地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在小斷面隧洞施工中的應(yīng)用*

(1.江西省水利科學(xué)研究院，江西 南昌　330029；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌　712100；3.江西省水工安全工程技術(shù)研究中心，江西 南昌　330029)

當(dāng)前的鐵路、公路、市政、水利水電等工程建設(shè)中，很多要進(jìn)行地下隧道、隧洞的開挖。由于地質(zhì)情況的復(fù)雜多變，加之勘察技術(shù)手段的限制，無法準(zhǔn)確查明工程涉及范圍的巖土狀態(tài)和地質(zhì)情況。因此，在開挖前對隧洞前方地質(zhì)條件、巖體狀態(tài)進(jìn)行探測就顯得尤為重要。隧洞施工時(shí)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)就是在隧洞(隧道)開挖前，利用各種方法對掌子面前方地質(zhì)情況、巖體狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測的技術(shù)。其預(yù)報(bào)內(nèi)容主要包括：不良地質(zhì)及災(zāi)害地質(zhì)預(yù)報(bào)、水文地質(zhì)預(yù)報(bào)、斷層破碎帶預(yù)報(bào)、圍巖類別及其穩(wěn)定性預(yù)報(bào)、隧洞內(nèi)有害氣體預(yù)報(bào)等。準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報(bào)對于安全科學(xué)施工、提高施工效率、縮短施工周期、避免事故損失、節(jié)約投資等具有重大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

常見的地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有：直接預(yù)報(bào)法，如利用超前鉆孔或超前導(dǎo)洞等；地質(zhì)分析法，通過現(xiàn)有地質(zhì)資料推測掌子面前方地質(zhì)情況；物探法，如彈性波法(TSP超前預(yù)報(bào))、紅外法、地質(zhì)雷達(dá)(GPR)法等。在物探法中，地質(zhì)雷達(dá)法因干擾小、準(zhǔn)確率高、方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，在隧洞施工中得到了大量應(yīng)用。

吳永清等[1]利用該方法在107國道上焦沖、六甲洞和石倉嶺三座公路隧道 10～40m內(nèi)的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)中取得了一定的效果。薛建等[2]采用 TSP和地質(zhì)雷達(dá)法結(jié)合進(jìn)行預(yù)報(bào)，預(yù)測出幾十余處斷層和多處破碎帶。李海濱[3]利用地質(zhì)雷達(dá)，對煤礦坑道里的富水帶、裂隙集中帶等地質(zhì)情況做出了探測。劉偉等[4]基于時(shí)域有限差分法(FDTD)原理，對這些常見巖溶病害進(jìn)行了正演模擬，并結(jié)合工程實(shí)例驗(yàn)證了理論模擬效果。趙明[5]介紹了以斷層帶、地下水富集區(qū)等不良地質(zhì)條件下的地質(zhì)雷達(dá)探測方法和分析原則。李正良[6]介紹了地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)技術(shù)在沖溝發(fā)育，埋藏深溶洞、涌水突泥、有毒氣體等地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)隧道施工中的應(yīng)用。

當(dāng)前學(xué)者對超前預(yù)報(bào)的研究多集中在重大工程、重點(diǎn)項(xiàng)目上，其工程等級較高、規(guī)模較大，隧道斷面大，多為6～20m。而在中小型水利水電工程中，常需要建設(shè)洞徑約為1～2m的引水隧洞，由于洞徑小，在利用地質(zhì)雷達(dá)探測時(shí)可取得的數(shù)據(jù)也較少，成像解析復(fù)雜，探測難度大。如何對小斷面的隧洞進(jìn)行超前預(yù)報(bào)，需要進(jìn)行深入研究。

1　地質(zhì)雷達(dá)探測原理

地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)工作過程是由置于地面(被探測物體表面)的天線向地下(被探測物體內(nèi)部)連續(xù)發(fā)射高頻電磁脈沖，當(dāng)其在地下傳播過程中遇到不同電性(主要是相對介電常數(shù))界面時(shí)，電磁波一部分發(fā)生折射透過界面繼續(xù)傳播，另一部分發(fā)生反射折向地面，被接收天線接收，并由主機(jī)記錄，在更深處的界面，電磁波同樣發(fā)生反射與折射，直到能量被完全吸收為止(圖1)。

圖1　地質(zhì)雷達(dá)探測原理

取得雷達(dá)探測圖像后，主要進(jìn)行兩方面分析，一是確定異常點(diǎn)位置，二是判斷異常產(chǎn)生的原因。

1.1　確定異常點(diǎn)位置

反射波從被發(fā)射天線發(fā)射到被接收天線接收的時(shí)間稱為雙程走時(shí)t，當(dāng)求得地下介質(zhì)的波速時(shí)，可根據(jù)測到的精確t值折半乘以波速求得目標(biāo)體的位置或埋深。

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)探測原理圖，目標(biāo)體的埋深z可以用數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)為

(1)

(2)

式中z——被探測目標(biāo)體的深度，m；

v——電磁波在被探測物體內(nèi)傳播速度,m/ns；

t——雙程走時(shí)，ns；

X——發(fā)射和接收天線的距離，m；

c——電磁波在真空中傳播速度，0.3m/ns；

εr——相對介電常數(shù)。

雙程走時(shí)t是由地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)自動計(jì)算得到，由于發(fā)射和接收天線的距離X是確定的，因此式中只需確定被探測物體的相對介電常數(shù)，就可以確定被探測目標(biāo)體的深度z。

雷達(dá)探測的效果主要取決于不同介質(zhì)的電性差異，即介電常數(shù)，若介質(zhì)之間的介電常數(shù)差異大，則探測效果就好。在前方巖體完整的情況下，相對介電常數(shù)較小，地質(zhì)雷達(dá)可以預(yù)報(bào)約30m距離；當(dāng)巖石不完整或存在較多裂隙水等情況下，預(yù)報(bào)距離變小，甚至小于 10m。

1.2　雷達(dá)圖像解析

圖2是一幅典型的地質(zhì)雷達(dá)探測圖，放大后可見由數(shù)百根波動線組成。在對異常部位進(jìn)行判定時(shí)，根據(jù)各反射波組的波幅與頻率特征可以得到探地雷達(dá)的波形圖像，從而了解探測對象內(nèi)目標(biāo)體的分布情況。

圖2　典型的地質(zhì)雷達(dá)探測

2　工程實(shí)例

2.1　工程簡介

蓮花縣寒山水庫工程是一座以供水、灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電等綜合效益的中型水庫，控制流域面積58.7km2，水庫正常蓄水位340.00m，設(shè)計(jì)總庫容1401萬m3，電站裝機(jī)容量2500kW。發(fā)電引水隧洞為圓形，洞徑1.8m。

隧洞沿線通過地層巖性主要為泥盆系上統(tǒng)錫礦山組中段變質(zhì)細(xì)粒砂巖(石英砂巖)夾千枚巖及上段千枚巖夾變質(zhì)細(xì)粒砂巖(石英砂巖)。地表一般分布第四系全新統(tǒng)崩坡積或殘坡積壤土、碎塊石。洞室圍巖總體產(chǎn)狀N10°～20°E/SE∠55°～85°，受斷層構(gòu)造影響，局部產(chǎn)狀變化較大。巖層傾角較陡，隧洞軸線與巖層走向交角較大，利于洞室穩(wěn)定。但隧洞大部分將開挖于上段千枚巖夾變質(zhì)細(xì)粒砂巖地層、中段千枚巖夾層，以及f3、f4斷層帶，工程地質(zhì)條件差。

圖3　隧洞斷面及測線布置

2.2　探測方案

為保障施工安全，對隧洞地質(zhì)情況進(jìn)行超前預(yù)報(bào)。探測掌子面位于引水隧洞0+098，清除掌子面前堆積的渣石，使掌子面盡量出露，盡量鑿平掌子面。縱橫向布置2條測線，測線布置如圖3所示。選用100MHz屏蔽天線，天線中心頻率為100MHz，為了對自然界的雜波、儀器雜波及其他信號雜波進(jìn)行過濾，僅采集25～200MHz電磁波信號。結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料，選擇合適介電常數(shù)和記錄長度，使測試達(dá)到20m預(yù)期深度。選擇點(diǎn)測模式，并通過增大發(fā)射率和疊加次數(shù)以提高測量精度。

2.3　資料分析

圖4　測線1地質(zhì)雷達(dá)成像

探測的雷達(dá)原始圖經(jīng)時(shí)間零點(diǎn)確認(rèn)-背景去除-表面范化-橫向擴(kuò)展-反卷積處理后，形成圖4、圖5雷達(dá)成像圖。可以看出在圖中，與典型的地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)圖相比，僅有30根有效采集線，未能找到拋物線、連續(xù)反射等特征圖像，圖像分析難度較大。因此，本文提出僅分析圖像綜合情況，不分析波形特征的方法，既僅對掌子面前方做出綜合模糊說明，而不做出地質(zhì)情況精確預(yù)測。

圖5　測線2地質(zhì)雷達(dá)成像

增強(qiáng)圖像增益，可以看出，測線1圖中有兩處采集線有集中波動區(qū)域，一處在掌子面左側(cè)，前方7～12m(樁號0+105～0+110)范圍；另一處位于掌子面右側(cè)，前方6～8m(樁號0+104～0+106)。測線2基本存在兩處異常區(qū)域，另一處在掌子面左側(cè)，前方7～17m(樁號0+105～0+115)范圍；另一處位于掌子面右側(cè)，前方7～14m(樁號0+105～0+112)。兩條測線取得的圖像分析結(jié)果基本一致，即圖中圈定的兩條測線共四個(gè)位置均表現(xiàn)為波形比較雜亂，同相軸連續(xù)性差，測線反射波頻率變高。初步判斷隧洞掌子面前方7～17m(樁號0+105～0+115)范圍內(nèi)巖體較掌子面更加破碎，節(jié)理裂隙及其發(fā)育，局部可能存在少量水，溶蝕裂隙發(fā)育，其余圍巖類似于掌子面。

2.4　與開挖結(jié)果對比分析

隧洞洞身開挖后，0+098～0+101段圍巖為泥盆系上統(tǒng)錫礦山統(tǒng)第三層的中厚層狀變質(zhì)細(xì)粒砂巖夾千枚巖，石英砂巖多呈風(fēng)化狀，千枚巖呈強(qiáng)風(fēng)化狀，巖體較破碎，屬四類圍巖，不穩(wěn)定，圍巖自穩(wěn)時(shí)間短，時(shí)間效應(yīng)明顯。

0+101～0+104段圍巖為泥盆系上統(tǒng)錫礦山統(tǒng)第三層的中厚層狀變質(zhì)細(xì)粒砂巖夾千枚巖，石英砂巖多呈弱風(fēng)化狀，千枚巖呈強(qiáng)風(fēng)化狀，巖體較破碎，屬四類圍巖，不穩(wěn)定，圍巖自穩(wěn)時(shí)間短，時(shí)間效應(yīng)明顯。

0+104～0+109段圍巖為泥盆系上統(tǒng)錫礦山統(tǒng)第三層的薄～中厚層狀變質(zhì)細(xì)粒砂巖夾千枚巖，石英砂巖多呈風(fēng)化狀，千枚巖呈強(qiáng)風(fēng)化狀，巖體及其破碎，屬五類圍巖，巖體極不穩(wěn)定，圍巖不能自穩(wěn)，成洞條件差。

0+109～0+117段圍巖為泥盆系上統(tǒng)錫礦山統(tǒng)第三層的薄～中厚層狀變質(zhì)細(xì)粒砂巖夾千枚巖，石英砂巖多呈風(fēng)化狀，千枚巖呈強(qiáng)風(fēng)化狀，巖體及其破碎，屬五類圍巖，巖體極不穩(wěn)定，圍巖不能自穩(wěn)，成洞條件差。

將探測圖與實(shí)際開挖情況進(jìn)行圖標(biāo)對比，如圖6所示。

圖6　地質(zhì)雷達(dá)預(yù)測與實(shí)際開挖對比

通過以上對比分析可以看出，在一定探測范圍(本文為17m)內(nèi)，利用地質(zhì)雷達(dá)法對隧洞地質(zhì)情況進(jìn)行探測是可行的，預(yù)測情況和實(shí)際開挖結(jié)果基本符合，說明本文提出的僅分析圖像綜合情況，不分析波形特征的方法，對于預(yù)報(bào)掌子面前方綜合地質(zhì)情況具有一定適用性。但在更深遠(yuǎn)的探測范圍(本文為17m)，本文提出的方法則出現(xiàn)誤判，說明在小斷面隧洞地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)中，由于取得的數(shù)據(jù)較少，不適宜進(jìn)行精確預(yù)報(bào)。

3　結(jié)論及建議

地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)在進(jìn)行小斷面隧洞超前預(yù)報(bào)時(shí)，僅能取得較少解析圖像。針對這個(gè)問題，本文提出了加大增益，僅分析異常情況，而不對異常情況的類型、特征進(jìn)行細(xì)致分析的方法，通過實(shí)測對比分析，該方法在一定深度上基本可靠。若需對前方地質(zhì)條件有較詳細(xì)的預(yù)報(bào)，建議采用減小步長、增加探測點(diǎn)數(shù)量的方法進(jìn)行探測。

[1]吳永清,何林生.地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道的應(yīng)用[J].廣東公路交通,1998(增刊)(54):111-114.

[2]薛建,曾昭發(fā),王者江,等.隧道掘進(jìn)中掌子面前方巖石結(jié)構(gòu)的超前預(yù)報(bào)[J].長春科技大學(xué)學(xué)報(bào),2000,30(1):87-89.

[3]李海濱.地質(zhì)雷達(dá)檢測在煤礦坑道地質(zhì)病害超前預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2013,32(3):156-158.

[4]劉偉，周斌，甘伏平,等.隧道超前預(yù)報(bào)中不同性質(zhì)充填溶洞地質(zhì)雷達(dá)正演實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù).2014,51(1):153-158.

[5]趙明，肖華波.地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)在毛爾蓋水電站引水隧洞中的運(yùn)用[J].水電站設(shè)計(jì),2015,31(4):109-112.

[6]李正良.地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)在上通壩電站引水隧洞中的應(yīng)用[J].湖南水利水電,2012(6):48-50.