1、第七章 超前探測(cè)技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用第一節(jié) 概 述一、地質(zhì)雷達(dá)的特點(diǎn)及其應(yīng)用現(xiàn)狀地質(zhì)雷達(dá)(GroundPenetratin眠ada簡(jiǎn)稱GPR)是利用無線電波檢測(cè)地下介質(zhì)分 布和對(duì)不可見目標(biāo)體或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和位置的電磁技術(shù)。在隧道開挖過程中，經(jīng)常遇到復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，尤其是隧道穿過采空區(qū)、斷層破 碎帶、巖溶地區(qū)以及煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)地段。若事先未能探清這些不良的地質(zhì)狀況， 施工時(shí)往往會(huì)造成塌方、涌水或煤與瓦斯突出等事故。為了防止這些事故的發(fā)生，應(yīng) 用非接觸式或無損傷地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)隧道工作面前方不良地質(zhì)構(gòu)造，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)隧道工作 面前方規(guī)定范圍內(nèi)的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)總是以便為隧

2、道工程設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)和指 導(dǎo)施工，并根據(jù)超前預(yù)測(cè)的成果提出相應(yīng)的技術(shù)措施與可行性建議，從而使隧道工程 施工安全、經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。超前探測(cè)地質(zhì)雷達(dá)經(jīng)過不斷研究已發(fā)展到單點(diǎn)探測(cè)和連續(xù)實(shí)時(shí)自動(dòng)成圖，國外的 探測(cè)地質(zhì)雷達(dá)均為單脈沖雷達(dá)，其特點(diǎn)是發(fā)射信號(hào)為高壓窄脈沖，工作頻率為 501000MHz分辨率高，但設(shè)備不易滿足要求地下工程防爆要求，由于地層對(duì)電磁 波的衰減隨工作頻率的升高而增大，低頻段多用于探測(cè)衰減較大的目標(biāo)或遠(yuǎn)距離目標(biāo)， 而高頻率多用于衰減小的地層中的探測(cè)，淺部或表面探測(cè)，由于中間頻段既有較大的 探測(cè)距離又兼顧了分辯率，所以多用于普查勘探，而高頻段和低頻段儀器多用于詳查， 精查勘探或針對(duì)

3、性強(qiáng)的探測(cè)。作為一種非接觸式的無損傷探測(cè)手段，地質(zhì)雷達(dá)是利用電磁波的反射原理，對(duì)地 質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行準(zhǔn)確定位和正確的分析判斷，由于其分辯率高，無損傷，探測(cè)和數(shù)據(jù)處理 速度快，機(jī)動(dòng)靈活，操作簡(jiǎn)便，抗干擾能力強(qiáng)，可對(duì)隧道一定范圍內(nèi)進(jìn)行全方位探測(cè)， 無需鉆孔探測(cè)等輔助工程減輕了以往打鉆孔探測(cè)隧道工作面前方工程地質(zhì)和水文地質(zhì) 狀況所需人力、物力和財(cái)力，從探測(cè)時(shí)間上縮短了借用隧道開挖工作面的時(shí)間，提高 了探測(cè)工效，是一種快、好、省的超前探測(cè)方法。二、探測(cè)設(shè)備目前投入現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)的雷達(dá)多為脈沖時(shí)域類型和要有加拿大探頭及軟件公司(SSI) 的pulseEKKO系列；美國地球物理探測(cè)設(shè)備公司(GSS)的SIR系列；日本

4、應(yīng)用地 質(zhì)株式會(huì)社(OYO公司)的GEORADAR系列；瑞典地質(zhì)公司(SGAB)的RAMAC 鉆孔雷達(dá)系統(tǒng)其中工作頻率范圍 10MHz1GHz時(shí)窗為02000ns探測(cè)深度為 4080m分辯率達(dá)幾厘米，濃度符合率小于±5cm,并且只有可程序高次疊加和多波 形處理等信號(hào)恢復(fù)技術(shù)則當(dāng)前先進(jìn)的地球勘探手段之一。我國煤炭科學(xué)研究總院重慶分院針對(duì)我國煤礦井下的特點(diǎn)，在研制脈沖調(diào)制式礦 井防爆地質(zhì)雷達(dá)時(shí)，既考慮到大探距又兼顧了高分辨率，開發(fā)出了系列產(chǎn)品。尤其是 KDL-3型、KDL-4型礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)成功地應(yīng)用于具有煤與瓦斯突出地帶以及其它 地質(zhì)災(zāi)害的探測(cè)。該設(shè)備由發(fā)射天線、接收天線、發(fā)射機(jī)、接

5、收機(jī)、采樣器、筆記本 微機(jī)以及系統(tǒng)專用軟件等集成，它們的功能分別是：( 1)發(fā)射天線：是將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的高頻電磁波通過發(fā)射天線向地下定向發(fā)射電磁 波。( 2)接收天線：是將由被測(cè)目標(biāo)體反射回的電磁波由接收天線接收后輸入接收機(jī)。 ( 3)發(fā)射機(jī)：其功能是產(chǎn)生所需功率電平的高頻電磁波。( 4)接收機(jī)：其功能是接收微弱的目標(biāo)信號(hào)，并將信號(hào)放大到可以使用的電平。( 5)采樣器及筆記本微機(jī)：通過接收機(jī)放大，濾波處理后的反射波經(jīng)采樣器數(shù)字 化后由筆記本微機(jī)收集并記錄，可以方便地實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集和連續(xù)記錄。KDL-3型礦井防爆地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)距離為60m,分辨率達(dá)0.3m,該系統(tǒng)已用于國內(nèi) 15個(gè)礦務(wù)局 12座公路、

6、鐵路隧道 5個(gè)市政工程 進(jìn)行了工程地質(zhì)、煤與瓦斯突出 區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造以及隧道病害區(qū)段等有效的探測(cè)。在隧道施工過程中 使用地質(zhì)需達(dá)探測(cè)隧道工作面前方工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的賦 存狀態(tài) 代替了在工作面打鉆孔向前探測(cè) 或在鉆探難以實(shí)施 難以達(dá)到預(yù)期效果 或在不允許打鉆的情況下 采用地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)可提供探測(cè)地段大量的技術(shù)資料。 作為隧道設(shè)計(jì)、安全施工以及為采取技術(shù)措施決策、提供依據(jù)。三、隧道開挖面超前探測(cè)的主要內(nèi)容在隧道施工過程中 特別是在復(fù)雜地質(zhì)條件下 為了防止在正常施工下避免工作 面開挖出現(xiàn)不測(cè)事故(諸如出現(xiàn)斷層 破碎帶、采空區(qū)、溶洞、含水集水區(qū)、高應(yīng)力 地帶以及其它不良地質(zhì)現(xiàn)象等)。可以采用地質(zhì)雷

7、達(dá)超前探測(cè) 以便了解隧道工作面前 方的地質(zhì)狀況與水文地質(zhì)條件 預(yù)測(cè)工作面前方的工程地質(zhì) 做到有針對(duì)性的施工。 使用地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)可以預(yù)測(cè)工作面前方以下一些內(nèi)容：1斷層構(gòu)造及斷層破碎帶 2煤層、瓦斯、天然氣、硫化氫氣賦存條件及采空區(qū)狀況 3巖溶、空洞、裂隙及其規(guī)模和充填情況4地下水賦存狀態(tài)及可得突水、涌水的位置以及水量的大小； 5軟弱圍巖及不同類別圍巖的界面6其它不良地質(zhì)情況根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)可分析判斷隧道工作面前方有無以上情況或現(xiàn)象存在，從 而結(jié)合探測(cè)的結(jié)果，采取相應(yīng)的技術(shù)措施，做到有針對(duì)性的施工。四、探測(cè)原理及地質(zhì)雷達(dá)方程1探測(cè)原理地質(zhì)雷達(dá)是采用甚高頻一一超高頻電磁波檢測(cè)地下介質(zhì)的地質(zhì)特

8、征，不同巖性分 布和對(duì)不可見目標(biāo)或地下界面進(jìn)行掃描，以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁波技術(shù)。 其探測(cè)原理是高頻電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度和波形將隨所通過介 質(zhì)的電性差異及集合形態(tài)而變化。從各個(gè)不同深度返回的反射波與直達(dá)波被接收天線 所接收，經(jīng)過接收機(jī)放大、濾波等處理并經(jīng)采樣器數(shù)字化后輸入微機(jī)進(jìn)行處理，取反 射波往返路程時(shí)間之半再兼以相應(yīng)介質(zhì)的電磁波傳播速度便得出目標(biāo)距離，再通過綜 合分析判斷目標(biāo)性質(zhì)。因此，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)可以探測(cè)隧道開挖工作面前方的地質(zhì)和水 文地質(zhì)狀況。2地質(zhì)雷達(dá)方程預(yù)測(cè)目標(biāo)性質(zhì)的判定，即目標(biāo)識(shí)別技術(shù)是地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法的主要內(nèi)容，在判定 方法上，主要是根據(jù)波的形狀、

9、電壓幅值及其在橫向和縱向上的衰減變化，結(jié)合地質(zhì) 原理進(jìn)行判定。影響波形、電壓的主要因素是儀器性能、地下介質(zhì)和目標(biāo)界面特性，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)空雷達(dá)方程為:PrRG4 RQ4 R2Ar(7-1)對(duì)于偶極天線，因ArGu215且由收發(fā)天線的互易性則RtG2QU 264 3R4 f2式中：R接收機(jī)接收到的功率 WR發(fā)射機(jī)發(fā)射功率 WR天線到目標(biāo)體的距離 mAr天線有效面積 m2G天線增益 dBQ目標(biāo)體的截面積 m2入一一雷達(dá)波長(zhǎng) m f雷達(dá)中心頻率 Hz u雷達(dá)波速 m/s在（7-1）式中，第一項(xiàng)因子表示距離為R處的功率密度，它與目標(biāo)截面積Q的 乘積表示距離為R處，截面積為Q的目標(biāo)所截獲的反射能量；第

10、一個(gè)因子與第二個(gè)因 子的乘積表示從該目標(biāo)以球面擴(kuò)散形式反射到接收天線的總功率；上述三個(gè)因子的乘積則為接收天線所截獲的能量另外，從(7-2)式中還可以看出，在計(jì)算接收功率時(shí)，除了考慮到儀器性能外, 沒有考慮介面的反射特性和介質(zhì)電壓幅值的衰減，所以(7-2)式顯然不能用來描述地 質(zhì)雷達(dá)的確切的接收功率。對(duì)于空氣一般被看作是一種均一介質(zhì)，而地層是一種高損耗的非均一導(dǎo)電介質(zhì)。 這種高損耗表現(xiàn)在電磁波能量隨距高呈指數(shù)衰減，由于非均一性的介面存在，至使界 面兩側(cè)不同物理特性的介質(zhì)組合便構(gòu)成了各種各樣的界面。令V為界面功率反射系數(shù)，a為電場(chǎng)衰減系數(shù)，由于電場(chǎng)隨距離的往返衰減為e-“R,而功率又與電場(chǎng)呈平方關(guān)

11、系，因此，由7-2)式可導(dǎo)出地質(zhì)雷達(dá)方程為(7-3)RG2QU2V 4Re64 3R4f2 e五、主要影響因素1界面(目標(biāo))的電磁特性地下界面的特性直接影響著電磁波的反射，而界面特性包括電磁特性和形狀特性。 能夠反映界面電磁特性的物理量是反射系數(shù)。由于功率反射系數(shù)V電場(chǎng)強(qiáng)反射系數(shù)L是平方關(guān)系即V=L2(7-4)對(duì)于地下只有一個(gè)界面的情形，可導(dǎo)出其電場(chǎng)反射系數(shù)為L(zhǎng) Z1(7-5)Z2 乙式中：Zi第一層介質(zhì)的波阻抗 Q Z2第二層介質(zhì)的波阻抗Q而介質(zhì)的波阻抗Z(7-6)V j q式中：3角頻率(T介質(zhì)導(dǎo)電率£介電常數(shù) 卩介質(zhì)磁導(dǎo)率與地下有多個(gè)界面，求解某一界面的反射系數(shù)時(shí)要考慮到其它各

12、個(gè)界面對(duì)該界面的影響，故情況較為復(fù)雜。對(duì)于地下有三層介質(zhì)的情況則第一個(gè)界面的電場(chǎng)反射系數(shù)Li應(yīng)為(7-7)(Z2Z3XZ3Zi)(Z3Z2XZ2Zi)exp(zjk2h2 cos 2)Li(Z2Zi)(Z3Z2)(Z2Zi)(Z3Z2)exp(zjk2h2 cos 2)式中K2第二層介質(zhì)的傳播常數(shù)h2第二層介質(zhì)的厚度m9 2第二層介質(zhì)的折射角Z1、Z2、Z3分別為第一、第二、第三層介質(zhì)的波阻抗 Q從(7-6)式及(7-7)式可以看出，界面兩側(cè)介質(zhì)的波阻抗差異越大，反射越強(qiáng)。而 波阻抗的差異體現(xiàn)在電導(dǎo)率6、磁導(dǎo)率u和介電常數(shù)&的差異上。對(duì)于沉積巖一般為 非強(qiáng)磁性巖石，卩=12.57X1O

13、7H/m,其值變化不大，而變化最大的介電常數(shù)&和介質(zhì) 的電導(dǎo)率6。因此，可以認(rèn)為反射系統(tǒng)主要取決于界面兩側(cè)的介質(zhì)常數(shù)初導(dǎo)電率的差 異，如果這種差異越大，那么反射就越強(qiáng)。被測(cè)目標(biāo)的界面形狀、尺寸和產(chǎn)狀也直接影響到回波的幅值和形狀，例如處于一 種理想產(chǎn)狀的平整斷層面的波形一般比較尖細(xì)；含水裂隙帶式斷層破碎帶的波形稍寬 一些；陷落柱的波形鈍而寬緩，邊緣往往不規(guī)則。這是因?yàn)槠秸慕缑婺軌蚣蟹瓷?能量，而隔落柱則不同，它除了因外形不規(guī)則形成漫反射而產(chǎn)生時(shí)間延遲外，也往往 因其內(nèi)部不完全充填而形成反射，波形緊迭其后，反映在回波上有一定的持續(xù)寬度和 不規(guī)則。因此，可根據(jù)波形特征結(jié)合其它的處理解釋方

14、法來判別反射因素。2高頻電磁參數(shù)的影響因素地下介質(zhì)高頻電磁參數(shù)是指介電常數(shù)£、6數(shù)值的大小，一是由介質(zhì)自身性質(zhì)決 定的，二是受賦存的外部環(huán)境影響而變化的，根據(jù)國內(nèi)外多個(gè)有代表性的煤樣測(cè)試情 況來看，在雷達(dá)頻率為160Hz時(shí)，煤的相對(duì)介電常數(shù)變化不大，一般在2.33.6的范 圍內(nèi)，其中煙煤為 2.53.0；而巖層的介電常數(shù)一般為3.09.0，個(gè)別的可達(dá)40，較煤 的變化稍大些，水的介電常數(shù)為81。煤的電導(dǎo)常從1.4" 1029.09X10-4s/m,而巖石 由于自身的性質(zhì)和賦存環(huán)境的差異，其電導(dǎo)率變化較大，可從10-10-量級(jí)，石墨可 達(dá) 104106 量級(jí)。介電常數(shù)可隨工作

15、頻率的升高而降低，在超高頻段趨于穩(wěn)定；隨地層含水量的增 加而增大，但在含水量超過 5%后增加趨于緩慢，而且在高溫高壓下不發(fā)生變化，地 層對(duì)電磁波的衰減也急劇增大。導(dǎo)電率隨工作頻率升高而升高，并隨溫度升高而增大。另外地層的電導(dǎo)率還具有 各異性，如在160MHz時(shí)，沿煤層層面?zhèn)鞑サ碾妼?dǎo)率是垂直于煤層層面?zhèn)鞑サ?倍左 右。這是因?yàn)殡姶挪ㄆ叫杏趯用鎮(zhèn)鞑r(shí)可視作電阻的并聯(lián)，穿層時(shí)可視為串聯(lián)。綜上所述，地下非均一介質(zhì)由于介電常數(shù)與電導(dǎo)率的明顯差異而構(gòu)成了電磁波反 射界面，如含水層、圍巖、空洞、陷落柱、斷層面以及煤層頂?shù)装宓榷际橇己玫姆瓷?界面。第二節(jié) 探測(cè)方法應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)隧道開挖工作面前方的工程地

16、質(zhì)、水文地質(zhì)以及煤層與瓦 斯等情況的具體探測(cè)方法可根據(jù)以下原則設(shè)計(jì)。一、探測(cè)方案設(shè)計(jì)1探測(cè)點(diǎn)位的布置原則公路隧道掘進(jìn)高度有812m掘進(jìn)寬度也在1015m左右，掘進(jìn)斷面積多在100ni 左右，施工時(shí)一般要求探測(cè)隧道開挖面前方及其周邊（隧道頂部、底板及左右兩端） 10m范圍內(nèi)的地質(zhì)狀況，含水情況以及煤層與瓦斯的賦存條件，因此，探測(cè)點(diǎn)位的設(shè) 置應(yīng)遵循以下布置原則：（1）由于隧道開挖斷面高度較大，因此探測(cè)時(shí)應(yīng)在隧道斷面內(nèi)分設(shè)上、中、下三 層探測(cè)線，每層測(cè)量多少以及測(cè)點(diǎn)位置與分布，應(yīng)根據(jù)隧道密度及地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜程 度確定。（2）每一探測(cè)層間距和層內(nèi)測(cè)點(diǎn)的距離，應(yīng)根據(jù)開挖面巖性而定，一般約在24m 之間。

17、（3）為了探測(cè)隧道周邊10m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況，為此在靠近隧道邊緣的測(cè)點(diǎn)， 除了探測(cè)正前方的巖性外，還應(yīng)向外偏斜，而測(cè)點(diǎn)除了水平探測(cè)處還應(yīng)上仰、下俯、 向左偏斜和向右偏斜，以便準(zhǔn)確測(cè)定隧道前方及周邊10m范圍內(nèi)的地質(zhì)情況。（4）在滿足超前探測(cè)的前提下，為了節(jié)省探測(cè)時(shí)間、簡(jiǎn)化探測(cè)施工程序，應(yīng)根據(jù) 地質(zhì)條件的復(fù)雜程度，調(diào)整探測(cè)點(diǎn)數(shù)和點(diǎn)位，在地質(zhì)情況不太復(fù)雜的一般地段，可簡(jiǎn) 化為79個(gè)測(cè)點(diǎn)，即上層測(cè)線段13個(gè)測(cè)點(diǎn)，中、下層各設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)。地質(zhì)情況簡(jiǎn)單 時(shí)，上層只做中間的測(cè)點(diǎn)，兩邊的測(cè)點(diǎn)可省去；在地質(zhì)情況較為復(fù)雜時(shí)，須加密布點(diǎn) 探測(cè)。根據(jù)以上原則，結(jié)合隧道工作面前方的具體情況以及探測(cè)目的與要求作出具體的

18、探測(cè)設(shè)計(jì)，以便實(shí)施。2地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)的布置方式地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)布置比較靈活，根據(jù)隧道工作面前方的地質(zhì)條件，巖層的賦存狀 況以及施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況布置一些測(cè)點(diǎn)、測(cè)線或網(wǎng)格，在測(cè)線、網(wǎng)格上的點(diǎn)距可根 據(jù)工程所要求的精度選定一般為24m還可以根據(jù)具體情況和需要靈活改變。應(yīng)用地 質(zhì)雷達(dá)可在隧道開挖工作面內(nèi)的任意方向探測(cè)。對(duì)同一目標(biāo)可以改變方位角、仰角、 底角進(jìn)行探測(cè)，總之以能達(dá)到隧道周圍左右、上下 10m范圍內(nèi)的探測(cè)為準(zhǔn)。至于具體布置方式請(qǐng)參閱圖7-3實(shí)例。二、操作方式在隧道內(nèi)緊跟掘進(jìn)工作面借助高空作業(yè)臺(tái)，搭設(shè)作業(yè)平臺(tái)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況， 可分導(dǎo)布點(diǎn)，安置設(shè)備，為不使探測(cè)設(shè)備上下移動(dòng)頻繁，應(yīng)先后依次進(jìn)

19、行上、中、下 三個(gè)水平的探測(cè)工作。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)操作可分為變參數(shù)探測(cè)和固定參數(shù)探測(cè)兩種操作方式。在隧道工作 面向前方探測(cè)時(shí)可以采用變參數(shù)探測(cè)或固定參數(shù)探測(cè)，為了便于應(yīng)用波形法解釋和使 用橫向衰減對(duì)比法解釋，也可同時(shí)采用這兩種方式探測(cè)。每次地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)完成后，為了及時(shí)反饋有關(guān)探測(cè)信息，為工程技術(shù)決策提 供依據(jù)以便指導(dǎo)施工。探測(cè)資料經(jīng)處理解釋后于24h內(nèi)提交探測(cè)報(bào)告。報(bào)告中應(yīng)主要 包括有關(guān)探測(cè)隧道地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)成果表，隧道縱橫剖面圖各一張。成果表中的主 要內(nèi)容應(yīng)有探測(cè)點(diǎn)位編號(hào)、里程、探測(cè)日期、探測(cè)點(diǎn)布置方位、方向及其描述，工程 地質(zhì)特征（圍巖類別、有無溶洞、地下水、瓦斯、斷層破碎帶等及其危害程

20、度），以及 對(duì)探測(cè)中發(fā)現(xiàn)的問題提出處理措施與建議。至于圖件在一般情況下只提供隧道縱橫剖 面圖各一張即可，但在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地段應(yīng)適當(dāng)增加。以便進(jìn)一步精確控制地質(zhì)構(gòu)造 的空間形態(tài)。探測(cè)資料的地質(zhì)解釋須在認(rèn)真分析現(xiàn)有地質(zhì)資料和實(shí)際地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)與結(jié)合施 工地質(zhì)實(shí)際情況進(jìn)行，探測(cè)報(bào)告要求結(jié)論明確，定性準(zhǔn)確，同時(shí)也應(yīng)有定量評(píng)估。三、地質(zhì)構(gòu)造識(shí)別技術(shù)地質(zhì)雷達(dá)圖像的解釋基礎(chǔ)是研究電磁波的傳播特性，因此主要是通過找尋反射界 面來判斷以便得出目標(biāo)體的幾何形狀和物理特征，因而介質(zhì)的電性差異和物性差異是 使用地質(zhì)雷達(dá)判斷目標(biāo)物的形態(tài)和物性狀態(tài)的主要依據(jù)，于是有關(guān)地質(zhì)構(gòu)造是識(shí)別技 術(shù)可以應(yīng)用以下解釋方法。1地質(zhì)解釋原

21、則（1）在一定的地質(zhì)背景下，根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)波形進(jìn)行地質(zhì)解釋，即根據(jù)隧道前方的 地質(zhì)地層的分布狀況，大的地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育情況，首先解釋出地質(zhì)背景，包括地層分界 面及地層厚度，找到已知目標(biāo)，如斷層等所對(duì)應(yīng)的波形及其所代表的實(shí)際準(zhǔn)確位置， 以已知目標(biāo)所對(duì)應(yīng)的波形及其實(shí)際的位置為準(zhǔn)，然后對(duì)此其它波形進(jìn)行地質(zhì)解釋。（2）為了使圖像的解釋準(zhǔn)確，采用從已知到未知進(jìn)行對(duì)比分析，即首先對(duì)已知地 質(zhì)體如地層分界面、斷層、溶槽及其充水性進(jìn)行探測(cè)，分析其波形特點(diǎn)和規(guī)律，然后 對(duì)未知地段進(jìn)行探測(cè)和解釋，并經(jīng)過實(shí)踐認(rèn)識(shí)再實(shí)踐的反復(fù)過程，使定性判 別的準(zhǔn)確從而提高可靠程度。2地質(zhì)解釋方法采用地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)有關(guān)地質(zhì)狀況的解釋可用

22、波形解釋法、橫向衰減對(duì)比處理 解釋法和組合法。（1）波形解釋法根據(jù)地下甚高頻超高頻電磁波的反射原理，不同地質(zhì)目標(biāo)其反射回波在波形 形狀、寬度、幅度等方面都具有不同的特點(diǎn)和差異。因此，可根據(jù)波形特征解釋隧道 前方的地質(zhì)構(gòu)造及其充分性等，如平穩(wěn)的斷層面波形一般比較尖細(xì)，含水裂隙帶或斷 層破碎帶的波形稍寬，溶洞的波形鈍而寬緩，邊緣往往不規(guī)則。（2）橫向衰減對(duì)比處理解釋法根據(jù)幾何光學(xué)原理，當(dāng)電磁波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)要同時(shí)發(fā)生兩種物理 現(xiàn)象，即反射和透射，設(shè)總的發(fā)射能量為1，那么，反射系數(shù)與透射系數(shù)之和應(yīng)等于1， 即V+W=1（7-8）式中V反射系數(shù)W透射系數(shù)而反射系數(shù)和透射系數(shù)均與界面兩側(cè)介質(zhì)

23、的電性有關(guān)。(7-8)式說明，在地下傳播的雷達(dá)波，當(dāng)遇到地質(zhì)異常或地質(zhì)變化時(shí)，一部分能 量被反射，形成明顯的反射波，另一部分繼續(xù)向前傳播，形成所謂的透射波。從理論 上講透射波當(dāng)再遇到二次界面產(chǎn)生反射時(shí)，在其它條件相同的條件下，比沒有經(jīng)過一 次界面反射的探測(cè)點(diǎn)上的反射能量明顯減弱。但有時(shí)往往因該界面以上的地層變化大 而使解釋變得復(fù)雜化，特別是當(dāng)測(cè)點(diǎn)很多時(shí)，工作量極大，且檢查核對(duì)原始數(shù)據(jù)時(shí)， 頻頻翻閱原始資料，既費(fèi)時(shí)又困難。因此，解釋時(shí)還應(yīng)該關(guān)注第一目標(biāo)反射層之下所 形成反射波的特征來解釋第一反射層，即在其它條件相同的情況下，在各探測(cè)點(diǎn)上， 第一反射層之下，在相同或相近的距離上，若第一反射層的特性

24、相同，則第二反射層 的反射特征主要取決于第二個(gè)界面特性；反之若在某些測(cè)點(diǎn)上第一個(gè)反射目標(biāo)存在， 而在另一些測(cè)點(diǎn)存在，即可根據(jù)第二反射界面的特征來解釋第一反射目標(biāo)。簡(jiǎn)言之， 第一反射界面的反射主要取決于第一界面的特性，第二界面的反射與第一界面有一定 的關(guān)系，例如在第一測(cè)點(diǎn)上第一界面存在，第二界面也存在，而在第二測(cè)點(diǎn)上第一界 面不存在，第二界面存在，那么根據(jù)上式在第一測(cè)點(diǎn)上第二界面的反射波幅度應(yīng)明顯 低于第二個(gè)測(cè)點(diǎn)的幅值。在各測(cè)線的剖面上將這些時(shí)間相同或相近的各測(cè)點(diǎn)的反射法 幅值輸入到計(jì)算機(jī)在橫向上構(gòu)成長(zhǎng)長(zhǎng)的曲線，稱為衰減曲線，在衰減曲線上形成了上 下起跳的尖峰和拐點(diǎn)，構(gòu)成橫向?qū)Ρ龋鴮ふ业哪繕?biāo)層

25、應(yīng)該是時(shí)間上在先的反射波較 強(qiáng)，其后的反射波較弱的地點(diǎn)。如圖7-1所示，為目標(biāo)判別簡(jiǎn)易曲線。目標(biāo)反射時(shí)衰減曲線下一界面反射波橫向?qū)Ρ惹€圖7-1目標(biāo)判別簡(jiǎn)易曲線(3) 組合法在地質(zhì)背景較為復(fù)雜或解釋難度較大的情況下，同時(shí)使用上述兩種解釋方法，既 方便又提高準(zhǔn)確度。第三節(jié) 華鎣山隧道地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)不良地質(zhì)構(gòu)造的應(yīng)用一、隧道概況廣渝高速公路華鎣山隧道全長(zhǎng)4700m左線西起廣安天池ZK32+693.05m東至 鄰水ZK37+399m 實(shí)際長(zhǎng)度4705.95m右線西起YK32+700" 東至YK37+384m 實(shí)際長(zhǎng)度4684m,左右線間距為40m,隧道方向西口為127°，東口為

26、307°,是目 前國內(nèi)在建最長(zhǎng)的大斷面雙車道公路隧道。二、地質(zhì)構(gòu)造、地層及水文地質(zhì)條件隧道方向基本垂直地導(dǎo)走向和龍王洞大背斜軸向該背斜西翼較陡傾角為5076, 東翼較緩，傾角為3845，傾向西翼為290 310，東翼為110 130°,很明顯 地呈不對(duì)稱的背斜構(gòu)造，其構(gòu)造受北西一一南東水平擠壓力而形成，其主應(yīng)力方向?yàn)?110，在此構(gòu)造的基礎(chǔ)上所形成的一級(jí)壓性構(gòu)造形跡是不對(duì)稱的大背斜即龍王洞大 背斜，F(xiàn)1仰天窩逆斷層和F2斷層。而與背斜軸垂直的張性正斷層和與背斜軸平行的次 一級(jí)張性斷裂以及F1、F2斷層都是形成巖溶地下暗河通道的前提條件。很顯然隧道地 址內(nèi)不僅地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，相

27、應(yīng)的巖溶也相當(dāng)發(fā)育。如圖7-2所示。剖面圖圖7-2華鎣山構(gòu)造綱要圖壓性結(jié)構(gòu)面：背斜F1、F2、逆斷層、層間滑動(dòng)面（形成溶槽）扭性結(jié)構(gòu)面：不發(fā)育張性結(jié)構(gòu)面：垂直背斜的張節(jié)理裂隙；背斜形成后期；平等背斜次一級(jí)張性節(jié)理裂隙隧址內(nèi)最老的地層為志留系中統(tǒng)黃龍組（S2h）泥巖、頁巖、石炭系中統(tǒng)黃龍組 （C2H）角礫巖、白云巖。二迭系下統(tǒng)P1L）棲霞灰?guī)r，茅口灰?guī)r。二迭系中統(tǒng)龍?zhí)?組煤系地段，底部第一段含煤層，煤厚2.97m長(zhǎng)興組灰?guī)r巖溶發(fā)育。三迭系下統(tǒng)飛 仙關(guān)組（Tif）大部由灰?guī)r，泥巖組成，嘉陵江灰?guī)r巖溶發(fā)育。從巖性組成來看，背斜 西翼灰?guī)r長(zhǎng)度為1695m東翼為1895m合計(jì)3590m占隧道總長(zhǎng)度的76

28、%,由于大 部分灰?guī)r屬 IIIV 類圍巖，所以穩(wěn)定性較好是其有利的一面，不利的是灰?guī)r內(nèi)巖溶水 發(fā)育，特別是西翼構(gòu)造區(qū)占總長(zhǎng)的36%，在防治水方面需投入很大的工作。至于水文地質(zhì)方面，一般說來順巖層走向水力聯(lián)系很好，傾向方向僅限于本單元 內(nèi)部構(gòu)造裂隙以溶洞形式聯(lián)通。在F2斷層附近是隧址內(nèi)最復(fù)雜、水位最高的地段。茅 口灰?guī)r與棲霞灰?guī)r分界面既是巖溶發(fā)育段又是天然氣和硫化氫有害氣體相對(duì)富集地 段，也是施工難度最大的地段。此外隧道施工時(shí)當(dāng)穿煤時(shí)有瓦斯釋放問題，以及志留系中統(tǒng)韓家店組的高應(yīng)力區(qū)， 易造成巖爆和塌方問題。華鎣山隧道地質(zhì)條件，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶發(fā)育，龍王洞背斜兩翼均穿過龍 潭組高瓦斯突出煤層

29、，茅口灰?guī)r與棲霞灰?guī)r分界上下各50m及石炭系中統(tǒng)黃龍組賦存 有天然氣的硫化氫有害氣體，志留系中統(tǒng)韓家店組高應(yīng)力地帶易產(chǎn)生巖爆造成塌方事 故，因此隧址內(nèi)既有水、瓦斯、天然氣、硫化氫等有害氣體，又有高應(yīng)力地段的巖爆、 塌方以及油氣溢出等地質(zhì)災(zāi)害與隱患。為了施工安全，業(yè)主決定由煤炭科學(xué)研究總院 重慶分院承擔(dān)全隧道地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)工作，現(xiàn)將有關(guān)探測(cè)情況介紹如下。三、華鎣山隧道地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)點(diǎn)的布置隧道斷面形狀為曲墻拱形，隧道開挖寬度為12。4M,開挖高度為。根據(jù)工程 施工要求，在隧道前方及其周邊 進(jìn)行有關(guān)探測(cè)，因此，在正前方將要開挖的隧道應(yīng) 控制范圍為 。為此，將斷面分為三個(gè)水平放置探測(cè)點(diǎn)位。上層水平測(cè)線

30、距拱頂3.3m,測(cè)線上設(shè)三個(gè)測(cè)點(diǎn)，從左向右分別為Hi、H2和H3, H2位于隧道中線上，測(cè)點(diǎn)間距為2.5m,每個(gè)測(cè)點(diǎn)采用4個(gè)基本探測(cè)角，即水平（垂直 于開挖面）、仰角20°、仰角50°和俯角10°, Hi又向左水平偏斜20°、50°, H3 又向右水平偏斜20°、 50°，上層共計(jì)16個(gè)探測(cè)方位。中層水平測(cè)線距上層水平測(cè)線3.0m測(cè)線上設(shè)五個(gè)測(cè)點(diǎn)，從左至右分別為M1、 M2、M3、M4和M5, M3位于隧道中線上，測(cè)點(diǎn)間距為2.5m,每個(gè)測(cè)點(diǎn)采用2個(gè)基本 探測(cè)角，即水平（垂直于開挖面）和俯角10°, M1又向左水平

31、偏斜20°、50°, M5 又向右水平偏斜20° 、 50° ，上層共計(jì)14個(gè)探測(cè)方位。下層水平測(cè)線距中層水平測(cè)線4.0m距隧道底板為0.5m,測(cè)線上設(shè)五個(gè)測(cè)點(diǎn)，從 左至右分別為L(zhǎng)1、L2、L3、L4和L5, L3位于隧道中線上，測(cè)點(diǎn)間距為2.5m,每個(gè)測(cè) 點(diǎn)采用2個(gè)基本探測(cè)角，即水平（垂直于開挖面）和俯角20° M1又向左水平偏斜 20°、50°, L5又向右水平偏斜20°、50°,下層共計(jì)14個(gè)探測(cè)方位。這樣上、中、下三層共計(jì)布置44個(gè)探測(cè)方位，因而構(gòu)成了隧道前方、上方、中間、 下方三個(gè)水平縱剖面和五

32、個(gè)垂直縱剖面圖，如圖7-3 （a、b、c）所示，從而達(dá)到了未開挖隧道前方，隧道周邊10m的控制范圍OLB(24 inA四、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果從1997年 3月至1999年 10月華鎣山隧道中應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)在西口左線先后探測(cè) 37次，探測(cè)長(zhǎng)度2041.95m右線也探測(cè)37次，探測(cè)長(zhǎng)度2211m在東口左線先后探 測(cè)43次，探測(cè)長(zhǎng)度2664m左線探測(cè)39次，探測(cè)長(zhǎng)度2145m整個(gè)華鎣山隧道探測(cè)總 長(zhǎng)度累計(jì)達(dá)9366.95m現(xiàn)就幾個(gè)典型探測(cè)事例介紹如下：1. 在東口左線ZK37+187處，先后兩次出現(xiàn)特大黃泥水涌出。事故發(fā)生前用地 質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了超前探測(cè)， 根據(jù)探測(cè)結(jié)果， 當(dāng)即預(yù)報(bào)在掘進(jìn)工作面前方 21.8

33、22.3m(ZK37+186.2為溶槽，順層發(fā)育，聯(lián)通性好，溶槽內(nèi)充滿黃泥水，水來源 于北方，且壓力較大。當(dāng)隧道開挖至ZK37+187位置時(shí)，在開挖工作面下部掏槽眼爆 破后出現(xiàn)直徑0.3m的溶洞，涌出黃泥3000m3且壓力較大，用地質(zhì)雷達(dá)再次探測(cè)發(fā) 現(xiàn)其形態(tài)為上寬下窄的溶槽，建議在拱頂以上不能封堵，應(yīng)再次爆破揭開以便將泥水 排掉，第二次爆破后，又排出泥砂2500m左右，從而使開挖施工順利通過。2. 在西口右線YK34+291處為大逆斷層F1,原設(shè)計(jì)資料提供F1斷層破碎帶約寬 38m根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1斷層包括影響帶僅有67m而且?guī)r層不破 碎，因而施工時(shí)放棄了原設(shè)計(jì)過F1斷層采用管棚加強(qiáng)支撐的方案,節(jié)約了大量的資金。3. 在東口左線ZK36+06ZK36+101段用地質(zhì)雷達(dá)超前探測(cè)后預(yù)報(bào)此段在施工時(shí) 有可能產(chǎn)生巖爆。由于該地層為志留系中統(tǒng)韓家店組高應(yīng)