李 俊，王 杰

(天津国土资源和房屋职业学院，天津 300270；中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

一、工程及地质概况

某长隧洞引水式电站由拦河坝、进水口、溢洪道、引水隧洞、调压井、压力管道、地下厂房、开关站及尾水隧洞等主要建筑物组成，建成后将安装总容量为884MW的冲击式水轮发电机组。

工程坐落于喜马拉雅褶皱带中的“Hazara-Kashmir并合带”区域，地质构造情况十分复杂，其中引水隧洞工程区主要岩性为石英云母片岩、变质花岗岩、石英岩、大理岩、二云片岩、石墨片岩和石膏等，以中硬岩和坚硬岩为主。依据前期地质勘察成果资料，引水隧洞地下洞室稳定条件一般，推测围岩以Q2(约占20%)、Q2a(约占44%)和Q3(约占21%)类为主，其次为Q4(约占6%)和Q5(约占5%)类，少量为Q1(约占2%)和Q6类(约占2%)，部分洞段埋深大、地应力高，具备发生岩爆的条件；地温梯度变化范围较大，部分洞段存在地温异常现象。大部分洞段一般不会出现大规模涌水，主要以滴、渗水为主，部分段为线状流水，但在隧洞穿过节理发育密集段、断层及影响破碎带、过沟浅埋段或遭遇持续的强降雨时可能会出现涌水和突水现象。隧洞下游段发育有石膏和石墨片岩等软岩，预计埋深较大时，可能发生严重挤压变形，甚至极严重挤压变形。

本工程引水隧洞及支洞施工均采用钻爆法，综合考虑施工方法、工程进度、地质条件等因素，业主方委托物探方面采用探地雷达法进行超前地质预报工作。

二、方法原理及工作布置

(二)探地雷达法

1.方法原理

探地雷达法是利用发射天线在掌子面上向前以宽频带、窄脉冲的形式发射高频电磁波，当遇到介质内部分界面或异常地质体时，会发生反射并返回掌子面，被接收天线所接收并由雷达主机记录，连续采集、记录便可形成雷达测试剖面图。

由于电磁波在介质中传播时，它的传播途径、场强以及波形将随所通过介质的电磁特性及形态而变化，所以可根据反射电磁波的特征(包括波的幅度、频率、旅行时间和相位等信息)，后期分析和处理雷达图像，可确定前方目标体的结构特征、位置等。

电磁波在围岩界面上反射和透射遵循Snell定律。实际工作中发射与接收天线间距离较小，可认为其电磁场方向垂直于入射平面，并近似看作为法向入射。反射脉冲信号的强度与界面的反射系数和穿透介质的衰减系数有关，主要取决于周围介质与反射目的体的电导率和介电常数。利用所记录的双程反射时间可求得目的层的深度H。

(2-1)

式中：t为界面的反射时间(ns)；c为传播速度(约0.3m/ns)；εr为目标层前方介质相对介电常数的平均值。

本工区基岩相对介电常数多在5～15、视含水率差异而变化，泥质含量高的软岩、中软岩较大；中硬～坚硬岩相对介电常数相对较小，较完整～完整、潮湿状态下一般在9左右，当岩体破碎或裂隙发育且富含水或泥质时相对介电常数变大；流塑～软塑状粘土的相对介电常数为15～30；水的相对介电常数为81，因此具备使用探地雷达的物性前提。

2.工作布置

超前地质预报中雷达测线一般沿施工掌子面水平方向布置，有需要时可左、右侧壁布置“U”型测线；若有必要，现场可根据实际情况调整，比如在掌子面、侧壁不同高程横向或纵向增加测线。

探测工作应在掌子面施工排险完成后开始实施，和现场测量人员或地质人员确认掌子面桩号，利用皮尺和喷漆一般每隔一米做一标记，测量可从左壁开始，雷达天线中心位置对准标志位置，向右壁方向逐点移动，天线应紧贴岩壁，水平测线保持高度基本一致，采集数据时天线应保持静止，消除附近电磁干扰源，无法消除时应做好识别、记录工作。

三、基本工作流程

由于隧洞的地质情况十分复杂，超前地质预报工作又涉及施工现场数据采集、资料处理、设备管理等多个单位或部门，所以应加强统一管理以及各单位、各部门之间的沟通与协作，需要重点说明的是在施工过程中发现或利用物探手段在超前地质预报过程中探测可能有较大的异常或不良地质体时或者已经出现明显的前兆，应及时发出临近警报，补充进行必要的超前水平钻探工作，减小甚至避免严重施工地质灾害的发生，从而确保施工安全。

四、典型预报成果分析与验证

(一)探地雷达法

1.完整～较完整岩体的雷达图像

完整～较完整围岩一般情况下是相对均匀的，介电变化小，无明显反射界面，雷达图像常常表现为：电磁波传播距离长、能量衰减慢，电磁波能量分布较均匀，仅在局部可能存在强反射细亮条纹；一般波形图像较均匀，无杂乱反射，采集时自动增益梯度较小，形成低幅反射波组。

如图1所示为A工作面STA.0+563.5m掌子面雷达反射波图像，其中左侧为波列模式，右侧为点模式，由图可见反射波按一定规律缓慢衰减，振幅除前5m外总体较弱，前5m受直达波和掌子面附近岩体爆破松弛影响，图中局部存在强反射界面且不连续，其余位置不明显，整体波形图同相轴基本连续，结合掌子面情况，掌子面处岩体岩性为石英云母片岩，属中硬岩，节理裂隙较发育，局部潮湿，有渗、滴水现象，地质素描划定围岩类别为Q2a，依据雷达图像推测掌子面前方地质情况如表1。

图 1 A工作面STA.0+563.5m雷达图像

表1 超前地质预报成果表

由开挖、地质素描图等基础资料，可知563～590m段内岩体微风化～新鲜状，岩性为石英云母片岩，石英含量稍高，岩体较坚硬，裂隙稍发育，岩体完整～较完整，干燥、局部渗水，地质素描围岩类别为Q2及Q2a，与预报结果相吻合。

2.断层及断层影响带破碎～较破碎岩体的雷达图像

断层属于常见的地质构造之一，其具有很大的破坏性，一般伴随着夹泥、含水、导水、岩体破碎等，断层内所含介质的电性差异很大，且受断层影响，两侧岩体一般会发育裂隙、褶皱等，所以一般有明显的反射界面，且波幅变化范围大。探地雷达图像会形成强反射界面，反射面附近振幅明显增强且差异大，破碎带内波形杂乱，同相轴错断，常产生绕射、散射，电磁波能量衰减快且能量团分布规律性差，尤其高频信号迅速衰减，采集中自动增益梯度变化范围大。

如图2所示为B工作面STA.0+94.2m掌子面雷达反射波图像，其中左侧为波列模式，右侧为点模式，由图可见反射波波形杂乱，且衰减无一定规律，振幅较强烈，同相轴多错断、不连续，能量团分布不一，结合掌子面情况，掌子面处岩体岩性为碳质片岩，潮湿～局部渗水，地质划定围岩类别为Q5，推测掌子面前方25m范围内岩体裂隙发育，岩体破碎～较破碎，局部滴、渗水，围岩类别为Q5。

由开挖、地质素描图等基础资料，可知94～120m段内岩体岩性为炭质片岩，强风化弱风化状，裂隙发育，岩体破碎，潮湿～局部滴水，地质素描围岩类别为Q5，与预报结果相吻合。

3.含水岩体的雷达图像

在常见介质中，水的相对介电常数约为78～81，与基岩介质相比存在明显的电性差异。富水带的探地雷达图像和波形特征一般表现为：探地雷达波在含水层表面发生强振幅反射；电磁波穿透含水层时将产生一定规律的多次强反射，在富水带内产生绕射、散射现象，并掩盖对富水带内及更深范围岩体的探测；电磁波频率由高频向低频剧烈变化，脉冲周期明显增大，电磁波能量快速衰减，能量团分布不均匀，自动增益梯度很大；因含水面通常分布连续，反射波同相轴连续性较好，波形相对较均一；从基岩到含水层是高阻抗到低阻抗介质的变化，因而反射电磁波与入射电磁波相位相反。

图2 B工作面STA.0+94.2m雷达图像

雷达图像反射波波形较杂乱，同相轴连续性较差，强反射分布相对集中，振幅较强烈，结合掌子面情况，掌子面处岩体岩性为大理岩，潮湿～局部渗水，地质划定围岩类别为Q2a，推测掌子面前方地质情况如下表2。

表2 超前地质预报成果表

由开挖、地质素描图等基础资料，可知58～33m段内岩体微风化～新鲜状，岩性主要为大理岩，其中58～50m为大理岩，裂隙较发育，滴水～线状水流，围岩类别为Q2a；50～45m为大理岩，岩体较完整，干燥，地质素描围岩类别为Q2；45～33m段为大理岩夹变质石英砂岩，裂隙较发育，岩体完整性逐渐变差，局部渗水，开挖与预报结果基本吻合。

结合本工程，笔者总结了探地雷达探测成果的分析描述，具体见表3，实际探地雷达探测图像总是千变万化，把握住关键的特征进行分析一般可取得较为满意的结果，另外综合具体地质情况可大大提高解译精度。

表3 探地雷达预报成果分析描述

五、结语

在地球物理条件有利、施工干扰小的情况下，探地雷达预报成果与实际揭露地质情况基本一致，可满足科学指导设计、施工的要求，其对于保证安全、避免事故、提高效率、缩短工期、节省投资等，具有重大的经济效益和社会效益。

但是由于工程地质条件十分复杂，另外超前地质预报技术自身固有的局限性、多解性，在可能发生重大不良地质灾害的洞段，建议实施综合超前地质预报技术，即以地质调查、地质分析为基础，综合多种物探手段和超前水平钻探在实践过程中不断总结，从而提高地质预报的准确性及可靠性。