隧道超前地质预报中的地质雷达波场特征分析与应用

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(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

隧道超前地质预报方法种类繁多，例如TSP、TGP、TRT、瞬变电磁、地质雷达(GPR)等。其中，GPR因其现场操作简便、资料处理快速、探测分辨率高等特点，成为隧道超前地质预报的一种优选方法。GPR在探测溶洞[1-4]、含水体[5-6]、破碎带[7-9]等多种隧道不良地质体方面具有十分广泛的应用。

在GPR波场正演模拟方面，通过对隧道不良地质体雷达剖面特征的模拟，我们可以调整观测方式、更有针对性地识别出雷达剖面中的有效信息，提高探测结果的精度[10-11]。正演是反演的前提条件，根据正演能够实现用地质雷达数据资料反演二维地下介质的过程[12]。

由于GPR是基于隧道围岩的相对介电常数、电导率等电性参数差异来探测不良体，在对雷达剖面识别时会出现多解，造成误判。因此，实际工作中对不良地质体的推断和围岩级别判定时，应结合开挖工作面地质情况、隧道埋深情况、洞内外地质条件、以及前期地勘资料等综合分析。

本文利用二维时域有限差分法正演模拟地质雷达剖面记录，分析隧道空间不良地质体雷达剖面特征，获取实测雷达资料解译的理论依据，并结合现场隧道工作面地质素描资料，在安江高速公路3个岩溶隧道的施工过程中，开展了大量地质雷达探测现场试验，其中就包含了一些含水溶洞、空腔溶洞、溶蚀破碎带等不良地质体的成功预报案例。通过对上述实例的总结，提高了地质雷达法在隧道空间内探测不良地质体的精度，为隧道工程施工提供了安全保证，具有一定的理论意义和经济效益。

2 工作原理

GPR是一种电磁波探测方法。其工作原理为：通过雷达天线向需测试面的前方发射高频电磁波，当电磁波在传播过程中遇到电性差异界面(破碎带、断层、岩溶等)时，电磁波将发生反射和透射，反射电磁波将被接收天线所接收，如图1(a)所示。

由于地质体分界面上下层介质存在电性差异，会在此形成电性界面，当电磁波传播到电性界面时会产生反射信号回到地面。电磁波在介质中传播的路径、电磁场强度和波形将随所通过界面的电性和几何形态而变化，通过对时域波形的采集、处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置和结构状态[13]，如图1(b)所示。

图1 地质雷达(GPR)工作原理Fig.1 Working principle of Ground Penetrating Radar(GPR)

3 正演模拟

3.1 正演方法

GPR正演模拟采用时间域有限差分法(FDTD)[14]。FDTD将Maxwell方程中的微分算符利用二阶精度的中心差分近似，模拟计算电磁波在介质中传播以及遇到不良地质体反射的过程。FDTD采用PML吸收边界条件，使得计算可以在有限的空间范围内进行，这样就可以降低程序对计算机硬件的要求。

正演模拟步骤为：

(1) 确定不良体模型尺寸，主要依据隧道施工中常见不良体发育规模。

(2) 确定GPR天线频率f0，主要依据现场试验的探测深度和精度要求。

(3) 计算模拟区域的相对介电常数εr，磁导率μ，电导率σ。

(4) 划分离散网格，根据理论求出网格步长Δx和Δy及时间步长Δt。

(5)根据探测深度确定时间窗口大小。

(6)给定发射天线和接收天线的坐标位置、天线距、移动步长。

(7)GPR模拟频率为100 MHz。

(8)迭代计算，输出结果。

3.2 理论模型设计

隧道施工中，常遇地质灾害主要包括：因断层破碎带引起的围岩失稳坍塌、因溶洞空腔引起的洞室塌陷、因含水岩溶引起的涌水突水等。为此，我们设计了隧道环境下的水平破碎带、倾斜破碎带、空腔溶洞和含水溶洞的4种理论模型，如图2所示。具体参数见表1和表2。

图2 层间破碎带模型和溶洞模型Fig.2 Models of fracture zones and limestone caves

介质类型相对介电常数εr电导率σ/(S·m-1)相对磁导率μr空气101水811×10-4～3×10-21破碎带253×10-31灰岩71×10-91

表2 不良地质体模型参数Table 2 Parameters of bad geological model

3.3 正演模拟结果

层间破碎带模型和溶洞模型的正演模拟结果如图3所示。

从图3(a)可以发现：雷达剖面顶部同相轴为沿工作面的直达波；水平破碎带上下两层界面反射同相轴清晰，上层反射界面距掌子面10 m处，与模型破碎带位置一致，下层反射界面距掌子面14 m处，比模型位置远2 m；层间破碎带厚度大于实际厚度，且上层反射界面振幅能量大于下层反射界面，推断电磁波在破碎带区域中传播能量被吸收，且发生衰减和受散射所影响；从雷达剖面图中可以清晰分辨出层间破碎带处于工作面前方，为平行的水平状态。

从图3(b)中可以发现：右倾破碎带上下界面的反射波同相轴清晰可辨，上层反射界面位置与模型一致，下层反射界面位置下移，模拟出的右倾破碎带厚度大于实际厚度；上层反射界面振幅能量大于下层反射界面振幅，分析其原因与水平破碎带模拟结果类似；破碎带倾斜角度小于实际层间破碎带的倾斜角度，说明雷达波在角度判断中存在一定偏差。

从图3(c)可以发现：雷达剖面顶部同相轴为沿工作面的直达波；在距离工作面10 m处出现强反射界面，且界面呈双曲弧形状，弧形顶点距工作面9 m，该位置对应为溶洞的顶点；溶洞的下边界面反射不明显，电磁波能量衰减较快，无多次反射界面。

从图3(d)中可以发现：在深度为10 m处出现一个强反射界面，且界面呈双曲弧形，与溶洞所处位置相对应，弧形顶点对应溶洞的上部顶点；雷达波在传播过程中发生多次反射，如图中深度17.5 m处和25 m处分别产生2次和3次反射；由于透射进入含水溶洞的雷达波能量极弱，未能见到溶洞下表面的反射波界面，说明雷达波在溶洞发育深度判断中存在一定缺陷。

图3 层间破碎带模型和溶洞模型正演结果Fig.3 Forward simulation results of fracture zones and limestone caves

上述正演模拟结果证明GPR在短距离内识别破碎带、溶洞等不良地质体的位置和水平发育情况上效果比较明显，而对于不良地质体垂直发育情况以及倾斜角度方面还存在一定的局限性。总之，隧道空间不良地质体雷达波场特征能够为实际探测提供有效的判别依据。

4 工程应用

下面分别以安江高速公路GY隧道、DY隧道和DAP隧道的GPR超前预报为例，以详细的工作面地质素描为基础，利用加拿大EKKO PRO型雷达及100 MHz天线，以0.2 m采样点距进行测试，结合隧道不良地质体雷达剖面特征分析了实测GPR资料，对隧道工作面前方的空腔溶洞、含水溶洞和破碎带等不良地质体进行了成功预报，验证了该方法的准确性。

4.1 含水溶洞

GY隧道设计为一座上下行分离式隧道。右线起讫桩号K108+067—K111+100，长3 033 m，最大埋深约207 m。根据勘查和地面地质调查资料，隧址区覆盖层主要为第四系残坡积红黏土，进出口分布范围及厚度较大，出露地层岩性为寒武系金顶山组砂岩、页岩，寒武系明心寺组石灰岩、页岩。

4.1.1 地质素描

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图4 GY隧道地质素描示意图Fig.4 Geologic sketch of GY tunnel

GY隧道进口左洞工作面桩号为K109+593。岩性为中风化石灰岩，灰色；节理裂隙较发育，围岩整体较完整，局部较破碎。工作面非常潮湿，锤击声音清脆，略有回弹，较难击碎，为硬岩。地质素描如图4所示。

4.1.2 GY隧道GPR剖面解译

在隧道工作面前方2～4 m(桩号K109 + 595—K109+597)段反射同相轴呈双曲弧形，剖面向下陆续有双曲弧形反射(图5(a))，与正演模拟结果(图3(d))相对应，再结合地质素描中工作面十分潮湿的情况，推断前方2～4 m有含水溶洞发育。实际开挖至桩号K109+595处，挖到溶洞，直径在1 m左右，有水体流出，具体位于工作面下部偏左处(图5(b))。

图5 GY隧道GPR剖面图与实际开挖照片Fig.5 GPR profile and excavation photo of GY tunnel

4.2 空腔溶洞

DAP隧道设计为一座上下行分离式短隧道，右线隧道起讫桩号K115+065—K115+500，长435 m，最大埋深88 m。隧址区覆盖层主要为素填土及第四系残坡积红黏土，分布范围及厚度较小，部分段基岩出露，出露地层岩性为震旦系上统灯影组浅灰色中厚—厚层状白云岩。

4.2.1 地质素描

图6 DAP隧道地质素描示意图Fig.6 Geologic sketch of DAP tunnel

图7 DAP隧道GPR剖面图与实际开挖照片Fig.7 GPR profile and excavation photo of DAP tunnel

4.2.2 DAP隧道GPR剖面解译

在隧道工作面前方2～3 m(桩号YK115+129— YK115+131)段，有1条十分明显的双曲弧形反射，弧形内视波长变短(图7(a))，与正演模拟结果(图3(c))相对应，再结合地质素描情况，推断该处空腔溶洞发育。实际开挖至桩号YK115+130处发现溶洞，直径为0.5 m左右，内部无充填物(图7(b))。

4.3 溶蚀破碎带

DY隧道设计为一座进口段小净距中隧道，右幅隧道起讫桩号K122+932—K123+500，长568 m，最大埋深118 m。隧道穿越地层为震旦系上统灯影组白云岩、炭质页岩、黏土页岩等，白云岩风化面呈刀砍状，局部表面风化成砂砾，其中白云岩岩质较坚硬，但溶蚀较发育，炭质页岩、黏土页岩工程地质性质较差。

4.3.1 地质素描

图8 DY隧道地质素描示意图Fig.8 Geologic sketch of DY tunnel

DY隧道工作面桩号为K123+391。岩性为中风化白云岩，灰色，略带浅黄色；工作面顶部主要发育2条结构面，节理裂隙发育，岩体较破碎，呈碎裂状松散结构；围岩稳定性较差，易发生松动变形和掉块；工作面干燥，锤击声音较闷，略有回弹，较易击碎，为较软岩。地质素描如图8所示。

4.3.2 DY隧道GPR剖面解译

在隧道工作面前方5～7 m(桩号YK123+396—YK123+398)段，有2条平行的强反射同相轴，视波长变长(图9(a))，与正演模拟结果(图3(a))相对应，再结合工作面结构面发育，岩体破碎的地质素描结果，推断该异常为一条溶蚀破碎带。实际开挖至桩号YK123+398处发育白云质溶蚀破碎带(图9(b))。

图9 DY隧道GPR剖面图与实际开挖照片Fig.9 GPR profile and excavation photo of DY tunnel

5 结 论

通过本文研究可以得出如下结论：

(1) 隧道不良地质体雷达波场特征能够为实际探测提供有效判别依据。

(2) 隧道工作面地质素描可以为GPR资料解译提供参考依据，例如岩性、结构面和裂隙发育情况、渗水情况等。

(3) GPR在短距离内识别破碎带、溶洞等不良地质体的位置和水平发育情况上效果比较明显，而对于不良地质体垂直发育情况以及倾斜角度方面存在一定的局限性。

(4) 以详细的工作面地质素描为基础，利用隧道不良地质体雷达剖面特征对实测GPR资料进行分析，可以获得较好的超前预报结果。

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