王 威，代兵權

(1.武漢工程大學國家磷資源開發(fā)利用研究中心，湖北 武漢430074；2.武漢工程大學環(huán)境與城市建設學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著我國國民經(jīng)濟建設的飛速發(fā)展，特別是西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，各類新建的隧道工程日益增多.我國西部地區(qū)地形及地質(zhì)結構復雜，在隧道開挖掘進過程中，如何提前了解和發(fā)現(xiàn)隧道前方的巖石等級和異常情況，為隧道的施工提供準確的地質(zhì)資料，以便及時調(diào)整和實施施工工藝和異常地質(zhì)情況的處理，從而達到減少和預防工程事故的發(fā)生.地質(zhì)雷達作為先進物探方法，因具有掃描速度快、設備重量輕、圖像分辨率高、屏蔽效果好、圖像直觀、操作簡便等優(yōu)點在隧道超前預報中得到廣泛的應用[1-7].但是由于預報距離短而經(jīng)常結合隧道地震波超前預測系統(tǒng)(Tunnel Seicmic Prediction,TSP)資料進行隧道超前預報.本文介紹了地質(zhì)雷達超前預報的基本原理，以水綏二級公路犇溪口隧道為工程背景，介紹了地質(zhì)雷達在超前地質(zhì)預報中的應用.

1 地質(zhì)雷達的基本原理

地質(zhì)雷達(Ground Penetrating Radar，GPR)是近年來興起的一種新型物探方法，應用于淺層地質(zhì)構造、巖性檢測以及隧道開挖探測的一項新技術.它利用超高頻電磁波探測地下介質(zhì)分布，并形成實時影像，使探測結果能夠快速、直觀進行判讀.地質(zhì)雷達因其探測精度高、探測對象無損、工作效率高在近幾年倍受關注.特別是在施工中預防施工事故的發(fā)生有著重要的意義.

圖1 地質(zhì)雷達超前預報工作示意圖

隧道地質(zhì)雷達超前預報方法是一種用于確定隧道掌子面前方地質(zhì)情況分布變化的廣譜電磁波技術，如圖1所示，其基本原理是：利用一個天線向掌子面前方發(fā)射中心頻率為12.5 M至1 200 M、脈沖寬度為0.1 ns的脈沖電磁波訊號.當這一訊號在電磁波在巖體介質(zhì)中傳播時，其傳播的路徑、電磁場強度與波形與傳播的機制的電性質(zhì)以及幾何形體有著明顯的相關性.接收機接收到對應的直達訊號和反射訊號，根據(jù)反射訊號到達滯后時間及目標物體的平均反射波速,可以計算出目標的大致距離，最后成像形成大體的地質(zhì)結構剖面.最終達到探測掌子面前方介質(zhì)的地層結構與異常地質(zhì)體.

通過理論研究與實驗室模擬試驗發(fā)現(xiàn)電磁波在物體或介質(zhì)中的傳播速度v、走時t、與介質(zhì)的相對介電常數(shù)Er滿足以下方程[2]：

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：z為反射界面深度，C為光速常量約每秒30萬公里，v為電磁波在不同介質(zhì)中傳播的速度，x為發(fā)射天線到接收天線間的距離，Er為傳播介質(zhì)的相對介電常數(shù).對地質(zhì)雷達來說，采用的是雷達波，所以電磁脈沖的速度v變成了已知變量.根據(jù)公式及通過讀取雷達剖面上行程時間計算得到界面深度z值.

在實際的外業(yè)施工過程中，因為掌子面前方介質(zhì)變化較為復雜，建議事先在不同隧道，不同圍巖情況下做多次實驗，測算出不同地段的圍巖介質(zhì)波速，利用公式求得每次所測段的圍巖平均波速情況，再根據(jù)速度來推斷異常對象的埋深情況.

由于電磁脈沖反射信號的強度與地質(zhì)界面的反射系數(shù)以及傳播介質(zhì)的波吸收程度有關，一般情況下，傳播介質(zhì)的電磁參數(shù)(電性)差別大，則反射系數(shù)大，因而反射波的能量也大，這就是地質(zhì)雷達探測的前提條件.

(3)

式(3)中：PT，PR分別為發(fā)射和接收功率；G為天線增益；λ0為介質(zhì)中雷達波的波長，R、S、H分別為地下目標體的反射率、散射面截面和深度；α為巖土衰減率；L為雷達波從發(fā)射到接收過程的散射損耗.

通過公式可以看出，雷達接收的信號強弱與很多東西相關，主要包括雷達天線的功率和特性、地層對電磁介質(zhì)的衰減、地層對電介質(zhì)的反射能力.對天線頻率、探測深度以及分辨率的關系描述主要為：天線頻率越高，則對地層探測的深度越淺，得到的圖像分辨率越高；反之，天線頻率越低，則對地層探測深度越深，得到的圖像分辨率越低.因此，在對隧道進行地質(zhì)雷達超前預報時，先需要對地質(zhì)雷達的天線進行選擇，天線的選擇決定了探測深度和分辨率.這就存在探測深度與分辨率的取舍或優(yōu)選問題.

2 隧道工程概況

云南省水富至綏江(水綏)二級公路是連接向家壩水電站與溪洛渡水電站的便捷通道，也是向家壩水電站淹沒區(qū)水綏公路的還建工程.水綏二級公路的建成，對攀西―六盤水開發(fā)區(qū)的建設，特別是沿線地區(qū)的資源開發(fā)，具有重要意義.位于三項目部第九工區(qū)的中城鎮(zhèn)犇溪口隧道是水綏二級公路新增隧道之一，全長1 170 m，是水綏二級公路最長的一個隧道，也是地質(zhì)最復雜、環(huán)境最惡劣、施工難度最大的一個隧道.

犇溪口隧道出口地層為紫灰、紫紅色粉砂巖、泥巖，呈弱風化碎石狀，巖性質(zhì)軟，受結構影響較嚴重，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體破碎，巖層產(chǎn)狀200°∠12°，產(chǎn)狀對圍巖穩(wěn)定不利，如圖2所示，該段地下水埋藏較深，但處于基巖侵入接觸帶，地下水富水性中等，施工中將有中等水量的滲水.為了保證施工安全進行，我們采用地質(zhì)雷達對犇溪口隧道進行了超前地質(zhì)預報，取得了較好的效果.

圖2 犇溪口隧道地質(zhì)結構圖

3 儀器設備及技術參數(shù)

地質(zhì)雷達系統(tǒng)包括硬件(主機、天線、傳輸電纜等)和軟件(現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、預處理、后處理等)兩大部分.本次投入的設備為美國產(chǎn)SIR系列地質(zhì)雷達系統(tǒng)(圖3).

圖3 地質(zhì)雷達系統(tǒng)

在獲取到地質(zhì)雷達影像的處理上，配備了RADAN6.5系列雷達軟件，特別針對各種地質(zhì)異常情況可以進行多道平均，同相軸追蹤，信號偏移，希爾波特變換，褶積與反褶積的濾波變換，傅立葉變換，強制增益變化等等一系列的手段，可以最大程度的保證資料處理的可辨讀性.

SIR系列地質(zhì)雷達屬工程現(xiàn)場非破壞性的高頻電脈沖全數(shù)字化地面探測系統(tǒng)，其主要技術參數(shù)如下：

a.掃描速率：每秒2～800次掃描可選，具有DSP數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)；

b．分辨率：5 ps；

c.主機可適配所有高中低頻的各類雷達天線，頻率范圍從16 MHz到2.2 GHz，本次預報工作主要選用100 MHz，400 MHz頻率的天線；

d.量程增益：-20～100 dB，自動或用戶可選；增益曲線分段可以從1～8進行選擇；

e.具有位置自動伺服系統(tǒng)，便于信號的準確接收.

4 地質(zhì)雷達探測及結果分析

根據(jù)犇溪口隧道掌子面現(xiàn)場情況，沿水平方向布置了2條測線，測線A1距離上臺階1.5 m，測線A2距離上臺階4.5 m，具體測線位置如圖4.由于掌子面的不平整，為提高測試的準確性，測試時根據(jù)情況對某些測試剖面進行了重復測試.為提高預報精度，本次預報采用400 M屏蔽天線(僅向掌子面前方發(fā)射電磁波和僅接收掌子面前方的反射波)進行探測，并沿測線進行連續(xù)測量.限于篇幅，本文僅介紹K72+443掌子面的地質(zhì)雷達探測結果.

圖4 掌子面雷達測線位置示意圖

地質(zhì)雷達探測是基于電磁波遇到不同反射界面其反射振幅和相位不同來判斷前方傳播介質(zhì)的變化.介質(zhì)介電常數(shù)的差異決定了電磁波反射的強弱程度和其相位的正負.巖性、構造、風化程度及其含水量的變化將影響其介電常數(shù).

雷達測試資料的解釋是根據(jù)現(xiàn)場測試的雷達圖像，先進行數(shù)據(jù)處理，對可以解讀的圖像進行異常分析；根據(jù)異常的形態(tài)、特征及電磁波的衰減情況，判斷波阻抗界面的地質(zhì)成因，從而可以對測試范圍內(nèi)的地質(zhì)情況進行解釋.

縱觀本次地質(zhì)雷達圖像，圖像顯示較為清晰，在剖面探測深度內(nèi)基本未見電磁波反射異常，在K72+443豎直測線A2剖面深度為10 m的位置發(fā)現(xiàn)電磁波強反射等異常.

K72+443處A1和A2測線的地質(zhì)雷達探測剖面波列圖如圖5(a)、4(b)所示，由圖中可以看出，探測剖面無明顯反應異常區(qū)，表明該段圍巖情況與掌子面圍巖相比變化不大，從掌子面的巖體情況可以對掌子面前方的巖體情況進行推斷，節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體比較破碎，推斷為溶蝕破碎帶，裂隙夾泥及小塊石，含少量水，層間及節(jié)理裂隙粘土充填，圍巖完整性一般，推斷圍巖等級為Ⅳ級，而在在K72+443豎直測線A2剖面深度為10 m的位置發(fā)現(xiàn)電磁波強反射等異常區(qū)域可以推斷在此區(qū)域的圍巖較其他區(qū)域的圍巖更加破碎，從而對該破碎區(qū)域推斷為V級.當隧道進尺到該區(qū)域時，應格外注意支護.以避免掉塊和塌方情況發(fā)生.

5 結 語

從犇溪口隧道現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查情況看，掌子面圍巖為紫灰、紫紅色粉砂巖，巖體比較破碎，夾少量泥，水量小，圍巖強度較低，圍巖級別為Ⅳ級.根據(jù)雷達探測結果結合地質(zhì)調(diào)查分析，推測預報段K72+443～K72+423整段圍巖質(zhì)量一般，圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育、巖體較破碎，溶蝕發(fā)育，形成的小塊石較多.從A1測線來推測圍巖的圍巖進尺1.5 m左右和10 m左右有少量的強反射信號，從A2測線可以觀察到同樣的結果，推測此位置的圍巖等級為V級.建議施工方在此段區(qū)域加強防護，避免掉塊和塌方情況發(fā)生.實踐證明地質(zhì)雷達是隧道施工超前地質(zhì)預報的一種快捷有效的方法，對隧道施工具有較好的指導作用.

圖5 地質(zhì)雷達探測剖面

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