《武汉工程大学学报》 2011年12期
46-49
出版日期：2011-12-30
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
地质雷达在犇溪口隧道超前地质预报中的应用
0引言随着我国国民经济建设的飞速发展，特别是西部大开发战略的实施，各类新建的隧道工程日益增多.我国西部地区地形及地质结构复杂，在隧道开挖掘进过程中，如何提前了解和发现隧道前方的岩石等级和异常情况，为隧道的施工提供准确的地质资料，以便及时调整和实施施工工艺和异常地质情况的处理，从而达到减少和预防工程事故的发生.地质雷达作为先进物探方法，因具有扫描速度快、设备重量轻、图像分辨率高、屏蔽效果好、图像直观、操作简便等优点在隧道超前预报中得到广泛的应用［17］.但是由于预报距离短而经常结合隧道地震波超前预测系统(Tunnel Seicmic Prediction,TSP)资料进行隧道超前预报.本文介绍了地质雷达超前预报的基本原理，以水绥二级公路犇溪口隧道为工程背景，介绍了地质雷达在超前地质预报中的应用.1地质雷达的基本原理地质雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)是近年来兴起的一种新型物探方法，应用于浅层地质构造、岩性检测以及隧道开挖探测的一项新技术.它利用超高频电磁波探测地下介质分布，并形成实时影像，使探测结果能够快速、直观进行判读.地质雷达因其探测精度高、探测对象无损、工作效率高在近几年倍受关注.特别是在施工中预防施工事故的发生有着重要的意义.图1地质雷达超前预报工作示意图
Fig.1Sketch map of ground penetrating radar for
geologic prediction隧道地质雷达超前预报方法是一种用于确定隧道掌子面前方地质情况分布变化的广谱电磁波技术，如图1所示，其基本原理是：利用一个天线向掌子面前方发射中心频率为12.5 M至1 200 M、脉冲宽度为0.1 ns的脉冲电磁波讯号.当这一讯号在电磁波在岩体介质中传播时，其传播的路径、电磁场强度与波形与传播的机制的电性质以及几何形体有着明显的相关性.接收机接收到对应的直达讯号和反射讯号，根据反射讯号到达滞后时间及目标物体的平均反射波速,可以计算出目标的大致距离，最后成像形成大体的地质结构剖面.最终达到探测掌子面前方介质的地层结构与异常地质体.通过理论研究与实验室模拟试验发现电磁波在物体或介质中的传播速度v、走时t、与介质的相对介电常数Er满足以下方程［2］：t=4z2+x2v（1）v=CEr（2）式（1）和式(2)中：z为反射界面深度，C为光速常量约每秒30万公里，v为电磁波在不同介质中传播的速度，x为发射天线到接收天线间的距离，Er为传播介质的相对介电常数.对地质雷达来说，采用的是雷达波，所以电磁脉冲的速度v变成了已知变量.根据公式及通过读取雷达剖面上行程时间计算得到界面深度z值.在实际的外业施工过程中，因为掌子面前方介质变化较为复杂，建议事先在不同隧道，不同围岩情况下做多次实验，测算出不同地段的围岩介质波速，利用公式求得每次所测段的围岩平均波速情况，再根据速度来推断异常对象的埋深情况.由于电磁脉冲反射信号的强度与地质界面的反射系数以及传播介质的波吸收程度有关，一般情况下，传播介质的电磁参数（电性）差别大，则反射系数大，因而反射波的能量也大，这就是地质雷达探测的前提条件.PR=PTG2λ30RSL(4π3)H4RSLe-4αR（3）式（3）中：PT，PR分别为发射和接收功率；G为天线增益；λ0为介质中雷达波的波长，R、S、H分别为地下目标体的反射率、散射面截面和深度；α为岩土衰减率；L为雷达波从发射到接收过程的散射损耗.通过公式可以看出，雷达接收的信号强弱与很多东西相关，主要包括雷达天线的功率和特性、地层对电磁介质的衰减、地层对电介质的反射能力.对天线频率、探测深度以及分辨率的关系描述主要为：天线频率越高，则对地层探测的深度越浅，得到的图像分辨率越高；反之，天线频率越低，则对地层探测深度越深，得到的图像分辨率越低.因此，在对隧道进行地质雷达超前预报时，先需要对地质雷达的天线进行选择，天线的选择决定了探测深度和分辨率.这就存在探测深度与分辨率的取舍或优选问题.2隧道工程概况云南省水富至绥江（水绥）二级公路是连接向家坝水电站与溪洛渡水电站的便捷通道，也是向家坝水电站淹没区水绥公路的还建工程.水绥二级公路的建成，对攀西―六盘水开发区的建设，特别是沿线地区的资源开发，具有重要意义.位于三项目部第九工区的中城镇犇溪口隧道是水绥二级公路新增隧道之一，全长1 170 m，是水绥二级公路最长的一个隧道，也是地质最复杂、环境最恶劣、施工难度最大的一个隧道.犇溪口隧道出口地层为紫灰、紫红色粉砂岩、泥岩，呈弱风化碎石状，岩性质软，受结构影响较严重，节理裂隙很发育，岩体破碎，岩层产状200°∠12°，产状对围岩稳定不利，如图2所示，该段地下水埋藏较深，但处于基岩侵入接触带，地下水富水性中等，施工中将有中等水量的渗水.为了保证施工安全进行，我们采用地质雷达对犇溪口隧道进行了超前地质预报，取得了较好的效果.第12期王威，等：地质雷达在犇溪口隧道超前地质预报中的应用
武汉工程大学学报第33卷
图2犇溪口隧道地质结构图
Fig.2Tunnel geological structure of Benxikou3仪器设备及技术参数地质雷达系统包括硬件（主机、天线、传输电缆等）和软件（现场数据采集、预处理、后处理等）两大部分.本次投入的设备为美国产SIR系列地质雷达系统（图3）.图3地质雷达系统
Fig.3Ground penetrating radar system在获取到地质雷达影像的处理上，配备了RADAN6.5系列雷达软件，特别针对各种地质异常情况可以进行多道平均，同相轴追踪，信号偏移，希尔波特变换，褶积与反褶积的滤波变换，傅立叶变换，强制增益变化等等一系列的手段，可以最大程度的保证资料处理的可辨读性.SIR系列地质雷达属工程现场非破坏性的高频电脉冲全数字化地面探测系统，其主要技术参数如下：a.扫描速率：每秒2~800次扫描可选，具有DSP数据快速采集系统；b．分辨率：5 ps；c.主机可适配所有高中低频的各类雷达天线，频率范围从16 MHz到2.2 GHz，本次预报工作主要选用100 MHz，400 MHz频率的天线；d.量程增益：-20～100 dB，自动或用户可选；增益曲线分段可以从1～8进行选择；e.具有位置自动伺服系统，便于信号的准确接收.4地质雷达探测及结果分析根据犇溪口隧道掌子面现场情况，沿水平方向布置了2条测线，测线A1距离上台阶1.5 m，测线A2距离上台阶4.5 m，具体测线位置如图4.由于掌子面的不平整，为提高测试的准确性，测试时根据情况对某些测试剖面进行了重复测试.为提高预报精度，本次预报采用400 M屏蔽天线（仅向掌子面前方发射电磁波和仅接收掌子面前方的反射波）进行探测，并沿测线进行连续测量.限于篇幅，本文仅介绍K72+443掌子面的地质雷达探测结果.图4掌子面雷达测线位置示意图
Fig.4Sketch map of survey line location in the tunnel地质雷达探测是基于电磁波遇到不同反射界面其反射振幅和相位不同来判断前方传播介质的变化.介质介电常数的差异决定了电磁波反射的强弱程度和其相位的正负.岩性、构造、风化程度及其含水量的变化将影响其介电常数.雷达测试资料的解释是根据现场测试的雷达图像，先进行数据处理，对可以解读的图像进行异常分析；根据异常的形态、特征及电磁波的衰减情况，判断波阻抗界面的地质成因，从而可以对测试范围内的地质情况进行解释.纵观本次地质雷达图像，图像显示较为清晰，在剖面探测深度内基本未见电磁波反射异常，在K72+443竖直测线A2剖面深度为10 m的位置发现电磁波强反射等异常.K72+443处A1和A2测线的地质雷达探测剖面波列图如图5（a）、4(b)所示，由图中可以看出，探测剖面无明显反应异常区，表明该段围岩情况与掌子面围岩相比变化不大，从掌子面的岩体情况可以对掌子面前方的岩体情况进行推断，节理裂隙发育、岩体比较破碎，推断为溶蚀破碎带，裂隙夹泥及小块石，含少量水，层间及节理裂隙粘土充填，围岩完整性一般，推断围岩等级为Ⅳ级，而在在K72+443竖直测线A2剖面深度为10 m的位置发现电磁波强反射等异常区域可以推断在此区域的围岩较其他区域的围岩更加破碎，从而对该破碎区域推断为V级.当隧道进尺到该区域时，应格外注意支护.以避免掉块和塌方情况发生.5结语从犇溪口隧道现场地质调查情况看，掌子面围岩为紫灰、紫红色粉砂岩，岩体比较破碎，夹少量泥，水量小，围岩强度较低，围岩级别为Ⅳ级.根据雷达探测结果结合地质调查分析，推测预报段K72+443～K72+423整段围岩质量一般，围岩节理裂隙较发育、岩体较破碎，溶蚀发育，形成的小块石较多.从A1测线来推测围岩的围岩进尺1.5 m左右和10 m左右有少量的强反射信号，从A2测线可以观察到同样的结果，推测此位置的围岩等级为V级.建议施工方在此段区域加强防护，避免掉块和塌方情况发生.实践证明地质雷达是隧道施工超前地质预报的一种快捷有效的方法，对隧道施工具有较好的指导作用.图5地质雷达探测剖面
Fig.5Profile images by ground penetrating radar参考文献：