地質雷達在犇溪口隧道超前地質預報中的應用

王 威，代兵權

(1.武漢工程大學國家磷資源開發利用研究中心，湖北 武漢430074；2.武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著我國國民經濟建設的飛速發展，特別是西部大開發戰略的實施，各類新建的隧道工程日益增多.我國西部地區地形及地質結構復雜，在隧道開挖掘進過程中，如何提前了解和發現隧道前方的巖石等級和異常情況，為隧道的施工提供準確的地質資料，以便及時調整和實施施工工藝和異常地質情況的處理，從而達到減少和預防工程事故的發生.地質雷達作為先進物探方法，因具有掃描速度快、設備重量輕、圖像分辨率高、屏蔽效果好、圖像直觀、操作簡便等優點在隧道超前預報中得到廣泛的應用[1-7].但是由于預報距離短而經常結合隧道地震波超前預測系統(Tunnel Seicmic Prediction,TSP)資料進行隧道超前預報.本文介紹了地質雷達超前預報的基本原理，以水綏二級公路犇溪口隧道為工程背景，介紹了地質雷達在超前地質預報中的應用.

1 地質雷達的基本原理

地質雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)是近年來興起的一種新型物探方法，應用于淺層地質構造、巖性檢測以及隧道開挖探測的一項新技術.它利用超高頻電磁波探測地下介質分布，并形成實時影像，使探測結果能夠快速、直觀進行判讀.地質雷達因其探測精度高、探測對象無損、工作效率高在近幾年倍受關注.特別是在施工中預防施工事故的發生有著重要的意義.

圖1 地質雷達超前預報工作示意圖

隧道地質雷達超前預報方法是一種用于確定隧道掌子面前方地質情況分布變化的廣譜電磁波技術，如圖1所示，其基本原理是：利用一個天線向掌子面前方發射中心頻率為12.5 M至1 200 M、脈沖寬度為0.1 ns的脈沖電磁波訊號.當這一訊號在電磁波在巖體介質中傳播時，其傳播的路徑、電磁場強度與波形與傳播的機制的電性質以及幾何形體有著明顯的相關性.接收機接收到對應的直達訊號和反射訊號，根據反射訊號到達滯后時間及目標物體的平均反射波速,可以計算出目標的大致距離，最后成像形成大體的地質結構剖面.最終達到探測掌子面前方介質的地層結構與異常地質體.

通過理論研究與實驗室模擬試驗發現電磁波在物體或介質中的傳播速度v、走時t、與介質的相對介電常數Er滿足以下方程[2]：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：z為反射界面深度，C為光速常量約每秒30萬公里，v為電磁波在不同介質中傳播的速度，x為發射天線到接收天線間的距離，Er為傳播介質的相對介電常數.對地質雷達來說，采用的是雷達波，所以電磁脈沖的速度v變成了已知變量.根據公式及通過讀取雷達剖面上行程時間計算得到界面深度z值.

在實際的外業施工過程中，因為掌子面前方介質變化較為復雜，建議事先在不同隧道，不同圍巖情況下做多次實驗，測算出不同地段的圍巖介質波速，利用公式求得每次所測段的圍巖平均波速情況，再根據速度來推斷異常對象的埋深情況.

由于電磁脈沖反射信號的強度與地質界面的反射系數以及傳播介質的波吸收程度有關，一般情況下，傳播介質的電磁參數(電性)差別大，則反射系數大，因而反射波的能量也大，這就是地質雷達探測的前提條件.

(3)

式(3)中：PT，PR分別為發射和接收功率；G為天線增益；λ0為介質中雷達波的波長，R、S、H分別為地下目標體的反射率、散射面截面和深度；α為巖土衰減率；L為雷達波從發射到接收過程的散射損耗.

通過公式可以看出，雷達接收的信號強弱與很多東西相關，主要包括雷達天線的功率和特性、地層對電磁介質的衰減、地層對電介質的反射能力.對天線頻率、探測深度以及分辨率的關系描述主要為：天線頻率越高，則對地層探測的深度越淺，得到的圖像分辨率越高；反之，天線頻率越低，則對地層探測深度越深，得到的圖像分辨率越低.因此，在對隧道進行地質雷達超前預報時，先需要對地質雷達的天線進行選擇，天線的選擇決定了探測深度和分辨率.這就存在探測深度與分辨率的取舍或優選問題.

2 隧道工程概況

云南省水富至綏江(水綏)二級公路是連接向家壩水電站與溪洛渡水電站的便捷通道，也是向家壩水電站淹沒區水綏公路的還建工程.水綏二級公路的建成，對攀西―六盤水開發區的建設，特別是沿線地區的資源開發，具有重要意義.位于三項目部第九工區的中城鎮犇溪口隧道是水綏二級公路新增隧道之一，全長1 170 m，是水綏二級公路最長的一個隧道，也是地質最復雜、環境最惡劣、施工難度最大的一個隧道.

犇溪口隧道出口地層為紫灰、紫紅色粉砂巖、泥巖，呈弱風化碎石狀，巖性質軟，受結構影響較嚴重，節理裂隙很發育，巖體破碎，巖層產狀200°∠12°，產狀對圍巖穩定不利，如圖2所示，該段地下水埋藏較深，但處于基巖侵入接觸帶，地下水富水性中等，施工中將有中等水量的滲水.為了保證施工安全進行，我們采用地質雷達對犇溪口隧道進行了超前地質預報，取得了較好的效果.

圖2 犇溪口隧道地質結構圖

3 儀器設備及技術參數

地質雷達系統包括硬件(主機、天線、傳輸電纜等)和軟件(現場數據采集、預處理、后處理等)兩大部分.本次投入的設備為美國產SIR系列地質雷達系統(圖3).

圖3 地質雷達系統

在獲取到地質雷達影像的處理上，配備了RADAN6.5系列雷達軟件，特別針對各種地質異常情況可以進行多道平均，同相軸追蹤，信號偏移，希爾波特變換，褶積與反褶積的濾波變換，傅立葉變換，強制增益變化等等一系列的手段，可以最大程度的保證資料處理的可辨讀性.

SIR系列地質雷達屬工程現場非破壞性的高頻電脈沖全數字化地面探測系統，其主要技術參數如下：

a.掃描速率：每秒2～800次掃描可選，具有DSP數據快速采集系統；

b．分辨率：5 ps；

c.主機可適配所有高中低頻的各類雷達天線，頻率范圍從16 MHz到2.2 GHz，本次預報工作主要選用100 MHz，400 MHz頻率的天線；

d.量程增益：-20～100 dB，自動或用戶可選；增益曲線分段可以從1～8進行選擇；

e.具有位置自動伺服系統，便于信號的準確接收.

4 地質雷達探測及結果分析

根據犇溪口隧道掌子面現場情況，沿水平方向布置了2條測線，測線A1距離上臺階1.5 m，測線A2距離上臺階4.5 m，具體測線位置如圖4.由于掌子面的不平整，為提高測試的準確性，測試時根據情況對某些測試剖面進行了重復測試.為提高預報精度，本次預報采用400 M屏蔽天線(僅向掌子面前方發射電磁波和僅接收掌子面前方的反射波)進行探測，并沿測線進行連續測量.限于篇幅，本文僅介紹K72+443掌子面的地質雷達探測結果.

圖4 掌子面雷達測線位置示意圖

地質雷達探測是基于電磁波遇到不同反射界面其反射振幅和相位不同來判斷前方傳播介質的變化.介質介電常數的差異決定了電磁波反射的強弱程度和其相位的正負.巖性、構造、風化程度及其含水量的變化將影響其介電常數.

雷達測試資料的解釋是根據現場測試的雷達圖像，先進行數據處理，對可以解讀的圖像進行異常分析；根據異常的形態、特征及電磁波的衰減情況，判斷波阻抗界面的地質成因，從而可以對測試范圍內的地質情況進行解釋.

縱觀本次地質雷達圖像，圖像顯示較為清晰，在剖面探測深度內基本未見電磁波反射異常，在K72+443豎直測線A2剖面深度為10 m的位置發現電磁波強反射等異常.

K72+443處A1和A2測線的地質雷達探測剖面波列圖如圖5(a)、4(b)所示，由圖中可以看出，探測剖面無明顯反應異常區，表明該段圍巖情況與掌子面圍巖相比變化不大，從掌子面的巖體情況可以對掌子面前方的巖體情況進行推斷，節理裂隙發育、巖體比較破碎，推斷為溶蝕破碎帶，裂隙夾泥及小塊石，含少量水，層間及節理裂隙粘土充填，圍巖完整性一般，推斷圍巖等級為Ⅳ級，而在在K72+443豎直測線A2剖面深度為10 m的位置發現電磁波強反射等異常區域可以推斷在此區域的圍巖較其他區域的圍巖更加破碎，從而對該破碎區域推斷為V級.當隧道進尺到該區域時，應格外注意支護.以避免掉塊和塌方情況發生.

5 結 語

從犇溪口隧道現場地質調查情況看，掌子面圍巖為紫灰、紫紅色粉砂巖，巖體比較破碎，夾少量泥，水量小，圍巖強度較低，圍巖級別為Ⅳ級.根據雷達探測結果結合地質調查分析，推測預報段K72+443～K72+423整段圍巖質量一般，圍巖節理裂隙較發育、巖體較破碎，溶蝕發育，形成的小塊石較多.從A1測線來推測圍巖的圍巖進尺1.5 m左右和10 m左右有少量的強反射信號，從A2測線可以觀察到同樣的結果，推測此位置的圍巖等級為V級.建議施工方在此段區域加強防護，避免掉塊和塌方情況發生.實踐證明地質雷達是隧道施工超前地質預報的一種快捷有效的方法，對隧道施工具有較好的指導作用.

圖5 地質雷達探測剖面

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