基于地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)隧道基底巖溶的應(yīng)用分析

摘要：簡(jiǎn)要介紹了地質(zhì)雷達(dá)在地下介質(zhì)中的傳播原理，分析地質(zhì)雷達(dá)在隧道基底巖溶探測(cè)的可行性，分析在隧道半空間結(jié)構(gòu)環(huán)境中，地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)的干擾源并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)總結(jié)典型干擾源雷達(dá)反射波形特征;通過工程實(shí)例及現(xiàn)場(chǎng)鉆探驗(yàn)證情況，總結(jié)地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)隧底巖溶的方法及注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：隧道基底巖溶;地質(zhì)雷達(dá)法;可行性分析;干擾信號(hào)剔除

引言

中國(guó)南方尤其是云貴川地區(qū)，普遍發(fā)育喀斯特地貌。在濕熱氣候條件下，可溶性巖石可廣泛而強(qiáng)烈地遭受地下水的溶蝕。在地下水長(zhǎng)期溶蝕作用下，巖石原有空隙逐漸擴(kuò)大，形成各種形狀和大小的洞穴^[1]。在巖溶隧道段落，隧底巖溶具有隱蔽性、動(dòng)態(tài)變化性和分布廣泛性，更是一個(gè)隱蔽于勘察設(shè)計(jì)及施工階段的棘手問題，它的存在是隧道施工及運(yùn)營(yíng)過程中極大的安全隱患。因此如何快速有效地查清巖溶的分布就顯得尤為重要。通過對(duì)比分析，針對(duì)隧底巖溶探測(cè)普查工作量較大等實(shí)際情況，選擇了地質(zhì)雷達(dá)法作為隧底巖溶的快速探測(cè)方法，對(duì)有探測(cè)異常段落輔以鉆探法綜合探查。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理及巖溶探測(cè)可行性分析

1.1地質(zhì)雷達(dá)方法簡(jiǎn)介

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，簡(jiǎn)稱GPR）方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的光譜（1MHz～1GHz）電磁技術(shù)^[2]。地質(zhì)雷達(dá)利用發(fā)射天線發(fā)射高頻寬帶電磁波脈沖，接收天線接收來(lái)自地下介質(zhì)界面的反射波。電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其路徑、電磁場(chǎng)強(qiáng)度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，因此，根據(jù)接收到的波的旅行時(shí)間（雙程走時(shí)）、幅度與波形資料，可推斷介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和形態(tài)大小。

1.2地質(zhì)雷達(dá)在介質(zhì)中的傳播公式及主要的影響參數(shù)

根據(jù)波的合成原理，任何脈沖電磁波都可以由不同的單一頻率的電磁波合成，因此，單一電磁波的傳播特征是地質(zhì)雷達(dá)的理論基礎(chǔ)。

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度可近似為^[3]：""""" （1）

式中，光速c=3×10⁸m/s;ε′為相對(duì)介電常數(shù);μ′為相對(duì)磁導(dǎo)率;ε₀為真空的介電常數(shù);μ₀為真空的磁導(dǎo)率。

由（1）式可知，電磁波在介質(zhì)中的傳播速度主要由ε′決定，與ε′成反比。

由以上論述可知，地質(zhì)雷達(dá)在地下介質(zhì)中的傳播特性主要是由雷達(dá)主頻率、介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)和導(dǎo)電率3個(gè)因素決定的。雷達(dá)主頻率和介質(zhì)導(dǎo)電率決定地質(zhì)雷達(dá)的分辨率和探測(cè)深度，而介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)則決定了電磁波在介質(zhì)中的傳播速度。

1.3 巖溶探測(cè)可行性分析

與其他波一樣，電磁波在地下介質(zhì)傳播過程中遇到不同的速度界面（不同媒介）時(shí)將產(chǎn)生反射波和透射波，雷達(dá)反射回波的強(qiáng)弱是我們分辨目標(biāo)體界面的基礎(chǔ)，而目標(biāo)體與圍巖之間的電性差異是否能導(dǎo)致有足夠的反射或散射能量被地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)所識(shí)別是地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)可行性的關(guān)鍵。電磁波在介質(zhì)分界面上的反射波能量大小取決于反射系數(shù)。

在常見的地層環(huán)境中，磁導(dǎo)率μ基本不變，介質(zhì)的電導(dǎo)率σ≈0。反射系數(shù)r可簡(jiǎn)化為下式^[3]：，""""""""""""""""""""" （2）

式中為介質(zhì)1的相對(duì)介電常數(shù);為介質(zhì)2的相對(duì)介電常數(shù);對(duì)于常見的介質(zhì)有1≤ε^‘≤81。

由（2）式可知，反射系數(shù)值介于+1和-1之間，其大小取決于反射界面相鄰兩層的相對(duì)介電常數(shù)。當(dāng)相鄰兩層的相對(duì)介電常數(shù)相等時(shí)，反射系數(shù)r為0，電磁波不會(huì)反射;相鄰兩層的相對(duì)介電常數(shù)差異越大，則反射系數(shù)r越大，雷達(dá)接收信號(hào)越強(qiáng)。從實(shí)際探測(cè)經(jīng)驗(yàn)上看，反射系數(shù)數(shù)值>0.1是比較理想的探測(cè)條件。

探測(cè)目標(biāo)—巖溶根據(jù)其充填物大致可分為含水、含空氣、含沙泥3類，其上層覆蓋物可分為巖層和泥土層，與巖溶有關(guān)的介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)見表1。

表1" 巖溶相關(guān)介質(zhì)電性參數(shù)

由表2可以看出，雖然隧道基底巖溶的具體情況是復(fù)雜多變的，它可能含水、含空氣、含泥沙巖屑，也可能是上面幾種情況的混合物。除了極個(gè)別的特殊情況外，在地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)深度范圍內(nèi)，應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)巖溶是可行的。

2 隧底地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)實(shí)例分析

2.1 云南東南地區(qū)隧道概述

云南省東南地區(qū)為典型的巖溶發(fā)育區(qū)。該地區(qū)隧道從現(xiàn)場(chǎng)開挖過程中揭示了較多的溶洞、地下暗河等，喀斯特地貌普遍發(fā)育。為查明已鋪設(shè)仰拱和填充層的隧道基底10米范圍內(nèi)巖溶的發(fā)育和分布情況，筆者應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)方法對(duì)巖溶發(fā)育區(qū)的巖溶進(jìn)行了探測(cè)調(diào)查。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)情況

隧道底部構(gòu)成基本是由素混凝土填充層和隧底圍巖組成，根據(jù)此情況，以隧道中心水溝為界，在左右隧底中線各布設(shè)一條雷達(dá)測(cè)線，對(duì)整個(gè)隧道基底進(jìn)行無(wú)遺漏探測(cè)勘察;因探測(cè)介質(zhì)較為固定，故采用100 MHz天線采集數(shù)據(jù);第一遍采集完后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行初步判識(shí)，針對(duì)有初步異常的里程段落，進(jìn)行二次加密測(cè)線、增加采集疊加次數(shù)復(fù)查，以查清隧底巖溶發(fā)育和分布情況;探測(cè)進(jìn)行時(shí)還應(yīng)詳細(xì)記錄現(xiàn)場(chǎng)鐵磁性干擾源的里程位置。

干擾信號(hào)的剔除：雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號(hào)會(huì)受到鐵磁性物質(zhì)的天然磁場(chǎng)干擾，資料解釋時(shí)應(yīng)予以剔除。如隧道中心水溝鋼板及鋼臺(tái)架的影響如下圖1。

圖1" 隧道內(nèi)鋼板及鋼臺(tái)架的類似干擾信號(hào)圖像

圖2為云南省某在建鐵路隧道中基于填充面地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)的溶洞雷達(dá)剖面，根據(jù)剖面分析，在左側(cè)隧底中線DK***+170-135段隧底深度約2.6-6.0米范圍內(nèi)存在溶洞或填充型溶洞。

圖2" 左側(cè)隧底中線DK***+170-135段100MHz天線溶洞探測(cè)剖面

圖3" 左側(cè)隧底中線DK***+155和+158鉆探芯樣

根據(jù)該異常段落，現(xiàn)場(chǎng)在+155里程處進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證，鉆探的芯樣如圖3左所示，鉆探深度為7.4m，具體如下：0.0-2.0m為柱狀砼，2.0-2.8m為弱風(fēng)化灰?guī)r，2.8-5.6m為充填型糊狀黏土，5.6-7.4m為弱風(fēng)化灰?guī)r。針對(duì)此情況，在左側(cè)隧底中線DK***+158處進(jìn)行補(bǔ)鉆，芯樣情況如圖3右所示。鉆探深度為8.0m，具體如下：0.0-2.0m為柱狀砼，2.0-2.5m為弱風(fēng)化灰?guī)r，2.5-6.1m為充填型糊狀黏土，6.1-8.0m為弱風(fēng)化灰?guī)r。鉆探驗(yàn)證結(jié)果和雷達(dá)探測(cè)結(jié)果吻合。

2.3 幾種常見的隧底巖溶在地質(zhì)雷達(dá)剖面圖上的波形特征

隧底巖溶發(fā)育段落，通常其形態(tài)各異。通過大量的探測(cè)和驗(yàn)證工作，下面就幾種常見的隧底巖溶探測(cè)情況進(jìn)行討論，闡述它們的實(shí)際形態(tài)和在雷達(dá)測(cè)線波形圖上的反映。

（1）孤立發(fā)育較好的圓形巖溶，內(nèi)部中空或半空，附近沒有伴生巖溶發(fā)育，圍巖較為完整。在地質(zhì)雷達(dá)側(cè)線剖面圖上呈理想的雙曲線弧形形態(tài)，俗稱“拱形”（圖2）。

（2）大型落水洞和巖溶通道是巖溶發(fā)育的重要部位，巖溶一般隨裂隙或?qū)用姘l(fā)育，規(guī)模大，深度深。在地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)剖面圖上也表現(xiàn)為深度深、延展廣（圖4）。

圖4" 大型溶洞雷達(dá)剖面圖

（3）巖溶的形成原因是復(fù)雜多樣的，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)多種巖溶形態(tài)伴生疊加在一起，形成復(fù)雜的巖溶形態(tài)。如何分辨這些復(fù)雜巖溶，是地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的難點(diǎn)。3 結(jié)論

（1）應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)巖溶區(qū)巖溶具有較好的理論基礎(chǔ)，工作方法快捷方便，經(jīng)濟(jì)可行。

（2）地質(zhì)雷達(dá)方法可針對(duì)地下目標(biāo)體實(shí)施大范圍的連續(xù)掃描，能提供直觀連續(xù)的剖面圖和平面圖，能有效彌補(bǔ)常規(guī)地質(zhì)調(diào)查和鉆探的不足，有利于巖溶區(qū)的治理和地基評(píng)估。

（3）使用多種頻率重復(fù)探測(cè)可以較好處理不同深度、不同大小的目標(biāo)體，并且可將不同頻率的資料相互對(duì)比印證，提高解釋的精度和可靠性。

（4）現(xiàn)場(chǎng)速度參數(shù)的標(biāo)定要充分利用鉆孔資料等現(xiàn)場(chǎng)已知資料，要將探測(cè)結(jié)果與鉆孔地質(zhì)資料結(jié)合起來(lái)綜合分析，以降低雷達(dá)探測(cè)資料的多解性。

（5）現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)工作時(shí)詳細(xì)記錄干擾源（如鐵磁性物質(zhì)、水和電線等）的里程位置，在后期資料處理時(shí)對(duì)干擾產(chǎn)生的異常予以剔除。

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