地质雷达及红外探水技术在隧道超前预报中的应用

孙 凯 朱占龙

(1.青海省交通规划设计研究院有限公司 西宁 810008;2.中铁西北科学研究院有限公司 兰州 730070)

引言

随着我国高速公路、铁路及矿山等事业的发展，施工隧道已大量出现。在隧道施工过程中，由于掌子面前方地质状况不清楚，施工过程中经常会遇到破碎带、空洞、富水区域等病害地质体导致的塌方、涌泥、涌水、突水等地质灾害，严重影响施工进度及人身财产安全。如2006年1月21日，马鹿箐隧道施工至3174m时突发涌水、涌泥现象，造成多名工作人员遇难，损失巨大。2008年4月30日大支坪隧道开挖至2771m时突发大规模的涌水、涌砂现象，由于采取措施及时，未造成人员伤亡，但是严重影响施工进度。隧道施工过程中事故频发，经济损失严重，由此可见隧道超前预报工作的必要性。

我国隧道超前预报技术出现于20世纪50年代末期，正式投入生产是在20世纪80年代。使用初期就取得了很好地效果，并编写了《军都山隧道快速施工超前地质预报指南》，为隧道超前预报工作打下了坚实的基础[5]。目前，在隧道超前预报技术中地质雷达法、地震波法、高分辨率直流电法、红外探水法等各种超前预报方法百家争鸣，各有所长。而地质雷达法、红外探水法数据采集不影响隧道施工，是一种无损检测，预报结果及时且对富水区域敏感，在超前预报技术中具有重要的地位。

地质雷达法是一种广谱电磁波技术[7]，是以不同地质体的介电常数差异为物性基础，通过分析高频电磁波在电性不连续界面反射回来的电磁波图谱，判断掌子面前方地质状况的一种地球物理方法。该方法具有自动化程度高、成果转换快、图像直观、分辨率高、便于施工等优点，在预报富水区域、破碎带、空洞、溶洞等病害地质体方面有明显的效果。

红外探测技术是通过不同地质体辐射的红外场场值不同为物性基础进行超前预报的一种物探方法。若被探测地质体前方围岩均匀，不隐伏异常地质体时，红外场值为一个固定常数。当前方存在异常地质体时，红外场也会相应的发生变化。红外探水技术就是根据这一特性在隧道掌子面及掌子面附近洞身布设红外场测点，根据红外场值的曲线变换推测掌子面前方地质体的变化情况。

本文通过地质雷达法及红外探水法在隧道中实际预报及开挖验证为实例，从理论及应用效果出发，阐述联合地质雷达及红外探水法对隧道富水区域预报的方法。

1 地质雷达法简介

1.1 预报原理

探地雷达法是一种以地下介质介电常数差异为基础，识别不同地质体的物探方法。自然界中的岩体、水体空气的相对介电常数差异很大，岩体、砂卵石等物质的相对介电常数为5～8，空气的相对介电常数为1，而水的相对介电常数为80，如在雷达波辐射范围内存在地下水、空洞、断层破碎带或者软弱夹层等病害地质体，则会在发射回来的雷达波形图中形成差异比较明显的反射波信号，再经相关软件处理，能够发现较为清晰的波形异常。探地雷达的工作原理如图1所示,地质雷达的发射天线向地下定向发射高频、宽频带电磁波，此电滋波被地层中不同介质反射。另一个接收天线或处于接收状态的同一个天线接收来自于地下各种不同介质的界面或目标的反射波，通过对接收到的反射波的分析即可探测3种测区的地质状况。

图1 探地雷达工作示意图

1.2 设备简介

本次预报使用 LTD-2600 地质雷达系统，由发射天线、接收天线、发射单元、接收单元、控制单元、笔记本微机、传输光缆和传输线、专用电池和专用电瓶、系统数据采集软件、后处理软件等组成，配备超前预报专用 100MHz 天线，探测范围为0～30m。

2 红外探水法简介

2.1 预报原理

任何物体都会向外辐射电磁波，不同物质由于分子及晶格运动情况不同，所辐射的红外场场强也会存在差异。红外探水技术就是通过红外探水仪记录不同位置的红外场场值，通过红外场场值曲线分析被探测对象前方地质体变化情况的一种方法。由于红外场与分子及晶格运动情况有关，所以对呈液态的水体会有较好的预报效果。

2.2 测线布置

红外场数据采集选用HW-304型红外探测仪，探测范围为两个区域，分别为洞身和掌子面。在洞身采集12个断面，断面间隔为5m。每个断面在左拱脚、左拱腰、拱顶、右拱腰、右拱脚、拱底采集6组数据。测点布置如图2所示。掌子面共布设6条测线，每条测线布设6个测点，测点布置如图3所示。

图2 洞身测点示意图

图3 掌子面测点示意图

3 工程实例

3.1 工区地质概况

向阳5号隧道进洞口位于天峨县向阳镇向阳村车赖屯北侧约0.6km处，出洞口位于天峨县向阳镇纳供屯北东向约0.4km处，隧道总体走向约257°。隧道围岩以三叠系下统(T1)粉砂岩为主，岩体较破碎—较完整。隧址区岩层产状、节理和裂隙变化不大。隧道区下伏基岩以粉砂岩为主，裂隙多以风化裂隙为主，发育密度大。隧址区内无大的地表水体，主要冲沟溪流，受季节降雨影响明显，雨季有水，冬季水流量较小。场地地下水主要为赋存于第四系覆盖层中的孔隙水及基岩中的破碎带及构造裂隙水。

荣理隧道进口位于河池市天峨县燕来乡当阳村下荣屯北东面约 0.6km处， 出口位于天峨县燕来乡三角塘村南面约 0.4km处，为分离式越岭长隧道；隧道走向287°～281°。隧道所穿越山体基岩为三叠系中统板纳组(T2b)砂岩，基岩零星裸露，多呈薄—中厚层状构造。隧址区内无大的地表水体，主要为冲沟溪流，受季节降雨影响明显，雨季降雨时有流水，冬季一般干枯，地下水主要为赋存于第四系覆 盖层中的孔隙水及基岩中的构造裂隙水。

向阳1号隧道进洞口位于天峨县向阳镇林细村中领屯西南侧约0.2km处，出洞口位于天峨县向阳镇全平村八度屯南东向约 1.0km处。区域内降水丰富，年降水量为 1370mm，降水量年内分配很不均匀，雨季主要在 4～9月份，降水量占全年的80%左右。隧道所穿越山体下伏基岩为三叠系中统(T2b)粉砂岩、三叠系下统(T1)粉砂岩以及二叠系上统(P2)粉砂岩(局部含少量炭质)，粉砂岩零星出露，岩质较硬，岩体总体较破碎—较完整，局部破碎，力学强度较高，抗风化能力较强，工程地质稳定性一般，隧址区岩层产状、节理和裂隙变化不大。

3.2 数据处理方法简介

地质雷达数据处理采用IDSP7处理软件，处理流程包括调节零点、调节增益、校正零偏、数字滤波、背景消除、滑动平均、道间均衡等步骤。调节零点时以第一个正波峰为零点，将零点位置调节到第一个正波峰位置处即可。调节增益是为了让采集到的信号和背景噪声相比更加明显，凸显信号。校正零偏是矫正电磁波零偏位置，可根据使用前后效果对比选择是否采用。数字滤波采用50～150MHz的FIR带通滤波器，消除数据中的干扰信号。背景消除有滑动法、整体法两种方法。其中滑动法适合找不密实、空洞等病害地质体，整体法适合找层位。在处理过程中通常选用滑动法。滑动平均是根据相邻几道信号的相关性，给相关性大的信号一个正向增益，相关性小的信号一个负向压制，以此来提高数据的信噪比。道间均衡是给较强的信号一个较大的增益，较小的信号一个较小的增益，以此来提高数据的信噪比。在数据处理的过程中会根据实际数据情况对处理方法做相应的调整。

红外探水法数据处理较为简单，只需将所测红外场值按测线绘制成折线图或曲线图即可。

3.3 实例应用

3.3.1 向阳5号隧道

数据采集时掌子面里程为ZK87+301,掌子面前进方向为大里程方向。从下、中、上三条水平测线Line1、Line2、Line3的地质雷达图谱(如图4所示),掌子面前方0～5m范围存在明显的电磁波反射界面，电磁波同相轴连续，能量衰减严重且无明显规律性。结合掌子面地质状况推测该段裂隙、节理发育，为富水区域，赋水方式为构造裂隙水。5～10m范围内下方两条测线图谱显示无明显电磁波反射界面，上方测线雷达图谱显示较明显的反射界面。10～20m范围内存在明显的电磁波反射界面，波形特征与0～5m时类似，推测该段节理、裂隙发育，构造裂隙水发育。20～30m范围内无明显电磁波反射界面，推测可能为前半程能量衰减严重，该段信噪比较低的缘故，但依旧可见该段电磁波存在幅值异常现象，鉴于数据采集时无明显电性干扰，推测该段内幅值异常可能是由于构造裂隙及裂隙水造成的。

图4 地质雷达图谱(a：line1图谱 b：line2图谱 c：line3图谱)

对比下、中、上三条测线的地质雷达图谱发现，上方测线电磁波反射界面最明显，中间测线次之，下方测线最弱，推测掌子面上方富水量最大，中间次之，下方最小。结合当时降水情况推测该段地下水主要源自大气降水。

通过对洞身、掌子面红外场数据折线图分析可知，掌子面及接近掌子面断面处红外场场值明显较低，且与最大值差值都在10μW/cm2以上，超过阈值范围。掌子面红外场值普遍较低且折线图显示掌子面左侧场强明显较低(折线图2号点处)。通过现场观察发现该区域存在明显涌水现象，且出水量较大。结合红外探水折线图及现场观察推测，掌子面前方30m范围内存在明显的富水区域，且水量较大，红外探水折线见图5所示。

图5 红外探水成果图

隧道掌子面里程ZK87+301时，开展地质雷达及红外探测超前预报工作，掌子面围岩整体湿润，中上部位存在多处小规模渗水点，渗水量不大。

隧道在开挖至ZK87+311里程附近时，掌子面上半部分出现大规模涌水现象。经现场施工人员介绍，掌子面打炮孔时炮孔涌水严重，随着时间的推移涌水量会有所下降，预估平均涌水量达30m3/d。

在后续施工过程中，掌子面涌水现象一直存在，经跟进观察发现涌水量明显受降水影响，推测该段赋水方式为构造裂隙水，水源补充主要靠大气降水。经开挖验证证实预报结果基本可靠。由于地球物理方法存在多解性，且隧道地质条件复杂，可能出现的病害地质体种类繁多，所以在掌子面出现异常情况时结合多种方法做综合预报很有必要。且地质雷达及红外探水数据采集基本不影响施工，数据处理方便快捷，两者结合使用对隧道富水地质体预报大有裨益。

3.3.2 荣里隧道

为验证地质雷达及红外探水技术的联合应用在隧道涌水现象预报中的优越性，笔者在地质雷达图谱显示可能富水的区域开展红外探水工作。荣里隧道右线K98+183.6里程段附近地质雷达图谱如图6所示。掌子面前方0～25m范围内存在明显的电磁波反射界面，电磁波同相轴连续性较好，能量衰减严重，推测该段可能为富水区域或节理、裂隙密集发育的区域，为此，在该里程段开展红外探水工作，综合分析雷达图谱中的强反射界面是否是由于该里程段富水导致的。

图6 地质雷达图谱

红外探水结果折线图如图7所示。通过对荣里右线进口K98+050-K98+105段及掌子面(K98+183.6)六条测线红外探水数据分析认为，洞身红外场最大场值为310μW/cm2，出现在拱底水泥未凝固区域，最小场值为293μW/cm2，其差值大于阈值10μW/cm2。结合曲线及现场情况分析认为该异常由未凝固水泥引起，洞身段无大量含水区域，但不排除规模较小的滴水现象。

图7 红外探水折线图

掌子面最大红外场场值302μW/cm2，最小红外场场值295μW/cm2，未超过阈值10μW/cm2，且掌子面红外场场值大致与洞身场值一致，推测掌子面前方30m范围内无大规模含水现象，但不排除小规模渗水现象。

结合地质雷达及红外探水对该里程段的综合预报，推测该里程段内围岩节理、裂隙较发育，岩体较破碎。结合掌子面地质状况推测该里程段内可能存在小规模的结构裂隙水，但不会有大规模涌水现象发生。

在后续开挖过程中该里程段无明显涌水现象，岩体层理、裂隙较发育，围岩较破碎。开挖结果与预报结果基本一致，进一步证明结合地质雷达及红外探水技术在预报涌水、涌泥问题上的优越性。

3.3.3 向阳1号隧道

向阳1号隧道在开挖至桩号K72+460里程段附近时，掌子面出现小规模渗水现象，地质雷达图谱显示K72+460～K72+485段岩体裂隙较发育，围岩较破碎，可能存在小型破碎带或涌水水现象。地质雷达图谱如图8所示。为验证地质雷达预报结果，后续开展了红外探水工作，红外探水折线图如图9所示。掌子面及洞身红外场值折线图显示，掌子面红外场值均大于300μW/cm2，洞身远离掌子面处红外场值小于220μW/cm2，严重超过阈值10μW/cm2，根据红外探水折线图及掌子面地质状况推测，K72+468～K72+498段范围内可能为富水区域，且储水量较大。

图8 地质雷达图谱

图9 红外探水曲线图

结合地质雷达及红外探水结果分析，掌子面前方30m范围内很可能为富水区域，且水量较大。该里程段在后续开挖过程中出现较大规模涌水现象。开挖结果与预报结果基本一致。

通过上述地质雷达法及红外探水法在隧道超前预报中综合应用的实例，不难发现单一的超前预报方法有很明显的局限性。仅通过地质雷达图谱分析隧道前方地质状况受限于预报人员预报经验，且主观性较大，易产生误报、错报现象。而红外探水只对有水造成的病害现象灵敏，且无法准确预报病害出现的位置。

在超前预报工作中，红外探水法及地质雷达法具有数据采集方便、快捷，不影响隧道施工等优点，所以综合应用上述两种方法既能很大程度的提高预报的准确度，又不会影响工程进度。

4 结论

(1)地质雷达能较好的确定异常体位置及大致判断造成异常的原因，但是由于隧道环境复杂，病害地质体成因多种多样，准确的预报病害地质体的位置及成因需要预报人员有足够的工作经验。

(2)红外探水法对由水引起的病害地质体反应灵敏，数据处理及预报较简单，但是不能确定异常体位置，无法为后期施工工作做准确指导。

(3)结合地质雷达法及红外探水技术能很好地确定由水造成的病害地质体，且能准确确定异常体位置。地质雷达及红外探水数据采集及处理简单便捷，不影响隧道施工，结合地质雷达法及红外探水法具有可行性。