地质雷达超前预报技术在小断面隧洞施工中的应用*

2018-04-17

水利建设与管理 2018年3期

(1.江西省水利科学研究院，江西南昌　330029；2.西北农林科技大学，陕西杨凌　712100；3.江西省水工安全工程技术研究中心，江西南昌　330029)

当前的铁路、公路、市政、水利水电等工程建设中，很多要进行地下隧道、隧洞的开挖。由于地质情况的复杂多变，加之勘察技术手段的限制，无法准确查明工程涉及范围的岩土状态和地质情况。因此，在开挖前对隧洞前方地质条件、岩体状态进行探测就显得尤为重要。隧洞施工时的地质超前预报就是在隧洞(隧道)开挖前，利用各种方法对掌子面前方地质情况、岩体状态进行预测的技术。其预报内容主要包括：不良地质及灾害地质预报、水文地质预报、断层破碎带预报、围岩类别及其稳定性预报、隧洞内有害气体预报等。准确的地质预报对于安全科学施工、提高施工效率、缩短施工周期、避免事故损失、节约投资等具有重大的社会效益和经济效益。

常见的地质预报方法有：直接预报法，如利用超前钻孔或超前导洞等；地质分析法，通过现有地质资料推测掌子面前方地质情况；物探法，如弹性波法(TSP超前预报)、红外法、地质雷达(GPR)法等。在物探法中，地质雷达法因干扰小、准确率高、方便快捷等优点，在隧洞施工中得到了大量应用。

吴永清等[1]利用该方法在107国道上焦冲、六甲洞和石仓岭三座公路隧道 10～40m内的地质超前预报中取得了一定的效果。薛建等[2]采用 TSP和地质雷达法结合进行预报，预测出几十余处断层和多处破碎带。李海滨[3]利用地质雷达，对煤矿坑道里的富水带、裂隙集中带等地质情况做出了探测。刘伟等[4]基于时域有限差分法(FDTD)原理，对这些常见岩溶病害进行了正演模拟，并结合工程实例验证了理论模拟效果。赵明[5]介绍了以断层带、地下水富集区等不良地质条件下的地质雷达探测方法和分析原则。李正良[6]介绍了地质雷达超前预报技术在冲沟发育，埋藏深溶洞、涌水突泥、有毒气体等地质灾害多发隧道施工中的应用。

当前学者对超前预报的研究多集中在重大工程、重点项目上，其工程等级较高、规模较大，隧道断面大，多为6～20m。而在中小型水利水电工程中，常需要建设洞径约为1～2m的引水隧洞，由于洞径小，在利用地质雷达探测时可取得的数据也较少，成像解析复杂，探测难度大。如何对小断面的隧洞进行超前预报，需要进行深入研究。

1　地质雷达探测原理

地质雷达技术工作过程是由置于地面(被探测物体表面)的天线向地下(被探测物体内部)连续发射高频电磁脉冲，当其在地下传播过程中遇到不同电性(主要是相对介电常数)界面时，电磁波一部分发生折射透过界面继续传播，另一部分发生反射折向地面，被接收天线接收，并由主机记录，在更深处的界面，电磁波同样发生反射与折射，直到能量被完全吸收为止(图1)。

图1　地质雷达探测原理

取得雷达探测图像后，主要进行两方面分析，一是确定异常点位置，二是判断异常产生的原因。

1.1　确定异常点位置

反射波从被发射天线发射到被接收天线接收的时间称为双程走时t，当求得地下介质的波速时，可根据测到的精确t值折半乘以波速求得目标体的位置或埋深。

根据地质雷达探测原理图，目标体的埋深z可以用数学关系表达为

(1)

(2)

式中z——被探测目标体的深度，m；

v——电磁波在被探测物体内传播速度,m/ns；

t——双程走时，ns；

X——发射和接收天线的距离，m；

c——电磁波在真空中传播速度，0.3m/ns；

εr——相对介电常数。

双程走时t是由地质雷达主机自动计算得到，由于发射和接收天线的距离X是确定的，因此式中只需确定被探测物体的相对介电常数，就可以确定被探测目标体的深度z。

雷达探测的效果主要取决于不同介质的电性差异，即介电常数，若介质之间的介电常数差异大，则探测效果就好。在前方岩体完整的情况下，相对介电常数较小，地质雷达可以预报约30m距离；当岩石不完整或存在较多裂隙水等情况下，预报距离变小，甚至小于 10m。

1.2　雷达图像解析

图2是一幅典型的地质雷达探测图，放大后可见由数百根波动线组成。在对异常部位进行判定时，根据各反射波组的波幅与频率特征可以得到探地雷达的波形图像，从而了解探测对象内目标体的分布情况。

图2　典型的地质雷达探测

2　工程实例

2.1　工程简介

莲花县寒山水库工程是一座以供水、灌溉为主，兼有防洪、发电等综合效益的中型水库，控制流域面积58.7km2，水库正常蓄水位340.00m，设计总库容1401万m3，电站装机容量2500kW。发电引水隧洞为圆形，洞径1.8m。

隧洞沿线通过地层岩性主要为泥盆系上统锡矿山组中段变质细粒砂岩(石英砂岩)夹千枚岩及上段千枚岩夹变质细粒砂岩(石英砂岩)。地表一般分布第四系全新统崩坡积或残坡积壤土、碎块石。洞室围岩总体产状N10°～20°E/SE∠55°～85°，受断层构造影响，局部产状变化较大。岩层倾角较陡，隧洞轴线与岩层走向交角较大，利于洞室稳定。但隧洞大部分将开挖于上段千枚岩夹变质细粒砂岩地层、中段千枚岩夹层，以及f3、f4断层带，工程地质条件差。

图3　隧洞断面及测线布置

2.2　探测方案

为保障施工安全，对隧洞地质情况进行超前预报。探测掌子面位于引水隧洞0+098，清除掌子面前堆积的渣石，使掌子面尽量出露，尽量凿平掌子面。纵横向布置2条测线，测线布置如图3所示。选用100MHz屏蔽天线，天线中心频率为100MHz，为了对自然界的杂波、仪器杂波及其他信号杂波进行过滤，仅采集25～200MHz电磁波信号。结合相关地质资料，选择合适介电常数和记录长度，使测试达到20m预期深度。选择点测模式，并通过增大发射率和叠加次数以提高测量精度。

2.3　资料分析

图4　测线1地质雷达成像

探测的雷达原始图经时间零点确认-背景去除-表面范化-横向扩展-反卷积处理后，形成图4、图5雷达成像图。可以看出在图中，与典型的地质雷达超前预报图相比，仅有30根有效采集线，未能找到抛物线、连续反射等特征图像，图像分析难度较大。因此，本文提出仅分析图像综合情况，不分析波形特征的方法，既仅对掌子面前方做出综合模糊说明，而不做出地质情况精确预测。

图5　测线2地质雷达成像

增强图像增益，可以看出，测线1图中有两处采集线有集中波动区域，一处在掌子面左侧，前方7～12m(桩号0+105～0+110)范围；另一处位于掌子面右侧，前方6～8m(桩号0+104～0+106)。测线2基本存在两处异常区域，另一处在掌子面左侧，前方7～17m(桩号0+105～0+115)范围；另一处位于掌子面右侧，前方7～14m(桩号0+105～0+112)。两条测线取得的图像分析结果基本一致，即图中圈定的两条测线共四个位置均表现为波形比较杂乱，同相轴连续性差，测线反射波频率变高。初步判断隧洞掌子面前方7～17m(桩号0+105～0+115)范围内岩体较掌子面更加破碎，节理裂隙及其发育，局部可能存在少量水，溶蚀裂隙发育，其余围岩类似于掌子面。

2.4　与开挖结果对比分析

隧洞洞身开挖后，0+098～0+101段围岩为泥盆系上统锡矿山统第三层的中厚层状变质细粒砂岩夹千枚岩，石英砂岩多呈风化状，千枚岩呈强风化状，岩体较破碎，属四类围岩，不稳定，围岩自稳时间短，时间效应明显。

0+101～0+104段围岩为泥盆系上统锡矿山统第三层的中厚层状变质细粒砂岩夹千枚岩，石英砂岩多呈弱风化状，千枚岩呈强风化状，岩体较破碎，属四类围岩，不稳定，围岩自稳时间短，时间效应明显。

0+104～0+109段围岩为泥盆系上统锡矿山统第三层的薄～中厚层状变质细粒砂岩夹千枚岩，石英砂岩多呈风化状，千枚岩呈强风化状，岩体及其破碎，属五类围岩，岩体极不稳定，围岩不能自稳，成洞条件差。

0+109～0+117段围岩为泥盆系上统锡矿山统第三层的薄～中厚层状变质细粒砂岩夹千枚岩，石英砂岩多呈风化状，千枚岩呈强风化状，岩体及其破碎，属五类围岩，岩体极不稳定，围岩不能自稳，成洞条件差。

将探测图与实际开挖情况进行图标对比，如图6所示。

图6　地质雷达预测与实际开挖对比

通过以上对比分析可以看出，在一定探测范围(本文为17m)内，利用地质雷达法对隧洞地质情况进行探测是可行的，预测情况和实际开挖结果基本符合，说明本文提出的仅分析图像综合情况，不分析波形特征的方法，对于预报掌子面前方综合地质情况具有一定适用性。但在更深远的探测范围(本文为17m)，本文提出的方法则出现误判，说明在小断面隧洞地质雷达预报中，由于取得的数据较少，不适宜进行精确预报。