地質(zhì)雷達在隧道超前地質(zhì)預報中對地下水的探測

1、地質(zhì)雷達在隧道超前地質(zhì)預報中對地下水的探測摘要 突 (涌) 水是隧道施工中的主要地質(zhì)災害之一，這也使得含水性的預報成為隧道地質(zhì)超前預報的重中之重，隨著隧道施工技術的提高，對隧道施工期地質(zhì)超前預報提出了更高的要求。 作為一種地球物理方法，地質(zhì)雷達因具有掃描速度快、操作簡便、重量輕、分辨率高、屏蔽效果好、圖像直觀等優(yōu)點在我國得到了廣泛應用，近年來也被用于隧道超前預報。本文在總結(jié)前人積累的寶貴經(jīng)驗的基礎上就地質(zhì)雷達在隧道超前地質(zhì)預報中對地下水的探測進 行一些探討。關鍵詞：地質(zhì)雷達；地下水；超前預報Discussion on the Application of GPR in Groundwater

2、Detection for Tunnel Geological PredictionZhou WenqiuAbstract Water-inrush is one of the familiar geological disasters during tunnel construction. Groundwater prediction is the most important thing in the tunnel geological prediction. With the progress of tunneling technology, it has put forward hig

3、her request to geological forecast. As a method of geophysics, GPR(Ground Penetrating Radar ) has the advantage of high scan speed, simple operations , light weight, high resolution and good electro-magnetic shield effect ,etc. Recently, the GPR has also been used in tunnel geological prediction . O

4、n the basis of summarizing the experience of both past and present generations of scientists and technicians, the author put forward some views on the application of GPR in groundwater detection . Key words GPR， groundwater， geological prediction0 引言在西部大開發(fā)的大背景下，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展， 近年來我國加大了基礎設施的建設，特別 是水電建設更是如

5、火如荼。無論是西北、西南地區(qū)大型水電站，還是華北、華東、華南和東北等地高水頭抽水蓄能水電工程，都將修建大量的深埋長隧洞和高水頭隧洞。南水北調(diào)工程的西線工程與中線工程，大部位于我國西部山區(qū)，也將修建大量穿越山嶺的超長大隧洞。由于這些隧道、隧洞大都處于地下各種復雜的水文地質(zhì)、工程地質(zhì)巖體中，為了摸清和預知周圍的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件，隧道施工期地質(zhì)超前預報顯示出越來越重要的作用。在隧道開挖掘進過程中，提前發(fā)現(xiàn)隧道前方的地質(zhì)變化，為施工提供較為準確的地質(zhì)資料，及時調(diào)整施工工藝，減少和預防工程事故的發(fā)生非常重要。隧道地質(zhì)超前預報因為技術要求高、難度大、觀測條件受限而成為疑難問題，而含水性的預報又是難中

6、之難。危險的含水體問題， 包括含水斷裂、含水溶洞、含水松散體等的位置、規(guī)模、富水性、水壓。1突（涌）水對隧洞施工的危害突（涌）水是隧洞施工中的主要地質(zhì)災害之一，隧洞內(nèi)的突（涌）水一般均發(fā)生在巖溶地區(qū)，這些地區(qū)賦存有豐富的地下水，由巖溶裂隙、溶洞、地下暗河構成地下水的運移網(wǎng)絡。在隧洞開挖過程中時常遭遇突水及突泥現(xiàn)象，并具有水壓力大、突發(fā)性的特點，這一點在錦屏長探洞、武隆鐵路隧道的開挖過程中已得到了證實。錦屏二級水電站長探洞內(nèi)曾發(fā)生瞬時涌水量大于等于0.1m3/s的突水突泥點10處，最大突水點的最大瞬時涌水量達4.91m3/s,造成施工設備被淹，嚴重影響施工工期。武隆鐵路隧道施工過程中遭遇到三條地

7、下暗河，最大平均涌水量達16.2m3/s,沖毀路基及洞口。這些涌水點除具有突發(fā)性的特點外，其涌水初期均攜帶有大量砂粘土，造成洞內(nèi)淤積。且大多隧洞施工過程中所出現(xiàn)的涌水現(xiàn)象，已引起一定的環(huán)境地質(zhì)問題。另據(jù)文獻記載，我國部分隧道及礦山開挖過程中產(chǎn)生了不同程度的水文地質(zhì)災 害（表1）,表中開灤范各莊礦突水量高達34.22m3/s,為世界采礦史上罕見的特大礦山水災。我國部分隧道及礦山水文地質(zhì)災害一覽表工程名稱圍巖巖性地下水類型最大突水量(m3/s)大瑤山鐵路隧道灰?guī)r巖溶水0.05南嶺鐵路隧道+207斷裂巖溶水（斷層導水、涌泥）0.03+269斷裂灰?guī)r巖溶水（斷層導水）0.12+745斷裂巖溶水（連續(xù)涌

8、泥）0.06武隆鐵路隧道灰?guī)r巖溶水（地下暗河）16.2山東坊子煤礦片麻巖基巖裂隙水0.22山東淄博大井灰?guī)r巖溶水7.38山東新博煤礦斷層導水0.44開灤范各莊灰?guī)r巖溶水134.22平頂山九礦灰?guī)r巖溶水11.17國營711鈾礦基巖裂隙水11.241.36錦屏二級水電站大理巖巖溶水4.91天生橋二級電站灰?guī)r巖溶水3.002地質(zhì)雷達在地下水探測中的應用地質(zhì)雷達方法具有操作簡便，使用成本較低，對隧道施工干擾較小等特點，因而在國內(nèi)隧道建設中廣為采用。近年來經(jīng)過廣大物探工作者的積極探索，使得地質(zhì)雷達在隧道超前預報中尤其在探測地下水方面更是積累了發(fā)揮出了重要作用，成為隧道超前預報的一種重要方法， 許多寶貴的

9、經(jīng)驗。2.1 地質(zhì)雷達（GPR檢測方法簡介地質(zhì)雷達（ 亦稱探地雷達） 是目前分辨率最高的工程地球物理方法，在工程質(zhì)量檢測、 場地勘察中被廣泛應用，近年來在我國也被用于隧道超前預報工作，國外還少見此種用法。探地雷達是通過發(fā)射和接收到的反射波來實現(xiàn)探測的。其工作原理是基于不同巖土介質(zhì)電磁波阻抗的不同，電磁波在地質(zhì)體中傳播時遇到波阻抗變化界面會發(fā)生反射，根據(jù)接收到的反射波的走時和波相可推斷界面的位置和性質(zhì)。 水是自然界中常見的物質(zhì)中介電常數(shù)最大、電磁波速最低的介質(zhì)。與巖土介質(zhì)和空氣的差異很大。含水界面會產(chǎn)生強烈的電磁反射，巖體中的含水溶洞、飽水破碎帶很容易被地質(zhì)雷達檢測發(fā)現(xiàn)，因而將地質(zhì)雷達作為掌子面

10、前方含水的斷裂帶、破碎帶、溶洞的預報工具。在深埋隧道和富水地層以及溶洞發(fā)育地區(qū)，地質(zhì)雷達是一種很好的預報手段。但是地質(zhì)雷達目前探測距離較短，大約在 2025m以內(nèi)。 對于長隧道只能根據(jù)施工進度分段進行，相互影響較大，同時雷達記錄易受洞內(nèi)側(cè)壁和機具的干擾，增加了預報難度和風險。2.2 地質(zhì)雷達方法原理探地 雷 達 檢測是利用高頻電磁波以寬頻帶短脈沖的形式，其工作過程是由置于地面的發(fā)射天線發(fā)送入地下一高頻電磁脈沖波（ 主頻為數(shù)十兆赫至數(shù)百兆赫乃至千兆）， 地層系統(tǒng)的結(jié)構層可以根據(jù)其電磁特性如介電常數(shù)來區(qū)分，當相鄰的結(jié)構層材料的電磁特性不同時，就會在其界面間影響射頻信號的傳播，發(fā)生透射和反射。一部分

11、電磁波能量被界面反射回來，另一部分能量會繼續(xù)穿透界面進入下一層介質(zhì)，電磁波在地層系統(tǒng)內(nèi)傳播的過程中，每遇到不同的結(jié)構層，就會在層間界面發(fā)生透射和反射，由于介質(zhì)對電磁波信號有損耗作用，所以透射的雷達信號會越來越弱。探地雷達主要由天線、發(fā)射機、接收機、信號處理機和終端設備（ 計算機 ） 等組成，典型的探地雷達系統(tǒng)如圖2.1 所示。圖2.1地質(zhì)雷達測試系統(tǒng)圖各界面反射電磁波由天線中的接收器接收并由主機記錄，利用采樣技術將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行處理。從測試結(jié)果剖面圖得到從發(fā)射經(jīng)地下界面反射回到接收天線的雙程走時t。當?shù)叵陆橘|(zhì)的波速已知時，可根據(jù)測到的精確t值求得目標體的位置和埋深。這樣，可對各測點 進行

12、快速連續(xù)的探測，并根據(jù)反射波組的波形與強度特征，通過數(shù)據(jù)處理得到地質(zhì)雷達剖面圖像。而通過多條測線的探測，則可了解場地目標體平面分布情況 （如圖2.2所示）。通過對電磁波反射信號（即回波信號）的時頻特征、振幅特征、相位特征等進行分析， 便能了解地層 的特征信息（如介電常數(shù)、層厚、空洞等）。2.3 電磁波的傳播理論2.3.1 電磁波的界面反射、折射地質(zhì)雷達主用于探尋地表近層的異常特征，因此遇到的實際介質(zhì)往往都是非均勻的。為了討論非均勻介質(zhì)中電磁波的傳播情況，我們首先研究電磁波在兩種不同均勻介質(zhì)分界面上的傳播規(guī)律，這里主要討論平面波的反射和折射。平面電磁波到達兩種不同均勻介質(zhì)的分界面處會發(fā)生反射和折

13、射。入射波、反射波和折射波的方向，遵循反射定律和折射定律，如圖2.3所示人射波在界面所引起的反射和折射，0, &和Q分別為入射角、反射角和折射角。定義折射率sin q v1 /2 匕2 %=近工"京=豆（2.1）反射定律和折射定律表明，入射角Q等于反射角Q,與界面兩邊的介質(zhì)性質(zhì)無關；折射率與兩邊介質(zhì)性質(zhì)有關。當n>1時，a>心比>0 n<1時，心缸y<w根據(jù)式（2.1）可知：n >0,且在一般介質(zhì)中n為復數(shù)。電磁波在兩種介質(zhì)界面處將會發(fā)生能量再分配O根據(jù)能量守恒定律，界面兩邊的總能量保持不變。因此入射部分能量與透射部分能量之差就是反射波能量

14、。地質(zhì)雷達使用的是偶極源，在離源很遠的區(qū)域， 波的等相面在一定范圍內(nèi)可看成平面，此時波場可按平面波分析。一般情況下，地質(zhì)雷達偶極矩平行界面，即入射電場E,與入射面垂直，下面討論垂直極化波在界面的反射和折射情況入射波、反射波與折射波在界面處電場與磁場變化關系示意圖如圖2.2所示。圖2.2入射到界面上的TE (橫電)波和垂直于入射面的電場矢量圖中，Ei、EEt,分別為入射波、反射波與折射波的電場強度，它們的磁場強度相應為 Hi=Ei/ 1,Ht=Et/中m, %分別為上層和下層介質(zhì)的波抗阻。根據(jù)電磁理論，電磁波在跨越介質(zhì)交界面時，緊靠界面兩側(cè)的電場強度和磁場強度的切向分量分別相等，則有反射系數(shù)及反

15、射信號的大小主要取決于探測界面兩側(cè)介電常數(shù)的差異大小，差值越大，反射信號越強，反映在記錄圖像上異常明顯，清晰度高，反射系數(shù)越小，信噪比低，就不會得到高清晰度圖像。另外，當 1h> 172將獲得與初始相位同相的反射波形，當n1<1 72 ,獲得與初始相位反相位的反射波形。電磁波在部分常見介質(zhì)中的傳播參數(shù)(The propagation parameters of the electromagnetic wave in the medium )1介質(zhì)對介電常1電導率 o- (ms.m -1)波速 v (m.ns-1)1衰減系數(shù) a數(shù)£ r(dB/m)空氣1.000.30蒸儲水

16、800.010.0330海水81300000.011000淡水810.50.0330.1冰3.20.170.01鹽（干）560.0110.130.011砂（干）350.010.150.01砂（濕）20300.110.060.030.3淤泥53011000.071100粘土540210000.061300粉質(zhì)粘土66.60.122石灰?guī)r480.520.120.41花崗巖（干）510-80.150.011花崗巖（濕）710-30.10.011玄武巖（濕）810-20.150.011灰?guī)r1 71090.110.41（干）灰?guī)r（濕）82.5 X10-20.10.41頁巖51511000.091100砂

17、巖（濕）6_-24X 10土壤2.6401.4X10-45X 10-20.130.0952030混凝土6.40.12瀝吉350.120.182.3.2 瞬時振幅、瞬時相位和瞬時頻率瞬時振幅是反射強度的量度，它正比于該時刻地質(zhì)雷達信號總能量的平方根，得用這種特征便于確定特殊巖層的變化。 當?shù)貙哟嬖诿黠@介質(zhì)分層或滑裂帶， 或地下水分界面，瞬時振幅 會產(chǎn)生強烈變化，反映在瞬時振幅剖面圖中就是分界面位置出現(xiàn)明顯振幅變化。瞬時相位是地質(zhì)雷達剖面上同相軸連續(xù)性的量度。無論反射波的能量強弱都能顯示出來。蘭電磁波在各向同性均勻介質(zhì)中傳播時，其相位是連續(xù)的。當電磁波地有異常存在的介質(zhì)中傳播時，其相位將在異常位置

18、發(fā)生顯著變化，在剖面圖中明顯不連續(xù)。因此利用瞬時相位能夠較好的對地下分層和地下異常進行辨別。當瞬時相位圖像剖面中出現(xiàn)相位不連續(xù)時，就可以判斷該處存在分層或異常。瞬時頻率是相位的時間變化率，它反映了組成地層的巖性變化，有助于識別地層，當電磁波通過不同介質(zhì)界面時， 電磁波頻率將發(fā)生明顯變化。這種變化可以在瞬時頻率圖像剖面中較為清晰的顯不出來。因為在這三對于同一反射層，三種瞬時信息同時發(fā)生明顯變化就可能反映地層的物性變化。個參數(shù)中，瞬時相位譜的分辨率最高，而瞬時頻率譜和瞬時相位譜的變化反映較為直觀，所以通常根據(jù)瞬時頻率譜和瞬時相位譜來確定異?；蚍謱拥拇蟾盼恢?，然后然后利用瞬時相位譜精確確定異常位置和

19、分層輪廓線。2.3.3 電磁波在含水介質(zhì)中的傳播特點地球表面大部分無水的物質(zhì)(如干燥的土壤和巖石等)的介電常數(shù)，實部一般介于1.7-6 之間，水的介電常數(shù)一般為81 ，虛部很小，一般可以忽略不計。巖石和土壤的介電常數(shù)與其含水量幾乎呈線形關系增長，且與水的介電常數(shù)特性相同。所以天然材料的電學特性的變化，一般都是由于含水量的變化所致。對于巖石和土壤含水量和介電常數(shù)的關系國內(nèi)外進行了詳細研究 (P.Hoekstra, 1974;J.E.Hipp,1 974;J .L.Davis,1 976;G A.Poe,1 971;J .R.Wang,1 977;E .G. 巧 okue tal ,1 977)。

20、 在實驗室內(nèi)大量測量了不同粒度的土壤一水混合物介電常數(shù)，考慮到束縛水和游離水，提出了經(jīng)驗土壤介電常數(shù)混合模型(J.R.Wang, 1985)。實驗室內(nèi)用開路探頭技術和自由空間天線技術測量干燥巖石的介電常數(shù)(F.TUlaby, 1990) 。國內(nèi)肖金凱等人(1984, 1988)測量了大量的巖石和土壤的介電常數(shù)，王湘云、 郭華東 (1999)研究了三大巖類中所含的礦物對其介電常數(shù)的影響。研究表明，土壤中含水量的變化影響介電常數(shù)的實部，水溶液中含鹽量的變化影響土壤的導電性， 即介電常數(shù)的虛部。水與某些鐵錳化合物具有高的介電常數(shù)，絕大多數(shù)礦物的介電常數(shù)較低，約為4-12 個相對單位，由于主要造巖礦物

21、與水的相對介電常數(shù)存在較大差異，所以， 具有較大孔隙度巖石的介電常數(shù)主要取決于它的含水量，泥巖由于含有大量的弱束縛水，所以其相對介電常數(shù)可高達50-60, 巖石含泥質(zhì)較多時，它們的介電常數(shù)與泥質(zhì)含量有明顯的關系，很多火成巖的孔隙度只有千分之幾，其相對介電常數(shù)主要取決于造巖礦物，一般變化范圍為6-12，水的介電常數(shù)與其礦化度的關系較弱，與此相應，巖石孔隙中所含水的礦化度同樣對其介電常數(shù)不應有大的影響，水的礦化度的增大只導致巖石介電常數(shù)的少許增加。2.4 工程實例一、西部某水電站引水隧洞地質(zhì)雷達超前預報探測成果圖2.3為雷達探測成果圖。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：探測深度05m段為相對低幅反射波組，局部存在強反射

22、同相軸，516m段存在多組規(guī)律性較強的水平強反射波同相軸，反映該段存在物性差異很大的界面, 圍巖變差。判斷為斷層及斷層影響帶，帶內(nèi)地下水含量豐富，將存在涌水現(xiàn)象，圍巖破碎。經(jīng)工程開挖驗證,該段確為一富水帶。圖 2.3 雷達圖像1二、西部某超長深埋隧洞地質(zhì)雷達超前預報探測成果圖2.4為洞內(nèi)一地質(zhì)雷達探測圖像，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：探測深度08m段圖像色彩（能量團）分布均勻，電磁波能量衰減慢且規(guī)律性較強,形成低幅反射波組,波形均勻,無雜亂反射，反映該段介質(zhì)相對均一故巖石較完整。815m段電磁波能量成規(guī)律性衰減，振幅增高，波形基本均一。預測在前方815m存在較大含水構造。后在工程開挖中揭露出這一含水構造，發(fā)生較大涌水，測定流量為1.26m3/s。圖 2.4 雷達圖像2圖 2.5 雷達圖像3圖2.5為