地質雷達在隧洞工程地質超前預報中的應用

李江林（浙江華東工程安全技術有限公司，浙江 杭州 310014）

地質雷達在隧洞工程地質超前預報中的應用

李江林
（浙江華東工程安全技術有限公司，浙江 杭州 310014）

在隧洞開挖施工過程中，為避免不良地質構造引起的地質災害帶來災難性事故的發生，需采用地質超前預報手段及時掌握隧洞掌子面前方工程地質與水文地質情況。文章通過錦屏二級水電站引水隧洞地質超前預報實踐，對不同地質體的雷達圖像特征和雷達預報的優缺點進行了分析。

隧洞；超前預報；隧洞；地質雷達

1 引言

近年來，隨著我國國民經濟的不斷發展，國家在公路、鐵路、城市軌道交通、水利水電等基礎領域的投入越來越大。在山區修建的高速公路、鐵路、水利水電工程以及城市地下軌道交通工程，為縮短里程、改善線性及環境保護的需要，都需要進行隧洞開挖施工，而在隧洞開挖施工過程中，常常會遇到巖溶、含水構造、斷層破碎帶等不良地質構造帶來的塌陷、涌水、突泥等地質災害，以及由于開挖而誘發的地質災害，往往會造成工程施工困難甚至人員傷亡和施工機械設備損毀，并導致延誤工期、增加工程費用。在國內，由于地質災害使得隧道建設受挫的實例很多，如京廣線大瑤山隧道通過9#斷層時突水量最大達5.2×104m3/d、南嶺隧道下連溪段施工中未能及時堵水致使地面塌陷地表水突入坑道，最大曾達1.1×104m3/d，又如錦屏二級水電站長探洞內曾發生瞬時涌水量大于0.1m3/s的突水突泥點10處，最大突水點瞬時最大涌水量達到4.91m3/s，造成施工設備被淹，影響施工工期。在水利水電、鐵路、公路、礦山的隧（巷）道施工過程中常遇到突水等系列地質災害問題，據國內隧道施工的不完全統計，施工過程中由于塌方、涌水、碎屑流、高地溫、高地應力及巖爆、高瓦斯等等地質災害事故造成的停工時間大約占總工期的30%；隧道地質災害的突發還會帶來系列的環境地質問題。因而地下工程施工中地質災害和特殊工程地質問題的防治工作是一項急待解決的重大課題。

在我國的西部地區建設的國家大型工程中，采用常規的工程地質勘察方法（地面測繪、鉆探、洞探等）對深埋隧洞的工程地質和水文地質條件難以查明；為在隧洞施工過程中能夠提供及時準確的工程地質資料，預防前方開挖洞段出現地質災害，必須進行工程地質超前預報研究。

目前國內應用于隧洞工程地質預報的方法很多，如工程地質分析法、超前平行導坑法、超前鉆孔法、紅外線探測法、高密度電法、陸地聲納法、瞬變電磁法、地質雷達法、T SP等（詳見參考文獻）。在2005至2012年間，通過對錦屏二級水電站輔助洞及引水隧洞采用地質雷達法進行地質超前預報研究，成功的對隧洞巖溶發育情況、含水構造、斷層破碎帶等不良地質構造進行了預報，指導了該水電隧洞的開挖施工，保證了工程安全順利施工直至貫通。

2 地質雷達預報原理與方法

2.1地質雷達預報原理

地質雷達是利用高頻電磁脈沖波的反射來探測介質層位或目的體，它通過發射天線向需要探測的目的介質發射高頻寬帶短脈沖電磁波，此電磁波經過不同介質層位或目的體反射后返回，為接收天線所接收。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性質及幾何形態的變化而變化。因此，根據接收到波的旅行時間、幅度與波形等資料，可探測介質的結構、構造及目標體的埋藏深度等。

地質雷達接收到的信號通過模數轉換處理后送到計算機，經過濾波、增益恢復等一系列數據處理后形成雷達探測圖像。地質雷達圖像是資料解釋的基礎圖件，通過同相軸追蹤可以測定各介質反射層的反射波旅行時T。根據地下介質的電磁波速V和反射波旅行時T，由以下公式可計算目的層的深度h:

式中h為目的層的深度，x為發射天線和接收天線的間距，V值為介質中的電磁波速度。

電磁波到達兩種不同的介質分界面處會發生反射，反射系數公式為:從反射系數公式可以看出，界面兩側介質介電常數差異越大，反射波幅越強。在地下隧洞工程中，無論是掌子面前方的不良地質體，如巖溶、斷層破碎帶、節理裂隙、含水構造，還是巖性分界面，由于和周圍介質存在較大的電性差異，這種掌子面前方不良地質體電性差異的存在是地質雷達進行地質超前預報的理論前提。

2.2 地質雷達預報方法

2.2.1地質雷達現場工作布置

地質雷達法進行預報采用的雷達天線頻率要兼顧預報空間、預報精度、預報深度的要求，一般選用50～100MH z天線。隧洞每掘進20m探測一次，有效探測距離為25～30m，每次重復5～10m。在隧洞開挖掌子面、左側壁、右側壁及洞底板至少各布置一條測線，左右側壁測線長度應大于對應隧洞掘進深度，且與前次表面雷達測線至少重合2m以上。若有必要，在掌子面或側壁不同高程增加布置雷達測線，或結合隧洞分層開挖在下層開挖時增加探測預報。如圖1所示，在開挖斷面或導洞的掌子面、左側壁、右側壁布置測線Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，左右側壁測線與上次測線相接，形成整個隧洞側壁的連續測線。若有必要，在隧洞底板也可增加Ⅳ測線。

2.2.2地質雷達資料整理

由于高頻雷達信號衰減且容易受到干擾，現場采集的雷達數據必須使用專用雷達處理軟件，經頻譜分析、濾波、增益恢復、偏移等一系列處理，提高雷達信號的信噪比，突出目標地質體信息，形成高質量的雷達圖像。

雷達圖像上異常強反射位置并不一定在測線的正前方，如圖2所示，地質雷達的探測區域滿足以下關系:

圖1 地質雷達測線布置圖

式中，λ為電磁波波長，h為探測深度，ε為相對介電常數。由此可見，我們用雷達探測時得到的異常強反射信息并不僅僅是天線正下方物體的反射信息，也有可能是側前方的信息，在資料處理與解釋時要加以識別與區分，必要時可增加布置測線或采用其他方法驗證。

圖2 雷達探測的有效區域

3 典型地質體雷達圖像特征

3.1 不同巖性界面雷達圖像特征

由于不同巖性的巖體介電常數存在一定的差異，因此根據電磁波反射系數可以形成亮點反射——強振幅異常（負反射系數時）或暗點——弱振幅異常（正反射系數時）。而對于同一種巖體，當巖體完整時可以認為介電常數的差異很小或不存在，因此在完整巖體內電磁波不發生反射或反射能量較小，波形均一，振幅、波長基本一致，同相軸連續。

錦屏引水隧洞T`2y5-2與T62y兩種不同的巖體巖性界面雷達圖像揭示兩種巖體界面同相軸連續性好，反射信號強。根據測試T52y-2巖體相對介電常數約為8～9，T6巖體相對介電常數約為9～12，相對介電常數的差

2y異導致電磁波穿越兩種巖體巖性界面時反射系數發生變化，形成強振幅異常或弱振幅異常。從圖像中還可以看到，完整的T52y-2與T62y巖體雷達波反射能量較小，波形均一且同相軸連續性好。

3.2 節理裂隙雷達圖像特征

當巖體內發育有節理裂隙或破碎帶時，由于巖石被節理裂隙切割，反射面增多。當節理裂隙近似水平發育時，反射波同相軸一般連續，與完整巖石的差別在于振幅、波長的不同；當節理裂隙縱向或不規則發育時，反射波能量發生變化、頻率降低，反射波同相軸連續性變差；巖石破碎時雷達波將出現散射和漫反射，雷達波同向軸不連續。

根據引（2）13+817掌子面雷達圖像，該段隧洞地層巖性為T62y灰黑色薄層狀細晶大理巖，圍巖完整性差，根據圖象分析，在掌子面前方15～23m范圍內有一條N 60OE雷達波同向軸，反射信號較強，推斷為一含水裂隙。因此在掌子面布置超前鉆孔進行探測，當鉆孔鉆進到引（2）13+803位置時鉆孔揭示巖體較破碎，且鉆孔出水，出水量約40L/s。

根據引（2）3+338掌子面地質雷達預報圖像，從圖像分析，掌子面前方0～10m范圍內雷達波反射較強，同向軸連續，10～20m范圍內雷達波同向軸連續性較差，且在19～20m處有一組N N E向結構面發育。說明掌子面前方巖體節理裂隙及結構面發育，且局部巖體較破碎。隧洞開挖結果表明:該洞段引（2）3+338掌子面前方20m范圍內局部節理發育，洞室成型不好，巖體完整性差。開挖結果與雷達預報成果相符。

3.3 巖溶雷達圖像特征

電磁波在溶洞周界發生反射，一般形成振幅較強的雙曲線形反射波；當部分充填巖石碎塊時，與破碎區相似，表現為振幅增強、波形雜亂，當部分充填粘土時，由于粘土對電磁波的強吸收，表現為局部反射波振幅減弱或消失。

根據在5#高壓管道底板利用75MH z天線探測到的雷達圖像，圖像縱向深度46m處出現明顯的雙曲線形態雷達反射波同相軸，推測為巖溶，巖溶中心位置在雙曲線頂峰下方，但巖溶的規模很難從雷達圖像上識別，這是因為雙曲線的曲率形態不僅與巖溶的規模有關，還與埋深、介質電磁波速度、雷達天線間距等有關，因此根據雙曲線形態很難定量判斷巖溶的規模，需要結合鉆孔等其他方法綜合判斷。根據在5#高壓管道底板布置鉆孔所測得的電視圖像，可以明顯看到溶蝕空洞，證實了雷達預報的準確性。

4 雷達預報的優缺點

地質雷達進行地質超前預報的優點:快速、高效和高精度，預報成果直觀，能夠快速準確的預測掌子面前方不良地質體。

地質雷達進行地質超前預報的缺點:由于雷達探測時得到的異常強反射信息并不僅僅是天線正下方物體的反射信息，通過雷達圖像對不良地質對象的定位帶來了不確定性，往往需要結合超前鉆孔或其他方法進行綜合預報。另外地質雷達的有效預報深度較小，有效預報深度為25～30m。

5 結束語

地質雷達預報具有快速、高效和高分辨率的優點，且預報成果直觀，能夠快速準確的預測掌子面前方不良地質體，在錦屏二級水電站輔助洞及引水隧洞開挖施工期間，采用地質雷達預報方法，對各種不良地質構造的雷達特征進行了研究，并結合工區地質資料和超前鉆孔等資料綜合分析，成功的對錦屏二級水電站掌子面前方巖體結構面、節理裂隙、巖性分界面、巖溶及含水構造等進行了地質超前預報，指導隧洞開挖施工，保證了隧洞安全順利施工直至貫通。

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：1672-2469（2015）03-0071-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2015.03.025

李江林（1970年—），男，高級工程師。