測試剖面上的地質(zhì)情況進行現(xiàn)場記錄,結(jié)合前面已開挖的圍巖地質(zhì)情況,對掌子面前方的地質(zhì)情況做出預測。因為一般來說反射波越強則前方地質(zhì)情況與掌子面的差異越大,根據(jù)掌子面的地質(zhì)情況可對掌子面前方的地質(zhì)情況做出合理推斷。最后根據(jù)雷達測試的異常特征,結(jié)合地質(zhì)特征做出最后的地質(zhì)解釋。

2.5 施工驗證

當施工進度達到預報里程時,需把預測結(jié)果和現(xiàn)場掌子面情況相對比,這是一個積累經(jīng)驗和修正的過程。

3 幾種不良地質(zhì)體GPR波形特征

3.1 溶洞

介質(zhì)的介電常數(shù)不同,差異越大反射信號越強烈。巖溶與其周圍的介質(zhì)存在著較明顯的物性差異,尤其是溶洞內(nèi)的充填物與可溶性巖層之間存在的物性差異更明顯。這些充填物一般是土壤、水和空氣等,這些介質(zhì)與可溶巖層本身由于介電常數(shù)不同形成電性界面,探測出這個界面的情況,也就知道了巖溶的位置、范圍、深度等內(nèi)容。當有巖溶發(fā)育時,反射波波幅和反射波組將隨溶洞形態(tài)的變化橫向上呈現(xiàn)出一定的變化。溶洞雷達圖像的特征是被溶洞側(cè)壁的強反射所包圍的弱反射空間,即界面反射是強反射,且常伴有弧形繞射現(xiàn)象;溶洞內(nèi)的波則為弱反射:低幅、高頻、波型細密,但當溶洞中充填風化碎石或有水時,局部雷達反射波可變強。

3.2 斷層破碎帶

巖層或巖體受力破裂后,破裂面兩側(cè)巖塊發(fā)生了明顯位移,這種斷裂構(gòu)造即為斷層。斷層是地殼中廣泛發(fā)育的地質(zhì)構(gòu)造。由于巖層發(fā)生強烈的斷裂變動,致使巖體的裂隙增多、巖石破碎、風化嚴重、地下水發(fā)育,所以斷層破碎帶巖石的強度和穩(wěn)定性很差。在完整巖石與斷層破碎帶接觸界面的兩側(cè),由于破碎帶內(nèi)巖石的孔隙度和含水率均比完整巖石要大,而孔隙度和含水率對介質(zhì)的σ和ε均有較大的影響,這就造成接觸帶兩側(cè)存在一定的波阻抗差異,致使電磁波在穿過界面進入破碎帶內(nèi)后其反射能量增強、波形幅值增大,穿過破碎巖層時視其膠結(jié)程度而使得波形比較雜亂。在雷達剖面上的波形場特征為:地層反射波發(fā)育,同相軸錯斷,反射波振幅能量明顯增強,電磁波頻率發(fā)生變化,有時候會出現(xiàn)斷面波、繞射波。因此根據(jù)地質(zhì)雷達的波形特征及相關(guān)地質(zhì)資料,可以判明破碎帶的厚度以及它與完整巖石的界面。

3.3 富水帶

水的相對介電常數(shù)為81,當巖體含水量較大時,介質(zhì)的介電常數(shù)有較大的增大,而電磁波在介質(zhì)中的傳播速度則會降低,這樣反射波表現(xiàn)較強的正峰異常,同時出現(xiàn)強反射,有時也會產(chǎn)生繞射、散射現(xiàn)象,導致波形紊亂、頻率成分由高頻向低頻劇變。

3.4 裂隙

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,因此具有采用地質(zhì)雷達探測巖體中裂隙存在的地球物理基礎(chǔ)。當雷達電磁波傳到裂隙表面時,會產(chǎn)生較強的界面反射波,同相軸的連續(xù)性反映了裂面是否平直、連續(xù);在穿越裂隙的過程中會產(chǎn)生繞射、散射、波形雜亂、波幅變化大,反映出裂隙內(nèi)充填物不均勻性。

4 應用實例

4.1 溶洞

張花高速舒家灣隧道出口溶洞發(fā)育,圍巖條件差。為了確保施工安全,使用瑞典RAMAC/GPR地質(zhì)雷達100MHz主頻天線在舒家灣隧道進口Zk30+156～Zk30+176范圍內(nèi)采集雷達數(shù)據(jù),采樣頻率995MHz,采樣點數(shù)為512,天線間隔1.0m,采樣間隔0.1m。通過對數(shù)據(jù)的處理,得出如下地質(zhì)雷達圖像(如圖3)。

圖3 溶洞地質(zhì)雷達圖

從圖中可以看出,Zk30+156～Zk30+176段范圍內(nèi)存在3個雙曲線型異常反射體,推斷為溶洞,后經(jīng)開挖驗證,掌子面有一個溶洞。

4.2 斷層破碎帶

張花高速公路劉家峪隧道有不同規(guī)模的壓扭性斷層、巖脈斷層、巖性接觸斷層穿越。經(jīng)過劉家峪隧道右線Yk33+150～+170段進行探測,得出如下地質(zhì)雷達圖像(如圖4)。

圖4 斷層破碎帶地質(zhì)雷達圖

從圖中可以看出,下部Yk33+157～Yk33+170段同相軸多次錯斷,局部界面反射強烈,反射面附近波幅有所增強,電磁波頻率發(fā)生較大的變化,波形雜亂。結(jié)合該隧道整體工程地質(zhì)分布情況和掌子面調(diào)查結(jié)果,推測在Yk33+157處存在斷層。隧道開挖后Yk33+157以后圍巖為受構(gòu)造影響很嚴重的碎塊～粉末狀粉砂巖夾煤(煤矸石)層,軟弱破碎。

4.3 富水帶

張花高速排樓隧道圍巖破碎,裂隙水發(fā)育。經(jīng)過青平隧道右線Yk104+254～+274段進行探測,得出如下地質(zhì)雷達圖像(如圖5)。

圖5 富水帶地質(zhì)雷達圖

從圖中可以看出,在前方Y(jié)k45+260～Yk45+274段所出現(xiàn)的雷達電磁波異常,反射強烈,無繞射現(xiàn)象,波形紊亂,電磁波衰減速度增快。表明該段地下水含量豐富,可能存在涌水甚至突水現(xiàn)象,圍巖破碎。開挖結(jié)果表明Yk45+260～Yk45+274有一含水管道橫穿隧道頂部而過,其附近圍巖破碎松散,含水量也較大,由于預報準確及時,提前進行了加固處理及防排水措施,未發(fā)生安全及生產(chǎn)事故。

4.4 裂隙

對張花高速巖門口隧道Yk1+200～+220段進行地質(zhì)雷達探測,得出如下地質(zhì)雷達圖像(如圖6)。

圖6 裂隙地質(zhì)雷達圖

從圖中可以看出,Yk1+206～+220段存在多組平行和雜亂的反射波,推斷為裂隙密集帶和巖脈條帶,巖體呈壓碎結(jié)構(gòu),圍巖較破碎。

5 主要結(jié)論與認識

1)通過GPR超前探測,準確掌握隧道掌子面前方的不良地質(zhì)情況,并根據(jù)探測結(jié)果,及時采取有效措施,確保隧道施工安全,實踐證明是可行的。

2)采取GPR進行隧道掌子面前方不良地質(zhì)體的探測,其關(guān)鍵是對采集雷達波的判讀,前述應用表明,不同的地質(zhì)體,其雷達波圖截然不同,具有明顯的波場特征。

3)由于隧道施工現(xiàn)場,周邊環(huán)境復雜,諸多因素均對雷達電磁波存在干擾,導致所采集到的雷達波可能失真,因此,加強地質(zhì)調(diào)查和經(jīng)驗推測,進行綜合分析,對于提高預報精度極其重要。

當然,地質(zhì)雷達圖像解釋還存在著像多解性,需要工程技術(shù)人員在實踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗、改進預報手段,有時還需要用其它方法進行補充驗證。

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