隧道施工地质灾害隐患的探查、预报新技术及集成系统(168页)

1、将隐患变成明示 将危险消灭在出现之前 隧道及地下工程的施工中地质灾害隐患的 探查、预报新技术及集成系统 不仅要做抢险救险的英雄，更要做警示、避险的保障者 钟世航 中国铁道科学研究院 山东大学 北京水工资环新技术开发有限公司 近几年，每年完成的以铁路、公路隧道达1000km以上，还有大量的水工隧洞、地铁、大型地下工程，还有更大量的煤矿、固体矿产的巷道和采区，许多工程都在地质情况复杂的地区，目前的安全形势严峻。对隧道施工地质预报提出越来越高的要求。 物探工作者和地质工作者义不容辞地要迎着困难上，要做安全的“守护神”。 隧道施工中遇到可能造成地质灾害的不良地质体，主要包括断层、破碎带及破碎岩体、某些

2、强风化岩脉、溶洞、溶管、涌水、涌泥等，还有岩爆等，作者这里只介绍与坍方、涌水、涌泥有关的预报。岩爆等或许明年会议涉及。 位于巫奉高速公路的桃树垭隧道，在ZK38+249前后发生坍方，坍方落物为大块的岩石。经调查和分析，这是原来未发现的断层造成的。一处坍方，坍深约3.5m 图中G为钢质拱架 W为地下水 K为坍体中未填实的空洞隧道坍方至地面产生的塌陷洞锦屏二级电站辅助洞涌水园梁山隧道突泥被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的电瓶车被3#溶洞爆喷突泥所掩埋的梭矿2#溶洞突水洞口2#溶洞突水洞内2#溶洞充填物锦屏二级电站辅助洞AK10+7AK10+750涌泥、涌水 历史： 上世纪70年代起，陆续有零星的试验工作

3、上世纪80年代初，我国铁道科学研究院围绕大瑶山隧道提出科研课题未受重视，科研项目流产，大瑶山隧道突水淹没隧道和竖井， 80年代中期，大秦铁路隧道“处处冒烟”告急，铁道科学研究院于1986年在南岭隧道开始试验，1987年再次提出系统研究用物探技术作隧道施工时掌子面前方不良地质预报的可行性研究报告，1988年第1次讨论性评审，1989年作为部列可行性研究项目，1990年可行性研究通过部组织的评审，“隧道施工时掌子面前方不良地质预报”列为不重点科研项目。 1991年-1995年铁道部组织了11个单位、设了6个子课题，经过5年的攻关，采取了近乎苛刻的管理方法设定了两个阶段，每阶段定了“评考”的工程.经

4、过3个阶段，3次每次3天的专家评审，最终选定地震反射负视速度法（后又称隧道VSP）和陆地声纳作为主要方法，探地雷达等作为辅助方法。第2阶段由负视速度法和陆地声纳法各为龙头，分成两组。对南昆铁路隧道作实测预报，前者以断层预报为主，后者以断层和溶洞预报为主，均取得了全部预报成功，项目获南昆线一等奖。攻关成果1995年通过铁道部鉴定。 90年代中，水利水电部门用探地雷达进行了掌子面前方地质预报。 90年代中，瑞士Amberg公司推出TSP，其原理与负视速度法相同，但采用一点接收，多点放炮激震的方式。1996年日本研究并推出HSP，一点或几个炮点激震多点接收的方式，强调物探概念和地质。 当时由于技术能

5、力、经费、工程问题和试验工程选择困难的原因，未将水的探查预报作为主要研究内容。 2000年后交通、能源基本建设大量投资，大量工程建在中、西部，地质复杂，岩溶、突水突泥问题严重。“隧道施工时掌子面前方不良地质预报”问题再次引起关注。我国一些有前瞻能力的物探工作者，在浓厚的盲目宠洋的气氛中，以真正解决工程问题为目标在经费困难的情况下再次投入研究。钟世航开始研究推广用探地雷达在应急的探水手段，并将陆地声纳的方法和仪器研究、发展上一个台阶；2003年，李貅和钟世航开始研究用瞬变电磁法作为主要的探水手段；2005年赵永贵引进和试验美国TRT法 2005年12月国家自然科学基金重点项目“高压大流量岩溶裂隙

6、水与不良地质情况超前预报和治理”课题开题。超前预报部分物探技术以重点研究开发陆地声纳法、瞬变电磁法和探地雷达为主； 2007年6月，国家高技术研究发展计划（863计划）的重大交通基础设施核心技术“隧道施工期大涌水等地质灾害超前实时预报系统与装备”完成招标审查，课题物探部分为陆地声纳法、瞬变电磁法和复合激发极化法； 2007年8月，国家自然科学基金装备专项的“复合激发极化法仪器和设备研究”通过立项评审。 以下的介绍将围绕上述课题的技术方法。 对物探预报手段的要求（1）综合物探要达到的目标： 应当基本不遗漏掌子面前方及周边至少1/2隧道跨度范围内的重大隐患，包括断层、破碎带、强风化岩脉、溶洞、溶管

7、、暗河、溶槽溶沟、大中涌水体等； 预报的地质体空间定位要有足够的精度，误差应 5%； 要能对涌水量作出定量或半定量的估算。因为施工需对于小、中、大涌水分别制定引排或超前注浆堵水等方案，确定是否作水平钻孔及其它措施; 要能预报岩体的破碎或完好情况。若围岩情况将有突变，施工方要作好施工措施变更预案，设计方也要作设计的变更，地质预报应从资料方面给于必要的支援； 要适应TBM（全断面掘进机）和钻爆法的施工，TBM长达几十米，机械占据了几十米长的全部隧道空间，预报手段要适应其工作方式。 要少占用开挖时间，少干扰施工。隧道施工讲求施工速度，通常，单线铁路隧道月开挖可达200250m，双车道公路隧道月开挖可

8、达100150m，过多地占用开挖时间，过多地干扰施工，将会影响施工方与预报方的配合。对每一种物探方法的要求 要有特长，在综合物探系统中要能独挡一面，例如弹性波类方法主要要探查断层、破碎带、溶洞等，并能准确定位，能对岩体破碎和完整程度给于一定判定；电磁类方法主要探查含水层；激发极化类方法要能区分含水泥砂、淤泥或自由流动的水，并判定涌水量。 要探查一定远的距离，与开挖速度相适应。一般来讲，主力方法应能探查200m左右,预报100m以上;预报特定目标的方法，也应当探查50m以远。 要能较准确地作被探查地质体的空间定位。 现场采集时间短，停止掌子面施工工作不超过1小时，对边墙施工干扰不超过2小时。目前

9、，弹性波反射系列的方法，已投入应用的如地震反射负视速度法（隧道VSP）、陆地声纳法（极小偏移距超宽频带弹性波反射单道连续剖面）、水平声波法、TSP、日本HSP、美国提出的TRT等。它们都要在隧道中钻孔设检波器和用炸药爆炸激振。探地雷达也是目前使用较多的方法。 隧道VSP、HSP等工作原理示意图 钻孔装药起爆采集 TSP预报全过程 但是隧道和地铁施工的进度和技术要求预报的精度要提高，要求探查溶洞、暗河，并要求对大涌水和涌泥要做出预报。 各种反射法实测得的是反射波的走时和反射波的时间曲线.为确定反射面的距离,需知道弹性波的波速V，然后按公式 L=Vt/2 计算距离。其中 L为反射点的距离 t为测得

10、的反射波的走时 设法测量各层波速，是要研究攻克的课题。同时，所测的反射面是与弹性波射线垂直的面，而不是掌子面正前方的面，需要通过作图将所测面延伸到隧道掌子面前方。探测距离越远，误差越大，干扰越多，错误率越高。3种方法的集成目标不漏掉一个重大的地质隐患集成的方法：1. 陆地声纳法：120-150m以远的断层、破碎带、溶洞、暗河的探查、预报并对他们的空间位置作较准确的定位；判断较大出水点；2. 瞬变电磁法：80m左右远含水体的探查预报；3. 复合式激发极化法：约50m左右远，区分自由水和束缚水，涌水量分级；2012年国家科技进步二等奖陆地声纳法，这是有我国完全自主知识产权的技术和仪器、设备 陆地声

11、纳法工作示意图 陆地声纳法是“陆上极小偏移距超宽带弹性波反射超短余震接收系统单点连续剖面法”的简称。是弹性波反射法的新方法，吸收了水声法、探地雷达、超声波法的某些特点并采用了许多其他学科的技术，而形成了一个新品种。不需打孔、不需放炮，安全简便。 1 在隧道掌子面上设测量剖面，剖面上每30cm左右设一测点，用锤击方式激发弹性波，在激震点旁设检波器接收被测物体的反射波，检波器用凡士林与岩面耦合。然后将各测点的时间曲线拼成时间剖面，根据同相轴和频谱解释圈定断层、大节理、岩层分界面、岩脉、涌水层、溶洞等不良地质体，为确定反射体的空间位置，通常布置水平和铅垂的两条测线; 2 用锤激震源以及检波器和仪器结

12、合，可激发和接收从10Hz4000Hz的波，然后可通过分窗口带通滤波提取不同频段的反射波，高频段的反射波可反映薄层和大节理等和小溶洞，低频段的反射波可反映较大的断层、较厚的岩脉、岩层和大溶洞，通过不同频段反射的图象对比，可以分辨不同的不良地质体；3 作为极小震-检距的方法，反射波是续至波，故可避开直达波、声波、面波的干扰，而且不仅可探查断层等近似平面型的物体，还可探查溶洞等有限大小地质体；由于全信息的采集，还可根据频谱测出断层影响破碎带的范围。 弹性波类方法有较高的定位定量精度，波速可以和岩体完整程度和密度相联系，探测距离较长。但反射类方法波的反射点，通常都不在掌子面正前方，作时深转化后得到的

13、是测点到反射面的距离，要作偏移，才能准确确定反射体的空间位置。目前的问题是，如何提高定位精度。 陆地声纳法,将边墙测波速的小折射波测点改成几个零震-检距的测点，即可和掌子面上原布置的水平和铅垂向剖面上的测点结合,根据测得的反射时通过迭代求出各层波速，或通过3维建模计算解算出波速及各反射面空间参数。 陆地声纳法在掌子面上布置水平和铅垂向测线各一条，作反射面的空间定位：水平向的剖面可反映反射面和水平测线的夹角，可计算其走向铅垂向剖面可反映反射面的倾向、倾角陆地声纳法的上述的这些特点，带来以下优点： （1）近零震一检距的方法，反射波是最后到达的波，用此可以避开直达波 、声波、面波的干扰。（2）入射波

14、的反射角近于零，没有转换波，测得的反射波效率高。（3）采用分窗口带通滤波技术提取不同频段的波，因此可避免测线附近人行、车行及其他机械的干扰，可以在闹市区作正常数据采集。（4）显示方式更便于利用反射波的相位和振幅特征。（5）不必固着检波器，现场采集工作效率高。 优点在浅层勘探的时候，可避开直达波、面波、折射波的干扰 1920年，弹性波反射方法出现时的理论基础是自激自收（左图），但为勘探石油，采用爆炸震源，而发展成一点激发，多点接收的方法（右图）。更接近基本理论自激自收得到垂直反射面反射波，转换波能量最小，接收到的波最单纯，干扰小 一点激发，多点接收采用叠前偏移、水平叠加等办法，使结果尽量接近自激

15、自收效果优点 传统的地震勘探使用的频率均低于250 Hz,为提高分辨率，国内外均在努力扩展频率范围。本项目采用不同于传统检波器的思路，实现了超宽频带高灵敏度检波器，仪器主机则实现了采样率高，采样长度长的专用仪器。 超宽频带高灵敏检波器，而且在有效工作频率内，均衡稳定的响应各频率的振动信号。检波器检波器特性曲线山东省电子产品监督检验所产品质量检测实测资料振幅谱 本项目采用新的构思用锤击型震源激发高宽频 实测激震频谱 柠条塔矿地面探查超过175-200m深反射波频谱 陆地声纳专用仪器从1991年至2010年经过了四代更新，2006年选用A770军用加固型笔记本计算机作为主工控机，接插名牌数据采集卡

16、（工业级）加信号调理前置板组成，型号LDS-3、 LDS-4。研制的系列仪器和专业设备均为轻巧的便携式，具有超强防尘、防水、抗震的性能，提高野外工作效率。二、主要科技创新第三代第四代复杂介质中传播规律正演数值模拟模型数值模拟图像模型数值模拟图像模型数值模拟图像模型数值模拟图像模型数值模拟图像应用实例潭峪沟隧道断层破碎带的掌子面前方预报德胜口隧道 ZK34+448掌子面陆地声纳时间剖面隧道开挖出露的交叉裂隙和溶隙德胜口隧道 ZK35+933掌子面陆地声纳时间剖面 2009年2月18日，德胜口隧道左洞ZK34+710+716，施工队未做初喷，在架设钢拱架时落石造成1死3伤。此处为交叉小断层处，20

17、08年12月29日预报100米外的ZK34+713前后有交叉断层，并特别提醒+710前后应特别注意。工程处理讨论会上，业主方负责人强调，预报已特别指明了此处是危险位置，今后施工方应认真对待预报报告。 德胜口隧道右洞2008年11月30日预报约160米外的YK34+797前后2条交叉的小断层是注意重点。施工队未按预报建议在此处特别加强初期支护，而安排5、6个工人架设钢拱架。由于作者正要做掌子面前方地质预报，要求拱架架设工作暂停，并为了预报人员的安全，把全断面施工钢台架推顶至掌子面。台架刚就位，即发生落石，2处坍落面积均约2平方米，落石被钢架上的钢丝网阻挡，撤出了施工民工，幸未造成大事故。北京六环

18、线卧龙岗隧道 隧道穿过千枚岩，为双洞平行浅埋公路隧道，穿过千枚岩，施工时几百米两个隧道竟坍方4次，3次坍顶通到地面；为此付出的工程治理费用约4000万元。后采用陆地声纳法做地质预报，除准确确定较大断层外，查出并确定许多与较大断层相交的小断层，他们和较大断层的组合是造成坍方的地质因素。经6方会议（业主、设计、勘查、施工、监理、预报）会商，根据预报提出的施工措施修改了施工组织设计、施工办法，此后的剩余一半长度施工未再出现坍方。卧龙岗隧道东洞预报结果坍方位置探查预报发现，坍方是与较大的断层和密集的相交小断层的组合造成的。地质勘查发现了较大断层，原做的隧道施工地质预报未能发现并确定这些密集的小断层，致

19、使施工处理不到位。新的预报后，采用了预报单位的地质结论和资料，并接受了预报单位提出的开挖、支护措施，以后施工安全顺利进行。现已通车。锦屏二级电站引水洞的预报锦屏二级电站2#引水洞K13+186预报及开挖后实测反馈陆地声纳法探查溶洞 陆地声纳使用的宽高频带，对溶洞的反映很突出，直径 m 的溶洞，凹凸不平的大溶洞和暗河壁反射波的优势频段为1000Hz000Hz ，正是陆地声纳的最佳工作频段。南昆铁路羊寨基岩出露测区岩溶探查 （0-100m) 南昆铁路铝厂隧道出口端断层、溶洞等不良地质预报沪蓉西高速公路齐岳山隧道左洞暗河和溶洞预报暗河前壁 误差2-3m 溶洞位置吻合齐岳山隧道进口右洞ZK326+25

20、0前后右墙角爆破揭露的暗河一角 反映暗河的频谱 反映暗河和溶洞时的频谱岩溶裂隙水的大涌水，许多与中小溶洞、溶隙、溶管有关，它们可以形成集水的小室，导引地下水经过它顺某组张性裂隙或形成溶管涌出，锦屏即为一例。因此探查中小溶洞、溶隙、溶管是预报涌水的重要内容之一。锦屏二级电站辅助洞出口A洞A13+585向进口方向探查（A、B洞已开挖出水点位置已知）导水岩溶裂隙及导水的小溶洞、溶隙的探查某 测 点 的 频 谱 分 析 曲 线（溶洞和溶隙最佳反射频率10003000Hz)LDS-3 (2007年产)大峪子隧道用激震枪在掌子面激震激震枪发明专利受理通知书超磁致伸缩激振器，用蓄电池供电发明和实用新型专利1

21、0项计算机软件著作权10项 已授权发明专利7项，计算机版权10项，实用新型专利6项。已进入实审的发明专利4项已列入国家行业标准3部仪器设备质检报告已列入3部国家行业标准，发表相关论文60余篇科学技术成果鉴定意见： 中国岩石力学与工程学会组织的技术成果鉴定，有包括5位院士的鉴定委员签章的鉴定意见指出：解决了下列难题 单点自激自收类型方法现场实测各层波速的难题； 在隧道施工地质预报中可分辨相互交叉的裂隙和断层，给出其产状并对它们作空间定位，实现了隧道工程施工中的中、小断层、交叉断层、中、小溶洞的地质隐患小尺度精细探查的要求； 实现了浅层工程地质勘探中高分辨率探查和城市和隧道现场常规干扰情况下的有效

22、探查；适应在山区地形起伏影响条件下的工作，地形影响小；在目前工程地质探测方法是重要的突破。 突破了目前国内外在工程地质探测技术领域无法获取250Hz以上的国际性、历史性难题。 科学技术成果鉴定意见： 形成了从基本理论、技术方法、仪器设备、数据采集、资料处理软件以及工作方法及操作规程等全套技术。 获得了多项革命性的技术创造，实现了精细探查、精细定位的理想要求；技术成果具有原创性 在隧道施工中探查断层破碎带、溶洞等方面以及在城市、地面浅层勘查方面达到国际领先水平。科学技术成果鉴定意见中国岩石力学与工程学会2012年发明奖一等奖瞬变电磁法探水的主要方法，目标前方m瞬变电磁法探查掌子面前方水层原理示意

23、图 瞬变电磁法是通过掌子面前的一个大线圈产生电磁波，含水层受此电磁波感应产生感应涡流，感应涡流产生感应电磁场，在掌子面上的探头接收，在剖面图上呈现低电阻反映。 工作：隧道中维空间的正演及反演研究仪器及发射系统改进现场试验干扰因素的研究1 理论研究1）等效导电平面成像方法研究2）数值模拟计算 3）适合隧道超前地质预报的瞬变电磁工作方法技术研究 4）隧道影响校正方法 5）现场实测试验1）等效导电平面成像方法研究 由于隧道内的全空间的环境不同于地面的半空间情况，因此隧道中的探测方法不能照搬地面方法，必须采用全空间条件下的理论和方法。目前在瞬变电磁法中，等效导电平面法是建立在全空间理论基础上的。另外，

24、视纵向电导对低阻导电薄层反应灵敏，有利于探测低阻充水断层。因此，本文将等效导电平面法引入到隧道的超前预报探测中。 等效导电平面解释法是根据视纵向电导曲线的特征值直观地划分地层的一种近似解释方法，因此又称“视纵向电导解释法”。由于该方法可以形象地理解为：随着t的增减，等效导电平面以1/0速度上下“浮动”，故又称为“浮动薄板解释法”。设在隧道掌子面上有圆形回线，其中通以阶跃电流，并在t=0时刻断开电源： 则在t0 时，掌子面前方产生涡旋电流，在地表任一点便可观测到由此涡流产生的电磁场。根据电磁理论，可用一导电平面来代替掌子面前方均匀介质，然后用镜像法可发方便地求出空间任一点的感应电磁场。 设A为一

25、完全导电平面，面电导率为，其上方高处有一半径为的圆形回线，其中电流强度为。当电源断开时，由于电磁感应，导电板A上产生涡流，为求出涡流产生的电磁场，在A前方处，置一虚源代替导电平面板中的涡流，因此只需求出虚源在空间任一点产生的电磁场即可。根据电磁场理论，引入矢势 ，则导电板内任一点的电磁强度为 则在t0 时，掌子面前方产生涡旋电流，在地表任一点便可观测到由此涡流产生的电磁场。根据电磁理论，可用一导电平面来代替掌子面前方均匀介质，然后用镜像法可发方便地求出空间任一点的感应电磁场。 设A为一完全导电平面，面电导率为，其上方高处有一半径为的圆形回线，其中电流强度为。当电源断开时，由于电磁感应，导电板A

26、上产生涡流，为求出涡流产生的电磁场，在A前方处，置一虚源代替导电平面板中的涡流，因此只需求出虚源在空间任一点产生的电磁场即可。 得在层状介质情况下，推出视纵向电导和视深度，其中为实测值， ， ，为发射回线半径，为发射电流。于是引入辅助函数 （1）又有 可得 （2） 值提取可由(1)式和（2）式构成的目标函数取极小求得最优解来获取。 综上所示，求取视纵向电导曲线的具体步骤为：(1)首先求得 实测曲线和它的时间导数曲线 ；(2)把 和 代入(1)式，求得辅助函数 ；(3)再由 值计算对应的值 ；(4)由 求得 ，再代入视纵向电导的表达式，求得 的值。(5)对于一系列 值，再利用视深度的表达式便可得

27、到 曲线。(6)进行微分成像，即求 曲线的二次导数曲线 ，画出该曲线与视深度的变化规律。由于 曲线对视深度的高灵敏性，它可在较早的时间范围内，以较高的灵敏度和信噪比将电性分界面分辨得很详细，而且深层位电性特征也能在晚期部分得到反映。长凼子隧道瞬变电磁法探水锦屏二级电站辅助洞 表5. 2瞬变电磁超前地质预报效果统计表 测线位置 TEM推断结果 开挖结果A洞掌子面AK11+843 AK11+822，充水裂隙 AK11+820，充水裂隙 AK11+812，充水裂隙 AK11+810，充水裂隙 AK11+806，充水裂隙 AK11+805，充水裂隙 AK11+793，充水裂隙 AK11+790，充水裂

28、隙A洞掌子面AK11+447 AK11+442，充水裂隙 AK11+445，充水裂隙A洞掌子面（里程AK11+843）视电阻率断面等值线图 视纵向电导微分成像图视电阻率异常三维体成像图探地雷达探地雷达是目前隧道地质预报探水的最主要手段。1 探地雷达探水的优势探地雷达是用发射天线向岩体发射有一定宽度的高频电磁波，岩体中的介质因介电常数的不同而反射雷达波被接收天线接收。介电常数差是雷达工作的基础。空气的介电常数为1，岩石的介电常数为420，水的介电常数为81，水的电导率远高于灰岩、砂岩等岩石，因而探地雷达对水有特别的敏感性。但是至今未有人从理论上作系统研究，在隧道地质预报实践中大部分工作者未能成功

29、应用。因此解决有关理论和实践问题列为本课题的任务之一。经过理论推导得到以下结论：判水原则雷达波对水和含水率高的介质的反射强烈，反射波强度大；雷达波从其它介质到含水层界面的反射波相位与入射波相反;雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，反射波的优势频率降低.（1）雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，反射波的优势频率降低。电磁场由麦克斯韦方程来描述并包括电荷守衡方程以及场量与介质关系的本构方程 H =J D/ t 和 J = - / t E = - B/ t D = E B = 0 B = H D = 0 J = e E J 其中 为介质的介电常数 为介质的导磁率 e 为介质的电导率若介质为均匀、线性

30、、各向同性，则 H = （e + j）E = j(- je/) E = jE 电场和磁场满足波动方程 2 E（r）+ k2 E（r） = 0因此，无界均匀有耗介质中的电磁波的电场表达式为 E（r）= E0 e - j K r 其中 K = - j 为衰减系数 为相位常数若假设介质介电常数和电导率均为实数 则 =()1/2 1+（e/）21/2 -1 /2 1/2 =()1/2 1+（e/）21/2 +1 /2 1/2 当e/ 1 ， 即电导率e很大时 （ e ）1/2 /2 衰减系数与e 及频率 f 成正相关，频率高的成分衰减系数大； 可见，雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，反射波的优势频率

31、降低。 （2）雷达波对水和含水率高的介质的反射强烈，反射波强度大有耗媒质中 = -2+422+2221/2 1/2 /2 = （0）1/2r2+ （600）1/2/2 其中0为雷达波在空气中的波长, 0= c/f =2c/ c为雷达波在空气中的波速，等于光速。 波阻抗 Zc =(/K)1/2 =/0(r-j600）1/21/2在弱耗媒质中（r 600） =（0）1/2 (300/r）1/2 入射波的电场Ei = E0ie j ( t k r) 反射波的电场Er = E0re j ( t k r) 雷达波是横波，垂直入射到反射面 ki r = kr r Ei ki =0 Er kr =0 ZC1

32、/ZC2 =n2/n1 其中n1=（1）1/2 n2=（2）1/2入射波与反射波的电场之比 Ei /Er = (Zc2Zc1)/ (Zc2 Zc1) =（n1n2）/（n1n2） 设功率反射系数R = ( Ei /Er )2 对高电阻介质,在从介电常数为1的介质向介电常数为2的介质垂直入射情况下,因r 600， R = （11/2 21/2）/ （11/221/2） 即：介电常数差别越大, 反射系数越大,反射波强度越大, 水的介电常数远大与岩石,因此雷达波的反射强烈。对高电导率(低电阻率)介质, r1 R = （n1n2）2n22/（n1n2）2n22 =1+(1- n1/n2)2/ 1+(1

33、+ n1/n2)2 若n1 n2则 R 2- 2（n1/n2)/ 2+2(n1/n2) 1-2（n1/n2) 即电导率差别越大, 反射系数越大,反射波强度越大，约接近1。水的电导率远大与岩石,因此雷达波的反射强烈。（3）雷达波从其它介质到含水层界面的反射波相位与入射波相反 实际上，从Ei /Er =（n1n2）/（n1n2） = (Zc2Zc1)/ (Zc2 Zc1) 即可看出，当波从高阻抗向低阻抗入射时，Zc2 Zc1， Ei与Er 正负符号相同; 而反射波Ei与入射波Er方向相反，因此二者的相位必相反。所以反射波电场Er 与入射波电场Ei 间有1800的相位差。这些是含水层反射雷达波的重要

34、正演概念，是分析和解释含水层反射信号的基本原则。锦屏二级电站辅助洞已知条件下的实测实验频谱分析曲线锦屏二级电站辅助洞出口段A洞选择有裂隙水的边墙作探查，岩溶裂隙水有明显的反映，主要依据是强反射和反射波正半周在前，与雷达入射子波负半周在前相反。AK12+900前后左边墙雷达探水时间剖面AK11+447掌子面雷达探水时间剖面（经开挖证实）例北京地铁鸟巢段掌子面前方含水砂层的探查。 含水砂层易导致开挖时的坍垮。由于雷达发射子波是负半周在前，故含水砂层的强反射波反相以后为正半周在前。预报距离约15m。预报结果经开挖证实。瞬变电磁法与陆地声纳综合探查陆地声纳与探地雷达组合探查预报小溶洞、溶隙及出水位置区

35、分束缚水和自由水的复合式激发极化法国家 863项目和自然科学基金装备专项支持这是用于隧道掌子面前方含水体水量预测的方法二电流激发极化半衰时差值法之中（简称半衰时差值法）。该方法以定电源三极法或二极法为测量装置，向地下供入大小两种电流，将大电流作用下的二次场半衰时减去小电流作用下的二次场半衰时得到的差值，即半衰时之差。绘制半衰时差随AM的变化曲线。含束缚水或者不含水的地质体，半衰时之差应为负值或零；自由水含水体半衰时之差应为正值，且水量与半衰时之差与横轴的包络线面积呈正相关关系。激发极化法应用于过探查地下水已有30年，但他只能根据极化率来判断水，并且不能区分自由水（可以流动的水）还是束缚水（含在

36、泥沙中的水），区分不了含水层还是淤泥。激发极化的理论是来自双电层和薄膜极化的假说。双电层的形成 薄膜极化（窄孔隙）示意图(b)外电场中正离子流出窄孔隙a)窄孔隙中正离子过剩30年来，按此假说和物理模拟试验读的到结论：供给的激发电流大小不影响极化率和极化电流半衰期大小。但作者提出渗透电场在激发电流激发下受干扰的新理论。认为采用不同大小的激发电流，对流动的水的不同水量会有不同的极化半衰期。以前的物理模拟试验未考虑流动水的情况。改用流动水作模拟试验则出现了完全不同的结果。模型整体实物图模型整体效果图试验内容与目的通过模拟隧道含水体超前预报情况研究水量与半衰时之差的关系提出水量估算方法试验装置模型架；

37、含水构造。含水构造实物图含水构造设计图含水断层隧道腔体右后前上下左2m4.5m2m 含水构造水量预测物理模型试验含水量与半衰时之差的关系二电流激发极化时差具有区分自由水和束缚水的能力：初始数据（未注水）均为负值，而加水之后，在曲线的前段出现了正值；二电流激发极化时差超前探测数据包络面积与水量的关系注入水量与半衰时之差包络面积成线性正相关关系。隧道含水构造含水量预测技术隧道含水构造含水量预测技术二期模型试验(a)断层超前探测示意图(b)断层超前探测照片断层超前探测试验(a)溶洞超前探测示意图(b)溶洞超前探测照片溶洞超前探测试验时域激电仪器电极布置两个断层超前探测试验数据断层1未注水断层1注水量

38、0.074m断层1注水量0.124m 断层1注水量0.198m 断层1注水量0.297m 断层1注水量0.371m 在断层2注入体积为0.371m的水的情况下，分步骤向断层1注水；半衰时之差数据对两个断层有一定的分辨能力；两个溶洞超前探测试验数据向溶洞1和溶洞2同时分步骤注水，注入水量一致；半衰时之差数据对两个溶洞有一定的分辨能力；半衰时之差包络面积与水量呈线性正相关关系。溶洞1包络面积与水量的关系注水量0.008m注水量0.016m注水量0.048m注水量0.120m视极化率正演数据 含导水断层超前探测正演模拟直立含水断层超前探测正演视电阻率数据响应特征 极小值的存在是主要响应特征 曲线的尾支数值趋于围岩的电阻率 视极化率数据响应特征 极大值的存在是主要响应特征 曲线的首支数值趋于围岩的极化率曲线形态受到断层电性、规模以及位置等多个因素的综合影响。锦屏二极电站输水隧洞超前预报二电流激发极化半衰时之差数据 反演成像 K13+643出水点 K13+672位置出水点 K13+672位置出水点 K13+643出水点 三峡翻坝公路鸡公岭隧道预报实践三峡翻坝公路鸡公岭隧道属高风险岩溶隧道，隧道左洞施工至ZK19+500段落时具有较高突涌水灾害发生风险。2009年12月6日, 在左洞ZK19+509处开展了激发极化法超前地质预报。实测资料三维电阻率反演成像预报结果 激发极化法超前地质预报结果