引水隧洞地質雷達超前預報應用研究

羅英珊

（葫蘆島平山供水有限公司，遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

我國經濟社會正處于快速發展時期，公路、鐵路、水利、地鐵等基礎設施建設全面開展，地下隧洞工程是基礎建設中重要的組成部分。設計階段的地質勘察受資金、工期和方法的限制，精度一般不會太高，隧洞開挖過程中，實際地質條件與設計資料不符的情況難以避免。隧洞實際開挖過程中，遇到斷層、圍巖破碎、涌水等突發不良地質情況后，為避免事故發生，不能貿然繼續掘進，需要結合超前地質預報結論制定下一步計劃。

目前工程中常用的超前地質預報方法有TSP 法、地質素描法、地質雷達法、超前鉆孔法和紅外探測法等[1]。其中地質雷達法具有輕便、無損、效率高、速度快、精度準等優點，被廣泛應用于工程質量檢測和地質預報之中[2]。

圖1 地質雷達工作原理

地質雷達工作原理見圖1，緊貼著掌子面的發射天線向掌子面前方發出脈沖電磁波，電磁波遇到不同介電特性的介質后，部分電磁波被反射回掌子面，由接收天線捕捉并記錄時間。由電磁波在介質內的波速和總時間可以計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為介質相對介電常數。

根據波的反射時間、幅度、頻率與波形變化等信息，結合不同地質體的介電特性資料，就可以推斷出掌子面前方地質結構及分布狀況[3]。一般的，凝灰質砂巖的介電常數為7，干沙土的介電常數為4～10，濕沙土介電常數為10～30，空氣的介電常數為1，水的介電常數為81。

地質雷達的分辨率高，但探測的距離較短，一般在20 m～30 m以內，同時雷達波易受洞內機器以及金屬干擾，探測作業時，掌子面附近應盡量避免堆置金屬物品，如臺車、錨桿、鋼絲網等，探測分析過程中還需注意波相解析識別[4]。

1 工程應用

1.1 工程概況

遼寧省重點引水工程的某標段隧洞位于遼寧省北票市和雙塔區境內，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C19+209 附近，發現沿主要結構面及短小裂隙出水，且經過24 h 后，水壓、流量未見減小。為完善隧洞前方地質資料，避免事故擴大，以供施工過程中及時制定方案與措施，采用地質雷達方法進行超前地質預報。

目前開挖掌子面圍巖級別為Ⅳ類，掌子面照片見圖2。巖性為侏羅系上統土城子組（J3t3）凝灰質砂巖，灰綠色，弱風化，中硬巖。節理裂隙較發育，節理面微張～閉合，無充填，節理間距約為1 m，延伸長度約為7 m，發育于兩壁及拱頂，貫穿洞室。樁號C19+184 ～C19+200 段巖體較完整；樁號C19+200 ～C19+209 段，主要結構面與右前方短小節理相互切割，巖體完整性差，右側拱腰局部較破碎。沿主要結構面及短小裂隙出水，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 型地質雷達，見圖3。

圖3 SIR-30E 型地質雷達

1.3 測線布置

測線布置見圖4，在掌子面上設置了2 條水平測線和1 條豎直測線，測點間距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，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移動至測量終點。

圖4 測線布置示意圖

1.4 數據處理與解釋

目標地質體為不良地質體和含水構造，當電磁波傳播到這些目標體時電性結構會發生變化，直觀的特征是在相應的位置發生強烈的反射，反射同相軸會出現一些錯斷。

經過資料整理、距離歸一化、時間深度轉換、增益調整、濾波等步驟的數據處理后，得到探測圖像。

地質雷達實測數據處理成果圖見圖5～圖7，即地質雷達深度剖面圖。剖面圖橫軸為掌子面位置，縱軸為掌子面掘進方向，圖中天藍、淺藍、黃色和紅色的同相軸為強反射區域，綠色的區域為弱反射區域。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 左右出現強反射。

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、反射波同相軸出現錯斷，這是受爆破松弛影響造成的圍巖松動區的反映。推斷與掌子面巖體完整程度相近，推測圍巖級別為Ⅳ類；2.5 m～5.0 m，此范圍內的反射波能量較弱，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，推測圍巖級別為Ⅳ類；5.0 m～10.0 m，此范圍反射波能量較強、反射波同相軸出現錯斷，反射波頻率有所下降，根據反射波同相軸形態推斷該范圍應有節理裂隙發育，巖體強度有所下降，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度較前段有所提升，推測圍巖級別為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，推測圍巖級別為Ⅳ類；5.0 m～11.0 m，推斷該范圍應有節理裂隙發育，巖體強度有所下降，裂隙中可能含水，推測圍巖級別為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，巖石強度較前段有所提升，推測圍巖級別為Ⅳ類；對比測線Ⅰ，此測線反射波能量要強些，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，推測圍巖級別為Ⅳ類；5.0 m～8.0 m，推斷該范圍應有節理裂隙發育，巖體強度有所下降，裂隙中可能含水，推測圍巖級別為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，巖石強度較前段有所提升，推測圍巖級別為Ⅳ類。

預報結論匯總見表1。

表1 C6# 支洞下游控制段（樁號19+209～19+226.5）地質雷達超前地質預報成果表

在得到地質雷達超前預報結論后，監理人組織業主、設計、地質、承包人進行了五方會商，決定縮短進尺至2.0 m 繼續向前全斷面爆破開挖。兩個循環進尺后，掌子面附近不再出現新的較大涌水點，圍巖整體情況有所好轉，開挖至樁號C19+217后，巖體完整性變差，再下一循巖體完整性又有所提升，與地質雷達預報預測結果基本相符。

2 結論與建議

剖面是前方復雜地質體的綜合反映，分析解釋就是一個去除干擾提取目標層，提高分辨率與精確度的過程。現場條件如，掌子面凹凸不平會影響雷達天線與掌子面的耦合程度，會導致信號強弱變化、探測方位和反射波旅行時的變化；掌子面附近有磁鐵性物質會對雷達信號吸收干擾，對解譯成果有一定影響；掌子面空間狹小會造成探測盲區等等。因此實際問題會出現一定的誤差與多解性，必要時可配合超前水平鉆孔驗證。

1）對遼寧省重點引水工程隧洞掌子面進行了超前地質預報探測，掌子面前方圍巖情況好轉。后經過開挖，實際地質情況與預報結論吻合較好，為下一步工作安排提供了依據。

2）地質雷達探測具有輕便、無損、效率高、速度快、精度準的優點，在深埋隧道，可根據需要進行雷達掃描，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