地質(zhì)雷達(dá)在公路隧道巖溶超前探測中的應(yīng)用

劉友 康星

摘 要：巖溶的超前探測對可溶巖地區(qū)隧道施工意義重大。地質(zhì)雷達(dá)法是一種快速高效、分辨率高、成本低的超前探測方法，非常適合于巖溶的超前探測。本文主要介紹了地質(zhì)雷達(dá)的基本原理，地質(zhì)雷達(dá)超前探測方法，以及在地質(zhì)雷達(dá)法在中冕公路小相嶺隧道施工巖溶超前探測中的應(yīng)用效果分析，以期為今后該地區(qū)類似地質(zhì)條件的隧道巖溶探測提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá);超前探測;巖溶

中圖分類號：U452.11 文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

在碳酸鹽巖等可溶巖發(fā)育的地區(qū)，巖溶是隧道建設(shè)最大的風(fēng)險源。現(xiàn)有的技術(shù)手段在地勘階段對隧道穿越地層的圍巖狀況難以作出準(zhǔn)確全面的評價。隧道掌子面前方是否發(fā)育巖溶的不確定性，一旦鉆遇巖溶，極易引起突泥、涌水、塌方等災(zāi)害，對施工安全、質(zhì)量、工期等均會造成不同程度的影響。因此，巖溶的超前探測對可溶巖發(fā)育地區(qū)的隧道施工具有十分重要的指導(dǎo)意義。

地質(zhì)雷達(dá)作為一種成熟的超前地質(zhì)預(yù)報手段，具有分辨率高、掃描速度快、圖像直觀便于解譯等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于各類不良地質(zhì)體的預(yù)報當(dāng)中[1]。近年來，地質(zhì)雷達(dá)在巖溶隧道超前探測中的應(yīng)用越來越廣泛，取得了良好的應(yīng)用效果，積累了大量的工程經(jīng)驗[2-4]。無論是填充型巖溶還是空溶腔，由于溶腔內(nèi)的物質(zhì)與周圍圍巖存在明顯的物性差異，在溶腔輪廓面處電磁波均有強烈反射，因此地質(zhì)雷達(dá)法非常適合于巖溶的超前探測。在前期中長距離物探預(yù)報的基礎(chǔ)上，通過地質(zhì)雷達(dá)法對物探異常區(qū)段進行短距離超前探測，進一步確定異常體的大小及空間展布特征，結(jié)合已開挖段落的巖性特征，對異常進行綜合判斷解譯，必要時再增加超前鉆孔，可對掌子面前方巖溶作出較為全面的預(yù)報，為隧道施工提供必要的參考信息。

本文主要介紹了地質(zhì)雷達(dá)的基本原理，地質(zhì)雷達(dá)超前探測方法，以及在中冕公路小相嶺隧道施工巖溶超前探測中的應(yīng)用效果。

1 地質(zhì)雷達(dá)的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)是一種利用高頻脈沖電磁波來探測目標(biāo)地質(zhì)體位置及展布特性的地球物理方法，其探測原理如圖1所示。由發(fā)射天線向掌子面前方發(fā)射高頻脈沖電磁波，經(jīng)地質(zhì)異常體或巖性界面等反射，再由接收天線接收反射電磁波信號，再經(jīng)后期專業(yè)軟件處理分析，即可了解掌子面前方地質(zhì)異常體的位置及展布特征。

地質(zhì)雷達(dá)法進行超前探測的先決條件是目標(biāo)地質(zhì)體（地質(zhì)異常體）與周圍圍巖存在介電常數(shù)的差異，介電常數(shù)差異越大，反射波信號越強，信噪比越高，探測效果越理想。無論是空溶腔還是填充性溶腔，溶腔內(nèi)外均存在較大的介電常數(shù)差異，當(dāng)填充物含水時，這種差異更為明顯，探測效果更好。

2 地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報工作方法

2.1 現(xiàn)場采集參數(shù)設(shè)定

地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場參數(shù)的設(shè)定直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，對后期數(shù)據(jù)處理和分析有重要的影響。結(jié)合以往工程經(jīng)驗及現(xiàn)場測試，地質(zhì)雷達(dá)現(xiàn)場采集采用美國勞雷SIR-400主機，100 MHz頻率的屏蔽天線，采樣點數(shù)1 024點/道，采樣時窗600 ns，介電常數(shù)取7，探測距離約30 m。

2.2 測線布設(shè)方式

地質(zhì)雷達(dá)法超前預(yù)報的測線布設(shè)一般采用水平方式，探測時保證天線與掌子面密貼，探測方向水平向前，宜采用點測方式，道間距約20 cm，若推測掌子面前方地質(zhì)情況復(fù)雜，可增加水平測線數(shù)量，或采用“井”字形的測線布設(shè)方式。

3 應(yīng)用實例分析

3.1 隧道概況

小相嶺隧道位于涼山彝族自治州北部喜德縣以北的喜德、越西兩縣交界的小山一帶。為二級公路，長3 426 m，屬特長公路隧道。設(shè)平行導(dǎo)洞一座，長3 383 m。據(jù)地勘資料，隧道穿越地層巖性主要為砂巖、粉砂巖、泥巖、頁巖等。隧道穿越地層下伏灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，地表巖溶不甚發(fā)育，多為溶隙、溶孔。

3.2 超前探測情況

中冕中路小相嶺隧道K20+350掌子面為震旦統(tǒng)燈影組白云質(zhì)灰?guī)r，淺灰色，厚層狀結(jié)構(gòu)，弱風(fēng)化，圍巖較完整，巖體堅硬，左側(cè)拱腰節(jié)理裂隙稍發(fā)育，少量泥質(zhì)充填，掌子面干燥。圍巖等級為Ⅲ級。其超前探測地質(zhì)雷達(dá)成果如圖2所示。

據(jù)設(shè)計文件，掌子面前方30 m巖性均為白云質(zhì)灰?guī)r，Ⅲ級圍巖。

由雷達(dá)圖像結(jié)合掌子面圍巖情況，掌子面前方2 m～7 m（K20+352～ K20+357）范圍從掌子面左側(cè)至右側(cè)有一組較為連續(xù)的反射同向軸，推測為溶蝕裂隙，右側(cè)反射能量強，有多組反射波信號，推測裂隙更為發(fā)育，且可能含裂隙水。掌子面前方11 m～18 m（K20+361～ K20+368）范圍內(nèi)反射波同相軸連續(xù)，能量強，推測為充填型溶蝕溶腔，溶腔內(nèi)部含水或泥質(zhì)，且極可能有水壓。以上兩組溶蝕通道在隧道右側(cè)界限外可能連通。

根據(jù)以上探測成果，我單位建議增加超前地質(zhì)鉆孔進一步探明掌子面前方地質(zhì)情況。我單位在掌子面中部施做超前鉆孔。鉆孔資料顯示，當(dāng)鉆至掌子面前方4.8 m（K20+354.8）時，鉆遇夾泥破碎帶。鉆至掌子面前方11.4 m（K20+361.4）時，鉆頭突進，有承壓水涌出，夾大量泥質(zhì)。以上情況基本印證了地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果。

后經(jīng)開挖驗證，掌子面2 m～7 m（K20+352～ K20+357）

為溶蝕裂隙，夾泥質(zhì)。掌子面前方11 m～18 m（K20+361～ K20+368）為溶蝕溶腔，泥質(zhì)、塊石充填，含承壓水。開挖結(jié)果與超前探測結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論與分析

（1）地質(zhì)雷達(dá)法對于巖溶超前探測有較好的效果，但地質(zhì)雷達(dá)法屬于物探方法，是一種間接探測方式，結(jié)果解譯一定要結(jié)合地質(zhì)資料，以地質(zhì)資料作為成果解譯的基礎(chǔ);

（2）地質(zhì)雷達(dá)法存在多解性，必要時要采用多種預(yù)報手段相結(jié)合的方式綜合分析，才能較為準(zhǔn)確預(yù)報掌子面前方的地質(zhì)情況;

（3）地質(zhì)雷達(dá)法對不良地質(zhì)體具體位置的探測可能存在一定誤差，這是因為地層圍巖的介電常數(shù)隨巖性變化而變化，準(zhǔn)確取值較為困難，所以地質(zhì)雷達(dá)法提供的不良地質(zhì)體的里程樁號難免存在一定偏差。

參考文獻：

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