公路隧道地下水綜合探測(cè)技術(shù)探討

江 華

(福建省交通科研院有限公司，福州 350004)

0 引言

開(kāi)挖隧道掌子面前方地質(zhì)、水文情況復(fù)雜多變，難以把握，隧道時(shí)常會(huì)穿越一種甚至多種不良地質(zhì)發(fā)育地段，特別是穿過(guò)巖溶發(fā)育、斷層破碎帶、地下暗河等不良地質(zhì)區(qū)域時(shí)，掌子面易發(fā)生圍巖塌方，涌水突泥等地質(zhì)災(zāi)害，這輕則延誤工期，重則造成人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。 因此，隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道施工過(guò)程中顯得尤為重要。 作為地質(zhì)預(yù)報(bào)的重點(diǎn)項(xiàng)目之一，地下水探測(cè)技術(shù)，隨著經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，其預(yù)報(bào)手段也得到豐富和完善。目前隧道中常用的地下水探測(cè)方法有地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、紅外探水法以及綜合采用兩種方法及以上的地下水綜合探測(cè)法。 然而， 有些作業(yè)人員因缺乏對(duì)地下水探測(cè)方法的認(rèn)識(shí)， 盲目地選取探測(cè)方法或僅采用單一的地下水探測(cè)方法，導(dǎo)致探測(cè)效果較差。 因此，有必要對(duì)這些探測(cè)方法進(jìn)行梳理并提供一些借鑒性思路。

1 地下水探測(cè)技術(shù)原理

1.1 地質(zhì)雷達(dá)法(GPR)

地質(zhì)雷達(dá)法采用高頻電磁波(主頻為數(shù)十兆赫茲至數(shù)百兆赫茲甚至千兆赫茲)以寬頻帶短脈沖形式，由發(fā)射天線T 送入地層， 當(dāng)遇到異常地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時(shí)發(fā)生反射并返回，被接收天線R 接收，并由主機(jī)記錄下來(lái)，形成雷達(dá)剖面圖，其探測(cè)原理圖如圖1 所示。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁波場(chǎng)強(qiáng)度以及波形隨所通過(guò)介質(zhì)的電磁特性及其幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，即脈沖波的旅行時(shí)間、幅度、頻率和波形等，通過(guò)雷達(dá)圖像的處理和分析，可確定掌子面前方界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)特征。 其中脈沖波的旅行時(shí)間如式(1)所示。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

式中，地層各介質(zhì)電磁波波速v 相對(duì)較為固定，可根據(jù)地層特征查表或者經(jīng)驗(yàn)得到； 雙程走時(shí)t 可由儀器精確測(cè)得，x 為儀器天線固定參數(shù)。 因此，借助式(1)即可反求出反射界面的深度z。

1.2 瞬變電磁法(TEM)

瞬變電磁法(TEM)是依據(jù)時(shí)間域半、全空間瞬變電磁場(chǎng)的基本原理，通過(guò)發(fā)射線圈向地質(zhì)體發(fā)射瞬變一次場(chǎng)，這種迅速衰減的電場(chǎng)在其周圍的介質(zhì)中產(chǎn)生出二次感應(yīng)場(chǎng)，通過(guò)接收線圈測(cè)量二次感應(yīng)場(chǎng)隨時(shí)間的變化特征，其反映了感應(yīng)場(chǎng)所覆蓋的地質(zhì)體按電性特征的空間分布規(guī)律。通過(guò)瞬變探測(cè)技術(shù)的信號(hào)處理、干擾校正、算法反演、時(shí)深轉(zhuǎn)換及成圖處理等手段， 進(jìn)而得到地質(zhì)異常體的分布、規(guī)模、形態(tài)等信息。

1.3 紅外探水法

巖層由于分子振動(dòng)和晶體格振動(dòng)， 每時(shí)每刻都在向外輻射電磁波，并形成紅外輻射場(chǎng)。紅外探測(cè)技術(shù)就是通過(guò)紅外探測(cè)儀探測(cè)前方一定范圍內(nèi)的紅外輻射場(chǎng)的變化來(lái)判別探測(cè)前方地質(zhì)的含水情況。 當(dāng)探測(cè)前方不存在隱伏的地質(zhì)異常體時(shí)，紅外輻射場(chǎng)就是一常值；當(dāng)探測(cè)前方一定范圍內(nèi)存在隱伏的地質(zhì)異常體時(shí)， 地質(zhì)異常體產(chǎn)生的輻射場(chǎng)就要疊加在正常輻射場(chǎng)上， 從而使得正常輻射場(chǎng)發(fā)生畸變。

2 地下水探測(cè)技術(shù)特點(diǎn)

2.1 地質(zhì)雷達(dá)法(GPR)

地質(zhì)雷達(dá)通常由主機(jī)、電纜、天線和電池組成。 地質(zhì)雷達(dá)資料解釋原理主要基于信號(hào)強(qiáng)弱、信號(hào)衰減、電磁信號(hào)傳播速度三個(gè)因素：其一，反射波信號(hào)強(qiáng)弱與掌子面地層差異性成正相關(guān)關(guān)系， 這也是地質(zhì)解釋主要判定依據(jù)[1]；其二，完整巖石電磁波衰減小、衰減較慢，富水帶中電磁波在含水層表面發(fā)生強(qiáng)振幅反射， 穿透部分則在富水帶內(nèi)發(fā)生繞射和散射，能量團(tuán)分布不均勻，能量按一定規(guī)律快速衰。但由于水面通常分布連續(xù)，其同相軸連續(xù)性好，波形基本均一，振幅以高、寬幅為主，且水的介電常數(shù)為81，大于基巖的介電常數(shù)，故從高阻抗的基巖到低阻抗的含水層，反射電磁波與入射電磁波相位相反[2]。 富水帶典型地質(zhì)雷達(dá)特征圖像如圖2 所示[3]。 其三，電磁波傳播速度與巖石類型等級(jí)存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 可通過(guò)巖心取樣和波阻抗測(cè)試標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)速度作為地質(zhì)雷達(dá)解釋巖性和地質(zhì)異常的參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 富水帶地質(zhì)雷達(dá)特征圖像

表1 常見(jiàn)介質(zhì)的物理量

在儀器性能和地下介質(zhì)一定的情況下， 探測(cè)深度取決于工作頻率和地層的衰減系數(shù)， 用于隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)雷達(dá)天線通常頻率在25MHz～100MHz 范圍內(nèi)，一般天線頻率越高，探測(cè)深度越淺，分辨率越高；反之，探測(cè)深度越深，分辨率越低。

2.2 瞬變電磁法

由于瞬變電磁法關(guān)斷時(shí)間、 一次場(chǎng)干擾等因素的影響， 與其它物探方法相比， 無(wú)法探測(cè)到更淺部的異常體(淺部2～10m 左右)，稱此現(xiàn)象為瞬變電磁的探測(cè)“盲區(qū)”。

隧道圍巖通常為高阻，電磁波易于通過(guò)，故圍巖對(duì)瞬變電磁法屏蔽性與直流電場(chǎng)相比小得多， 因此瞬變電磁法所測(cè)信號(hào)為線框周圍全空間巖石電性的綜合反映。 但可利用小線框體積效應(yīng)小、 電磁波傳播具有方向性的特點(diǎn)， 通過(guò)改變線框平面方向并結(jié)合地質(zhì)資料來(lái)判斷地質(zhì)異常體的空間位置。

2.3 紅外探水法

紅外探水法有兩個(gè)技術(shù)特點(diǎn)：

(1)利用掌子面探測(cè)數(shù)據(jù)判斷含水構(gòu)造

當(dāng)掌子面前方出現(xiàn)構(gòu)造時(shí)，地層結(jié)構(gòu)遭受破壞，介質(zhì)密度發(fā)生變化，構(gòu)造中填充了水。 從微觀角度講，由于上述變化相對(duì)各探測(cè)點(diǎn)空間距離的不同， 因而使得輻射場(chǎng)強(qiáng)絕對(duì)值之差增大，通常把這個(gè)輻射場(chǎng)強(qiáng)絕對(duì)值稱之為安全值。 故可根據(jù)正常離散值來(lái)確定前方有無(wú)含水構(gòu)造[5]。

(2)利用探測(cè)曲線判斷掌子面前方有無(wú)含水構(gòu)造

當(dāng)掌子面前方不存在含水構(gòu)造時(shí)， 各探測(cè)曲線的數(shù)值變化是在一個(gè)正常場(chǎng)的變化范圍內(nèi)波動(dòng)； 當(dāng)掌子面前方存在含水構(gòu)造時(shí)， 含水構(gòu)造這個(gè)不良體就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)異常場(chǎng)，向四周傳播，當(dāng)然也會(huì)向掌子面后方傳播。 根據(jù)各條探測(cè)曲線是否存在異常， 可確定掌子面前方是否存在含水構(gòu)造。

2.4 地下水綜合探測(cè)法

地下水綜合探測(cè)法是根據(jù)預(yù)報(bào)對(duì)象的特點(diǎn)， 采用兩種或者兩種以上有效的預(yù)報(bào)手段進(jìn)行相互佐證的探水方法。

在日常預(yù)報(bào)中， 要根據(jù)儀器設(shè)備的適用特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際選擇合適的探測(cè)方案。例如，紅外探水具有操作簡(jiǎn)便迅速、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但預(yù)報(bào)距離短(小于30m)且易受溫度場(chǎng)影響較大， 同時(shí)又難以預(yù)測(cè)含水量大小與富水層位置和走向；地質(zhì)雷達(dá)可探測(cè)空洞、地下水、斷層破碎帶等，有效預(yù)報(bào)距離小于30m，但其參數(shù)較難設(shè)定，且易受干擾，存在多種解譯可能，資料解釋需要有一定的經(jīng)驗(yàn)積累；瞬變電磁探測(cè)水的效果較好，探測(cè)距離遠(yuǎn)有效探測(cè)深度可達(dá)100m， 但探測(cè)點(diǎn)周邊不能有較大金屬物，在碰到含水構(gòu)造時(shí)，會(huì)產(chǎn)生低阻屏蔽和盲區(qū)，干擾后方地質(zhì)的探水效果，且無(wú)法得到地質(zhì)體的真實(shí)電阻率。 顯然，單獨(dú)采用上述中的一種方法，均存在一定的不足，而地下水綜合探測(cè)法可以有效利用各自的優(yōu)點(diǎn)又可對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行相互佐證，最終得到更加可靠、有效的結(jié)果。

3 工程實(shí)例

本文以福州某在建隧道為例，綜合采用地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探水法以及瞬變電磁法對(duì)該隧道進(jìn)口右洞YK28+380 掌子面進(jìn)行地下水探測(cè)。

3.1 工程概況

隧道采用分離式雙洞布置，雙向八車道設(shè)計(jì)，其中左洞長(zhǎng)5351m，右洞長(zhǎng)5359m，屬大跨徑特長(zhǎng)公路隧道。 根據(jù)地質(zhì)資料，隧道最大埋深約490m，洞身圍巖主要為中～微風(fēng)化凝灰?guī)r，區(qū)域構(gòu)造在K28+450 處發(fā)育一北東東向壓性構(gòu)造、并局部發(fā)育小規(guī)模節(jié)理密集帶，在本次探測(cè)位置YK28+380 處的溝谷水流較大。

在隧道左洞開(kāi)挖至YK28+380 附近， 一條斷層破碎帶斜穿隧道，掌子面右上方，一條水柱從破碎巖體涌出，水質(zhì)清澈，總涌水量大于400m3/h，且涌水持續(xù)半個(gè)月之久仍未減小，嚴(yán)重影響了工程進(jìn)展，對(duì)設(shè)備及人員安全造成極大威脅。為查明掌子面前方地下水水量及分布狀況，項(xiàng)目組決定綜合采用瞬變電磁法、 紅外探水法和地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行探測(cè)。

3.2 地下水綜合探測(cè)法的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

(1)瞬變電磁法探測(cè)

為盡可能多的布置瞬變電磁探測(cè)點(diǎn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，本次共設(shè)置24 個(gè)探測(cè)點(diǎn)，每個(gè)探測(cè)點(diǎn)分別按上仰15°、水平方向、下傾15°探測(cè)三次，詳見(jiàn)圖3。

圖3 瞬變電磁法測(cè)點(diǎn)布置示意圖

(2)紅外探水法探測(cè)

傳統(tǒng)探測(cè)時(shí)通常在掌子面僅布置4 行5 列20 個(gè)探測(cè)點(diǎn)，由于該隧道為大跨徑隧道，斷面尺寸較大，故應(yīng)加密探測(cè)點(diǎn)布置，加至44 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分4 排、每排11 個(gè)測(cè)點(diǎn)。在洞身段，沿隧道軸線方向間隔5m 布置一個(gè)斷面，共10個(gè)斷面，在拱頂、底中、左右拱墻和左右拱腳布設(shè)6 條測(cè)線。 測(cè)點(diǎn)布置圖如圖4 所示。

(3)地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)

由于掌子面右側(cè)涌水量大， 嚴(yán)重影響人員與設(shè)備作業(yè)，因此主要在掌子面左側(cè)布設(shè)測(cè)線，分別在左側(cè)上、下部各布設(shè)1 條測(cè)線。 測(cè)線布置圖如圖5 所示。

圖4 紅外探水測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖5 地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線圖

3.3 探測(cè)結(jié)果分析

(1)瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果

從圖中可以看出，隧道右側(cè)巖體視電阻相對(duì)較高，含水率較低，左側(cè)巖體受積水影響，視電阻率相對(duì)較低。 目前隧道內(nèi)揭露的導(dǎo)水裂隙帶向掌子面右前方沿伸， 左前方50m 距離以外存在低阻異常區(qū)(潛在含水部位)且有向右前方向沿伸的趨勢(shì)， 兩者將交匯于掌子面前方偏右20°距離探測(cè)點(diǎn)70m 位置，此處異常區(qū)貫穿頂?shù)装澹⑶以诘装宸较蚱蛴覀?cè)發(fā)展。

(2)紅外探水法探測(cè)結(jié)果

圖6 掌子面上仰15°視電阻率云圖

圖7 掌子面水平方向視電阻率云圖

圖8 掌子面下傾15°視電阻率云圖

圖9 洞身段紅外探測(cè)曲線圖

掌子面采集的44 個(gè)紅外場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)中， 最大值為299，最小值為287，最大極差為12，大于安全值10。 根據(jù)洞身段測(cè)線輻射場(chǎng)強(qiáng)值及曲線圖，可以看出：紅外探測(cè)場(chǎng)強(qiáng)值曲線在YK28+328～YK28+348 區(qū)間段較為平緩，在YK28+348 位置出現(xiàn)拐點(diǎn)，越往掌子面方向，曲線逐漸下降， 至掌子面附近達(dá)到最小值。 因此， 推斷掌子面前方25m 范圍內(nèi)(YK28+380～YK28+405)地下水發(fā)育，可能存在大的含水構(gòu)造帶。

(3)地質(zhì)雷達(dá)法

圖10 地質(zhì)雷達(dá)波形圖

電磁波信號(hào)反射強(qiáng)烈，以低-中頻信號(hào)為主，同相軸相連續(xù)局部斷續(xù)，初步推測(cè)該區(qū)段節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部發(fā)育，巖體較破碎，局部破碎，其中掌子面前方6～11m 存在構(gòu)造裂隙帶，裂隙帶有水充填，開(kāi)挖后可能呈淋雨?duì)罨蛴苛鳡畛鏊?/p>

綜合分析上述三種探測(cè)方法可推斷：(1)目前隧道內(nèi)揭露的導(dǎo)水裂隙帶會(huì)向掌子面右前方沿伸；(2)掌子面前方20m 范圍存在富水裂隙帶， 且主要分布在掌子面上部；(3)掌子面前方50m 左上方存在一個(gè)富水帶。

后續(xù)的施工揭露結(jié)果與本次探測(cè)結(jié)果吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)地下水的各類探測(cè)方法因基于不同的探測(cè)原理，其適用性及預(yù)報(bào)效果也存在一定的區(qū)別。 本文總結(jié)了隧道中常用的地下水探測(cè)方法， 分別論述了各類方法的技術(shù)原理及技術(shù)特點(diǎn)， 可為選擇適宜的地下水探測(cè)方法提供依據(jù)。

(2)以福州某在建隧道為例，綜合采用地質(zhì)雷達(dá)法、紅外探水法以及瞬變電磁法對(duì)掌子面前方地下水進(jìn)行了探測(cè)，探測(cè)結(jié)果與施工揭露結(jié)果相吻合，可為今后地下水綜合探測(cè)技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供成功的借鑒案例。

(3)選擇地下水探測(cè)方法時(shí)要結(jié)合隧道現(xiàn)場(chǎng)情況，在條件允許時(shí)可采用地下水綜合探測(cè)法既可以揚(yáng)長(zhǎng)避短，克服單一方法的適用的局限性， 而各種探水方法之間也可相互進(jìn)行相互佐證，所得結(jié)果更加準(zhǔn)確。