探地雷达在隧道超前预报的应用

探地雷达在隧道超前预报的应用刘晓舟2，孙乔1，刘鹏1，白慧仁1（1.辽宁省复杂结构系统灾害预测与防治实验室，大连，中国2.冻土工程寒区旱区环境国家重点实验室，中国科学院，兰州，中国）摘要：水工结构隧道前岩工作区的超前预报，不仅可以保证结构单元的稳定，而且还可以节省人力、财力、物力。探地雷达，英文缩写GPR，由于操作简单、快速、无损、精确等优点而受到广泛应用。本文中，将简单介绍探地雷达在水工隧道施工中的基本工作原理和运用。关键词：探地雷达；电特性；无损测试；超前地质预报Ⅰ.引言现今，中国水利基础设施发展迅速，建造了许多隧道。然而在以往的隧道项目中，没有有效的方法对前岩隧道的地质情况进行超前预报。1990年，国内引进GPR技术，同时GPR技术在国内外得到飞速发展，GPR技术在越来越多的工程检测项目中得到应用，GPR检测的优点逐渐得到认可。在本文中，将讨论在水工隧道超前预报中GPR检测的使用方法和经验，以此促进GPR技术在中国的应用。II.GPR工作原理简介：探地雷达是在近些年得到发展和应用的技术，其通过向介质发射宽频和低频电子脉冲进行无损检测。宽带高频电磁波发射到地表以下后，当遇到不同介电常数的介质时，在该介质的表面会发生反射、传播、折射，并将反射后的电磁波信号传输到地表。两种介质的介电常数相差越大，电磁波反射的能量就越强，雷达天线接收到的反射回来的信号也就越强。反射回去的电磁继续移动，可以被雷达主机通过信号处理技术形成整个截面的扫描图进行准确记录，以此确定地下目标的实际结构情况。示意图如图1所示。图1GPR工作原理图III.导电介质的特性对于GPR检测来说，介质的导电特性非常重要，介电常数ε和电导率μ是最重要的两个指标。前者影响电磁波的探测深度，在电导率一定的情况下，后者影响电磁波在介质中传播的速度。所谓电性分界面就是电磁波在介质中传播的界面。地质体不同，导电性也不同。所以，在不同导电介质的交界面上就会有反射的电磁波。图2电磁波在不同介质中的反射电导率的定义及影响：电导率是表征介质传导电流能力的物理量（或者是电荷在介质中流动的难易程度），电导率决定了电磁波在在介质中传播的深度。例如，电荷在金属板和水中移动更容易移动，所以金属板和水的电导率就高；电荷在岩石和干燥的土中不能自由移动，所以其电导率就低。雷达波在介质中的探测深度与介质的电导率有关，探测深度和电导率成反比（金属的穿透深度为0）。探测深度与电导率的关系如图3所示。另外，对于土壤和其他介质，电导率与土壤含水率的关系如图4所示。图3探测深度与电导率的关系图4电导率与土壤含水率的关系III.介电常数的定义及影响介电常数决定电磁波在两个不同介质中的传播速度（指在两个介质接触面间），也决定了电磁波在介质中的覆盖区域。因此，对于地质勘探，水分对这两个参数的影响显著。表格1中，列举了一些常见介质的介电常数、导电性和电磁波的传播速度。介质导电性s/m介电常数电磁波传播速度m/μs空气01300干燥白土0.1-12-6212-122湿粘土0.1-15-40134-47干混凝土0.001-0.014-40150-47湿混凝土0.01-0.110-2095-67淡水10-6-0.018133淡水冰10-4-10-34150干挂花岗岩10-8-10-65134湿花岗岩0.001-0.017113干燥石灰石10-8-10-67113湿石灰石0.01-0.18106永久冻土10-5-0.014-8150-106干盐晶10-4-0.014-7150-113干砂10-7-0.0012-6212-122湿砂0.001-0.0110-3095-54干砂岩10-6-10-52-5212-134湿砂岩10-4-0.015-10134-95海水1008133海冰0.01-0.14-8150-106干燥页岩0.001-0.014-9150-100饱和页岩0.001-0.19-16100-75干燥粘性土0.01-0.14-10150-95湿粘性土0.001-110-3095-54干砂质土10-4-0.014-10150-95湿砂质土0.01-0.110-3095-54V.GPR在超前预报中的应用在水工隧道施工过程中，由于前面的地质条件未知，施工过程经常发生如滑坡、泥石流、大量水渗入等地质灾害。为了寻找一个简单实用的方法对隧道前面未知的地质情况进行预报，国内外的建筑部门都做出了很大努力。目前，流行的隧道超前预报方法包括GPR预测、TSP地质超前预报技术、水平钻井预测和地质素描。这些方法都有各自的优缺点，本文只分析应用GPR技术进行的超前预报。首先，分析在超前预报中探地雷达天线的测线布局。根据开挖覆盖范围的不同，隧道测线布置分为以下四种：全断面开挖法台阶开挖法环形开挖留核心土法双侧壁导坑法图5液压隧道地质预报的测线布局水库的水工隧道穿越的地形起伏不平，高差在1000到2000米，隧道的中轴线要穿过由白云石灰岩构成的奥陶纪石灰岩喀斯特地貌。根据勘测数据显示，沿着隧道中轴线有至少55个溶洞，最大的溶洞长度有89.5米，最小的长度有1.3米，其他溶洞长度为15-30米，溶洞内充满红粘土和泥沙，部分溶洞有大量水涌出现象，也有少量溶洞是干燥的。由于在穿过隧道中轴线的地区有5个溶洞发生大规模断裂，，因此施工异常困难。由建设部门委托，使用由瑞典MALA地质公司生产的RAMAC/GPRCUII型探地雷达，该雷达可以使用500MHz屏蔽式天线进行连续数据采集。雷达的采样频率为1113MHz，采样点数为850点，偶极子天线间距为0.5米，数据量扩大了128倍，使用键盘触发点测试模式，采样间隔为0.1m。现场采样如图6所示。由于使用了100MHz屏蔽式天线，GPR进行隧道超前预报的抗干扰能力得到提高。图6GPR超前预报采样现场该隧道前方围岩地质情况良好，分块结构链接稳定，但涌水现象严重，超前预测要更加注意结构的连接稳定性，应用GPR探测和钻井探测进行超前预报。采用台阶开挖法施工时，要在隧道洞门要设置两条测线，测线的雷达影像如图7所示（a）测线1的雷达影像（b）测线2的雷达影像图7GPR影像从图7(a)中可以看出，在50~250ns范围内存在两个频率低、振幅高的连续相位轴带和许多强反射波，初步判定这些波来自断裂带；在120ns处，在图7（a）中的红色圆圈内，存在一个被强反射波分离的不连续的圆弧轴带，在深色位置存在许多反射波。同时，在钻孔后发现该位置是一个溶洞的顶部，初步判定此位置为溶洞。从图7(b)中可以看出，在70~100ns范围内存在一个振幅低、振幅高的不连续的单个圆弧反射轴带和许多强反射波，，覆盖了深层岩石的有效信号，图（b）的红色圆圈内显示，初步判断这是一个含有大量水和淤泥的溶洞。在测线1处钻孔后发现这是一个溶洞的中间位置，这个溶洞从隧道左下方一直延伸到正下方。通过在特地区开挖的这条隧道上方调查发现，在隧道下方10m处存在一个巨大的喀斯特地貌，如图8所示是通过设计院钻探确认后的地貌情况。图8仰拱检测的雷达影像最终，通过GPR检测技术进行的超前预报得到的隧道地质情况判定见图表2表2GPR影响及波形特征地质体波形频率分布波形频率变化范围连续性相似性波形振幅强度完整岩石均匀小范围连续同波形低振幅断层压碎区不均匀变化迅速，无规律不连续杂乱波形高振幅脉状压碎区不均匀变化迅速，无规律不连续杂乱波形高振幅断裂带不均匀变化迅速，无规律间断杂乱波形高振幅喀斯特含水区不均匀变化迅速，有规律连续同波形多倍高振幅岩性改变区不均匀有规律连续同波形高振幅喀斯特地貌不均匀变化迅速，无规律连续，无规律杂乱波形多倍高振幅VI.结论GPR是目前最快速、最有效、最经济的高科技检测记住，广泛地应用于各个领域。实践表明，应用GPR进行隧道超前预报效率高，通过GPR的雷达影像，我们可以准确判断隧道前方的地质情况。随着GPR技术的发展，GPR在工程领域里将会有一个光明的前景。鸣谢特别鸣谢：中国国家自然科学基金会（拨款编号：50809007）对本项目的赞助支持，项目批准号是50809007，辽宁省高等教育科研所的批准号是2008023，SKLFSE200907，SKLFSE200907参考文献：[1]KitamuraA.Technicaldevelopmentfortheseikantunnel[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,1986,11(3/4):341–349.[2]FariasMM,HenriqueA.DisplacementcontrolintunnelsexcavatedbytheNATM:3Dnumericalsimulations[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology,2004,19:283–293.[3]RawlingsCG,SimicM.HvalfjördurIceland’sfirsttunnelbuiltunderthesea[J].TunnelsandTunnelling,1996,10:16-18.[4]JosephAH,FreshfieldsH.Controloftunnelingcontracts[J].TunnelsandTunnelling1992,9:47-49.[5]刘忠刚，陈宁胜，高汉超.探地雷达在分析滑坡的滑动面上的应用[J]2005年研讨会的技术和探地雷达在工程检测中的应用,2005：（LiuZhonggang,ChenNingsheng,GaoYanchao.TheApplicationsofGPRintheanalysisoflandslideslipsurface[J].The2005symposiumofthetechnologyandapplicationofGPRinengineeringdetection,2005.(inChinese)）[6]韩济民，杨凤，王永亮，刘涛.探地雷达在库尔勒水库坝体的检测和应用[J]2005年研讨会的技术和探地雷达在工程检测中的应用,2005：(HanJimin,YangFeng,WangYongliang,LiuTao.ThedetectionandapplicationofGPRinKorlareservoirwall[J].The2005symposiumofthetechnologyandapplicationofGPRinengineeringdetection,2005.(inChinese))[7]李大新.探地雷达的应用技术[M].北京地质出版社，1994(LiDaxin.ApplicationandmethodofGPR[M].BeijingGeologicalPress,1994.(inChinese))[8]苏毅，黄春丽，雷文泰.探地雷达的理论和应用[M].科学出版社，2006:(SuYi,HuangChunlin,LeiWentai.TheoryandapplicationofGPR[M].SciencePress,2006.(inChinese))