引水隧洞地质雷达超前预报应用研究

罗英珊

（葫芦岛平山供水有限公司，辽宁 葫芦岛 125000）

0 引言

我国经济社会正处于快速发展时期，公路、铁路、水利、地铁等基础设施建设全面开展，地下隧洞工程是基础建设中重要的组成部分。设计阶段的地质勘察受资金、工期和方法的限制，精度一般不会太高，隧洞开挖过程中，实际地质条件与设计资料不符的情况难以避免。隧洞实际开挖过程中，遇到断层、围岩破碎、涌水等突发不良地质情况后，为避免事故发生，不能贸然继续掘进，需要结合超前地质预报结论制定下一步计划。

目前工程中常用的超前地质预报方法有TSP 法、地质素描法、地质雷达法、超前钻孔法和红外探测法等[1]。其中地质雷达法具有轻便、无损、效率高、速度快、精度准等优点，被广泛应用于工程质量检测和地质预报之中[2]。

图1 地质雷达工作原理

地质雷达工作原理见图1，紧贴着掌子面的发射天线向掌子面前方发出脉冲电磁波，电磁波遇到不同介电特性的介质后，部分电磁波被反射回掌子面，由接收天线捕捉并记录时间。由电磁波在介质内的波速和总时间可以计算出反射界面与掌子面的距离(h=V×t/2)，其中，电磁波的速度为：

式中：C 是电磁波在真空中的速度0.3 m/ns，εr为介质相对介电常数。

根据波的反射时间、幅度、频率与波形变化等信息，结合不同地质体的介电特性资料，就可以推断出掌子面前方地质结构及分布状况[3]。一般的，凝灰质砂岩的介电常数为7，干沙土的介电常数为4～10，湿沙土介电常数为10～30，空气的介电常数为1，水的介电常数为81。

地质雷达的分辨率高，但探测的距离较短，一般在20 m～30 m以内，同时雷达波易受洞内机器以及金属干扰，探测作业时，掌子面附近应尽量避免堆置金属物品，如台车、锚杆、钢丝网等，探测分析过程中还需注意波相解析识别[4]。

1 工程应用

1.1 工程概况

辽宁省重点引水工程的某标段隧洞位于辽宁省北票市和双塔区境内，总长度26.3 km，开挖断面为圆拱斜墙，成洞断面为圆形，成洞直径3.9 m，平均坡度0.0076%，走向295°，采用钻爆法开挖。

C6#支洞下游控制段在开挖至掌子面桩号C19+209 附近，发现沿主要结构面及短小裂隙出水，且经过24 h 后，水压、流量未见减小。为完善隧洞前方地质资料，避免事故扩大，以供施工过程中及时制定方案与措施，采用地质雷达方法进行超前地质预报。

目前开挖掌子面围岩级别为Ⅳ类，掌子面照片见图2。岩性为侏罗系上统土城子组（J3t3）凝灰质砂岩，灰绿色，弱风化，中硬岩。节理裂隙较发育，节理面微张～闭合，无充填，节理间距约为1 m，延伸长度约为7 m，发育于两壁及拱顶，贯穿洞室。桩号C19+184 ～C19+200 段岩体较完整；桩号C19+200 ～C19+209 段，主要结构面与右前方短小节理相互切割，岩体完整性差，右侧拱腰局部较破碎。沿主要结构面及短小裂隙出水，水量约为1023 L/min，水压约为0.35 MPa。

图2 掌子面照片（桩号C19+209）

1.2 测量仪器

本次工作使用美国的地球物理探测公司(GSSI) 制造的SIR-30E 型地质雷达，见图3。

图3 SIR-30E 型地质雷达

1.3 测线布置

测线布置见图4，在掌子面上设置了2 条水平测线和1 条竖直测线，测点间距20 cm，水平测线长4 m，距离底板高度分别为1.0 m 和1.7 m；竖直测线长3 m。测量时，两名工作人员互相配合，手持测量天线贴着掌子面从测量起点移动至测量终点。

图4 测线布置示意图

1.4 数据处理与解释

目标地质体为不良地质体和含水构造，当电磁波传播到这些目标体时电性结构会发生变化，直观的特征是在相应的位置发生强烈的反射，反射同相轴会出现一些错断。

经过资料整理、距离归一化、时间深度转换、增益调整、滤波等步骤的数据处理后，得到探测图像。

地质雷达实测数据处理成果图见图5～图7，即地质雷达深度剖面图。剖面图横轴为掌子面位置，纵轴为掌子面掘进方向，图中天蓝、浅蓝、黄色和红色的同相轴为强反射区域，绿色的区域为弱反射区域。纵观三幅深度剖面图，趋势基本一致，都在0.0～2.5 m 和5.0 m～11.0 m 左右出现强反射。

图5 测线Ⅰ深度剖面

图6 测线Ⅱ深度剖面

图7 测线Ⅲ深度剖面

测线Ⅰ：如图5 所示，0.0～2.5 m，此范围反射波能量较强、反射波同相轴出现错断，这是受爆破松弛影响造成的围岩松动区的反映。推断与掌子面岩体完整程度相近，推测围岩级别为Ⅳ类；2.5 m～5.0 m，此范围内的反射波能量较弱，反射波频率较为一致，推测该段岩石完整程度较前段有所提升，推测围岩级别为Ⅳ类；5.0 m～10.0 m，此范围反射波能量较强、反射波同相轴出现错断，反射波频率有所下降，根据反射波同相轴形态推断该范围应有节理裂隙发育，岩体强度有所下降，裂隙中可能含水，推测围岩划分为Ⅳ类；10.0 m～17.5 m，此范围反射波能量较弱，反射波频率较为一致，推测该段岩石完整程度和岩石强度较前段有所提升，推测围岩级别为Ⅳ类；

测线Ⅱ：如图6 所示，0.0～2.5 m，推断与掌子面岩体完整程度相近，推测围岩级别为Ⅳ类；2.5 m～5.0 m，推测该段岩石完整程度较前段有所提升，推测围岩级别为Ⅳ类；5.0 m～11.0 m，推断该范围应有节理裂隙发育，岩体强度有所下降，裂隙中可能含水，推测围岩级别为Ⅳ类；11.0 m～17.5 m，推测该段岩石完整程度较前段有所提升，岩石强度较前段有所提升，推测围岩级别为Ⅳ类；对比测线Ⅰ，此测线反射波能量要强些，推测在5.0 m～11.0 m 范围掌子面下方的岩体完整性要比上方的差些；

测线Ⅲ：如图7 所示，0.0～2.5 m，推断与掌子面岩体完整程度相近，推测围岩级别为Ⅳ类；2.5 m～5.0 m，推测该段岩石完整性较前段有所提升，推测围岩级别为Ⅳ类；5.0 m～8.0 m，推断该范围应有节理裂隙发育，岩体强度有所下降，裂隙中可能含水，推测围岩级别为Ⅳ类；8.0 m～15.0 m，此范围反射波能量较弱，反射波频率较为一致，推测该段岩石完整程度较前段有所提升，岩石强度较前段有所提升，推测围岩级别为Ⅳ类。

预报结论汇总见表1。

表1 C6# 支洞下游控制段（桩号19+209～19+226.5）地质雷达超前地质预报成果表

在得到地质雷达超前预报结论后，监理人组织业主、设计、地质、承包人进行了五方会商，决定缩短进尺至2.0 m 继续向前全断面爆破开挖。两个循环进尺后，掌子面附近不再出现新的较大涌水点，围岩整体情况有所好转，开挖至桩号C19+217后，岩体完整性变差，再下一循岩体完整性又有所提升，与地质雷达预报预测结果基本相符。

2 结论与建议

剖面是前方复杂地质体的综合反映，分析解释就是一个去除干扰提取目标层，提高分辨率与精确度的过程。现场条件如，掌子面凹凸不平会影响雷达天线与掌子面的耦合程度，会导致信号强弱变化、探测方位和反射波旅行时的变化；掌子面附近有磁铁性物质会对雷达信号吸收干扰，对解译成果有一定影响；掌子面空间狭小会造成探测盲区等等。因此实际问题会出现一定的误差与多解性，必要时可配合超前水平钻孔验证。

1）对辽宁省重点引水工程隧洞掌子面进行了超前地质预报探测，掌子面前方围岩情况好转。后经过开挖，实际地质情况与预报结论吻合较好，为下一步工作安排提供了依据。

2）地质雷达探测具有轻便、无损、效率高、速度快、精度准的优点，在深埋隧道，可根据需要进行雷达扫描，排除安全隐患，提高施工效率，避免事故损失。

3）物探方法都有一定的误差与多解性。实际工作中也存在很多影响精度的因素，岩体原本就是不均一体，所测得的雷达