摘要：隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是工程地球物理研究中的疑難問題之一。地質(zhì)雷達(dá)方法是一種用于探測(cè)地下介質(zhì)分布的廣譜電磁技術(shù)。在地下水、斷層及其影響帶等不利地質(zhì)情況下，由于其不利介質(zhì)與完好介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)均有較大差異，為進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了良好的物理基礎(chǔ)。利用該方法，能夠較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出掌子面前方20m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。通過在某水電站的隧道檢測(cè)的實(shí)踐說明地質(zhì)雷達(dá)是隧道施工中的較好的地質(zhì)預(yù)報(bào)手段。

關(guān)鍵詞：隧道 超前預(yù)報(bào) 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

探地雷達(dá)（GRP）又稱地質(zhì)雷達(dá)，是現(xiàn)代廣泛用于測(cè)試地下介質(zhì)分布的電磁技術(shù)之一，它主要是通過地下發(fā)射的高頻寬帶的電磁脈沖信號(hào)，然后根據(jù)回波信號(hào)的振幅、波形和頻率等特征，利用地下介質(zhì)的電磁特性的差異來(lái)分析和推斷地下介質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征的，具有快速便捷、操作簡(jiǎn)單、抗干擾和場(chǎng)地適應(yīng)能力強(qiáng)，無(wú)損等特征。目前探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于如采礦工程、水利水電工程、地質(zhì)工程和巖土工程勘察、建筑工程、橋梁道路、隧道工程、管線勘測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、考古等方面的行業(yè)中[1]。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作概述

1.1 地質(zhì)雷達(dá)基本工作原理示意圖 地質(zhì)雷達(dá)與對(duì)控雷達(dá)在原理上是很相似的，他們都是基于地下介質(zhì)的電性差異存在的，也都會(huì)向地下發(fā)射高頻的電磁波，也都能夠接收地下介質(zhì)反射回來(lái)的電磁波，以此對(duì)他們進(jìn)行處理、分析和解釋的工程物探技術(shù)，兩者的主要探測(cè)原理就是圖1所表示的。

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圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

雷達(dá)脈沖波的行程方程為：t=■

式中：t為脈沖波走時(shí)（ns，lns=s）；z為反射體深度；x為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間的距離；v為雷達(dá)脈沖波速。

1.2 地質(zhì)雷達(dá)基本工作方法 主要是通過隧道的掌子面發(fā)射天線的電磁波，把主頻為數(shù)十兆至數(shù)百兆乃至數(shù)千兆赫的脈波送入隧道掘進(jìn)方向，這樣當(dāng)在巖體傳播過程中遇到不同的目標(biāo)體的電性介面時(shí)，就會(huì)有部分的電磁能力被反射回到掌子面，在被接收天線接收時(shí)，就會(huì)主動(dòng)生成記錄，得到從發(fā)射經(jīng)巖體界面反射回到接收天線的雙程走時(shí)t。當(dāng)巖體介質(zhì)的波速已知時(shí)，可根據(jù)測(cè)到的精確t值求得目標(biāo)體的位置和深度。這樣，可對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行快速、連續(xù)地探測(cè)，并根據(jù)反射波組的波形與強(qiáng)度特征，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得到地質(zhì)雷達(dá)剖面圖像。而通過多條測(cè)線的探測(cè)，則可了解隧道掌子面目標(biāo)體斷面分布情況。

1.3 測(cè)線布置 在測(cè)試過程中，沿右壁向掌子面移動(dòng)，一直沿著測(cè)線測(cè)量到左壁，左右兩壁每次移動(dòng)距離大概50厘米，掌子面每次移動(dòng)距離大概20厘米。測(cè)線布置如（圖2）。

1.4 資料的解釋 地質(zhì)雷達(dá)資料的地質(zhì)解釋基礎(chǔ)是拾取反射層。由數(shù)據(jù)處理后的雷達(dá)圖像，全面客觀的分析各種雷達(dá)波組的特征（如波形、頻率、強(qiáng)度等），尤其是反射波的波行及強(qiáng)度特征，通過同向軸的追蹤，確定波組的地質(zhì)意義，構(gòu)造地質(zhì)-地球物理解釋模型，依據(jù)剖面解釋獲得整個(gè)測(cè)區(qū)的最終成果圖。

雷達(dá)的解釋步驟一般為：①反射層拾取。根據(jù)勘探孔和雷達(dá)圖像對(duì)比分析，建立各種反射層的波組特征，而識(shí)別反射波組的標(biāo)志為同向性、相似性和波形特征等。②時(shí)間剖面的解釋。在充分掌握區(qū)域地質(zhì)資料，了解測(cè)區(qū)所處的地質(zhì)結(jié)構(gòu)背景的基礎(chǔ)上，研究重要波組的特征及其相互關(guān)系，掌握重要波組的地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，其中要重點(diǎn)研究特征波的同相軸的變化趨勢(shì)。特征波是指強(qiáng)振幅、能長(zhǎng)距離連續(xù)追蹤、波形穩(wěn)定的反射波。同時(shí)還應(yīng)分析時(shí)間剖面上的常見特殊波（如繞射波和斷面波等），解釋同相軸不連續(xù)帶的原因等。通?？梢詫r(shí)間剖面特征分為四類，作為解譯參考：a雷達(dá)反射波同相軸發(fā)生明顯錯(cuò)動(dòng)：一般為破碎帶及大的風(fēng)化裂縫含水帶，兩側(cè)地層性質(zhì)明顯變化。b雷達(dá)反射波同相軸局部缺失：一般為地下裂縫、裂隙橫向發(fā)育及巖體風(fēng)化發(fā)育程度不同引起。c雷達(dá)波波形發(fā)生畸變：由于地下裂縫、不均勻體對(duì)于雷達(dá)波的電磁馳豫效應(yīng)和吸收，造成雷達(dá)波畸變，崎變程度與裂隙及不均勻體的規(guī)模有關(guān)。d雷達(dá)波反射波頻率變化：一般為巖體或土壤中成分含量及鹽堿性質(zhì)發(fā)生了變化。通常，地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面上會(huì)出現(xiàn)多個(gè)特征剖面，這就需要解譯人員的豐富的實(shí)踐解譯經(jīng)驗(yàn)，以及參考多種因素綜合考慮。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 探測(cè)結(jié)果和分析 某二級(jí)水電站西端1#、2#引水隧洞工程施工1#引水隧洞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

引水隧洞洞號(hào)：引（1）洞 預(yù)報(bào)方法：地質(zhì)雷達(dá)

儀器型號(hào)：SIR-20 天線頻率：100MHz

掌子面樁號(hào)：引（1）1+345 預(yù)報(bào)范圍：引（1）1+345～1+369

測(cè)量區(qū)域?yàn)門2z淺灰色中厚層大理巖，巖類為Ⅲ～Ⅳ類圍巖，深埋偏壓。由于隧道全長(zhǎng)18千米，開挖高19米，寬17米，當(dāng)隧道的開挖面較大的時(shí)候，坑隧道地質(zhì)周圍就會(huì)顯得復(fù)雜，而且存在一定的深埋偏壓，這就需要我們?cè)诰幹剖┕そM織設(shè)計(jì)的時(shí)候根據(jù)不同的巖段進(jìn)行不同的施工方案，但是需要確定準(zhǔn)確的地質(zhì)情況的時(shí)候進(jìn)行，如果是不同的勘探資料，就需要利用不同的地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行。當(dāng)我們做好隧道掌子面的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的時(shí)候，就需要在準(zhǔn)確掌握掌子面數(shù)據(jù)后，才根據(jù)地質(zhì)情況提供安全施工的決策依據(jù)。因此，我們?cè)谑┕み^程中，就需要準(zhǔn)確掌握超前預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)雷達(dá)的預(yù)測(cè)，順利通過隧道的深埋偏壓地質(zhì)破碎帶和強(qiáng)風(fēng)化巖層地帶，以此來(lái)確保工程施工人員的安全。

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圖3 掌子面素描圖

圖3為對(duì)現(xiàn)場(chǎng)所畫處理后得的掌子面地質(zhì)素描圖。

圖4為通過軟件處理后得到的地質(zhì)探測(cè)成果圖像。

圖5為對(duì)探測(cè)成果圖象解釋后得到的解釋成果圖。

2.2 實(shí)際開挖對(duì)比分析 ①掌子面前方引（1）1+345～352 段地質(zhì)雷達(dá)無(wú)明顯異常，引（1）1+352～369段存在異常，推斷為裂隙發(fā)育，溶蝕，巖體較破碎，局部形成破碎帶，含水，出水情況總體成分散狀，局部較集中，估計(jì)總水量3～5L/S。②左壁引（1）1+325～1+345 段探測(cè)深度范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，局部密集，巖體較破碎。③右壁引（1）1+325～1+333 段探測(cè)深度4～12m 范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，局部密集；引（1）1+337～1+345 段探測(cè)深度范圍內(nèi)裂隙發(fā)育，巖體較破碎，含水。

開挖時(shí)BK1+357段有裂隙發(fā)育，有白色大理石填充，無(wú)滲水。在后半段的巖體質(zhì)量逐漸因?yàn)樵鲋囟屏?。就需要根?jù)預(yù)報(bào)的實(shí)際開挖的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。引（1）1+352～369預(yù)報(bào)為裂隙發(fā)育，溶蝕，巖體較破碎，局部形成破碎帶，含水，出水情況總體成分散狀。開挖時(shí)，洞頂為一個(gè)長(zhǎng)寬約為10×12米破碎帶，在比較破碎的地方出現(xiàn)滲水，成線狀分散。預(yù)報(bào)和實(shí)際開挖較吻合。

3 結(jié)論

①通過對(duì)某二級(jí)水電站輔助洞為研究對(duì)象，多次到輔助洞進(jìn)行實(shí)地考察，這樣才能在前期收集大量的勘察資料及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試資料等。并且根據(jù)輔助洞的超前地質(zhì)為預(yù)報(bào)的主要研究對(duì)象，我們可以通過大量的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的資料進(jìn)行分析隧洞的施工情況的的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)成果，這樣在地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)溶洞、斷裂和裂隙時(shí)候，就會(huì)效果更佳，就可以作為超前短距離地質(zhì)預(yù)報(bào)的首選。②由于地質(zhì)雷達(dá)在探測(cè)過程中會(huì)受到如來(lái)自金屬體及空氣中的各種電磁波因素的干擾，這樣就導(dǎo)致后期的數(shù)據(jù)受到影響，在數(shù)據(jù)處理解釋上就會(huì)產(chǎn)生一定的影響。所以，為了避免探測(cè)過程中出現(xiàn)的這些因素的影響，就需要工作人員結(jié)合多方面的資料，對(duì)數(shù)據(jù)處理作出更為準(zhǔn)確和有效的解釋。

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作者簡(jiǎn)介：哈文（1985-），男，寧夏石嘴山人，技術(shù)員，助理工程師，研究方向：地球物理勘查。