RAMAC探地雷达在隧道超前地质预报中的应用.doc

RAMAC探地雷达在隧道超前地质预报中的应用RAMAC探地雷达在隧道超前地质预报中的应用收稿日期:作者简介: 曾雄鹰 (湖南联智桥隧技术有限公司)摘 要 探地雷达作为一种宽频带、短脉冲的高频电磁波探测技术，是隧道工程短期超前地质预报的重要手段之一，文章介绍了探地雷达的工作原理及各项探测技术参数的确定原则，并以郴宁高速公路某岩溶隧道为例，采用瑞典 MALA 公司的RAMAC/GPR通用型主机CU，并结合岩溶地区隧道地质条件，采用点扫描模式进行信号采集，对该采集数据进行了一系列处理，给出溶洞、节理裂隙和富水带等几种不良地质体的典型实例，简要研究了其雷达反射波的频谱特征，并总结了其异常特征，为隧道工程的安全施工提供了依据，同时也为探地雷达在隧道短期超前地质预报中的应用积累了经验。关键词 探地雷达；超前预报；隧道工程；岩溶地区 隧道超前地质预报是隧道前期施工必须进行的重要环节，尤其是在岩溶地区进行短期超前预报，对溶洞、富水带、破碎带、断层和瓦斯等不良地质体及时准确的预报，不仅提高了隧道施工效率、节约了成本，而且确保了施工的安全1。目前常用的超前地质预报方法有工程地质调查与推断法，超前钻探法，地震多波多分量反射法（Tunnel Seismic Predication），地震层析法（TRT），探地雷达法（Ground Penetrating Radar）等24，而探地雷达因其成本低、简捷高效、准确度高、无损性、可跟踪施工全过程等诸多优点，在隧道短期超前地质预报领域备受推广56。1 基本原理探地雷达7是根据高频脉冲电磁波在地下介质中的传播特性，利用介质之间不同介电特性的反射及绕射等波动规律，来探测地下构造和特性的地球物理方法，其探测过程是，雷达子波以宽频带短脉冲形式通过发射天线不断地向地下介质发射的过程，雷达子波即高频电磁波，它遇到电性差异的地下地层或目标体便反射回地面，由接收天线接收（图1）。图1 探地雷达工作原理图在各向同性的均匀介质中，电磁波以固定的速度传播，当遇到有电性差异的地层或目标体，尤其是介电常数差异的介质界面时，如溶洞、富水带、断层、破碎带等，高频电磁波发生反射，返回到地面或探测点，被接收机接收并由主机记录，得到探地雷达的脉冲波双程旅行时： （1）式中为天线收发距，为高频电磁波在介质中的传播速度，可采用宽角法直接测量，也可以根据公式近似求取： （2）式中为光速，为岩体的相对介电常数，可以利用经验数据或实测获得。2 参数选择探测参数选择合适与否关系到探测效果，探测参数包括天线中心频率、时窗、采样率、测点点距与发射、接收天线间距、天线方向的取向等，在隧道超前地质预报探测中，应根据现场工程地质条件进行动态设置。2.1 天线中心频率天线中心频率的选择需考虑三个主要因素，即设计的空间分辨率、杂波的干扰和探测深度，一般来说，在满足分辨率且场地条件可行时，应该尽量使用中心频率较低的天线，可参照下式初步选定：(MHz) (3)式中为要求的空间分辨率，为隧道围岩的相对介电常数。2.2 采样时窗探地雷达采样时窗是指数据采集开始到数据结束之间的时窗长度，它决定雷达系统对反射回来的雷达波信号取样的最大时间范围，直观地说，就是决定雷达的探测深度。雷达探测越深，其选用的时窗宽度应越长，探测越浅，则选用的时窗宽度越短，时窗主要取决于最大探测深度与地层电磁波速度，数据采集时所开的时窗可由下式估算： (4)上式中为雷达波波速，为探测的最大深度，时窗增大30%是为介质内实际速度与目标深度的变化所留出的余量。2.3 采样率采样率是记录的反射波采样点之间的时间间隔，对瑞典RAMAC地质雷达来说，频带宽大致等于中心频率，即最高频率约为中心频率的1.5倍，按Nyquist采样定律，采样速率至少要达到天线中心频率的3倍，为使记录波形更完整，Annan建议采样率为天线中心频率的6倍，当天线中心频率为(单位：MHz)，则采样率为 (5)3 工程实例羊角脑隧道为郴宁高速公路主要工程，隧道区内地层由上至下为第四系更新统亚粘土、碎石土、角砾土等和石炭系的白云质灰岩、灰岩等及泥盆系的砂质板岩、细粒石英砂岩、灰岩等，地下水主要为松散层类孔隙水、基岩类节理裂隙溶洞水两大类，该隧道左洞长2930m，第四系覆盖层厚度在022.8m之间，ZK151+147至ZK151+200段为亚粘土、强风化砂质板岩，其余为白云质灰岩、灰岩等，右洞长2870m，覆盖层厚度020m之间，YK151+134YK151+205为亚粘土，强风化砂岩、灰岩，其余为白云质灰岩、灰岩等。采用瑞典 MALA 地质雷达 (RAMAC/GPR)进行探测，主机为CU，采用的主要技术参数为：(1)50MHz非屏蔽天线，天线间距1.0m；(2)100MHz屏蔽天线，天线间距 0.5 m，记录时间、叠加次数和采样率根据天线中心频率选取，并根据隧道工程实际地质条件做动态调整，主要采用点测方式探测，条件允许时辅以连续扫描模式进行对比检验。下面以该隧道不同施工段的雷达数据为例，从雷达图像的波形特征、频率、振幅、相位以及电磁波能量吸收情况等方面来对分析和总结几种典型不良地质体的雷达图像特征。3.1 溶洞的雷达图像图2 溶洞的探地雷达图像当有岩溶发育时，反射波波幅和反射波频谱会随溶洞或填充物形态在横向上呈现出明显变化，溶洞实际上是被溶洞侧壁的强反射所包围的弱反射空间，即分界面上的反射是强反射，且存在弧形绕射现象，其雷达图像形态特征主要取决于溶洞的大小、形状以及填充物的电性参数，溶洞内的反射波多为弱反射，表现形式为低幅、高频、波型细密，若溶洞中充填风化碎石或有水时，局部雷达反射波可变强，且电磁波能量迅速衰减，高频部分被吸收，反射的多为低频波，如图2所示，雷达图像在1517米处出现强反射，且雷达反射波同相轴出现弧形异常，继续往深部波幅减小，频率以高频为主，异常区孤立，结合羊角脑隧道所处白云质灰岩的具体地质情况，初步推断图示中1520米范围内岩溶发育，局部有溶洞，无水、或少量充填杂质，后经证实后经证实,掌子面前方为一充填少量粘土的溶洞。3.2 节理裂隙的雷达图像图3 节理裂隙的探地雷达图像节理裂隙带通常存在于断层影响带以及软弱夹层内，裂隙内通常存在各种不同的非均匀充填物，其介电常数差异较大，且有较明显的强反射界面，节理裂隙带的地质雷达图像和波形特征通常表现为反射面附近，波幅显著增强且变化较大，能量堆分布极不均匀，节理面上雷达波连续无杂波，破碎带和裂隙带内则常产生绕射、散射，波形杂乱，同相轴错断，在深部甚至模糊不清，电磁波能量高频部分衰减较快，而反射波同相轴的连线则为节理裂隙带或破碎带的位置，如图3所示，在2325之间出现自左向右能量较强、且连续可追踪的雷达反射波同相轴，以高频为主，波幅较强，其中深部的高频反射区波宽略加大，局部存在极性反转现象，推测该段存在一组发育的节理裂隙带，且局部有裂缝，后经开挖证实，2526米间有一条与隧道中心线正交的压性节理面，且贯穿整个隧道断面，预报结果与实际情况吻合。3.3 富水带的雷达图像图4 富水带的探地雷达图像地下富水带常存在于岩溶发育带及节理裂隙的密集带之中，围岩的含水程度主要受不良地质体的构造控制，雷达波在含水层表面发生强振幅反射，电磁波穿透含水界面时会产生较强的多次强反射，同时局部会出现节理裂隙的连续同相轴反射现象，这是因为岩体含水界面通常分布连续，相当于连通的界面所致，导致形成波形相对较均一的同相轴，并在富水区域内，绕射、散射现象严重，能量堆分布极不均匀，电磁波能量快速严重衰减，并影响对富水带内及更深范围岩体的探测，电磁波频率由高频向低频剧烈变化，脉冲周期明显增大，波宽也逐渐增大，同时因介电常数差异明显会存在严重的极性反转现象，如图4所示，掌子面左侧前方710米位置，雷达波频率陡增，反射同相轴连续，推断节理裂隙较发育，再往深部出现频段散乱及微弱的极性反转现象，继续往深部1320米范围内，极性反转现象严重，电磁波紊乱异常，波宽明显增大，且雷达波高频衰减非常严重，判断该范围内围岩局部有裂隙，且为裂隙水的富水区。4 结论将RAMAC探地雷达应用于羊角脑隧道短期超前预报探测中，对出现的几类典型不良地质体的雷达反射波频谱特征进行分析和总结，在外界干扰（施工台车、电缆等）较小时，能够有效的探明不良地质体的分布、规模，进而实现围岩类别的动态划分，取得了较好的效果，提高了施工效率，为施工方案的变更提供了依据，实践证明，该探地雷达短期预报方法如结合区域地质情况及其他地球物理方法，在预报的准确度和可靠度上可以更好地规避解释的多解性，提高预报的准确性。参考文献 (References):1 李晓红.隧道新奥法及其量测技术M北京:科学出版社,2002. 2 何发亮,李苍松. 隧道施工期地质超前预报技术的发展J.现代隧道技术, 2001, 38(03):1216.3 张志龙等.公路隧道施工超前地质预报技术方法研究现状综述J 公路交通科技,2005,22 (9) :126-128