GPR在张花高速公路岩溶隧道超前预报中的应用

彭 杰

(湖南张花高速公路建设开发有限公司,湖南张家界 427000)

0 引言

张花高速公路地处湘西北,位于张家界市和湘西自治州境内,起于张家界,与常张高速公路相接,终于湘西自治州的花垣县,与吉茶高速公路相连,途经张家界永定区、永顺、保靖、花垣三县。路线全长147.6 km,总投资130.97亿元。张花高速是湖南省高速公路网规划“五纵七横”路网中的第二横——浏阳(赣湘界)至花垣(湘渝界)高速公路的重要组成部分。它的建设将在湘西北地区形成一条东西方向的运输主动脉,促进少数民族区域经济发展,为执行西部大开发战略奠定坚实基础。

由于张花高速沿线地质、地形条件复杂,大部分隧道处在软弱围岩中,溶洞、断层破碎带、岩溶水、岩石裂隙等不良地质体发育,难以对复杂的地质情况做出准确的微观把握,从而造成地质勘探资料往往与实际情况不符,特别是不良地质地段准确位置之间不可避免存在的误差,为了及时掌握掌子面前方的不良地质情况,提前采取预防措施,避免隧道内坍方、突泥、涌水等地质灾害现象发生,必须实施地质超前预报。本文在介绍地质雷达探测原理的基础上,针对张花高速上出现的几种不良地质体的探测实践,阐述地质雷达在隧道不良地质体超前预报中的应用,可为类似工程提供借鉴。

1 GPR探测基本原理及理论

地质雷达(Ground Penetrating Radar,简称GPR)是利用超高频窄脉冲电磁波探测介质分布的一种地球物理勘探仪器,其工作原理是发射天线向隧道掌子面前方发射电磁波信号,在电磁波向掌子面前方传播的过程中,当遇到电性差异的目标体(如空洞、裂隙、岩溶等)时,电磁波便发生反射,由接收天线接收反射波。电磁波在介质界面产生反射就是因为两侧介质的介电常数不同,差异越大反射信号越强烈,反之反射信号越弱。然后在对地质雷达数据进行处理和分析的基础上,根据雷达波形、电磁场强度、振幅和双程走时等参数,推断掌子面前方异常地质或目标体的分布情况。地质雷达探测原理如图1。

1.1 地质雷达进行超前预报的基本理论

1.1.1 地质雷达方程

根据经典对空雷达方程导出的地质雷达方程为:

式中:Pr为接收机收到的功率,W;Pt为发射机发射功率,W;R为天线到目标的距离,m;G为天线增益,dB;Q为目标截面积,m2;f为雷达中心工作频率;η为界面功率反射系数;α为介质的电场衰减系数,Db/m;v为介质的雷达波传播速度,m/s。

1.1.2 电磁波的传播与波速

雷达电磁波可近似为平面电磁波,它的电场分量瞬时波动方程为:

式中,E0为z=0,t=0时的电磁场强度;α为介质的电场衰减系数;β为相移系数;z为传播的距离;ω为电磁波角频率。当cos(ωt-βz)=1时,电场强度最大,求得电磁波波速的表达式为:

图1 地质雷达探测原理、工作示意图

式中:μ为磁导率;ε为介电常数;σ为电导率。

1.1.3 电磁波的反射与透射

地质雷达发射电磁波在地下介质中的传播速度主要由介质中的相对介电常数确定,电磁波在传播过程中,遇到不同的阻抗界面将产生反射和折射,其反射和折射遵循反射与折射定律。反射波和折射波的能量取决于反射系数和折射系数,反射系数和折射系数的公式如下:

式中:R为反射系数;T为折射系数;ε1、ε2分别表示不同介质的相对介电常数。

1.1.4 电磁波波长与频率之间的关系

雷达的探测分辨率与频率有关,频率越大,分辨率越高,且只有当目标体大于介质中的波长时才可分辨出来。根据电磁波传播理论可知,介质中电磁波波长与频率之间的关系如下:

式中:f、ε、μ、ρ分别为工作频率、介电常数、磁导率及电阻率。

1.2 地质雷达的影响因素

地质雷达的影响因素决定地质雷达的探测深度、分辨率及精度。主要包括内在与外在两方面,内在因素主要是指探测对象所处环境的电导率、介电常数等,常见介质的介电常数如表1。表中是相对介电常数和速度的近似值,相对介电常数随介质中的含水量而急剧变化,含水少的介质其值较大。外在因素主要与探测所采用的频率、采样速度等探测方法有关。探测时所采用的天线中心频率称为探测频率,而其实际的工作频率范围是以探测频率为中心的频带,探测频率主要影响探测深度和分辨率,当地质雷达工作在介电极限条件时,高频电磁波的衰减几乎不受探测频率的影响。比如,电磁波在空气中传播,由于不存在传导电流,电磁波不发生衰减。但实际上,由于大地电阻率一般都比较低,其工作条件达不到介电极限条件,由于传导电流的存在,高频电磁波在传播过程中发生衰减,其衰减的程度随电磁波频率的增加而增加。因此,在实际工作时,必须根据目标体的探测深度选用合理的探测频率,探测频率同时也决定了探测的分辨率。一般是探测频率越高,探测深度越浅,探测的分辨率越高。探测频率和介质的介电常数是决定分辨率的两个主要因素,电磁波的传播是以一个圆锥体区域向前发送能量,当目标体的水平尺度小于反射区尺度时,雷达是难以分辨的,电磁波频率越高,波长越短,反射区的半径越小,水平分辨率高。其天线频率与分辨率、最大测深的关系见表2。

表1 相对介电常数表

表2 天线频率与分辨率、最大测深及盲区表

2 GPR隧道超前探测的方法与步骤

2.1 准备工作

在探测之前必须要进行场地调查,因为使用地质雷达采集数据时,易受到测线附近的构造物、金属物体的电磁干扰,应将其记录在册,并标出位置,在这样的区域探测时应重复观测,排除干扰的影响。

2.2 测线布置

地质雷达的测线布置方法比较灵活,根据具体情况布置一些测点、测线或网格以掌子面前方为检测目标,以拱顶为中心,“十”字形布置2条测线,在开挖工作面凹凸不平不符合条件时,可采用点测法,一般点距0.5～1m。在地质复杂地段,可以“井”字形布置测线,必要时加密雷达测线以提高测试资料结果的解释。常用测线布置图如图2。

图2 掌子面测线布置示意图

2.3 数据采集及处理

探测深度为15～25m时,一般采用的雷达天线为低频100MHz天线。样点数一般设为512,时间根据探测深度而定,采用连续测量的方法,在条件不允许的情况下也可用点测法。地质雷达探测所得的原始雷达波数据需对其进行移动开始时间静校正、增益,去直流漂移和巴特沃斯带通一维滤波,抽取平均值及滑动平均等二维滤波处理,压制和剔除干扰波,突出有效波,这样有利于增强雷达测探测结果的准确性。

2.4 数据分析与解释

地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用目前虽已在实践中积累了一些经验,但由于隧道内地质情况复杂,仅从测试资料进行地质解释准确度较差,所以要把测试资料的解释和地质特征解释(包括掌子面地质情况、地质勘探资料及区域地质情况)进行综合分析和判断,才能提高地质预报的准确性和可靠性。

测试资料的解释是根据现场测试的雷达图像,对测试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对测试范围内的地质情况进行推断解释。反射信号强则说明前方存在异常的形态和特征;电磁波衰减则说明前方围岩质量较差,因为完整岩石对电磁波的吸收相对较小,衰减较慢,当围岩较破碎或含水率较大时对电磁波的吸收较强,衰减较快。

为了提高测试的精度,在测试过程中需要地质人员对测试剖面上的地质情况进行现场记录,结合前面已开挖的围岩地质情况,对掌子面前方的地质情况做出预测。因为一般来说反射波越强则前方地质情况与掌子面的差异越大,根据掌子面的地质情况可对掌子面前方的地质情况做出合理推断。最后根据雷达测试的异常特征,结合地质特征做出最后的地质解释。

2.5 施工验证

当施工进度达到预报里程时,需把预测结果和现场掌子面情况相对比,这是一个积累经验和修正的过程。

3 几种不良地质体GPR波形特征

3.1 溶洞

介质的介电常数不同,差异越大反射信号越强烈。岩溶与其周围的介质存在着较明显的物性差异,尤其是溶洞内的充填物与可溶性岩层之间存在的物性差异更明显。这些充填物一般是土壤、水和空气等,这些介质与可溶岩层本身由于介电常数不同形成电性界面,探测出这个界面的情况,也就知道了岩溶的位置、范围、深度等内容。当有岩溶发育时,反射波波幅和反射波组将随溶洞形态的变化横向上呈现出一定的变化。溶洞雷达图像的特征是被溶洞侧壁的强反射所包围的弱反射空间,即界面反射是强反射,且常伴有弧形绕射现象;溶洞内的波则为弱反射:低幅、高频、波型细密,但当溶洞中充填风化碎石或有水时,局部雷达反射波可变强。

3.2 断层破碎带

岩层或岩体受力破裂后,破裂面两侧岩块发生了明显位移,这种断裂构造即为断层。断层是地壳中广泛发育的地质构造。由于岩层发生强烈的断裂变动,致使岩体的裂隙增多、岩石破碎、风化严重、地下水发育,所以断层破碎带岩石的强度和稳定性很差。在完整岩石与断层破碎带接触界面的两侧,由于破碎带内岩石的孔隙度和含水率均比完整岩石要大,而孔隙度和含水率对介质的σ和ε均有较大的影响,这就造成接触带两侧存在一定的波阻抗差异,致使电磁波在穿过界面进入破碎带内后其反射能量增强、波形幅值增大,穿过破碎岩层时视其胶结程度而使得波形比较杂乱。在雷达剖面上的波形场特征为:地层反射波发育,同相轴错断,反射波振幅能量明显增强,电磁波频率发生变化,有时候会出现断面波、绕射波。因此根据地质雷达的波形特征及相关地质资料,可以判明破碎带的厚度以及它与完整岩石的界面。

3.3 富水带

水的相对介电常数为81,当岩体含水量较大时,介质的介电常数有较大的增大,而电磁波在介质中的传播速度则会降低,这样反射波表现较强的正峰异常,同时出现强反射,有时也会产生绕射、散射现象,导致波形紊乱、频率成分由高频向低频剧变。

3.4 裂隙

裂隙密集带主要存在于断层影响带、岩脉带及软弱夹层中,由于裂隙内有不同成分、不均匀的充填物,与周边围岩形成电性差异,因此具有采用地质雷达探测岩体中裂隙存在的地球物理基础。当雷达电磁波传到裂隙表面时,会产生较强的界面反射波,同相轴的连续性反映了裂面是否平直、连续;在穿越裂隙的过程中会产生绕射、散射、波形杂乱、波幅变化大,反映出裂隙内充填物不均匀性。

4 应用实例

4.1 溶洞

张花高速舒家湾隧道出口溶洞发育,围岩条件差。为了确保施工安全,使用瑞典RAMAC/GPR地质雷达100MHz主频天线在舒家湾隧道进口Zk30+156～Zk30+176范围内采集雷达数据,采样频率995MHz,采样点数为512,天线间隔1.0m,采样间隔0.1m。通过对数据的处理,得出如下地质雷达图像(如图3)。

图3 溶洞地质雷达图

从图中可以看出,Zk30+156～Zk30+176段范围内存在3个双曲线型异常反射体,推断为溶洞,后经开挖验证,掌子面有一个溶洞。

4.2 断层破碎带

张花高速公路刘家峪隧道有不同规模的压扭性断层、岩脉断层、岩性接触断层穿越。经过刘家峪隧道右线Yk33+150～+170段进行探测,得出如下地质雷达图像(如图4)。

图4 断层破碎带地质雷达图

从图中可以看出,下部Yk33+157～Yk33+170段同相轴多次错断,局部界面反射强烈,反射面附近波幅有所增强,电磁波频率发生较大的变化,波形杂乱。结合该隧道整体工程地质分布情况和掌子面调查结果,推测在Yk33+157处存在断层。隧道开挖后Yk33+157以后围岩为受构造影响很严重的碎块～粉末状粉砂岩夹煤(煤矸石)层,软弱破碎。

4.3 富水带

张花高速排楼隧道围岩破碎,裂隙水发育。经过青平隧道右线Yk104+254～+274段进行探测,得出如下地质雷达图像(如图5)。

图5 富水带地质雷达图

从图中可以看出,在前方Yk45+260～Yk45+274段所出现的雷达电磁波异常,反射强烈,无绕射现象,波形紊乱,电磁波衰减速度增快。表明该段地下水含量丰富,可能存在涌水甚至突水现象,围岩破碎。开挖结果表明Yk45+260～Yk45+274有一含水管道横穿隧道顶部而过,其附近围岩破碎松散,含水量也较大,由于预报准确及时,提前进行了加固处理及防排水措施,未发生安全及生产事故。

4.4 裂隙

对张花高速岩门口隧道Yk1+200～+220段进行地质雷达探测,得出如下地质雷达图像(如图6)。

图6 裂隙地质雷达图

从图中可以看出,Yk1+206～+220段存在多组平行和杂乱的反射波,推断为裂隙密集带和岩脉条带,岩体呈压碎结构,围岩较破碎。

5 主要结论与认识

1)通过GPR超前探测,准确掌握隧道掌子面前方的不良地质情况,并根据探测结果,及时采取有效措施,确保隧道施工安全,实践证明是可行的。

2)采取GPR进行隧道掌子面前方不良地质体的探测,其关键是对采集雷达波的判读,前述应用表明,不同的地质体,其雷达波图截然不同,具有明显的波场特征。

3)由于隧道施工现场,周边环境复杂,诸多因素均对雷达电磁波存在干扰,导致所采集到的雷达波可能失真,因此,加强地质调查和经验推测,进行综合分析,对于提高预报精度极其重要。

当然,地质雷达图像解释还存在着像多解性,需要工程技术人员在实践中不断总结经验、改进预报手段,有时还需要用其它方法进行补充验证。

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