地質(zhì)雷達(dá)在隧道巖溶構(gòu)造探測(cè)中的應(yīng)用研究

宋 偉

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

1 前 言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了大力的發(fā)展，特別是鐵路和公路的發(fā)展尤為迅速。在西南地區(qū)，由于其山區(qū)地形的特點(diǎn)，鐵路和公路的修建主要以隧道和橋梁為主，有些線路的橋隧比甚至接近90%，堪稱世界之最。然而，西南地區(qū)也是我國(guó)巖溶最為發(fā)育的地區(qū)，這使得在隧道建設(shè)的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到由于巖溶構(gòu)造而帶來(lái)的安全問(wèn)題，小則影響施工進(jìn)度，大則造成財(cái)產(chǎn)損失和傷亡事故，而且近些年巖溶構(gòu)造造成的安全事故也越來(lái)越多。因此，如何查清掌子面前方巖溶構(gòu)造類型、構(gòu)造規(guī)模、空間位置及充水充泥情況等信息，以便施工前制定有針對(duì)性的施工方案和安全措施，成為了保障隧道安全掘進(jìn)的關(guān)鍵因素。

地質(zhì)雷達(dá)(Ground penetrating radar，簡(jiǎn)稱GRP)是一種利用高頻電磁波探測(cè)異常構(gòu)造的方法，其具有分辨率高、施工效率高、抗干擾能力強(qiáng)且無(wú)損的優(yōu)點(diǎn)，自從上世紀(jì)70年代被引進(jìn)國(guó)內(nèi)以來(lái)，在工程檢測(cè)及隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展，并取得了不錯(cuò)的效果。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也自主開發(fā)出了多款地質(zhì)雷達(dá)儀器。在分析巖溶構(gòu)造成因和研究各種巖溶構(gòu)造的形態(tài)和電性特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)原理推導(dǎo)其電磁波反應(yīng)特征，并將其應(yīng)用于西南地區(qū)某隧道巖溶構(gòu)造探測(cè)中，分析探測(cè)效果，這對(duì)地質(zhì)雷達(dá)方法在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

2 巖溶構(gòu)造特征

地下水和地表水對(duì)可溶性巖石的破壞和改造作用稱之為巖溶作用，這種作用及其所產(chǎn)生的地貌現(xiàn)象和水文地質(zhì)現(xiàn)象的總稱叫做巖溶。我國(guó)西南、華南、華東、華北、西藏以及新疆等地區(qū)，都廣泛分布有可溶性的碳酸鹽巖。尤其在川、黔、滇、桂、湘、鄂等省區(qū)，碳酸鹽巖呈連續(xù)分布，面積達(dá)到了5×105km2之多，是我國(guó)主要的巖溶區(qū)。

地下巖溶形成的機(jī)理有很多，有地下水的溶蝕和沉淀、地下洞穴高壓空氣的沖爆和低壓空氣的吸蝕，地下水的機(jī)械潛蝕、沖蝕與堆積，地下洞穴的重力崩塌、坍塌與堆積等，其中以地下水的溶蝕作用為主。地下巖溶構(gòu)造主要以巖溶裂隙和巖溶空洞為主，空洞不斷擴(kuò)大和相互連通則會(huì)形成暗河。其中，溶洞對(duì)隧道安全掘進(jìn)的威脅最大，也是地下巖溶構(gòu)造中最為普遍的一種存在形式。

據(jù)研究資料顯示，碳酸鹽巖的電導(dǎo)率較小，干燥狀態(tài)下為1×10-9S/m，潮濕狀態(tài)下為2.5×10-2S/m，其相對(duì)介電常數(shù)在7～8之間；空氣的電導(dǎo)率為0 S/m，相對(duì)介電常數(shù)為1，均為自然界中最小值；而一般水的電導(dǎo)率為4 S/m，相對(duì)介電常數(shù)為81，均比碳酸鹽巖大得多。因此，無(wú)論是空溶洞還是充水溶洞，在溶洞邊界上都形成一個(gè)電導(dǎo)率和介電常數(shù)存在較大差異的分界面。電導(dǎo)率和介電常數(shù)的差異能較好的體現(xiàn)電磁波的反應(yīng)特征上，這是電磁波類方法探測(cè)溶洞的地球物理前提。

3 地質(zhì)雷達(dá)原理

地質(zhì)雷達(dá)采用的是時(shí)間域脈沖雷達(dá)，將寬頻帶的高頻脈沖電磁波發(fā)射到地下介質(zhì)中，通過(guò)接受反射信號(hào)達(dá)到探測(cè)地下目標(biāo)的目的，雷達(dá)系統(tǒng)向被探測(cè)物發(fā)射電磁波脈沖，電磁脈沖穿過(guò)介質(zhì)表面，碰到目標(biāo)物或不同介質(zhì)的界面而被反射回來(lái)，根據(jù)電磁波的雙程走時(shí)，就可以分析確定探測(cè)目標(biāo)的形態(tài)及結(jié)構(gòu)特性。

電磁在傳播過(guò)程中，主要存在波速和能量的變化。當(dāng)其在電導(dǎo)率和介電常數(shù)較小的空氣中傳播時(shí)，波速最大，能量衰減最慢；當(dāng)其在電導(dǎo)率和介電常數(shù)較大水中傳播時(shí)，波速最小，能量衰減最快；在灰?guī)r中的傳播特性則介于二者之間。因此，在電磁波到達(dá)溶洞第一界面時(shí)，會(huì)有一部分電磁波反射回來(lái)，另一部分電磁波繼續(xù)傳播并到達(dá)第二界面，并在第二界面又反射回一部分電磁波。由于在空氣中電磁波能量衰減較慢，水中電磁波能量衰減較快，因此空氣填充溶洞第二界面反射電磁波能量也較強(qiáng)，而水填充溶洞第二界面反射電磁波能量則很微軟，甚至接收不到第二界面的反射波。通過(guò)以上特性，就可以通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)準(zhǔn)確的探測(cè)隧道前方的溶洞。

4 應(yīng)用實(shí)例

為分析地質(zhì)雷達(dá)的實(shí)際探測(cè)效果，將應(yīng)用于云南南扎隧道巖溶構(gòu)造探測(cè)工作中。選取D3K320+040里程處的探測(cè)實(shí)例進(jìn)行分析。該隧道主體為灰白色白云巖，巖體較完整，局部裂隙發(fā)育，節(jié)理不發(fā)育，無(wú)填充，局部弱風(fēng)化，呈灰白色碎屑，少量碎屑中含泥沙；隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀。隧道頂板、側(cè)幫淋水較嚴(yán)重，掌子面涌水量較大，底板大量積水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)條件，在掌子面布置4條測(cè)線。其中，測(cè)線1距掌子面底板高0.8 m，測(cè)線從左至右長(zhǎng)7 m；測(cè)線2距掌子面拱頂1.7 m，測(cè)線從左至右長(zhǎng)5 m；測(cè)線3距掌子面左線1.2 m，測(cè)線從底部往上長(zhǎng)4 m；測(cè)線4距掌子面右線1.2 m，測(cè)線從底部往上長(zhǎng)4 m。

選取測(cè)線1和測(cè)線2探測(cè)成果進(jìn)行分析，如圖1、2所示。從測(cè)線1成果圖中可以看出在測(cè)線中部2.5 m至4.5 m段清晰可見兩次反射波界面，第一次反射界面位于掌子面前方10 m處，第二次反射波界面位于掌子面前方18.5 m處，且第二次反射波能量較強(qiáng)。在測(cè)線2成果圖中同樣可以看到在測(cè)線中部1.5～3.5 m段存在兩次反射波界面，第一次反射波界面位于掌子面前方11 m處，第二次反射波界面位于掌子面前方19 m處，且第二次反射波能量也較強(qiáng)。因此可以推斷在掌子面中部前方10～19 m范圍存在一處橫向大小為2 m的溶洞，且不含水。后經(jīng)在向前掘進(jìn)過(guò)程中揭露了該溶洞，溶洞位置和大小與推測(cè)結(jié)果相差無(wú)幾，并且內(nèi)部無(wú)水。

圖1 測(cè)線1探測(cè)成果圖

圖2 測(cè)線2探測(cè)成果圖

5 結(jié) 論

通過(guò)分析巖溶構(gòu)造的形成機(jī)理和形態(tài)特點(diǎn)，指出了巖溶裂隙和巖溶空洞為最主要的兩種巖溶構(gòu)造，并確定了溶洞為影響巖溶地區(qū)隧道安全掘進(jìn)的主要影響因素。隨后又分析了溶洞巖土及溶洞內(nèi)填充物的地電特性，得出了溶洞內(nèi)外存在明顯的電磁波界面，具有地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的地球物理前提的結(jié)論。并且經(jīng)過(guò)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)空氣填充溶洞第二界面反射電磁波能量較水填充溶洞強(qiáng)，找到了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)過(guò)程中區(qū)分不同填充類型溶洞的關(guān)鍵特征。隨后將地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用于云南南扎隧道的探測(cè)中，探測(cè)成果很好的反映出了掌子面前方的溶洞形態(tài)，通過(guò)分析確定了其大小和位置以及填充類型。并且探測(cè)結(jié)果與后續(xù)隧道掘進(jìn)揭露結(jié)果一致，該實(shí)例進(jìn)一步證明了地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)巖溶構(gòu)造的有效性。