地质雷达在隧道岩溶地层超前地质预报中的应用

2017-09-15梁宏浩季晓峰

四川建筑 2017年4期

关键词：雷达探测掌子面介电常数

梁宏浩, 季晓峰, 杨跃

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

地质雷达在隧道岩溶地层超前地质预报中的应用

梁宏浩, 季晓峰, 杨跃

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

岩溶隧道中溶洞发育存在复杂性，对其进行准确预测是隧道安全施工的重要保障。在简述地质雷达基本工作原理基础上，探讨了地质雷达探测溶洞的可行性，并介绍了地质雷达的探测技术和测量方法。文章依托牛旺三号隧道，采用地质雷达SIR-3000对隧道现场掌子面采集数据，并结合施工现场开挖进行验证。现场开挖情况与预报结果基本吻合，表明地质雷达在岩溶隧道超前预报中的准确性。溶洞对应的地质雷达波形图有明显的特征：反射波以低频波为主，同相轴错断，振幅明显增强，并伴随弧形绕射现象。

地质雷达；岩溶；超前地质预报

我国华南和西南地区分布有大面积的碳酸岩地层，在地下水长期溶蚀作用下，碳酸岩地层容易形成大小不一的溶洞。溶洞在山体内的分布形状各异，其产状、位置、涌水量等性质均很难准确把握，极大的增加了岩溶隧道设计和施工的难度。为避免地质灾害的发生和提高施工效率，同时为隧道支护设计及动态施工提出指导性建议，对岩溶隧道掌子面前方进行超前地质预报显得尤为重要。

地质雷达(Ground Penetrating Radar，简称GPR)探测技术是利用超高频电磁波脉冲的反射探测地下目标体分布形态及特征的一种高科技无损物理探测方法，具有快捷、高效、适应能力强等特点，对溶洞、富水岩层、破碎带等不良地质具有较好的探测效果，在隧道超前地质预报中得到广泛的应用。本文通过牛旺3隧道岩溶段开展探讨与研究，为今后类似的工程提供参考意见。

1 地质雷达探测原理

1.1 地质雷达探测原理

地质雷达发射的脉冲波在不同地下介质传播时，会发生折射和反射现象。根据回波的单程旅行时间和电磁波在相应介质中的传播速度确定目标体距离，并通过综合分析判断目标性质。地质雷达原理示意见图1。

图1 地质雷达原理示意

地质雷达的发射天线向地下定向发射高频带短脉冲电磁波，另一个接收天线接受来自地下各种不同介质的界面或目标的反射波。在介质中传播的电磁波，其路径与电磁场强度随所通过介质的电性，几何形态及尺寸等不同而变化，因此所接收到的反射回波的振幅，形态及其在纵、横向上的展布特征也随之变化。结合地质知识，对反射波形的变化特征进行综合分析，从而完成探测目标的判定。

地质雷达通过反射回波波速确定地下目标体的位置，目标体位置确定的计算公式如下:

(1)

式中：h为所探目标体与接触面之间距离(m)；t为电磁波从发射到接收时间间隔(s)；v为电磁波在岩土体中的传播速度(m/s)；x为发射天线和接收天线间的距离(m)。

波速的准确求解，是保证地质雷达的预报精度的关键之处，波速的计算公式如下：

(2)

式中：c为电磁波在真空中的传播速度(m/s)；ε为介质的相对介电常数。

1.2 地质雷达探测岩溶区的可行性

地质雷达所发射的电磁波向地下各介质传播过程中，遇到不同的波阻抗界面时，将发生反射波和折射波。反射波的能量大小取决于反射系数R。对于隧道工程不良地质体探测而言，围岩属于高阻抗体，所以反射系数R可表示为：

(3)

式中：ε1、ε2分别为界面上下介质的相对介电常数。

由式(3)可知，反射系数的大小主要取决于界面两侧介质的介电常数和电导率的差异，这种差异越大，反射越强，反射系数越大则越有利与探测。两种介质的介电常数相差较大，这是地质雷达探测隧道工程不良地质体的地球物理基础。隧道工程中常见介质的介电常数见表1。

因岩溶区与周围岩体存在较明显的介电常数差异，当雷达波通过富水岩溶区时，由于水的介电常数较大，导致雷达波高频成分被吸收，反射波的频率降低，电磁波速也会降低，反射波表现为较强的波峰异常，同时出现强反射，波形较紊乱，并在反射波表现为典型的弧形绕射现象。因此，岩溶区物质的介电常数存在差异，有利于实现地质雷达探测。

表1 隧道工程中常见介质物理参数

2 地质雷达探测技术

2.1 地质雷达技术参数

在进行雷达探测时，主要参数的设定是否合适对于后期数据的解释及图像判定具有很大的影响，并且直接关系到探测效果的好坏。主要参数包括：天线中心频率、时窗长度、介电常数、采样频率、增益等。

2.1.1 天线中心频率

天线中心频率的选择需要兼顾目标体深度与尺寸，天线的中线频率可由下式初步确定：

(4)

式中：f为天线频率(MHz)；x为空间分辨率(m)；ε为围岩的介电常数。

在对到超前地质预报中，空间分辨率在0.25 m即可满足要求，围岩节点常数在5～10之间，在综合考虑探测距离和可操作性，天线中心频率一般选择为100 MHz。

2.1.2 时窗长度的选择

最大探测深度h(m)与地层电磁波速度v(m/ns)，可由公式(5)确定：

(5)

根据工程经验，时窗长度选择400～500 ns比较合适。

2.1.3 其他参数

介电常数根据具体工程的岩性来确定，一般为5～10之间。为保证原始数据的丰富性，在进行雷达探测时，若采取连续探测，采样频率一般设定在50～100S can/s；采取离散探测时，测点间距设定在0.05 m左右。电磁波在岩土体传播时，能量会发生衰减，为了补偿这种衰减，通过增加增益点数可以使反射波波幅更明显，根据经验，增益点数一般选择5。

2.2 测量方法

地质雷达的探测方式分为连续探测和离散探测两种。连续探测是指将天线紧贴掌子面，沿测线匀速移动，发射天线会自动向掌子面前方连续发射电磁波，在围岩中传播的电磁波，遇到不良地质界面将产生反射波，由接收天线接收。该方法探测信号丰富，便于发现异常地质体，但由于隧道开挖时掌子面往往很不平整，天线在匀速移动时会脱离掌子面，对探测信号的采集造成干扰，影响探测结果的准确性。离散探测是指探测时天线紧贴掌子面，在每一个测点上，保持静止状态，有操作人员发出指令，发射天线发射一组电磁波，接收天线接收反射波。该探测方式干扰小，但信号不丰富。根据现场施工条件，结合探测过程中操作的可行性，在满足预报精度的前提下，采用连续探测方式比较符合实际。

3 工程实例

3.1 工程概况

新建牛旺3号隧道呈西南-东北走向，位于河北省邢台县境内，太行山山脊东侧，隧道进口位于白岸乡洺水村西北侧的山坡处，出口位于白岸乡驮道村西侧的山坡上。隧道将穿过多条地震断裂带，存在瓦斯、岩溶、涌突水等多种不良地质情况。根据地勘资料以及实地调查，本次选取试验里程段为DK81+205- DK81+220，该里程段地层岩性主要有碳酸岩，砂岩，大理岩等，围岩条件复杂多变，易发生地质灾害。

3.2 现场测量与记录

本次地质雷达探测在新建牛旺3号隧道出口Ⅳ级围岩上台阶右侧DK81+220掌子面使用地质雷达SIR-3000进行，采用连续探测方式进行探测。隧道采用台阶法开挖，根据现场条件，在掌子面布置两条测线，测线布置示意见图2。掌子面地质素描见图3。