紅外探水及地質雷達探測法在貴陽地鐵2 號線富森風井隧道中的綜合應用

朱寶山，趙礽曄，馮俊琪

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著各種地下工程建設的開展，對于安全施工的緊迫性要求尤為重視。在貴陽地區城市軌道建設中，地下施工時地質災害隱患多為巖溶洞穴、富水裂隙、地下暗河、隱伏裂隙密集區、富水軟弱地層等。如何確保施工時提前探知地質災害的位置、規模及性質是工程建設安全施工的必要需求與重要保障。利用地質災害的特點及相關屬性，將地質雷達與紅外探測相結合的地質預報方法應用于城市軌道建設中，著重探查隱伏災害界面及含水體，并在綜合判斷上得到了較好的應用效果。本文著重論述分析原理與方法及應用效果。

1 地質災害存在與雷達及紅外探測的相關聯系

在貴陽地區的地質災害異常體大致可以歸類為地質構造、巖體破碎區、富水巖溶區等。這類地質災害在地球物理參數特征上存在明顯的差異，表現為介電常數不同、存在彈性波阻抗差異、視電阻率不同等，良好的地球物理條件為多種物探方法的開展提供了基礎。介于在城市中進行探測，多選用快速、干擾小、效果較好的物探方法，配合地質鉆孔驗證高效的進行施工。

利用雷達電磁波探測法的運動學探測原理，將激發與接收電磁波組合，構成極小偏移距觀測系統，能有效將直達波、折射波等分離開來，通過分析雷達電磁波記錄剖面，并提取反射界面參數，利用歸類屬性特征，將解譯物探信息與地質語言相結合，分析存在地質現象的可能。紅外探測依據隱伏地質災害異常體產生的畸變紅外場強，疊加在測量探區紅外正常場值之上，分析含水體存在異常場的變化趨勢，利用場值變化規律結合相關統計，得出隱伏含水體與紅外探測結果的相互關系。而巖溶地區含水體常為富水斷層、富水褶皺軸、向斜核部、富水節理裂隙密集區、地下河、大型充填性溶洞等。雷達電磁波探測到的反射界面位置與含水體界面位置有密切聯系，故紅外探測可能存在隱伏水體的分布區與雷達電磁波探測結果存在密切關系。

2 雷達電磁波探測方法原理

雷達電磁波探測法[1]是利用高頻脈沖電磁波（106～109）進行地質探測的一種反射類探測方法，利用雷達電磁波的縱向極化波，在連續界面處不考慮水平極化波[2]。雷達電磁波探測主要依據地質體的介電常數、電導率、電阻率等地球物理參數間存在的差異，在不同界面處其值往往不同。利用地下地質異常體所具有的地球物理參數與正常地質體所具有的差異，利用介電常數差異可以得出相鄰界面處的反射系數。相鄰界面反射系數估計如下：

利用雷達電磁波的運動學原理，將發射與接收天線組合構成極小偏移距雷達電磁波反射剖面法。這樣可合理的避開直達波與折射波對反射波的干擾，使雷達電磁波記錄較干凈，干擾波分離較明顯。依據雷達電磁波屬性特征[3]分析方法，將瞬時頻率、瞬時相位及瞬時振幅與雷達電磁波衰減規律[4]相結合，將反射界面與傳播地質體的相關特性緊密連接起來，通過分析判斷得出所探查地質體的位置、規模及性質。雷達電磁波探測原理見圖1。

圖1 雷達電磁波探測原理示意圖

3 紅外線探水法工作原理

利用地質體時刻向外輻射紅外場的特點，利用高精度靈敏紅外輻射場強測試探頭接收測量部位地質體所釋放的紅外輻射場強值，通過隱伏含水體場強特征的變化趨勢及相對場強特點，來分析探測地質體所具有的含水特點。由于正常地質體所釋放的紅外輻射場強平緩，無震跳，較均勻，故未有紅外輻射異常的部位，不具備異常判別標準。當隱伏地下水體等明顯可使紅外輻射場強值降低或升高（見圖2、圖3）的地質災害異常體存在時，利用差異判斷準則，排除干擾后可以分析出異常特征所對應的隱伏地質災害的出現機率。根據以往統計所得，將之間的紅外輻射場強差值設定為肯能存在含水地質異常體，大于時所具有的異常機率設定為紅色報警值。但是通過以往探測經驗判斷，在紅外輻射場值相對干燥區明顯低或高的位置排除外漏水體的情況，存在隱伏水體的可能性也較大。當探區存在明顯出露水體時應該排除水體本身所帶來的紅外輻射異常，盡量避免明顯水體干擾。

圖2 隱伏水體紅外輻射場強變化曲線

圖3 掌子面相對紅外輻射場強異常曲線

4 雷達電磁波屬性特征與紅外線探測隱伏水體的聯合應用

雷達電磁波由于具有波場的動力學特征，其屬性特征與巖體的相關物理力學參數特征聯系緊密。如巖體密度較高巖體完整性較好的基巖雷達電磁波波速相對較高，存在正比關系。基巖含水時雷達電磁波被吸收，吸收程度與富水程度和富水體寬度有關等。利用雷達電磁波的屬性特征結合紅外線探測法，進行界面探測及隱伏水體探測具有良好的應用效果。

5 富森風井隧道綜合應用實例

富森風井隧道位于森林公園深處，地質條件相對復雜，勘察資料有限。探區以厚層～中厚層～薄層灰巖、白云質灰巖為主，部分區段存在頁巖砂巖泥巖較軟巖互層，在小里程和大里程部位存在煤系地層，以薄層碳質頁巖泥巖為主，巖層產狀整體較規則，部分存在局部構造的地方巖層產狀變化較為劇烈，巖性多以壓碎巖、構造巖為主。富森區間構造以斷層、褶皺、及節理裂隙密集帶為主，并伴有巖溶地區所具有的富水特點。對于不同性質斷層上下盤巖體的富水程度不一、斷層破碎帶與斷層的性質緊密相關、褶皺部位存在富水褶皺軸的情況，節理裂隙密集帶與構造運動和地下水密切相關。

5.1 YDK40+247 處雷達電磁波探測剖面圖

圖4 雷達電磁波解譯剖面圖

通過圖4 地質雷達探測剖面結合地質觀測綜合分析推斷得出：YDK40+247～243 此段巖體層間結構面多，局部巖體較破碎存在裂隙充泥現象（充泥處含水）、YDK40+243～240 段巖體層間結構面多，局部裂隙較發育巖體較破碎（多有裂隙充泥現象）、YDK40+240～237 段巖體層間結構面多，圍巖整體較破碎（掌子面偏左側破碎程度較右側高），此段裂隙充泥處含水、YDK40+237～226 段巖體層間結構面密集，巖體整體較破碎巖質較軟，裂隙密集處存在充泥現象、YDK40+226～221 段巖體層間結構面較多，巖體較完整、YDK40+221～217 段巖體層間結構面密集，巖體較破碎，此區段存在一裂隙密集帶呈一定角度。開挖結果與實際相符，并且在YDK40+226 附近拱頂產生涌水，此處為完整與破碎巖體的分界位置。

圖5 雷達電磁波探測后開挖情況

所作地質分析[5]為此段隧道位于厚層灰巖地段，較完整，巖層較水平，多有構造型節理裂隙，當至純厚層灰巖或白云質灰巖位于溶蝕發育條件中時易產生巖溶現象，當雨水沿巖層結構面從上至下侵蝕時，往往會發育豎向巖溶，對于產狀變化較快地段可能存在局部構造，構造為巖溶的發育提供了良好的物理基礎，當圍巖顏色由灰色～灰白色變化為褐黃色時，說明此處有溶蝕侵蝕的痕跡，應考慮進入巖溶發育區，當處于巖性分界面或者破碎與完整界面分界線時由于雨水淋濾作用導致巖體外力結構面增多，破碎程度加大，局部可能形成充填性溶蝕裂隙，若無充填則存在排水通道。如圖5 所示實際開挖揭露情況與探測結果一致。

5.2 YDK40+247 處紅外探測法解譯成果

表1 掌子面處紅外輻射場強探測表 單位：w/cm2

表1 掌子面處紅外輻射場強探測表 單位：w/cm2

曲線1 曲線2 曲線3 曲線4 曲線5 1 308 1 307 1 309 1 307 1 306 2 307 2 305 2 308 2 305 2 305 3 308 3 308 3 307 3 306 3 306 4 303 4 303 4 303 4 303 4 304 5 302 5 304 5 304 5 304 5 304 6 305 6 306 6 305 6 305 6 305

圖6 掌子面紅外輻射場強曲線圖(單位：w/cm2)

圖7 掌子面紅外輻射場強等值線圖(單位：w/cm2)

表2 隧道軸向紅外輻射場強探測表 單位：w/cm2

表2 隧道軸向紅外輻射場強探測表 單位：w/cm2

探測里程 隧道軸向紅外輻射場強曲線圖YDK40+247 303 304 303 303 303 305 YDK40+252 304 302 303 302 302 304 YDK40+257 305 305 305 306 306 305 YDK40+262 302 306 306 303 304 303 YDK40+267 304 307 308 305 305 304 YDK40+272 303 304 307 304 305 303 YDK40+277 307 307 306 309 308 306 YDK40+282 308 309 309 309 309 308 YDK40+287 307 308 309 308 308 309 YDK40+292 308 309 308 306 307 307 YDK40+297 309 308 308 307 308 308 YDK40+302 308 308 309 306 308 307

圖8 隧道軸向紅外輻射場強曲線圖（單位：w/cm2）

通過隧道軸向的紅輻射場強探測曲線（圖7、圖8）可知，靠近掌子面方向紅外輻射場強值降低，有降低收斂趨勢符合隱伏水體紅外異常場分布特點。結合掌子面的觀測結果分析，得出前方存在隱伏含水體的可能性較大。實際開挖在YDK40+226附近拱頂位置偏右側出現涌水現象，與探測結果符合。

6 結論

貴陽地區超前地質預報利用雷達電磁波探測地質災害反射界面，通過雷達電磁波屬性特征分析界面位置規模及相關性質，依據地質學理論判譯界面類型及通過雷達電磁波動力學結合屬性特征判斷含水狀態，并結合紅外探水確定掌子面前方一定距離內存在含水體的概率，有良好的應用效果。得出以下幾點結論：

1）利用雷達電磁波反射法探查地質災害分界面位置結合屬性特征歸類異常類型，做出合理地質解譯。

2）利用紅外探水法進行探區一定距離內隱伏水體探查，依據隱伏水體紅外輻射場收斂規律，綜合判定掌子面前方含水性的大小。

3）結合雷達電磁波反射法與地質理論的相關聯系，緊密結合紅外探水與地質災害含水體的關系，綜合判定前方圍巖含水性的大小。

由于目前紅外探測法無法估量隱伏水體含水量及含水位置的預報，下一步將致力于含水體賦存狀態與飽水位置水量的研究，其他物探方法如瞬變電磁法若能一起進行探測，對于存在低阻異常區的范圍，若前方紅外探測含水性較高，則有較大把握低阻異常區即為含水異常區，后期將開展相關研究試驗。