地质雷达讲义隧道超前预报.docx

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地质雷达讲义隧道超前预报

第六章探地雷达在隧道地质预报

探水中的解释资料问题

随着交通和能源建设的投资力度的加大，近年来，每年修建的公路和铁路隧道达7、8百公里，还有大量的水工隧洞和大型地下厂房及其它大型地下工程在修建。

地下工程是施工高风险的工程，施工中充满了未知数，许多已知的、不清楚的、未知的地质灾害源在等待者工程建设者们。

其中，施工中遇到突泥、突水是最危险的威胁，近几年，一些正在施工的隧道，特别是长隧道，施工时遇到突泥、突水，不仅大大延误工期，造成很大经济损失，而且有的隧道还造成多人的伤亡。

虽然近十余年来人们研究和使用一些物探方法在地下工程施工时作掌子面前方地质预报，但预报地下水仍是个困难的问题，以至成为业界要求作为首要要解决的问题。

探地雷达是目前隧道地质预报探水的最主要的手段，但是近几年的实践表明，其探查预报地下水的成功率不高。

经调查，资料解释的理论和实践未为大多数工作人员所了解和掌握是主要原因之一。

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ε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4～20，水的介电常数为81。

因而探地雷达对水有特别的敏感性。

同时，地下水往往为高电导介质，对雷达波的反应也与其它介质有区别。

本文将从理论依据和实际应用方面来探讨有关问题

6.1地下水对雷达波的反射波的特点

6.1.1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。

无界均匀有耗介质中的电磁波的电场表达式为：

E（r）=E0e-jkr

其中，k=β-jα；α为衰减系数；β为相位系数。

若假设介质介电常数和电导率均为实数，则：

α=ω｛[1+（σe/με）2］1/2/2-1｝1/2

当σe/ωε<<1，即电导率σe很小时，

α≈σe[（μ/ε）1/2]/2

衰减系数与σe成正比，与ε1/2成反比；当σe/ωε>>1，即电导率σe很大时，

α≈（σeωμ/2）1/2

衰减系数与σe及频率f成相关，频率高的成分衰减系数大；因此，雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，含水层的反射波的优势频率降低

6.1.2雷达波对水和含水率高的介质的反射强烈，反射波强度大

1.在弱耗媒质中εr>>60λ0σ，则：

α=ω（ε0μ）1/2（30λ0σ/εr）1/2

入射波的电场：

Ei=E0iej（ωt–kr）；

反射波的电场：

Er=E0rej（ωt–kr）。

雷达波是横波，垂直入射到反射面，则：

ki﹒r=kr﹒r

Ei﹒ki=0

Er﹒kr=0

ZC1/ZC2=n2/n1

其中，n1=（ε1μ）1/2；n2=（ε2μ）1/2。

入射波与反射波的电场之比为：

Ei/Er=（n1－n2）/（n1＋n2）=（Zc2－Zc1）/（Zc2＋Zc1）

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。

2.在高电导率（低电阻率）介质中εr<<60λ0σ，则：

α≈β≈ω（μ0σ）1/2（30λ0σ）1/2

波阻抗Zc=（μ/εk）1/2=［μ/－jσ/ω］1/2=（ωμ/σ）1/2ejπ/4

在从电导率为σ1的介质向介电常数为σ2的介质垂直入射情况下,反射系数：

R=［（n1－n2）2＋（cα2/ω）2］/［（n1＋n2）2＋（cα2/ω）2］

α2≈β2≈（ωμ0σ）1/2

n2=cβ2/ω≈cα2/ω≈c（μ0σ/2ω）1/2>>1

R=［（n1－n2）2＋n22］/［（n1＋n2）2＋n22］

=［1+（1-n1/n2）2］/［1+（1+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，越接近1。

水的电导率远大与岩石,因此雷达波的反射强烈。

6.1.3从含水层反射的雷达波，相对于入射波，其相位会反相（相差1800）

ε2﹥ε1和σ2﹥σ1都会使反射系数R成负值。

实际上，Ei/Er=（n1－n2）/（n1＋n2）=（Zc2－Zc1）/（Zc2＋Zc1）。

当波从高阻抗向低阻抗入射时，Ei/Er<0，反射波电场Er与入射波电场Ei正负相反，反射波与入射波间有1800的相位差。

这些是含水层反射雷达波的重要正演概念，是分析和解释含水层反射信号的基本原则。

当然，这些都是物理场异常的规律。

需要掌握和分析地质规律。

例如，所探查的是溶洞的泥水还是岩溶裂隙水，岩溶裂隙水主要赋存在哪几组裂隙中，这几组裂隙如果并不和掌子面平行，在雷达图像上就会是斜交的异常带；又如，页岩、泥岩和板岩等泥质岩也是电导率较高的，等等。

6.2实例

6.2.1隧道衬砌质量检测时岩体中的地下水

图6-1给出了水泉湾隧道一段雷达检测衬砌的资料。

雷达探到了围岩中的溶洞（标注R的双曲线形反射波同相轴洞穴正演图像），地下水向它集中后继续沿裂隙向隧道侵入并突破防水层渗出衬砌（图中标注W者），可以看到水的强反射以及它与入射波（正半周—红、黄色—在前）的相位相反（负半周—蓝、绿色—在前）。

图6.1水泉湾隧道雷达探查到小溶洞

和向隧道侵入的地下水图像

图6-2明月峡隧道雷达探查到坍方及回填

和地下水通过坍体向隧道侵入的图像

注：

W—地下水K—回填物中的小空洞G—钢拱架

图6-2为明月峡隧道雷达检查施工时坍方深度及回填处理质量时探到的地下水通过坍体向隧道侵入的图像，地下水通过坍体侵入，可以清晰地看到标注为W的地下水的反射图像，其强反射及与入射波的相位（正半周—红、黄色—在前）相反（负半周—蓝、绿色—在前）为其特征。

6.2.2隧道施工时预报前方地下水现场资料采集时的注意事项

雷达天线是在隧道掌子面上滑动的，而掌子面是凹凸不平的。

雷达天线在掌子面上滑动会遇到岩石的凹凸，天线易发生跳动；或滑过岩面较宽的凹处时会出现假异常。

这是一些工作者解释资料时发生错误或无法解释的原因。

作者认为，采用板状天线作点测是最佳的方案。

板状天线还可以根据掌子面岩石的凹凸情况改变天线的位置和放置方向。

若用盆状天线，则应采用点测或缓慢地移动天线避免出现假异常。

掌子面上有有水，也是重要的干扰因素。

几个应注意的问题:

1.含水率高的粘土（如溶洞中充填的含水的泥质物等），也会出现与自由流动的水相似的异常；

2.雷达波发射有一定的张角，一般为800～900，因此有时在隧道两测墙1～2m外的地下水也会有好的反映。

资料解释时应于注意；

3.为突出相位的反向和反射波振幅，资料处理和显示的颜色十分重要，要有好的软件。

4.目前尚不能在现场实测波速，含水层距离的定量解释精度是个问题。

6.2.3实例

例一：

锦屏二级电站辅助洞进口段1km前后，雷达曾多次预报地下水，主要依据是强反射和反射波正半周（或负半周）在前，与雷达入射子波负半周（或正半周）在前相反；同时不同深度的水的反映，均沿同一组节理或小断裂。

预报得到开挖的证实。

但其中一处，在预报里程开挖后未见地下水。

可是在边墙钻孔时，钻进1～2m,孔中即有股水涌出，而反应此处的雷达时间剖面反映的强负半周的反射同相轴正好在剖面的两测。

每次探查预报约15m。

图6-3锦屏二级电站辅助洞雷达地质预报

（入射波为负半周在前）

图6-3中，椭圆圈定标示者为水的反映，色标表示为：

正半周为红色等暖色系列，负半周为兰色等冷色系列。

图6-4锦屏二级电站辅助洞雷达地质预报

（入射波为正半周在前）

图6-4中，椭圆圈定标示者为水的反映，色标表示为：

正半周为红色等暖色系列，负半周为兰色等冷色系列。

例二：

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向后为正半周在前。

预报距离约15m。

预报结果经开挖证实。

图6-5北京地铁鸟巢段掌子面前方含水砂层的雷达探查

（入射波为负半周在前）

图6-5中，椭圆圈定标示者为水的反映，色标表示为：

正半周为红色等暖色系列，负半周为兰色等冷色系列。

例三：

锦屏二级电站辅助洞出口段A洞。

选择有裂隙水地段作探查，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。

图6-6AK12+900前后左边墙雷达探水时间剖面

图6-7AK11+447掌子面雷达探水时间剖面

小结

目前雷达是地质预报的主要探水手段，由于它的探距较短，不久的将来，有可能被探距80m左右的瞬变电磁法取代。

但如果在硬件上改进，如采用相控雷达，使探距达60m以上，雷达在预报水方面仍有好的前景。

参考文献

1.钟世航《应用物探方法检测隧道衬砌质量》（见《隧道及地下工程学会第七届年会暨西单车站工程学术讨论会论文集》P355-359）北京1992年6月

2.钟世航《隧道衬砌状态检测技术进展》（见《铁路隧道及地下工程》P341-347）中国铁道出版社1993年4月

3.钟世航《186km探地雷达测线检测朔黄铁路45座隧道衬砌》（见《中国地球物理学会年刊》（2000年）P118）中国地质大学出版社2000年10月

后记

本教材各章作者为：

第一章王惠廉；第二章黄南辉；第三章钟世航与刘杰（其中第一节钟世航；第二节刘杰）；第四章钟世航；第五章杨峰；第六章钟世航。

钟世航对全文作了修改、润色和编辑。