探地雷達在隧道富水區探水實例分析

楊小龍，彭 剛，劉文華

（1.中鐵隆工程集團有限公司,四川成都 610041；2.中鐵五局集團有限公司,貴州貴陽550003；3.中煤第五建設有限公司,江蘇徐州221006）

1 概述

探地雷達的英文縮寫是GPR，作為20世紀70年代左右興起的一種針對特定目標進行探測的有效方法，它借助發射天線發射出的高頻寬帶電磁波在傳播時碰到電性特征存在差異的目標體會發生反射的特性，利用接收天線接收來自目標物的回波（該回波可能是介質界面的反射波、異常體的散射波或者是經過某一路徑到達接收天線的透射波），然后針對得到的接收波到達時間、幅度大小、相位和頻譜特征以及同相軸形態等信息進行分析，以此分析得到介質結構和介質性質。

隨后，由于該技術不斷地向前推進，并產生了性能更好的高頻天線，探地雷達檢測技術在更多的領域得到了應用和發展，包括工程勘探和地質勘探，隧道、管線和建筑等工程領域的探測等。

在隧道向前掘進時，對掌子面前面的地質情況進行提前預判是非常必要的，探地雷達以其獨有的優勢，在超前地質預報中應用極廣，在探測軟弱夾層、水囊、破碎帶等地質體時往往比較準確，本文以青島地鐵某工區為例，運用探地雷達技術對某區間進行超前地質預報，成功測得掌子面前方水囊位置，并通過高密度電法對解譯結果進行印證，及時通知施工單位采取有效應對，避免了危險事故的發生。

2 探測原理

圖1展示了探地雷達的工作原理。首先，天線在特定方向上發射出高頻短脈沖電磁波至地下,由于地下介質中的地層分界面和特定目標體在電性特征上存在差異，因此電磁波在碰到它們時會同時發生反射以及透射。此時，反射信號會傳送到接收天線上，并經過數字化處理轉換為相應波形存入電腦中。經過一系列的處理流程，我們就能通過反射波的傳播時間、振幅大小和波形特征等信息，對地下介質中特定目標的空間位置分布和結構特征做出推斷。

圖1 探地雷達工作原理

高密度電法和普通電阻率法在基本原理上沒有太大差異，其基礎都是由于若目標地質體具有不同的電性特征（如圖2所示），因而會在外界電場的作用下產生不同的電流分布情況，從而可以推斷出電阻率不同的地質體在地下介質中的分布情況。2個方法均是借助2個電極A和B對地下介質傳輸電流I，此時M極和N極會產生電位差，兩者相除便能得在M極和N極之間的該點的視電阻率。對得到的不同視電阻率進行整理就可以得到視電阻率剖面，此時就能得到地下介質中的電阻率分布，由此便能進行地層劃分以及異常地層標定等工作。

圖2 高密度電阻率法原理示意圖

3 探測過程

探測工作在隧道掘進方向掌子面上布置測線，根據現場實際情況在掌子面布設一條橫向測線。掌子面前方左側存在一口水井，現場出現涌水現象。

為了有效探測掌子面前方地質情況，采取了點測的方法，測點之間的距離為0.1m，滿足橫向上的分辨要求，疊加次數可達128次，大大提高了信噪比。采樣頻率為250MHz，采樣點為900，測量時窗400ns，在凝灰巖體中能測深度為23m左右。測量時，天線緊貼巖逐點移動。

圖3為測線測量解譯圖，從解譯圖能夠看到，掌子面前方水平反射比較強，有數條連續同相軸，推斷掌子面前方節理裂隙，同相軸有斷，但不見明顯錯動，存在斷層可能性較小，但節理裂隙在前部較發育，推測為爆破所致，巖石存在微風化現象，前方左側有2個小范圍的連續反射面，中間含水，推斷為水井位置，由于水井存在，該范圍在剖面圖上顯示為富水區，存在大量裂隙水。中部區域存在大量的微小節理裂隙，根據反射波動力學特征分析，低頻信號較少，中高頻信號居多，能量較強，在節理裂隙發育區有含水或夾泥現象。

圖3 測線測量解譯圖

在中后部區域（約掌子面前方18～22m處），電磁波反射突然大幅度衰減，中間只存在部分微反射且同相軸具有平行現象，出現大范圍的反射異常區域，且周圍存在富水區域，推斷可能存在大型水體或大型不良地質體，后部區域存在大量節理裂隙，且裂隙水含量較高。

經過現場實際調查，得知所測異常區域對應地面位置地表表層為砂體，厚約2m，砂體較為濕潤，地表存在3口水井，井中均有水，其中2號水井水量較大，為居民生活用井。

為進一步確定地下水體位置，運用高密度電法對該區域進行探測，探測得知疑似富水區域在高密度電法探測剖面上存在明顯低阻現象（如圖4所示），通過與周圍高阻區的明顯對比，可以確定該區域地下存在大量地下水，推測可能為采空區回填所致，高密度電法探測結果與探地雷達探測結果相吻合，驗證了該技術在超前地質情況預報應用方面的準確性。在確認該區域地質結構之后，通過及時和施工單位溝通，采取有效措施，及時進行全帷幕注漿封堵，避免了施工過程中的安全風險。

圖4 高密度電法探測結果

4 結論

本文通過探地雷達探水技術在超前地質情況預報過程的實際應用，可以得到如下結論：

（1）該技術是一種新型的具有高效率的無損檢測方法，可以在超前地質預報中進行較為準確地探水檢測；

（2）運用探地雷達與高密度電法相結合的方式，可以有效對地下水分布位置進行有效定位；

（3）在進行探地雷達資料解譯時，要具備嚴謹的態度，需要借助積累得到的經驗，避免漏判以及誤判情況的出現。