地质雷达在隧道超前地质预报中对地下水的探测

1、.     地质雷达在隧道超前地质预报中对地下水的探测 摘要 突（涌）水是隧道施工中的主要地质灾害之一，这也使得含水性的预报成为隧道地质超前预报的重中之重，随着隧道施工技术的提高，对隧道施工期地质超前预报提出了更高的要求。作为一种地球物理方法，地质雷达因具有扫描速度快、操作简便、重量轻、分辨率高、屏蔽效果好、图像直观等优点在我国得到了广泛应用，近年来也被用于隧道超前预报。本文在总结前人积累的宝贵经验的基础上就地质雷达在隧道超前地质预报中对地下水的探测进行一些探讨。关键词：地质雷达；地下水；超前预报    

2、          Discussion on the Application of GPR in Groundwater Detection for Tunnel Geological Prediction                         &

3、#160;                 Zhou 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.

4、 With the progress of tunneling technology, it has put forward higher 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. Recent

5、ly, the GPR has also been used in tunnel geological prediction . On 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，geolo

6、gical prediction0 引言在西部大开发的大背景下，随着国民经济的发展，近年来我国加大了基础设施的建设，特别是水电建设更是如火如荼。无论是西北、西南地区大型水电站，还是华北、华东、华南和东北等地高水头抽水蓄能水电工程，都将修建大量的深埋长隧洞和高水头隧洞。南水北调工程的西线工程与中线工程，大部位于我国西部山区，也将修建大量穿越山岒的超长大隧洞。由于这些隧道、隧洞大都处于地下各种复杂的水文地质、工程地质岩体中，为了摸清和预知周围的水文地质和工程地质条件，隧道施工期地质超前预报显示出越来越重要的作用。在隧道开挖掘进过程中，提前发现隧道前方的地质变化，为施工提供较为准确的地质资料，及时调

7、整施工工艺，减少和预防工程事故的发生非常重要。隧道地质超前预报因为技术要求高、难度大、观测条件受限而成为疑难问题，而含水性的预报又是难中之难。危险的含水体问题，包括含水断裂、含水溶洞、含水松散体等的位置、规模、富水性、水压。1 突(涌)水对隧洞施工的危害突(涌)水是隧洞施工中的主要地质灾害之一，隧洞内的突(涌) 水一般均发生在岩溶地区，这些地区赋存有丰富的地下水，由岩溶裂隙、溶洞、地下暗河构成地下水的运移网络。在隧洞开挖过程中时常遭遇突水及突泥现象，并具有水压力大、突发性的特点，这一点在锦屏长探洞、武隆铁路隧道的开挖过程中已得到了证实。锦屏二级水电站长探洞内曾发生瞬时涌水量大于等于0.1m3/

8、s的突水突泥点10处,最大突水点的最大瞬时涌水量达4.91m3/s，造成施工设备被淹，严重影响施工工期。武隆铁路隧道施工过程中遭遇到三条地下暗河，最大平均涌水量达16.2m3/s，冲毁路基及洞口。这些涌水点除具有突发性的特点外, 其涌水初期均携带有大量砂粘土，造成洞内淤积。且大多隧洞施工过程中所出现的涌水现象，已引起一定的环境地质问题。另据文献记载，我国部分隧道及矿山开挖过程中产生了不同程度的水文地质灾害(表1)，表中开滦范各庄矿突水量高达34.22m3/s，为世界采矿史上罕见的特大矿山水灾。我国部分隧道及矿山水文地质灾害一览表工程名称围岩岩性地下水类型最大突水量（m3/s）大瑶山铁路隧道灰岩

9、岩溶水0.05南岭铁路隧道+207断裂+269断裂+745断裂 灰岩 岩溶水（断层导水、涌泥）岩溶水（断层导水）岩溶水（连续涌泥） 0.030.120.06武隆铁路隧道灰岩岩溶水（地下暗河）16.2山东坊子煤矿片麻岩基岩裂隙水0.22山东淄博大井灰岩岩溶水7.38山东新博煤矿 断层导水0.44开滦范各庄灰岩岩溶水34.22平顶山九矿灰岩岩溶水1.17国营711铀矿 基岩裂隙水1.241.36锦屏二级水电站大理岩岩溶水4.91天生桥二级电站灰岩岩溶水3.002 地质雷达在地下水探测中的应用地质雷达方法具有操作简便，使用成本较低，对隧道施工干扰较小

10、等特点，因而在国内隧道建设中广为采用。近年来经过广大物探工作者的积极探索，使得地质雷达在隧道超前预报中发挥出了重要作用，成为隧道超前预报的一种重要方法，尤其在探测地下水方面更是积累了许多宝贵的经验。2.1地质雷达（GPR）检测方法简介地质雷达(亦称探地雷达)是目前分辨率最高的工程地球物理方法，在工程质量检测、场地勘察中被广泛应用，近年来在我国也被用于隧道超前预报工作，国外还少见此种用法。探地雷达是通过发射和接收到的反射波来实现探测的。其工作原理是基于不同岩土介质电磁波阻抗的不同，电磁波在地质体中传播时遇到波阻抗变化界面会发生反射，根据接收到的反射波的走时和波相可推断界面的位置和性质。水是自然界

11、中常见的物质中介电常数最大、电磁波速最低的介质。与岩土介质和空气的差异很大。含水界面会产生强烈的电磁反射，岩体中的含水溶洞、饱水破碎带很容易被地质雷达检测发现，因而将地质雷达作为掌子面前方含水的断裂带、破碎带、溶洞的预报工具。在深埋隧道和富水地层以及溶洞发育地区，地质雷达是一种很好的预报手段。但是地质雷达目前探测距离较短，大约在2025m以内。对于长隧道只能根据施工进度分段进行，相互影响较大，同时雷达记录易受洞内侧壁和机具的干扰，增加了预报难度和风险。2.2 地质雷达方法原理探地 雷 达 检测是利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，其工作过程是由置于地面的发射天线发送入地下一高频电磁脉冲波(主频

12、为数十兆赫至数百兆赫乃至千兆)，地层系统的结构层可以根据其电磁特性如介电常数来区分，当相邻的结构层材料的电磁特性不同时，就会在其界面间影响射频信号的传播，发生透射和反射。一部分电磁波能量被界面反射回来，另一部分能量会继续穿透界面进入下一层介质，电磁波在地层系统内传播的过程中，每遇到不同的结构层，就会在层间界面发生透射和反射，由于介质对电磁波信号有损耗作用，所以透射的雷达信号会越来越弱。探地雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理机和终端设备(计算机)等组成，典型的探地雷达系统如图2.1所示。  图2.1 地质雷达测试系统图 各界面反射电磁波由天线中的接收器接收并由

13、主机记录，利用采样技术将其转化为数字信号进行处理。从测试结果剖面图得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时t。当地下介质的波速已知时，可根据测到的精确t值求得目标体的位置和埋深。这样，可对各测点进行快速连续的探测，并根据反射波组的波形与强度特征，通过数据处理得到地质雷达剖面图像。而通过多条测线的探测，则可了解场地目标体平面分布情况(如图2.2所示)。通过对电磁波反射信号(即回波信号)的时频特征、振幅特征、相位特征等进行分析，便能了解地层的特征信息(如介电常数、层厚、空洞等)。2.3 电磁波的传播理论2.3.1 电磁波的界面反射、折射地质雷达主用于探寻地表近层的异常特征，因此遇到的实际介质

14、往往都是非均匀的。为了讨论非均匀介质中电磁波的传播情况，我们首先研究电磁波在两种不同均匀介质分界面上的传播规律，这里主要讨论平面波的反射和折射。平面电磁波到达两种不同均匀介质的分界面处会发生反射和折射。入射波、反射波和折射波的方向，遵循反射定律和折射定律，如图2.3所示入射波在界面所引起的反射和折射，i，r和t分别为入射角、反射角和折射角。定义折射率 （2.1）反射定律和折射定律表明，入射角i等于反射角r，与界面两边的介质性质无关；折射率与两边介质性质有关。当n>1时，i>t，1>2；n<1时，i<t，1<2。根据式(2.1)可知：n0，且在一般介

15、质中n为复数。电磁波在两种介质界面处将会发生能量再分配。根据能量守恒定律，界面两边的总能量保持不变。因此入射部分能量与透射部分能量之差就是反射波能量。地质雷达使用的是偶极源，在离源很远的区域，波的等相面在一定范围内可看成平面，此时波场可按平面波分析。一般情况下，地质雷达偶极矩平行界面，即入射电场E,与入射面垂直，下面讨论垂直极化波在界面的反射和折射情况入射波、反射波与折射波在界面处电场与磁场变化关系示意图如图2.2所示。        图2.2 入射到界面上的TE（横电）波和垂直于入射面的电场矢量 图中，Ei、Er、Et，分

16、别为入射波、反射波与折射波的电场强度，它们的磁场强度相应为Hi=Ei/1，Ht=Et/2，1，2分别为上层和下层介质的波抗阻。根据电磁理论，电磁波在跨越介质交界面时，紧靠界面两侧的电场强度和磁场强度的切向分量分别相等，则有反射系数及反射信号的大小主要取决于探测界面两侧介电常数的差异大小，差值越大，反射信号越强，反映在记录图像上异常明显，清晰度高，反射系数越小，信噪比低，就不会得到高清晰度图像。另外，当1h> 172 将获得与初始相位同相的反射波形，当n1<1 72 ，获得与初始相位反相位的反射波形。电磁波在部分常见介质中的传播参数（The propagation parameter

17、s of the electromagnetic wave in the medium）介质相对介电常数r电导率 (ms.m-1)波速v（m.ns-1）衰减系数（dB/m）空气1.000.30蒸馏水800.010.0330海水81300000.011000淡水810.50.0330.1冰 3.20.170.01盐（干）560.0110.130.011砂（干）350.010.150.01砂（湿）20300.110.060.030.3淤泥53011000.071100粘土540210000.061300粉质粘土66.60.122石灰岩480.520.120.41花岗岩（干）510-80.

18、150.011花岗岩（湿）710-30.10.011玄武岩（湿）810-20.150.011灰岩（干）710-90.110.41灰岩（湿）82.5×10-20.10.41页岩51511000.091100砂岩（湿）64×10-2  土壤2.6401.4×10-45×10-20.130.0952030混凝土6.4 0.12 沥青35 0.120.18 2.3.2 瞬时振幅、瞬时相位和瞬时频率瞬时振幅是反射强度的量度，它正比于该时刻地质雷达信号总能量的平方根，得用这种特征便于确定特殊岩层的变化。当地

19、层存在明显介质分层或滑裂带，或地下水分界面，瞬时振幅会产生强烈变化，反映在瞬时振幅剖面图中就是分界面位置出现明显振幅变化。瞬时相位是地质雷达剖面上同相轴连续性的量度。无论反射波的能量强弱都能显示出来。当电磁波在各向同性均匀介质中传播时，其相位是连续的。当电磁波地有异常存在的介质中传播时，其相位将在异常位置发生显著变化，在剖面图中明显不连续。因此利用瞬时相位能够较好的对地下分层和地下异常进行辨别。当瞬时相位图像剖面中出现相位不连续时，就可以判断该处存在分层或异常。瞬时频率是相位的时间变化率，它反映了组成地层的岩性变化，有助于识别地层，当电磁波通过不同介质界面时，电磁波频率将发生明显变化。这种变化

20、可以在瞬时频率图像剖面中较为清晰的显示出来。对于同一反射层，三种瞬时信息同时发生明显变化就可能反映地层的物性变化。因为在这三个参数中，瞬时相位谱的分辨率最高，而瞬时频率谱和瞬时相位谱的变化反映较为直观，所以通常根据瞬时频率谱和瞬时相位谱来确定异常或分层的大概位置，然后然后利用瞬时相位谱精确确定异常位置和分层轮廓线。2.3.3 电磁波在含水介质中的传播特点地球表面大部分无水的物质(如干燥的土壤和岩石等)的介电常数，实部一般介于1.7-6之间，水的介电常数一般为81，虚部很小，一般可以忽略不计。岩石和土壤的介电常数与其含水量几乎呈线形关系增长，且与水的介电常数特性相同。所以天然材料的电学特性的变化

21、，一般都是由于含水量的变化所致。对于岩石和土壤含水量和介电常数的关系国内外进行了详细研究(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)。在实验室内大量测量了不同粒度的土壤一水混合物介电常数，考虑到束缚水和游离水，提出了经验土壤介电常数混合模型(J.R.Wang, 1985)。实验室内用开路探头技术和自由空间天线技术测量干燥岩石的介电常数(F.TUlaby, 1990)。国内肖金凯等人(1984, 1988)测量了大量的岩石和土壤的介电常数

22、，王湘云、郭华东(1999)研究了三大岩类中所含的矿物对其介电常数的影响。研究表明，土壤中含水量的变化影响介电常数的实部，水溶液中含盐量的变化影响土壤的导电性，即介电常数的虚部。水与某些铁锰化合物具有高的介电常数，绝大多数矿物的介电常数较低，约为4-12个相对单位，由于主要造岩矿物与水的相对介电常数存在较大差异，所以，具有较大孔隙度岩石的介电常数主要取决于它的含水量，泥岩由于含有大量的弱束缚水，所以其相对介电常数可高达50-60,岩石含泥质较多时，它们的介电常数与泥质含量有明显的关系，很多火成岩的孔隙度只有千分之几，其相对介电常数主要取决于造岩矿物，一般变化范围为6-12，水的介电常数与其矿化

23、度的关系较弱，与此相应，岩石孔隙中所含水的矿化度同样对其介电常数不应有大的影响，水的矿化度的增大只导致岩石介电常数的少许增加。2.4 工程实例一、西部某水电站引水隧洞地质雷达超前预报探测成果  图2.3 为雷达探测成果图。经分析发现：探测深度05m 段为相对低幅反射波组,局部存在强反射同相轴， 516m 段存在多组规律性较强的水平强反射波同相轴，反映该段存在物性差异很大的界面, 围岩变差。判断为断层及断层影响带， 带内地下水含量丰富，将存在涌水现象，围岩破碎。经工程开挖验证,该段确为一富水带。 图2.3 雷达图像1  二、西部某超长深埋隧洞地质雷达超前预报探测成果图2.4为洞内一地质雷达探测图像，经分析发现：探测深度08m段图像色彩(能量团) 分布均匀，电磁波能量衰减慢且规律性较强,形成低幅反射波组,波形均匀,无杂乱反射，反映该段介质相对均一故岩石较完整。815m段电磁波能量成规律性衰减，振幅增高，波形基本均一。预测在前方815m存在较大含水构造。后在工程开挖中揭露出这一含水构造，发生较大涌水，测定流量为1.26m3/s。 图2.4 雷达图像2            &#