深港連接隧道皇崗至米埔（S623）段地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用分析

深港連接隧道是穿越深圳河、連接港深兩地的第一條地下通道，隧道沿線穿越香港米埔濕地自然保護(hù)區(qū)及大理巖溶洞區(qū)，發(fā)育有中強(qiáng)風(fēng)化大理巖，并伴隨發(fā)育巖溶不良地質(zhì)作用。隧道主體施工完成后，圍巖中溶蝕裂隙的發(fā)育影響著隧道支護(hù)穩(wěn)定，構(gòu)成了隧道長(zhǎng)期安全隱患。

地質(zhì)雷達(dá)以其高分辨率和高準(zhǔn)確率，快速、連續(xù)且高效的無(wú)損檢測(cè)方法廣泛應(yīng)用于隧道支護(hù)及風(fēng)險(xiǎn)病害防治中[1]-[6]。本文運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)深港皇崗至米埔（S623）段隧道沿線地層溶洞裂隙情況，探測(cè)該段大理巖巖溶裂隙發(fā)育情況，以此指導(dǎo)隧道溶洞注漿施工，加固圍巖排除溶洞隱患，為隧道安全穩(wěn)定提供有力保障。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)電磁波傳播示意圖

地質(zhì)雷達(dá)原理

地質(zhì)雷達(dá)是一種用于確定地下介質(zhì)分布情況的高頻電磁技術(shù)[6]-[9]。基于地下介質(zhì)的電性差異，地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)一個(gè)天線發(fā)射高頻電磁波，另一個(gè)天線接收地下介質(zhì)反射的電磁波，并對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理、分析、解譯[7]。

地面天線向地下發(fā)射一高頻電磁脈沖，當(dāng)其在地下傳播過(guò)程中遇到不同電性界面時(shí)，電磁波發(fā)生反射和折射，分別被接收和記錄 (圖1)。

電磁脈沖波旅行時(shí)程：

式（1）中：z 為目標(biāo)體埋深；x為發(fā)射、接收天線的距離；v為電磁波介質(zhì)中的傳播速度。

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度：

電磁波在介質(zhì)傳播過(guò)程中，當(dāng)遇到相對(duì)介電常數(shù)明顯變化的地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，電磁波將產(chǎn)生反射及透射現(xiàn)象，其反射和透射能量的分配主要與異常變化界面的電磁波反射系數(shù)有關(guān)[6]-[9]。

電磁波在介質(zhì)中的傳播速度：

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)設(shè)備及測(cè)線布置

檢測(cè)設(shè)備

檢測(cè)設(shè)備采用意大利RIS公司的K2-FASTWAVE型地質(zhì)雷達(dá)，其精度高、性能穩(wěn)定、可靠。

主要工作技術(shù)參數(shù)為100MHz屏蔽天線，時(shí)窗為150ns，每次掃描的采樣點(diǎn)數(shù)為1024，每秒鐘的掃描數(shù)為400；雷達(dá)傳播波速為0.13m/ns。

測(cè)線布置

本次檢測(cè)對(duì)隧道某巖溶段隱伏巖溶進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)目標(biāo)深度為5m，測(cè)線布置如圖2所示。因電線、水管、消防、污水及人行道阻礙，對(duì)局部探測(cè)線有微調(diào)。

如圖2所示，共布置有b～i9條測(cè)線進(jìn)行檢測(cè)：b（7點(diǎn)鐘方向）、c（8點(diǎn)鐘方向）、d（9-10點(diǎn)鐘方向）、e（11點(diǎn)鐘方向）、f（1點(diǎn)鐘方向）、g（2點(diǎn)鐘 - 3點(diǎn)鐘方向）、h（3 - 4點(diǎn)鐘方向）及i（5點(diǎn)鐘方向）。實(shí)際隧道測(cè)線布置情況如圖3所示。

隧道地質(zhì)情況

深港連接隧道深港皇崗至米埔（S623）段周?chē)鶐r為中風(fēng)化大理巖，巖石強(qiáng)度高，飽和單軸抗壓強(qiáng)度普遍在135MPa～165MPa之間，節(jié)理裂隙弱發(fā)育，圍巖完整程度為較完整～完整。

根據(jù)2015年5月5日雷達(dá)探測(cè)結(jié)果及2015年8月12日的校對(duì)驗(yàn)證可知，雷達(dá)波在該巖溶段雷達(dá)波傳播波速約為0.13m/ns，與空氣中雷達(dá)波速相差較大，溶洞具有可探性。

圖2 測(cè)線布置示意圖

圖3 隧道測(cè)線布置現(xiàn)場(chǎng)情況

檢測(cè)結(jié)果分析

探測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

此次溶洞雷達(dá)探測(cè)有效地揭露了大理巖巖體中溶洞、裂隙發(fā)育的位置，探測(cè)效果良好。波形清晰、且探測(cè)的有效深度達(dá)到了8m。

本次探測(cè)里程長(zhǎng)度200m，共收集所有測(cè)線方向上所有雷達(dá)影像110個(gè)。其中雷達(dá)測(cè)線異常區(qū)域主要集中在環(huán)隧a測(cè)線方向，相鄰b和i有少量的疑似異常。統(tǒng)計(jì)本次雷達(dá)探測(cè)異常情況如圖4所示。

圖4 隧道雷達(dá)探測(cè)異常統(tǒng)計(jì)

典型異常影像分析

圖5為深港皇崗至米埔（S623）段1116～1120環(huán)隧道a處雷達(dá)探測(cè)圖。探測(cè)有效深度為8.0m，其中3.5m～8.0m和寬度不超過(guò)10cm區(qū)域雷達(dá)波反射強(qiáng)烈，且波形紊亂，推測(cè)該段巖溶較發(fā)育，有裂隙或斷裂發(fā)育長(zhǎng)度超過(guò)探測(cè)范圍，且裂隙被黏土充填，并推測(cè)局部可能出現(xiàn)小型溶洞。

圖5 1116～1120環(huán)隧道a處雷達(dá)探測(cè)圖

圖6 1163～1161環(huán)隧道a處雷達(dá)探探測(cè)圖

圖6為1163～1161環(huán)隧道a處雷達(dá)探測(cè)圖。探測(cè)有效深度為8.0m，其中2.8m～8.0m區(qū)域雷達(dá)波反射強(qiáng)烈，且波形紊亂，推測(cè)該段巖溶較發(fā)育，且裂隙被黏土充填。在紅色圈出段溶洞深3.5m～4.0m，溶洞尺寸2.0m×0.5m。

本次雷達(dá)探測(cè)溶洞裂隙主要發(fā)育在環(huán)隧正下方的a處位置，1116～1120環(huán)和1163～1161環(huán)紅色標(biāo)識(shí)區(qū)探測(cè)為典型溶洞裂隙發(fā)育區(qū)。并建議建設(shè)單位組織施工方及時(shí)對(duì)該位置處溶洞采取了注漿加固處理措施，收到了很好的效果。

結(jié)論

通過(guò)深港連接隧道深港皇崗至米埔（S623）段大理巖巖體地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)研究，得出結(jié)論如下：

（1）地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)可以很好地運(yùn)用在隧道大理巖溶洞裂隙探測(cè)中，本次探測(cè)波形清晰，有效探測(cè)深度大于8m；

（2）當(dāng)隧道圍巖巖體總體完整性較好，節(jié)理裂隙弱發(fā)育的情況下，因雷達(dá)波在巖體和溶洞體內(nèi)存在顯著波速差，則溶洞具有很強(qiáng)的可探性；

（3）本次探測(cè)里程長(zhǎng)度200m，雷達(dá)測(cè)線異常區(qū)域主要集中在環(huán)隧a測(cè)線方向，相鄰b和i有少量的疑是異常；

（4）1116～1120環(huán)隧道a處3.5m～8.0m、寬度不超過(guò)10cm區(qū)域雷達(dá)波反射強(qiáng)烈，且波形紊亂，推測(cè)該段巖溶較發(fā)育，且裂隙充填；

（5）1 1 6 3～1 1 6 1環(huán)隧道a處中2.8 m～8.0 m區(qū)域巖溶較發(fā)育，且裂隙充填。在紅色圈出段溶洞深3.5 m～4.0 m，溶洞尺寸2.0m×0.5m；

（6）此次地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)效果明顯，有效地指導(dǎo)了隧道圍巖溶洞的注漿加固工作。