地質(zhì)雷達(dá)法在巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

（西安長大公路工程檢測中心，陜西 西安 710061）

一、前言

貴州地處我國西南腹地，屬云貴高原的一部分，石灰?guī)r等可溶性巖石地層大面積分布，巖層溶蝕現(xiàn)象十分普遍。隨著近年貴州省基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的長足發(fā)展，大量的公路、鐵路隧道施工需要穿越可溶性巖石地層，巖溶作用形成的溶洞是隧道開挖過程中最常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，隧道工程穿越巖溶地層具有危害大、預(yù)防難的特點(diǎn)，輕則對生態(tài)環(huán)境造成影響，重則引起災(zāi)難性事故。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作具有重要作用，隧道開挖前，通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，可獲知開挖面前方不良地質(zhì)體、不良地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育情況，指導(dǎo)施工順利進(jìn)行，為施工安全提供保障。本文通過對貴州某在建高速公路可溶性巖石隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，討論地質(zhì)雷達(dá)在可溶性巖石隧道中預(yù)報(bào)隱伏溶洞的實(shí)際應(yīng)用。

二、地質(zhì)雷達(dá)基本原理及數(shù)據(jù)處理

（一）基本原理

地質(zhì)雷達(dá)(Ground Penetrating Radar，簡稱：“GPR”)是一種廣泛運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中的地質(zhì)測量技術(shù)，它通過發(fā)射不同頻率的電磁波并接收其反射回波，通過對反射回波的時(shí)間和信號的強(qiáng)弱來推測地下地質(zhì)體的分布及變化情況，工作原理如圖1所示。當(dāng)發(fā)出的高頻電磁波在介質(zhì)中傳播，遇到具有電性差異的介質(zhì)交界面或地質(zhì)異常體時(shí)，電磁波發(fā)生折射和反射，通過接收反射信號到達(dá)雷達(dá)天線的時(shí)間和信號強(qiáng)弱以及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理與分析后，推測地下介質(zhì)或不良地質(zhì)體的分布與變化情況。在隧道短距離超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中，地質(zhì)雷達(dá)具有體積小、集成度高、操作方便、測量時(shí)間短、預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，它對山嶺隧道施工中遇到的溶洞、構(gòu)造破碎帶、節(jié)理密集帶、軟弱夾層以及巖層地下水發(fā)育情況等地質(zhì)問題都具有良好的預(yù)報(bào)作用。

圖1.雷達(dá)工作原理及其基本組成

（二）數(shù)據(jù)處理及其目的

雷達(dá)反射波一般以脈沖波形形式記錄，由于介質(zhì)的不均勻性及介質(zhì)的介電常數(shù)差異，電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)能量會出現(xiàn)不同程度的衰減和受其他信號干擾，造成反射波形與原始發(fā)射波形有明顯的差異，影響實(shí)測數(shù)據(jù)。為了提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需適當(dāng)處理原始數(shù)據(jù)，壓制干擾信號，改善其信噪比，進(jìn)而獲得可以真實(shí)反映隧道前方實(shí)際地質(zhì)情況的雷達(dá)圖像。原始數(shù)據(jù)處理主要包括帶通濾波、靜校正、調(diào)整增益以及成圖等步驟，最終獲得測量數(shù)據(jù)的成果圖，由技術(shù)人員根據(jù)雷達(dá)成果圖像結(jié)合實(shí)際開挖面地質(zhì)情況，判斷預(yù)報(bào)段前方地層工程性質(zhì)及不良地質(zhì)體發(fā)育情況，指導(dǎo)隧道施工。

三、成功預(yù)報(bào)實(shí)例

（一）隧道工程概況

本文研究對象為在建雙向四車道高速公路，隧道為分離式隧道，設(shè)計(jì)行車時(shí)速為80公里，左幅隧道起終點(diǎn)樁號為ZK23+759～ZK28+225，長度為4466m，最大埋深約451m，右幅隧道起終點(diǎn)樁號為YK23+760～YK28+275，長度4515m，最大埋深455m。隧址區(qū)上覆第四系土層（Qel+dl）分布零星，厚度不大，有碎屑地段的粉質(zhì)黏土以及可溶巖地段的黏土。其中出露的基巖有以下幾種：

1.志留系下統(tǒng)龍馬溪組（S1l）為薄至中厚層狀粉砂質(zhì)泥巖，局部夾泥巖，為隧道上覆地層，非隧道圍巖。

2.奧陶系上統(tǒng)五峰組（O3w）為灰黑、灰色薄層狀泥灰?guī)r、炭質(zhì)泥灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，局部夾硅質(zhì)巖，隧道進(jìn)口段少量穿越該地層。

3.奧陶系中統(tǒng)寶塔組（O2b）為龜裂紋灰?guī)r，隧道進(jìn)口段穿越該地層。

4.奧陶系下統(tǒng)湄潭組（O1m）為薄至中厚層狀粉砂質(zhì)泥巖，局部夾泥質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r。隧道中段穿越該地層。

5.奧陶系下統(tǒng)桐梓組-紅花園組（O1t-h）為薄至中厚層狀灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶，底部為厚約6m粉砂質(zhì)泥巖，隧道中后段圍巖主要是該地層。

6.寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)組（∈2-3ls）為中至厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r，隧道出口段穿越該地層。

（二）不良地質(zhì)問題

隧道場區(qū)不良地質(zhì)為巖溶、危巖及潛在失穩(wěn)邊坡等，其中奧陶系下統(tǒng)桐梓組-紅花園組（O1t-h）灰?guī)r夾泥質(zhì)條帶及寒武系中上統(tǒng)婁山關(guān)組（∈2-3ls）白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，此兩套地層巖溶發(fā)育程度均為中等至強(qiáng)發(fā)育，隧道開挖至這兩套揭露隱伏巖溶的可能性大。

（三）預(yù)報(bào)方法

預(yù)報(bào)采用儀器設(shè)備為中科院CAS-S100型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)，該型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)包括儀器主機(jī)（配100MHz天線）和配套分析軟件Radarview兩部分。數(shù)據(jù)采集時(shí)介電常數(shù)設(shè)為8，測程參數(shù)設(shè)為500ns，主要探測隧道前方30m范圍內(nèi)的地質(zhì)變化情況、隧道前方災(zāi)害體分布及性質(zhì)，用點(diǎn)測的方法在掌子面下部位置布設(shè)一條物探測線。

（四）掌子面地質(zhì)情況

YK24+922掌子面揭露圍巖主要為灰色中厚層狀中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，呈層狀結(jié)構(gòu)，巖層產(chǎn)狀：120°∠5°，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間泥質(zhì)及巖石碎屑充填，巖體整體較破碎，呈鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu)；溶蝕稍發(fā)育，掌子面潮濕，拱頂存在點(diǎn)滴狀出水現(xiàn)象。圍巖自穩(wěn)能力差，無支護(hù)時(shí)拱頂易發(fā)生掉塊、坍塌現(xiàn)象。

（五）探測成果

該次預(yù)報(bào)雷達(dá)探測深度為30m（YK24+922～YK24+952），從雷達(dá)成果圖中得出：掌子面前方0～8m及8～30m左側(cè)前方雷達(dá)波以中頻反射信號為主，局部為中高頻信號，同相軸較為連續(xù)，振幅一般。推測對應(yīng)區(qū)段圍巖完整性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，溶蝕稍發(fā)育。掌子面右側(cè)前方8～30m雷達(dá)波以中低頻反射信號為主，反射波形較雜亂，整體振幅較高且多次震蕩，能量團(tuán)分布均勻性較差，同相軸出現(xiàn)異常且局部呈弧形發(fā)展。推測對應(yīng)區(qū)段圍巖破碎，溶蝕發(fā)育，存在與隧道軸線方向近一致的充填式溶洞。

（六）施工驗(yàn)證結(jié)果

隧道掘進(jìn)至里程YK24+930時(shí)，揭露到預(yù)報(bào)溶洞，掌子面右側(cè)拱腰位置揭露一向隧道前方及邊墻處發(fā)展的填充型溶洞，揭露面積約4×3m2，為泥夾石充填，實(shí)際揭露情況與地質(zhì)雷達(dá)探測成果相符。

四、結(jié)語

隨著我國鐵路、公路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道施工也逐漸增加，為保證施工安全和隧道施工進(jìn)度，準(zhǔn)確預(yù)測隧道前方圍巖的變化及不良地質(zhì)體的發(fā)育情況十分重要，這就要求做好隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)作為一種短距離隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，優(yōu)勢明顯，是一種較理想的探測手段。

本文以貴州某在建高速公路巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)過程，分析了地質(zhì)雷達(dá)工作原理及數(shù)據(jù)成果，成功預(yù)報(bào)了工作面前方的隱伏溶洞，有效指導(dǎo)了隧道工程施工，證明地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)技術(shù)對山嶺隧道溶洞探測是可行和有效的。

同時(shí)，地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)相對于其他超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)也存在其不足和缺點(diǎn)，如探測距離短、易受洞內(nèi)鋼拱架、鋼筋網(wǎng)、錨桿、鋼軌等金屬構(gòu)件的影響等，因此還有待進(jìn)一步研究。