地质雷达在隧道超前地质预报中对地下水的探测.docx
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地质雷达在隧道超前地质预报中对地下水的探测
地质雷达在隧道超前地质预报中对地下水的探测
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
DiscussionontheApplicationofGPRinGroundwater DetectionforTunnelGeologicalPrediction
ZhouWenqiu
Abstract Water-inrushisoneofthefamiliargeologicaldisastersduringtunnelconstruction.Groundwaterpredictionisthemostimportantthinginthetunnelgeologicalprediction.Withtheprogressoftunnelingtechnology,ithasputforwardhigherrequesttogeologicalforecast.Asamethodofgeophysics,GPR（GroundPenetratingRadar）hastheadvantageofhighscanspeed,simpleoperations,lightweight,highresolutionandgoodelectro-magneticshieldeffect,etc.Recently,theGPRhasalsobeenusedintunnelgeologicalprediction.Onthebasisofsummarizingtheexperienceofbothpastandpresentgenerationsofscientistsandtechnicians,theauthorputforwardsomeviewsontheapplicationofGPRingroundwaterdetection.
Keywords GPR，groundwater，geologicalprediction
0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/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
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）
0.03
0.12
0.06
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
1.24~1.36
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
3.00
2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20~25m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，θi，θr和θt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θi等于反射角θr，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，θi>θt，υ1>υ2；n<1时，θi<θt，υ1<υ2。
根据式（2.1）可知：
{n}≥0，且在一般介质中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/η1，Ht=Et/η2，η1，η2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<172，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
（Thepropagationparametersoftheelectromagneticwaveinthemedium）
介质
相对介电常数εr
电导率σ（ms.m-1）
波速v（m.ns-1）
衰减系数α（dB/m）
空气
1.0
0
0.3
0
蒸馏水
80
0.01
0.033
0
海水
81
30000
0.01
1000
淡水
81
0.5
0.033
0.1
冰
3.2
0.17
0.01
盐（干）
5~6
0.01~1
0.13
0.01~1
砂（干）
3~5
0.01
0.15
0.01
砂（湿）
20~30
0.1~1
0.06
0.03~0.3
淤泥
5~30
1~100
0.07
1~100
粘土
5~40
2~1000
0.06
1~300
粉质粘土
6
6.6
0.12
2
石灰岩
4~8
0.5~2
0.12
0.4~1
花岗岩（干）
5
10-8
0.15
0.01~1
花岗岩（湿）
7
10-3
0.1
0.01~1
玄武岩（湿）
8
10-2
0.15
0.01~1
灰岩（干）
7
10-9
0.11
0.4~1
灰岩（湿）
8
2.5×10-2
0.1
0.4~1
页岩
5~15
1~100
0.09
1~100
砂岩（湿）
6
4×10-2
土壤
2.6~40
1.4×10-4~5×10-2
0.13~0.095
20~30
混凝土
6.4
0.12
沥青
3~5
0.12~0.18
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，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,1974;J.L.Davis,1976;GA.Poe,1971;J.R.Wang,1977;E.G.巧okuetal,1977）。
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，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0～5m段为相对低幅反射波组,局部存在强反射同相轴，5～16m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0～8m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。
8～15m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8～15m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
图2.5雷达图像3
图2.5为另一地质雷达探测图像，经分析发现：
探测深度0～8m段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。
8～13m段存在多组平行和杂乱的反射波，波形杂乱、波幅变化大，电磁波能量无规律衰减。
预测在前方8～13m为裂隙发育洞段，且含有一定量裂隙水。
后经工程开挖验证，上述洞段节理发育，整段洞室成淋雨状滴水。
3结束语
地质雷达技术自进入我国以来的十多年间，已经得到了广泛的应用，并且取得了长足的发展。
其在隧道超前地质预报中对地下水探测方面的应用，对预防隧洞施工中的突（涌）水地质灾害起到了重要的作用，但是地质雷达也有其局限性。
以下是前人总结出的地质雷达法存在的3个问题：
（1）探测距离与分辨率的矛盾无法克服；
（2）多次波及其他杂波干扰严重,原始记录的信杂比低,有
效波的识别及其成果解译十分困难；
（3）所获得的被探测对象的空间信息量太少，其资料成果
的解释往往存在多解性。
上述3个问题是现行地质雷达在隧道超前预报中不能充当重要角色的根本原因，自然也成为了制约地质雷达技术向前发展的因素。
理论研究和探测实践均表明，探地雷达资料解释精度的高低，既取决于使用者对探地雷达技术的基本理论、数据采集和信号处理知识的掌握程度，又取决于使用者对多种地下目标体探地雷达图像特征和异常信号识别技术的研究程度，而且后者对探地雷达资料解释的指导作用更直接和更具体，因此，全面系统地研究典型地下目标体的雷达图像反射波组特征，对于提高探地雷达资料解释的精度和可靠性，进而不断拓展探地雷达技术应用的新领域都具有重大意义。
随着实践经验的积累和技术水平的提高，我们有理由相信地质雷达探测技术在未来将更加成熟，并势必在隧道超前预报中发挥出更加重要的作用。
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