探地雷达工作时利用发射天线将高频电磁波以脉冲形式由隧道掌子面发射至地层中, 经地层界面反射返回隧道掌子面, 由另一天线接收回波信号, 从而获得时— 距剖面, 通过对时— 距剖面进行处理、解释, 达到短距离进行超前预报的目的(图1)^[5]。

探地雷达发射的电磁波在存在介电常数差异的两种介质界面上将产生反射和折射。反射和折射符合反射定律与折射定律, 反射波能量和折射波能量的大小取决于反射系数R和折射系数T

R=ε1-ε2ε1+ε2 T=2ε1ε1+ε2

图1

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	图1 探地雷达探测原理示意

式中, ε ₁、ε ₂分别为界面上、下介质的相对介电常数。由公式可知, 当电磁波传播到存在介电常数差异的界面时, 其反射回来的电磁波能量将有所变化, 反映在雷达图像上为正、反峰异常。隧道中存在的软弱岩带、断层带、破碎带、溶洞、含水地层等地质灾害体与其围岩之间存在明显的介电常数差异^[6], 为探地雷达的应用提供了良好的地质地球物理基础。

在实际数据采集时, 为了较全面的掌握掌子面前方的地质情况, 一般要在水平和竖直方向各布置几条测线。现场中, 掌子面是凹凸不平的, 采用连续测量方式采集的数据不完整, 我们一般采取点测方式, 为便于后期的数据处理, 在现场要尽可能多地采集数据, 一般采用10 cm的点距。

雷达天线易受洞内金属和机电设施干扰, 现场采集时, 尽量把这些干扰源移除, 无法移除时要记录好干扰源类型和距掌子面的位置, 数据分析中要特别注意波形识别, 排除干扰。

完整岩体即岩体完整性较好, 不存在较大的岩性变化, 其介质一般相对均匀, 电性差异很小, 没有明显的反射界面, 能量团分布均匀; 电磁波能量衰减缓慢, 不形成较强的反射波组, 波形均匀, 其数值模拟图像如图2所示, 图2上部的强反射为雷达的直达波的信号。

图2

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	图2 完整岩石的正演模拟

溶洞为岩溶作用而产生的空洞, 其与周围的介质存在着较明显的物性差异, 尤其是溶洞内的充填物与可溶性岩层之间存在的物性差异更明显。这些充填物一般是碎石土、水和空气等, 这些介质与可溶性岩层本身由于介电常数和电磁波阻抗不同形成界面。

根据溶洞的充填特征, 建立了正演模型, 如图3所示, 空洞内充气或充水。由正演模拟结果图4、图5及公式(1)可知, 当溶洞充气时, 电磁波由介电常数大到介电常数小的介质中, 其反射系数大于零, 波形与入射波同相; 当溶洞充水时, 电磁波由介电常数小的介质传播到介电常数大的介质中, 其反射系数小于零, 波形与入射波反相。由正演模拟还可知, 当溶洞充水时, 电磁波能量衰减快, 高频部分被吸收, 且会出现一定规律的多次反射现象。

图3

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	图3 溶洞的正演模型

图4

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	图4 溶洞充气的正演模拟

图5

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	图5 溶洞充水的正演模拟

完整岩石经过构造运动会产生破碎带, 破碎带内一般充填了碎石、块石及胶结物, 根据其特点设计了正演模型, 见图6a, 模型中以水代替胶结物。由正演模拟(图6b)可知, 电磁波经过破碎带时, 界面会产生强反射, 波形杂乱, 规律性差, 同相轴不连续, 高频信号衰减迅速, 电磁波能量衰减快。

图6

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	图6 断层破碎带的正演模型(a)与正演模拟(b)

图7

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	图7 富水带的正演模型(a)与正演模拟(b)

富水带是含水量大的岩体区域, 在隧道开挖后很可能产生涌水现象。水是自然界中常见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, 当岩体含水量较大时, 介质的介电常数会明显地增大。图7a为富水带的正演模型, 通过分析正演模拟结果(图7b)可知, 电磁波在富水带界面出现强反射, 电磁波穿透富水带时会产生一定规律的多次反射, 电磁波频率由高频向低频剧烈变化, 电磁波能量快速衰减, 因水系分布连续, 反射波同相轴连续性较好, 波形均一, 从围岩到富水带为介电常数大介质向介电常数小介质传播, 表现为反射电磁波与入射电磁波相位相反。

裂隙密集带主要存在于断层影响带、岩脉带及软弱夹层中, 由于裂隙内有不同成分、不均匀的充填物, 与周边围岩形成电性差异。因此, 具备用探地雷达探测的物理条件。当裂隙含水或者充填物质为含水物时, 因其含水量高, 介电常数与围岩会产生很大的差异, 其正演模拟与富水带的正演模拟类似。当裂隙内为空气时(图8a), 其正演模拟结果(图8b)表明:电磁波在充填物与围岩界面上会产生强反射, 入射电磁波与反射电磁波相位相同, 不会出现像充含水物质那样的多次反射, 能量衰减也较充水时慢, 电磁波穿透裂隙后还能较为准确地反映深部的地质情况。

图8

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	图8 裂隙带(充气)的正演模型(a)与正演模拟(b)

在进行图9的超前探测前, 通过掌子面的炮口已出现涌水现象, 且长时间不见水量减小。综合分析图9可知:0~6 m段, 雷达波出现强反射, 以低频为主, 且出现多次反射, 表明该处围岩介电常数差异很大, 推断为富水带; 受0~6 m段的富水带强反射影响, 6~20 m段, 电磁波迅速衰减, 致使传播到6 m之后的电磁波少, 因此无法准确地反映6~20 m段的地质情况。当时建议施工单位在通过本段富水带之后再次进行探测, 以判断前方地质情况。

图9

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	图9 富水带典型雷达图像

后经施工单位反馈, 在此次探测位置的前方3 m处的掌子面位置有大量水通过超前钻探钻孔涌出, 涌水量连续几天仍未现减弱趋势, 为避免出现大面积突然涌水现象, 施工方本着“ 短进尺, 弱爆破” 的原则向前掘进。开挖结果显示在探测掌子面前方4~9 m处, 裂隙水发育, 整体含水量大。

图10显示, 掌子面前方0~1.5 m段, 岩体受爆破影响, 存在1.5 m左右的松动区; 1.5~3 m段, 以弱反射波为主, 振幅变化小, 同相轴连续, 说明该段与掌子面地质情况类似, 稳定性较好; 3~18 m段, 出现多组强反射波, 反射界面较多, 同相轴部分出现错断, 说明该段出现多组电性差异的界面, 并且较为连贯, 以此推断该段围岩节理裂隙发育, 且充填物为介电常数较大的物质, 如水等, 岩体破碎, 特别是在3~6 m段, 出现两组反射波的同相轴斜交, 推断为X节理; 在16~18 m段掌子面左侧(图中框内区域), 出现近似圆弧形强反射, 高频信号衰减迅速, 电磁波能量衰减快, 下部出现类似形状的多次反射, 推断为充水的溶洞。

图10

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	图10 裂隙带、溶洞典型雷达图像

经跟踪调查发现, 在掌子面前方4 m处, 发育有多组节理, 围岩破碎、稳定性差, 一直延伸到18 m处, 同时在16 m处掌子面一侧发现有宽2 m, 高3 m, 长为2.5 m左右的空洞存在, 洞中有2 m高的空间充填着黏土、块石和水的混合物。

图11显示, 在掌子面前方0~1.8 m段出现强反射, 为岩体受爆破影响产生的的松动区; 1.8~8 m段以弱反射为主, 表明该范围内围岩情况与掌子面类似; 8~19 m段出现强反射波, 同相轴错断, 波形杂乱, 出现散射现象, 电磁波能量衰减快且规律性差, 特别是高频成分衰减迅速, 表明岩体中电性差异界面明显, 且较多, 推测该段岩体较为破碎。

图11

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	图11 破碎带典型雷达图像

经施工单位反馈, 在探测掌子面前方3 m处出现围岩稳定性差, 节理组数明显增多的现象, 一直延伸到掌子面前方16 m处。为了避免出现大面积的岩石崩塌现象, 施工方及时更换了施工方案。