隧道超前预报GPR正演模拟与应用研究.pdf

穿越长距离、大埋深、地质条件复杂的隧道工程在开挖过程中易发生涌水、突泥和塌方等地质灾害问题,为确保隧道施工安全有序进行,采用一种分辨率高、抗干扰能力强、高效直观的探地雷达 GPR 及其正演模拟技术对掌子面前方不良地质体进行超前预报。为提高对探地雷达探测不良地质体图像特征的解译,采用时域有限差分法FDTD 模拟充水、充泥和充气溶洞模型,充水和充泥的软弱夹层模型,裂隙破碎带及断层模型下的 GPR 电磁波响应特征,并建立超前地质预报 GPR 正演模拟特征图库,为实际雷达探测图像解译提供理论基础。以常德市炉慈高速公路维新镇 2 号隧道和郴州市良回镇花岭公路隧道探测为例,结合后期开挖结果,验证了该技术可准确预测掌子面前方溶洞、富水、软弱夹层发育、裂隙和断层等不良地质体。关键词:隧道超前预报;探地雷达;正演模拟;溶洞;软弱夹层;裂隙和断层文章编号:1009-6477(2023)03-0122-08 中图分类号:U456.3 文献标识码:AForward Modeling and Application of GPR for Tunnel Advanced PredictionLI Jun(Hunan Lianzhi Technology Co.,Ltd.,Changsha 410200)Abstract:When tunnels pass through mountains with long distances,large burial depths,and complex geological conditions,geological disasters such as water inrush,mud outburst,and collapse are prone to occur during the excavation process.To ensure the safe and orderly excavation of the tunnel,accurate advance prediction of unfavorable geological bodies in front of the tunnel is carried out using a method with high resolution and strong anti-interference ability Efficient and intuitive ground penetrating radar GPR and its forward simulation technology for advanced prediction of unfavorable geological bodies in front of the palm.In order to improve the understanding of the image characteristics of poor geological bodies detected by ground penetrating radar,the finite difference time domain(FDTD)method was used to simulate water filled,mud filled and gas filled karst cave models,water filled and mud filled soft interlayer models,GPR electromagnetic wave response characteristics under fracture fracture zones and fault modes,and a GPR forward simulation feature library for advanced geological prediction was established.It provides a theoretical basis for the interpretation of actual radar detection images.Taking the detection results of Changde Luhongshan-Cili Expressway No.2 Tunnel of Weixin County and Chenzhou Hualing Highway Tunnel of Liangtian County as examples,it is verified that the technology can successfully predict the unfavorable geological bodies in front of the tunnel,such as karst caves,water rich,weak interlayer development,fractures and faults,in combined with the later excavation results.Keywords:tunnel prediction;GPR;forward modeling;karst cave;weak intercalation;fractures and faults 隧道工程作为一种特大的隐蔽工程,具有距离长、埋深深、地质条件复杂等特点,使得隧道工程施工过程中存在许多工程地质问题,常见的地质灾害有破碎带、岩溶、岩爆、突泥、涌水和塌方等,对隧道工程质量、进度和安全控制带来不利影响1-3。因此,在隧道施工过程中开展超前地质预报工作,可补充地质勘察阶段工作的不足,进一步探明不良地质体的位置和规模,提前防范和及时调整施工方案,确保隧道安全、高效施工。常用的隧道超前预报方法主要有地质调查法、超前钻探法和物探方法,而主要的物探方法包括短距离预报探地雷达法,中距离预报瞬变电磁法,长距离地震勘探法等4-10,这些方法在一定程度上均能有效排查不良地质体,探地雷达法是目前最直观、便捷、高效准确的一种物探方法,在隧道超前预报应用最为广泛。本文以常德市炉慈高速公路一座隧道和郴州市花玲公路一座隧道工程为例,采用探地雷达物探方法对隧址区岩体内部可能存在的岩溶、富水、软弱夹层、裂隙和断层等不良地质体进行探测预报。1 基本原理探地雷达 GPR(Ground Penetrating Radar)是利用介质间的电导率、介电常数等电性差异为前提,发射天线在地面以宽频带短脉冲的形式向地下发射高频电磁波,入射波在存在介电性差异的 2 种介质的分界面产生反射波,接收天线可接收记录反射波的波形、振幅及到达时间,通过分析相位、频率、振幅等相关参数来推断地下目标体的分布范围、规模、结构等特征,从而完成对掌子面前方存在不良地质体的探测。GPR 探测掌子面前方目标体示意如图 1 所示,电磁波行程方程如式(1)和式(2)所示。t=x2+4h2/V(1)V=C/r(2)式中:V 为介质中的电磁波速,m/ns,其值可根据已知埋设深度的物体标定得到,也可根据式(2)近似算出;h 为目标体埋深,m;x 为发射、接收天线之间的距离,m,其值在剖面探测中是固定的;t 为电磁波的双程走时,ns;C 为光速,C=0.3 m/ns;r 为介质的相对介电常数值。2 时域有限差分正演模拟时域有限差分法 FDTD11(Finite Difference Time 图 1 GPR 探测不良地质体示意Fig.1 Diagram of poor geological bodies detected by GPRDomain)是由 K.S.Yee 在 1996 年首次提出,以麦克斯韦方程为原型设计的波动方程方法。其原理是将 Maxwell 方程组离散化后,利用二阶精度的中心差分近似把旋度中的微分算符直接转换为差分形式,以 Yee 网格最小单元为离散单元,如图 2 所示,在进行时间离散化后,加上初始条件和吸收边界条件,在微小体积和时间内对连续电磁场进行模拟计算。图 2 FDTD 算法 Yee 三维网格Fig.2 Yee 3D grid diagram of FDTD algorithm根据探地雷达电磁波在介质中传播满足麦克斯韦方程组,在二维介质情况下麦克斯韦方程组的 TM模式旋度方程可表示为:Ezx=Hyt(3)Ezy=-Hxt(4)Hyx-Hxy=Ezt+Ez(5)式中:E 为电场强度,V/m;H 为磁场强度,A/m;为介质磁导率,H/m;为介电系数;为介质电导率,S/m;t 为时间,s。GprMax 软件是以 FDTD 为基础的探地雷达正321 第 3 期 李 君:隧道超前预报 GPR 正演模拟与应用研究演模拟工具,并以 PML 作为边界吸收条件进行探地雷达正演模拟研究12-15。2.1 正演模型的构建1)建模流程采用 FDTD 法实现探地雷达正演模拟,流程如下:(1)建立相应的背景模型;(2)植入信号源;(3)对各个目标体电磁场进行赋值;(4)进行时间和空间上的数值模拟计算。2)参数设置本文根据实际隧道掌子面情况,建立大小为 5 m4 m 的正演模拟背景模型,如图 3 所示。掌子面前方围岩相对介电常数 r=8,电导率 =0.01 S/m;空气相对介电常数 r=1,电导率=0 S/m;水的相对介电常数 r=81,电导率=2 S/m;泥的相对介电常数 r=20,电导率=0.5 S/m。植入主频信号为 100 MHz 的天线中心频率信号源,设置天线的收发距离为 0.04 m,计算步长为 0.05 m,时窗为80 ns。图 3 正演模拟背景模型Fig.3 Background model of forward simulation3)不同地质体模拟已建大量隧道开挖表明:岩溶区修筑隧道,溶洞的充填物主要有充水、充泥和充气,软弱夹层常见的有充水和充泥,还会遇到断层破碎带及裂隙带等不良地质体。为此,本文根据常见的隧道不良地质体,采用 FDTD 算法开展隧道掌子面前方可能存在的常见多种不良地质体 GPR 正演模拟分析。建模中各不良地质体模拟尺寸如下:(1)充气溶洞设置的直径为 0.8 m 的球面,顶面埋深为 0.6 m,充水软弱夹层设置的直径为 0.5 m,顶面埋深为 1.8 m;(2)充泥溶洞设置的直径为 0.8 m 的球面,顶面埋深为1.6 m;(3)充泥软弱夹层设置的大小为 2 m0.2 m,顶面埋深为 1.2 m;充水软弱夹层设置的大小为2.8 m0.2 m,顶面埋深为 1.6 m;软弱层的厚度均为 0.2 m;(4)裂隙带设置的大小为 1.5 m0.6 m,顶面埋深为 1.3 m,整个裂隙带厚度为 0.6 m,包括顶底面线性裂隙带厚度均设置为 0.1 m,中间破碎带为 0.4 m;(5)断裂处地层接触差异带设置的厚度为 0.2 m,断层错开高度为 0.2 m。2.2 模拟结果分析2.2.1 不同填充物溶洞正演模拟溶洞中充水、充泥和充气不同填充物模型的正演模拟结果如图 4 所示。从图 4 可以看出,探地雷达电磁波遇到溶洞后形成明显双曲线反射波组,双曲线的顶点为溶洞的顶面埋深位置。但当溶洞中充填物不同时,双曲线反射波组特征不同,其中,充水溶洞反射波振幅能量最强,幅值约为 1 100 v/m;充气型次之,幅值约为 700 v/m;充泥型最弱,幅值约为400 v/m,这与溶洞内填充物和周围围岩的介电常数大小有关,差异越大,发射波的能量越强;3 种溶洞类型顶底反射波内部均发育不同程度的多次波,以充气型溶洞最为显著,充水次之,充泥最少。充水溶洞底部多次波较少,且衰减较快,表明水对电磁波具有较强的吸收和屏蔽作用;充泥溶洞未见明显的多次波,主要是充泥溶洞填充物和周围围岩的介电常数差异较小,反射波不明显。(a)模型(b)FDTD 模拟二维连续剖面421公 路 交 通 技 术 第 39 卷(c)FDTD 模拟波列图图 4 溶洞不同填充物模拟结果Fig.4 Simulation results of different fillers in karst cave2.2.2 不同填充物软弱夹层正演模拟填充水和填充泥的软弱夹层模型正演模拟结果如图 5 所示。从图 5 可以看出,探地雷达电磁波遇到软弱夹层后,形成明显的层状线性反射波组,反射波同相轴连续,反射波的顶部为软弱夹层的顶面埋深位置。但当软弱夹层内充填物不同时,线性反射波组特征有所不同,其中,充水软弱夹层反射波振幅能量强,幅值约为 1 000 v/m,多次波较发育;充泥型能量较充水弱,幅值约为 400 v/m,多次波不明显。综上,充泥带和富水带软弱层在 GPR 剖面图像上均(a)模型(b)FDTD 模拟二维连续剖面(c)FDTD 模拟波列图图 5 不同填充物的软弱夹层模拟结果Fig.5 Simulation results of soft interlayer with different fillers会表现为明显的反射界面,且富水能量更强,辨识度高,充泥带随着与围岩的电性差异变化而改变,需根据情况具体分析。2.2.3 裂隙带正演模拟裂隙带模型正演模拟结果如图 6 所示。从图 6可以看出,探地雷达电磁波遇到裂隙带会形成明显的反射波组,裂隙带的顶界面反射波清晰,整体呈线性反射波组,同相轴连续,可根据双程走时推断其顶部埋深;在裂隙带内部反射波能量较弱,幅值约为300 v/m,局部同相轴杂乱。综上,整个裂隙带顶部为同相轴连续的线性反射波组,能量较强,幅值约为(a)模型(b)FDTD 模拟二维连续剖面521 第 3 期 李 君:隧道超前预报 GPR 正演模拟与应用研究(c)FDTD 模拟波列图图 6 裂隙破碎带模拟结果Fig.6 Simulation results of fracture zone700 v/m,多次波较发育,下部裂隙带为同相轴不连续反射波组,能量较弱,幅值约为 200 v/m,同时,在裂隙带端部有明显的绕射波出现。2.2.4 断层正演模拟地质断层模型正演模拟结果如图 7 所示。从图7 可以看出,探地雷达电磁波遇到不同岩性界面后形成明显层界面反射波组,反射波同相轴连续,反射波的顶部为上下层岩性的界面埋深位置。但在断层位置处反射波组出现明显的上下错动,表现为断点(a)模型(b)FDTD 模拟二维连续剖面(c)FDTD 模拟波列图图 7 断层模拟结果Fig.7 Fault simulation results附近的反射波同相轴不连续,断点两侧的同相轴连续、均一。3 探地雷达典型应用实例在实际隧道工程建设中,地质条件普遍较复杂,为确保隧道开挖过程中的施工质量和施工安全,在隧道开挖前采用探地雷达进行超前地质预报,探测掌子面前方大约 20 m 范围内是否存在如断层、裂隙、软弱夹层和溶洞等不良地质体,并结合地质调查资料(包含隧道前期地质勘察资料和隧道内实时地质素描图),做到地质调查法与探地雷达技术相结合综合解译,全面、准确预报掌子面前方的围岩级别、不良地质体位置和影响范围,为隧道开挖支护方案提供技术支持。3.1 炉慈高速公路维新镇 2 号隧道1)工程概况炉慈高速公路维新镇 2 号隧道位于湖南省常德市石门县维新镇蛇头咀与鱼儿溪村,双向 4 车道,最大埋深为 384 m。左线桩号 ZK39+875ZK42+050,全长 2 175 m;右线桩号 YK39+874YK42+045,全长 2 171 m。以左线 ZK41+421.4 m 掌子面前方探测为例,采用 SIR4000 系列探地雷达,天线的中心频率为 100 MHz,时窗大小设置为 500 ns,采集方式为点触发,点距为 0.1 m,在掌子面上布设 2 条平行往返测线,测线离开挖台阶底垂直距离约为 1.5 m,2条测线的间距一般为 0.5 m,如图 8 所示。现场测试数据处理采用 RADAN 软件进行零点校正、滤波、增益、背景场去除以及偏移,分析后得到二维剖面图像,如图 9 所示。621公 路 交 通 技 术 第 39 卷单位:mm图 8 掌子面探地雷达扫描测线布置Fig.8 Layout of GPR scanning survey line for face (a)GPR 二维连续剖面 (b)GPR 二维波列图图 9 掌子面前方 20 m 内探地雷达探测结果Fig.9 GPR detection results within 20 m in front of the face2)探测结果分析根据既有资料:炉慈高速公路维新镇 2 号隧道上方及周边无活动断裂经过,表层岩性以强风化灰岩为主,为溶洞发育地层;掌子面围岩为中风化灰岩、潮湿,伴有裂隙水渗出,围岩整体较破碎,稳定性一般。从图 9 可见,在整个掌子面前方 3 m10 m 范围内电磁波整体回波信号多,呈现中低频强反射信号,且表现为明显的双曲线反射波组,反射波同相轴连续,多次波较发育,且掌子面左侧前方约 4 m 位置顶部反射波振幅较强,底部雷达波信号衰减迅速。结合前文正演模拟和地质调查结果,综合推测该区段为溶洞发育区(1 区),洞内以充填水为主;在掌子面前方 13 m20 m 范围内电磁波整体回波信号较多,频率主要表现为中频,能量反射波组较弱,同相轴波连续,多次波发育,推断该区段(2 区)可能为受富水溶洞影响产生的电磁波震荡干扰信号,需根据实际开挖情况进一步验证。同时,推测掌子面前方20 m 围岩级别为级。经后期掘进证明了掌子面前方相应位置(约 3 m14 m)处为富水溶洞,开挖现场如图 10 所示。图 10 掌子面前方开挖现场Fig.10 Photo of excavation in front of the tunnel3.2 郴州良田镇花岭隧道1)工程概况花岭隧道位于湖南省郴州市苏仙区良田镇西侧花岭村,为小净距分离式隧道,进口端位于山谷间,植被茂密。左线桩号 ZK6+468.07 ZK6+828.07,全长 360 m,中线最大埋深 44.75 m;右线桩号 YK6+470YK6+830,全长360 m,中线最大埋深42.28 m。采用 MALA 公司生产的高动态探地雷达,天线的中心频率为 160 MHz,时窗大小为 400 ns,采集方式为点触发,点距为 0.1 m,在掌子面上布设 2 条平行往返测线,现场测线布置示意如图 8 所示。现场数据处理采用 reflexw 软件进行零点校正、滤波、增益、背景场去除以及偏移,分析后得到二维剖面图像,如图11 所示。2)探测结果分析根据既有资料,花岭隧道上方及周边无活动断裂经过,岩性以强风化碳质页岩为主;掌子面及周边围岩潮湿,伴有裂隙水渗出,围岩整体节理裂隙发育,围岩较破碎,自稳能力差,遇水易软化,开挖后易产生掉块、塌方现象。从图 11 可发现,在掌子面中部偏右侧前方 3 m8 m 范围内,电磁波整体回波信号多,呈中低频强反射信号,且表现为明显线性反射波组,反射波同相轴连续,多次波发育,局部存在反射波同相轴错断,结合前文软弱夹层正演模拟和地质调查结果,推测721 第 3 期 李 君:隧道超前预报 GPR 正演模拟与应用研究(a)GPR 二维连续剖面 (b)GPR 二维波列图图 11 掌子面前方 20 m 内探地雷达探测结果Fig.11 GPR detection results within 20 m in front of the face该区段为岩体软弱层发育区(1 区),软弱层中充填物主要为泥和水,局部存在断层(2 区)破碎带;在掌子面中部前方 9 m19 m 范围内,电磁波整体回波信号较多,频率主要表现为低频,能量反射波组较强,能量团分布不均匀,局部同相轴波连续,多次波发育,推断该区段(3 区)岩体较破碎,破碎带内可能有泥和水填充,围岩整体性和稳定性较差。同时,总结推测出掌子面前方 20 m 围岩级别为级。经后期开挖揭示,掌子面前方相应位置处岩体破碎,夹泥软弱层,且夹层的含水量较高。4 结论1)本文建立了常见的充水、充泥和充气溶洞模型,充水和充泥软弱夹层模型,裂隙带模型及断层等不良地质体模型,分析了它们的图像特征和频谱特性,为现场探测人员在实际隧道应用中准确解译探地雷达图像提供了比对分析基础。2)在地质调查和分析的基础上,以探地雷达正演模拟技术为核心进行实地超前地质预报,通过GPR 实测数据解译分析和开挖的现场情况对比验证,证明了探地雷达方法在隧道超前预报中的便捷性、准确性、直观性及有效性,对掌子面前方短距离(20 m)存在的不良地质体异常信息具有高效率、高分辨率识别优点,能够提早预报险情,能有效避免地质灾害和工程事故的发生。但对 20 m 距离以外的中长距离和高含水隧道的预报,准确度还需与其他探测设备相结合,才能更加全面准确地提供隧道超前预报结果,为隧道现场开挖提供更加科学、准确的指导。参 考 文 献References1 钱七虎.地下工程建设安全面临的挑战与对策J.岩石力学与工程学报,2012,31(10):1945-1956.QIAN Qihu.Challenges faced by underground projects construction safety and countermeasures J.Journal of Rock Mechanics and Engineering,2012,31(10):1945-1956.2 张在晨,林从谋,李家盛,等.我国公路隧道改扩建技术发展现状及研究展望J.隧道建设(中英文),2022,42(4):570-585.ZHANG Zaichen,LIN Congmou,LI Jiasheng,et al.Development status and prospect of highway tunnel rehabilitation and expansion in china J.Tunnel Construction,2022,42(4):570-585.3 王思捷,蔚小英,胡凯巽.超前帷幕注浆技术在富水黄土隧道变形控制中的应用J.湖南交通科技,2022,48(3):167-170,193.WANG Sijie,WEI Xiaoying,HU Kaixun.Application of advanced curtain grouting technology in deformation control of water rich loess tunnel J.Hunan Communication Science and Technology,2022,48(3):167-170,193.4 张攀攀.地震波法隧道地质超前预报关键技术与应用D.郑州:郑州大学,2020.ZHANG Panpan.The key technology and application of seismic wave method in advance geological prediction of tunnelD.Zhengzhou:Zhengzhou University,2020.5 温辉.基于三维超前地质预报的瓦斯隧道穿越破碎段施工技术J.铁道建筑技术,2022(9):193-197.WEN Hui.Construction technology of gas tunnel crossing broken section based on 3d advance geological forecastJ.Railway Construction Technology,2022(9):193-197.6 赵文轲,刘明伟.三维转角瞬变电磁超前地质预报探测技术在隧道中的应用J.公路交通技术,2022,38(3):118-123.ZHAO Wenke,LIU Mingwei.Application of 3D corner transient electromagnetic advanced geological prediction and detection technology in tunnels J.Technology of Highway and Transport,2022,38(3):118-123.7 史宏海,王 伟,李俊杰.TSP-SK 地震反射成像系统在隧道工程超前地质预报中的应用J.公路,2022,67821公 路 交 通 技 术 第 39 卷(1):370-374.SHI Honghai,WANG Wei,LI Junjie.Application of tsp-sk seismic reflection imaging system in advanced geological prediction of tunnel engineeringJ.Highway,2022,67(1):370-374.8 李飞.地质雷达在回填土隧道超前地质预报中的应用J.现代城市轨道交通,2022(2):65-69.LI Fei.Application of geological radar in advanced geological forecast of backfilled tunnels J.Modern Urban Transit,2022(2):65-69.9 林志,冯森,范国宇,等.地质雷达在某隧道超前地质预报中的应用J.勘察科学技术,2021(3):47-51,64.LIN Zhi,FENG Sen,FAN Guoyu,et al.Application of geological radar in advance geological forecast of a tunnelJ.Site Investigation Science and Technology,2021(3):47-51,64.10 王玉琴,高树全.综合超前地质预报技术在贵南铁路岩溶隧道中的应用J.工程地球物理学报,2021,18(4):538-546.WANG Yuqin,GAO Shuquan.Application of comprehensive geological prediction technology in karst tunnel of Guiyang-Nanning railwayJ.Chinese Journal of Engineering Geophysics,2021,18(4):538-546.11 YEE K S.Numerical solution of initial boundary value problems involving maxwells equations in isotropic mediaJ.IEEE Transaction Antennsa&Propagation,1996,14(3):302-307.12 蒋建国,刘 程,陈媛,等.地质雷达正演模拟及在断层富水带超前地质预报的应用研究J.铁道科学与工程学报,2019,16(11):2801-2808.JIANG Jianguo,LIU Cheng,CHEN Yuan,et al.Study on GPR forward modeling and its application in advanced geological prediction of fault water-rich zoneJ.Journal of Railway Science and Engineering,2019,16(11):2801-2808.13 邓飞.探地雷达隧道超前预报正演模拟及应用J.建筑技术开发,2022,49(9):93-97.DENG Fei.Forward modeling and application of gpr tunnel predictionJ.Building Technology Development,2022,49(9):93-97.14 刘成,王俊,史亚龙,等.基于 GprMax3.0 的隧道超前地质预报正演模拟与数据分析J.工程技术研究,2019,4(21):217-218.LIU Cheng,WANG Jun,SHI Yalong,et al.Forward modeling and data analysis of tunnel advance geological prediction based on GprMax3.0 J.Engineering and Technological Research,2019,4(21):217-218.15 朱自强,郭有军,刘涛影.地质雷达超前地质预报正演模拟及应用研究J.铁道科学与工程学报,2018,15(1):148-155.ZHU Ziqiang,GUO Youjun,LIU Taoying.Advance geological forecast forward modeling of geological radar and its applicationJ.Journal of Railway Science and Engineering,2018,15(1):148-155.921 第 3 期 李 君:隧道超前预报 GPR 正演模拟与应用研究