地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)的Kirchhoff偏移技術(shù)在小型充填溶洞探測(cè)中的應(yīng)用

周小紅，趙寧雨

(1.中鐵十七局集團(tuán)第四工程有限公司，重慶 401147;2.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

1 背景

巖溶是西南地區(qū)隧道建設(shè)中常遇到的主要不良地質(zhì)之一。在埋深較大情況下，目前的技術(shù)手段和方法往往難以查清不良巖溶地質(zhì)體的性狀［1］。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)作為及時(shí)掌握掌子面前方不良地質(zhì)情況的重要手段，是目前工程界廣泛采用的方法。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的主要預(yù)報(bào)方法有TSP、TRT、GPR、HSP、陸地聲納法(高頻地震反射法)、瞬變電磁法(TEM)、紅外探水法等［2－8］。由于物探方法中對(duì)采集信號(hào)分析的多解特點(diǎn)，以及資料解釋中對(duì)工程區(qū)域地質(zhì)規(guī)律認(rèn)識(shí)的不足，導(dǎo)致預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性較低，特別是在具有含水量較高的充填物的中小型溶洞的預(yù)報(bào)方面。

近年來(lái)，在地質(zhì)工作中發(fā)現(xiàn)一些裂縫較大的巖溶溶縫，其溶槽有時(shí)是可達(dá)4～5 m的溶蝕裂縫，具有與溶洞相似的形態(tài)。同時(shí)，在新生代巖溶發(fā)育區(qū)域大量存在充填有含水量高的充填物質(zhì)的中小型溶洞、落水洞等，在大斷面(三車(chē)道)隧道施工中易導(dǎo)致突泥和塌方，成為重要的施工安全隱患。TSP、TRT等方法對(duì)于大型空溶洞或充水溶洞具有較好的探測(cè)效果(空氣和水的地震反射信號(hào)具有良好的傳導(dǎo)性)，但對(duì)于充填泥質(zhì)等混合物的中小型巖溶孔洞則成功探測(cè)的幾率較小。陸地聲納法、瞬變電磁法(TEM)等尚處于發(fā)展階段，雖然有一些工程應(yīng)用的報(bào)道［9］，但還沒(méi)有廣泛地應(yīng)用于工程實(shí)踐。因此，根據(jù)王夢(mèng)恕等［3］實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的“洞內(nèi)外結(jié)合，以洞內(nèi)為主，長(zhǎng)短結(jié)合，以短為主”原則，針對(duì)高含水地質(zhì)體的敏感性特點(diǎn)，開(kāi)展以滿足隧道工程建設(shè)需要為目的的巖溶富水區(qū)域充填型中小溶洞高精度、短距離超前預(yù)報(bào)技術(shù)研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

2 富水充填溶洞的地質(zhì)特征

溶洞是巖溶發(fā)育到中后期的產(chǎn)物，是具有溶解能力的地下水在裂隙巖體中進(jìn)行溶蝕(剝蝕)形成的地下孔穴。溶洞的形成與巖石類(lèi)型、空隙類(lèi)型和地下水類(lèi)型有特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系［10］。溶洞形態(tài)豐富，初期多呈溶孔狀出現(xiàn)，貫通后呈串珠狀、管狀、袋狀等。較典型的巖溶作用與溶洞發(fā)育規(guī)律具有如下特征:

1)褶皺和斷裂構(gòu)造對(duì)巖溶發(fā)育起著控制性作用，通常表現(xiàn)為褶皺的核部巖溶非常發(fā)育，而兩翼較弱發(fā)育。褶皺在擠壓作用下的形成過(guò)程中，核部由順層錯(cuò)動(dòng)產(chǎn)生的層面溶隙和由剖面節(jié)理形成的斜切層面溶隙非常發(fā)育，在巖溶后期形成構(gòu)造溶蝕裂隙密集帶沿兩組剪節(jié)理的交匯處擴(kuò)大形成的小溶洞，成為地下水的主要儲(chǔ)存空間和運(yùn)移通道，富水性極強(qiáng)［11］。

2)巖體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)成分和不同的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)巖溶形態(tài)有重要影響。成分復(fù)雜的巖層一般沉積間斷較多，呈中厚層至中薄層，構(gòu)造裂隙較密集，有利于巖溶水的流動(dòng)，進(jìn)而形成溶蝕性中小型洞穴。巖溶發(fā)育晚期，由于補(bǔ)給水?dāng)y帶的物質(zhì)和溶洞頂部不斷地坍塌，往往被高含水物質(zhì)填充。一些情況下，溶蝕裂隙在巖溶發(fā)育后期的寬度可達(dá)4～5 m，具有與溶洞相似的形態(tài)。巨厚的純灰?guī)r形成的構(gòu)造裂隙往往比較稀疏、寬而長(zhǎng)，有利于形成大型溶洞，且?guī)r溶發(fā)育在空間上極不均勻。

3)地下水位變化和補(bǔ)給條件差異對(duì)充填溶洞的形成有直接影響。近代巖溶后期的裂隙水活躍，溶蝕發(fā)育，多呈溶隙狀出現(xiàn)，彼此貫通時(shí)呈串珠狀，進(jìn)而形成較為寬大的溶蝕裂隙。裂隙空間的方向性和透水的各項(xiàng)異性在巖溶發(fā)展過(guò)程中得到強(qiáng)化，造成巖溶裂隙水的分布不均。受水文地質(zhì)歷史演變的影響，地下水位下降后，局部地段形成了降落漏斗，上部巖溶發(fā)育帶再充水形成具有一定含水量填充體的巖溶洞穴。

3 信號(hào)分析

3.1 Kirchhoff偏移原理

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)是基于對(duì)電磁波信號(hào)在介質(zhì)界面的反射波的接收和分析的。由于地下介質(zhì)的空間復(fù)雜性，在測(cè)試信號(hào)分析中，對(duì)于需要較精確定位的目標(biāo)，常需要把由反射波確定的成像位置還原到真實(shí)的位置。基于波動(dòng)方程偏移的Kirchhoff偏移技術(shù)能在反射層偏移過(guò)程中保持反射波的特征，為進(jìn)一步判別不良地質(zhì)體的類(lèi)型保留了重要信息，也為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下的偏移提供了可能［11－12］。

電磁波在地下介質(zhì)中以耦合的電磁場(chǎng)進(jìn)行傳播，如將波動(dòng)方程寫(xiě)為電場(chǎng)E的形式，則有:

其中k為傳播常數(shù)。對(duì)于地下的一點(diǎn)p(x，y，z)，在地表測(cè)到的反射電場(chǎng)強(qiáng)度 E(xp，yp，zp，t)可表示為

其中r=[(x－xp)2+(y－yp)2+]1/2。

在進(jìn)行掌子面前方探測(cè)時(shí)，掌子面上接收信號(hào)t=0，介質(zhì)中電場(chǎng)在時(shí)間上較z=0平面超前r/v。對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行剖面成像時(shí)，偏移速度為真實(shí)速度的1/2，則根據(jù)測(cè)到的電場(chǎng)值可計(jì)算p點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度:

式(3)中存在如下條件:

在邊界條件(4)下對(duì)式(3)進(jìn)行求解得

式(5)即地質(zhì)雷達(dá)接收到的電場(chǎng)信號(hào)經(jīng)過(guò)Kirchhoff偏移處理后得到的空間位置表達(dá)式。將式(2)和式(5)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，偏移處理后的探測(cè)信號(hào)僅對(duì)探測(cè)目標(biāo)的位置進(jìn)行了修正，其他信號(hào)特征(強(qiáng)度、頻率等)并未發(fā)生改變。

3.2 電磁波對(duì)高含水率介質(zhì)的響應(yīng)特征

地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)是基于地下介質(zhì)固有的物理特性進(jìn)行地下異常地質(zhì)體探測(cè)的一種物理方法。其中，對(duì)地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用效果影響較大的是相對(duì)介電常數(shù)、電導(dǎo)率。根據(jù) Annan等［13－15］的研究成果，地下含水介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)可表達(dá)為

其中w為巖土體的體積含水率。式(6)中相對(duì)介電常數(shù)隨含水量的增加而增加。電磁波在介質(zhì)界面上的反射強(qiáng)弱可由反射系數(shù)確定:

可見(jiàn)在含水量差異較大的界面上地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)反射強(qiáng)烈。

另一方面，電磁波在復(fù)雜地質(zhì)條件下會(huì)產(chǎn)生不同程度的衰減，有耗介質(zhì)中的衰減規(guī)律可由衰減系數(shù)簡(jiǎn)化公式表示:

其中高含水介質(zhì)中的電導(dǎo)率σ遠(yuǎn)高于較為干燥的介質(zhì)［2］。式(8)中的磁導(dǎo)率在地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用時(shí)一般認(rèn)為是常數(shù)，故高含水介質(zhì)界面的反射波的頻率較干燥的介質(zhì)明顯降低。

另一方面，填充體中一般含有一定比例的粘土物質(zhì)，粘土對(duì)水和可交換陽(yáng)離子的吸附性高，會(huì)使電磁波在其中傳播時(shí)的能量耗散效應(yīng)增加［11］。

本文采用Kirchhoff偏移技術(shù)，并結(jié)合電磁波對(duì)高含水率介質(zhì)的響應(yīng)特征進(jìn)行研究，說(shuō)明從理論上對(duì)巖溶區(qū)域高含水填充區(qū)域的精確探測(cè)是可行的。

4 預(yù)報(bào)實(shí)例分析

4.1 偏移技術(shù)分析驗(yàn)證

使用Kirchhoff偏移技術(shù)對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋進(jìn)行精確定位驗(yàn)證。采用中心頻率為2000 MHz的天線對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋位置進(jìn)行探測(cè)。圖1(a)為雷達(dá)信號(hào)的原始剖面，圖1(b)為經(jīng)過(guò)偏移處理的圖像。從圖1可以看出鋼筋的繞射能量較好地匯集于曲線的頂點(diǎn)，繞射影響區(qū)域減小。從打開(kāi)保護(hù)層的情況看(見(jiàn)圖2)，偏移處理后確定的鋼筋間距較未偏移時(shí)更為準(zhǔn)確。

圖1 鋼筋分布的原始剖面和Kirchhoff偏移處理后的對(duì)比

圖2 由處理信號(hào)確定的鋼筋位置打開(kāi)結(jié)果

4.2 隧道充填型小型溶洞的探測(cè)應(yīng)用分析

成渝高速公路復(fù)線縉云山隧道呈近東西向橫穿縉云山南段。隧址區(qū)剝蝕－溶蝕特征顯著，巖溶地形主要為巖溶槽谷，并有溶蝕槽丘、槽洼等巖溶地貌形態(tài)。隧道進(jìn)口右線上臺(tái)階掌子面里程YK3+391(開(kāi)挖高度7 m)開(kāi)挖爆破完畢后，拱頂右側(cè)出現(xiàn)較嚴(yán)重掉塊，有一裂隙水呈小股狀流出。應(yīng)施工單位要求，采用中心頻率為40 MHz的低頻天線對(duì)該掌子面前方地質(zhì)情況進(jìn)行探測(cè)，測(cè)試過(guò)程的數(shù)據(jù)采集模式為512采樣點(diǎn)數(shù)的連續(xù)采樣。

圖3(a)為只進(jìn)行基本數(shù)據(jù)處理(解震蕩→時(shí)間零點(diǎn)校正→濾波→時(shí)間增益→二維成像)，未進(jìn)行偏移處理的雷達(dá)剖面。可以看出圖中圈出的位置范圍較為模糊，大致呈矩形，其范圍是掌子面前方6～20 m，水平方向0～7 m。圖3(c)為經(jīng)過(guò)偏移處理后的剖面，其中不良體的范圍更加明顯，顯示不良地質(zhì)體的范圍較不規(guī)則，大致為掌子面前方7～22 m，水平方向1～6 m。圖3(b)為不良地質(zhì)體范圍內(nèi)某單道反射波(偏移前后的相同位置)，反射波能量(振幅)在接近和離開(kāi)不良范圍時(shí)均有一反射能量增強(qiáng)段，且在不良位置處存在相位翻轉(zhuǎn)180°的現(xiàn)象，這應(yīng)與含水巖溶裂隙有關(guān)。其間有多處呈衰減趨勢(shì)段，反射波表現(xiàn)為有較大能量損失的振幅微弱的形態(tài)，分析認(rèn)為應(yīng)與介質(zhì)中的耗散成分有關(guān);區(qū)域內(nèi)局部表現(xiàn)為強(qiáng)弱相間的反射特性，應(yīng)與巖體裂隙相關(guān)。

圖3 偏移處理前后對(duì)比情況和單道反射波

根據(jù)隧道開(kāi)挖過(guò)程中掌子面的地質(zhì)發(fā)展情況，結(jié)合勘察設(shè)計(jì)地質(zhì)資料分析發(fā)現(xiàn)，該里程掌子面處于雙圣寺斷層(F5)的影響區(qū)內(nèi)，受地表降水補(bǔ)給影響，為巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)。綜合地質(zhì)認(rèn)識(shí)情況和雷達(dá)信號(hào)特征分析推斷，該處為近斷層巖溶強(qiáng)發(fā)育區(qū)，由坍塌碎裂巖土體填充，受斷裂構(gòu)造的強(qiáng)導(dǎo)水補(bǔ)給，區(qū)內(nèi)存在豐富的巖溶水。

通過(guò)開(kāi)挖驗(yàn)證，在地質(zhì)雷達(dá)測(cè)試掌子面里程前方約6～23 m處存在通過(guò)中間較小管道連通的兩個(gè)小型松散溶蝕物質(zhì)填充區(qū)域，并含有較大量的水，其空間形態(tài)與Kirchhoff偏移成像后的雷達(dá)剖面圖相近，驗(yàn)證了綜合分析推斷結(jié)果，為保證隧道施工安全、預(yù)防人員傷亡起到了指導(dǎo)作用。圖4為開(kāi)挖后掌子面后釋放的填充物質(zhì)。

圖4 開(kāi)挖后掌子面后釋放的填充物質(zhì)

5 結(jié)束語(yǔ)

偏移處理技術(shù)使探測(cè)信號(hào)因繞射產(chǎn)生的位移偏移得到修正，對(duì)多次反射信號(hào)進(jìn)行了屏蔽，對(duì)準(zhǔn)確圈定探測(cè)目標(biāo)(填充型小溶洞不良地質(zhì)體)的范圍和確定其規(guī)模有較大作用。高含水溶蝕填充體的反射信號(hào)因吸水泥質(zhì)的存在而出現(xiàn)衰減，深部信號(hào)表現(xiàn)微弱，不利于探測(cè)信號(hào)的分析。

地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)的多解性在巖溶地區(qū)隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下得到了加強(qiáng)。在充分認(rèn)識(shí)探測(cè)目標(biāo)的地質(zhì)發(fā)展規(guī)律基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確分析地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)對(duì)不良地質(zhì)體的反射特征有利于促進(jìn)對(duì)物探技術(shù)多解問(wèn)題的研究。

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