探地雷达在隧道富水区探水实例分析

杨小龙，彭 刚，刘文华

（1.中铁隆工程集团有限公司,四川成都 610041；2.中铁五局集团有限公司,贵州贵阳550003；3.中煤第五建设有限公司,江苏徐州221006）

1 概述

探地雷达的英文缩写是GPR，作为20世纪70年代左右兴起的一种针对特定目标进行探测的有效方法，它借助发射天线发射出的高频宽带电磁波在传播时碰到电性特征存在差异的目标体会发生反射的特性，利用接收天线接收来自目标物的回波（该回波可能是介质界面的反射波、异常体的散射波或者是经过某一路径到达接收天线的透射波），然后针对得到的接收波到达时间、幅度大小、相位和频谱特征以及同相轴形态等信息进行分析，以此分析得到介质结构和介质性质。

随后，由于该技术不断地向前推进，并产生了性能更好的高频天线，探地雷达检测技术在更多的领域得到了应用和发展，包括工程勘探和地质勘探，隧道、管线和建筑等工程领域的探测等。

在隧道向前掘进时，对掌子面前面的地质情况进行提前预判是非常必要的，探地雷达以其独有的优势，在超前地质预报中应用极广，在探测软弱夹层、水囊、破碎带等地质体时往往比较准确，本文以青岛地铁某工区为例，运用探地雷达技术对某区间进行超前地质预报，成功测得掌子面前方水囊位置，并通过高密度电法对解译结果进行印证，及时通知施工单位采取有效应对，避免了危险事故的发生。

2 探测原理

图1展示了探地雷达的工作原理。首先，天线在特定方向上发射出高频短脉冲电磁波至地下,由于地下介质中的地层分界面和特定目标体在电性特征上存在差异，因此电磁波在碰到它们时会同时发生反射以及透射。此时，反射信号会传送到接收天线上，并经过数字化处理转换为相应波形存入电脑中。经过一系列的处理流程，我们就能通过反射波的传播时间、振幅大小和波形特征等信息，对地下介质中特定目标的空间位置分布和结构特征做出推断。

图1 探地雷达工作原理

高密度电法和普通电阻率法在基本原理上没有太大差异，其基础都是由于若目标地质体具有不同的电性特征（如图2所示），因而会在外界电场的作用下产生不同的电流分布情况，从而可以推断出电阻率不同的地质体在地下介质中的分布情况。2个方法均是借助2个电极A和B对地下介质传输电流I，此时M极和N极会产生电位差，两者相除便能得在M极和N极之间的该点的视电阻率。对得到的不同视电阻率进行整理就可以得到视电阻率剖面，此时就能得到地下介质中的电阻率分布，由此便能进行地层划分以及异常地层标定等工作。

图2 高密度电阻率法原理示意图

3 探测过程

探测工作在隧道掘进方向掌子面上布置测线，根据现场实际情况在掌子面布设一条横向测线。掌子面前方左侧存在一口水井，现场出现涌水现象。

为了有效探测掌子面前方地质情况，采取了点测的方法，测点之间的距离为0.1m，满足横向上的分辨要求，叠加次数可达128次，大大提高了信噪比。采样频率为250MHz，采样点为900，测量时窗400ns，在凝灰岩体中能测深度为23m左右。测量时，天线紧贴岩逐点移动。

图3为测线测量解译图，从解译图能够看到，掌子面前方水平反射比较强，有数条连续同相轴，推断掌子面前方节理裂隙，同相轴有断，但不见明显错动，存在断层可能性较小，但节理裂隙在前部较发育，推测为爆破所致，岩石存在微风化现象，前方左侧有2个小范围的连续反射面，中间含水，推断为水井位置，由于水井存在，该范围在剖面图上显示为富水区，存在大量裂隙水。中部区域存在大量的微小节理裂隙，根据反射波动力学特征分析，低频信号较少，中高频信号居多，能量较强，在节理裂隙发育区有含水或夹泥现象。

图3 测线测量解译图

在中后部区域（约掌子面前方18～22m处），电磁波反射突然大幅度衰减，中间只存在部分微反射且同相轴具有平行现象，出现大范围的反射异常区域，且周围存在富水区域，推断可能存在大型水体或大型不良地质体，后部区域存在大量节理裂隙，且裂隙水含量较高。

经过现场实际调查，得知所测异常区域对应地面位置地表表层为砂体，厚约2m，砂体较为湿润，地表存在3口水井，井中均有水，其中2号水井水量较大，为居民生活用井。

为进一步确定地下水体位置，运用高密度电法对该区域进行探测，探测得知疑似富水区域在高密度电法探测剖面上存在明显低阻现象（如图4所示），通过与周围高阻区的明显对比，可以确定该区域地下存在大量地下水，推测可能为采空区回填所致，高密度电法探测结果与探地雷达探测结果相吻合，验证了该技术在超前地质情况预报应用方面的准确性。在确认该区域地质结构之后，通过及时和施工单位沟通，采取有效措施，及时进行全帷幕注浆封堵，避免了施工过程中的安全风险。

图4 高密度电法探测结果

4 结论

本文通过探地雷达探水技术在超前地质情况预报过程的实际应用，可以得到如下结论：

（1）该技术是一种新型的具有高效率的无损检测方法，可以在超前地质预报中进行较为准确地探水检测；

（2）运用探地雷达与高密度电法相结合的方式，可以有效对地下水分布位置进行有效定位；

（3）在进行探地雷达资料解译时，要具备严谨的态度，需要借助积累得到的经验，避免漏判以及误判情况的出现。