隧洞中雷达探测地质构造的测线布置与三维地质解译

陈文华

隧洞中雷达探测地质构造的测线布置与三维地质解译

陈文华

（浙江华东工程安全技术有限公司 浙江杭州 310014）

本文介绍了隧洞中地质雷达探测地质构造原理，提出测线布置和三维解译方法，并在工程中得到成功应用。

地质雷达 地质构造 探测 测线布置 三维解译

前言

在隧洞掘进过程中，探测隧洞前方或周围的地质变化，及时、有针对性地调整施工工艺，或采取有效的防范措施，对预防和减少隧洞掘进过程中的生产事故非常重要。随着国民经济建设的飞速发展，在水电、铁路、公路及市政等领域，隧洞工程越来越多。因此，准确、可靠地探测隧洞前方或周围地质构造（包括断层破碎带、岩溶发育带以及含水构造等）就成为探测工作研究的课题。目前隧洞中探测前方或周围地质构造的方法较多，地质雷达法（GPR）、弹性波反射法（TSP）和红外测温法等是比较常用的方法。其中地质雷达法以其高分辨率和高效率得到了广泛的应用。地质雷达是利用超高频窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探方法。在隧洞中探测地质构造，雷达天线选择非常重要，一般选用体积较小、抗干扰小、频率低（75～250MHz）的天线。这样在隧洞内操作方便，施工干扰少，工作效率高。由于雷达发射和接收电磁波信号具有方向性和探测距离的有限性，单测线不一定能探测到隧洞前方或周围的地质构造，而多测线在隧洞中不好布置，实施困难或施工干扰大。因此，结合工程地质构造特征，合理布置测线也是值得研究的课题。另外，获取了足够的雷达图像信息，如何准确、快捷解释，以便及时指导施工，也是非常重要的。本文就这些方面做些探讨，供大家参考。

1 基本原理

地质雷达（Ground Penetrating Radar，简称GPR）方法是一种用于探测地下（或周围）介质分布的广谱（1MHz～2GHz）电磁技术。电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化。地质雷达工作频率高，在地质介质中以位移电流为主。高频宽频带电磁波传播，实质上很少频散，速度基本上由介质的介电性质决定。地质雷达用1个天线发射高频电磁波，另1个天线接收来自测线前方介质界面的反射波，通过对接收到的反射波进行分析来推断测线前方地质情况。

根据波动理论，电磁波的波动方程为：

式中：第2个指数-βr是一个与时间无关的项，它表示电磁波在空间各点的场值随着离场源的距离增大而减小，β称为吸收系数；第1个数幂中αr表示电磁波传播时的相位项，α称为相位系数，与电磁波的传播速度V的关系为：

当电磁波的频率极高时，上式可简写为：

式中：c为电磁波在真空中的传播速度；ε为介质的相对介电常数。

地质雷达所使用的是高频电磁波。因此，地质雷达在测线前方介质中的传播速度主要由介质中的相对介电常数确定。

电磁波向周围介质传播过程中，遇到不同的波阻抗界面时将产生反射波和透射波。反射与透射遵循反射与透射定律。反射波能量大小取决于反射系数R，其数学表达式为：

式中：ε1和ε2分别表示反射界面两侧的相对介电常数。

从上式可知，反射系数的大小主要取决于反射界面两侧介质的相对介电常数的差异。差异越大反射系数越大，探测出的异常越明显。这为采用地质雷达探测前方异常体（或面），提供了良好的地球物理基础。

2 测线布置

在隧洞中布置测线，要考虑探测方便、占用时间少、周围磁场干扰少及与施工干扰小等情况。一般在隧洞掌子面、左右侧壁、底板及顶面布置测线。理想的测线布置形式见图1，称之为“U”字型测线，即“1234”和“5678”为“U”字型测线。其中“23”和“67”布置在隧洞掌子面，“56”和“78”布置在隧洞侧壁，“12”布置在隧洞底板，“34”布置在隧洞顶面。

图1 雷达测线布置示意图

在实际工程中，测线“5678”能实现，但测线“1234”难做到，特别是隧洞顶面的“34”测线，探测难度较大，常采用“L”字型测线布置，即“123”测线为“L”字型测线。根据现场实际情况，“5678”测线也可调整为“L”字型测线，如“567”测线或“678”测线。在掌子面上，也可采用“23”测线加“67”测线的“十”字型测线布置。在特定条件下，也可采用“一”字型测线布置，如“12”测线、“23”测线、“56”测线及“67”测线等等。因此，在隧洞中雷达探测地质构造的测线布置可为“U”字型、“L”字型、“十”字型或“一”字型。

3 解释方法

3.1单测线地质构造雷达图像解释方法

雷达图像的解释是建立在可靠的数据基础之上，利用波形同相轴追踪对比是常用的方法之一。因为多数情况下是利用两种介质的介电常数差异来推测地质构造界面的。值得注意的是，在利用同相轴对比分析时，雷达图像上反映的是视夹角。雷达探测接收到的反射信号是构造面的法向反射信号，雷达成像存在一个偏移角问题，当测线与构造面成较大夹角时这种偏移很大。因此，在解释时需要进行修正。

图2所示为测线Ⅰ的雷达图像，在图像中可明显分辨反射同相轴B’A’，将B’A’延伸，和测线Ⅰ的延长线相交于O，测线与同相轴的夹角（视夹角）为θ，测线Ⅰ与构造面AB的真夹角为α，则α和θ有如下关系：

图3为雷达成像的视夹角与测线和构造的真夹角的关系。从式（1）和图3可知，当构造面AB与测线Ⅰ的真夹角逐渐增大时，雷达成像的视夹角越来越偏离真夹角，真夹角越大偏离越大。从理论上说，当夹角为90°时，成像角度为45°。

图2 雷达图像解译示意图

3.2多测线地质构造雷达图像三维解释方法

在不同位置或高程布置雷达测线，施测后提取各测线的雷达同相轴，根据测线的空间位置及与雷达同相轴的相对距离，以空间几何原理及数值拟合求解理论，求解构造面的真实产状，确定构造面的空间位置。根据空间几何原理，构造面的方程可写为：

图3 视夹角与真夹角关系图

式中：a、b、c、d为构造面空间常数。

由数值拟合求解理论，采用最小二乘法求解f（a、b、c、d）函数的最小值。当函数f（a、b、c、d）为最小值时，对应的a、b、c、d值就是需要求解的构造面常参数值：

构造面法线与X轴、Y轴、Z轴的夹角余弦l、m、n可按下式分别计算：

则构造面的倾角α与方位角β为：

根据上述方法，编制了计算软件。

4 工程实例

4.1单测线雷达图像解释实例

某水电站B辅助洞的洞轴线方向为N58°W，在BK11+102～BK11+030（从大桩号向小桩号方向掘进）段左侧壁布置“一”字型测线，探测到的雷达图像见图4。量得雷达图像同相轴与B辅助洞轴线的夹角为25°，根据式（1）计算得真夹角为28°。根据宏观地质资料分析，此部位的地质构造均为陡倾角（80°以上），因而推算此构造面的走向大约为N30°W。后在BK11+030左侧壁揭露此构造面的走向确实为N30°W。

4.2多测线雷达图像解释实例

在某水电站厂支1（洞轴向N61°E）、厂支1-1（洞轴向N153°E）和厂支1-2（洞轴向N153°E）探洞中，测线cz1-3、cz1-4及T2的倾角均近似0°，测线T2与cz1-3、cz1-4正交，测线cz1-3、T2的天线与地面耦合，测线cz1-4的天线与厂支1探洞的右边墙耦合，如图5。各测线探测到的雷达图像见图6～图8。

图4 地质构造雷达图像解释示意图

图5 测线布置示意图

从图6～图8可清晰地分辨两个雷达反射界面Ly1和Ly2。据此可初步断定测线所在平面以下存在两个地质异常层面。从图7可知，Ly1和Ly2的视夹角都近似0°，因测线cz1-3在一个水平面上，可推断Ly1和Ly2所反映的两个构造面的走向等于测线的走向N60°E，且Ly1与Ly2的视夹角即为真实构造面的视倾角。根据本文介绍的方法计算得到的结果见表1和图9。由图9可知，Ly1在测线的44m处视倾角变缓，Ly2在测线的61m处视倾角变缓，因此Ly1和Ly2应为两个弯折面。

测线T2和cz1-3在钻孔ZK5位置的反射面Ly1的视深度均为8.8m，反射面Ly2的视深度均为20.8m，Ly1在钻孔ZK5位置的计算深度是9.6m，Ly2在钻孔ZK5位置的计算深度是22.7m。根据钻孔资料在孔深22.6m涌水，表明Ly2是一含水构造面，而Ly1是不含水构造面。

图6 测线T2雷达图像

图7 测线cz1-3雷达图像

图8 测线cz1-4雷达图像

表1 雷达反射面Ly1与Ly2计算成果

图9 Ly1与Ly2地质解释成果示意图

5 结语

在隧洞中，用地质雷达法探测地质构造，应充分利用隧洞空间布置测线。两侧边墙测线适宜探测陡倾角构造面，底板和拱顶测线适宜探测缓倾角构造面。受天线发射角限制，掌子面测线难以探测与隧洞轴线夹角较小的构造面，应在隧洞的某个开挖面上针对探测构造布置多条测线，才能联合求解构造面产状。对于洞径较大的隧洞，除了布置水平测线外，还可增加竖直方向的测线。

通过工程实例计算与成果对比验证，地质雷达法可有效探测隧洞前方和周围的地质构造。本文提出的单测线地质构造雷达图像解释方法和多测线地质构造雷达图像三维解释方法可应用于其它工程地质构造雷达探测的成果解译。

1 李大心. 探地雷达方法与应用[M]. 北京：地质出版社，1994.

2 巨浪，沙椿. 地质雷达在福堂水电站引水隧洞施工超前预报中的应用[J]. 水电站设计，2005，21（1）：94-98.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.02.012

P584

B

1672-2469（2014）02-0044-04

陈文华（1963年- ），男，教授级高级工程师。