地質(zhì)雷達(dá)在巖溶地區(qū)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

王雁南

中鐵津橋工程檢測(cè)有限公司，吉林 長春 130000

在隧道施工的過程中，掌子面前方的地質(zhì)情況十分復(fù)雜，經(jīng)常會(huì)遇到斷層、軟弱夾層、巖溶等不良地質(zhì)構(gòu)造，一旦遇到這些不良地質(zhì)構(gòu)造則很容易造成工期延誤，嚴(yán)重的還會(huì)引發(fā)安全事故。在隧道設(shè)計(jì)階段，受環(huán)境和條件等因素的限制，設(shè)計(jì)結(jié)果有時(shí)不能完全滿足施工過程中的要求。為防范安全風(fēng)險(xiǎn)、保證隧道工程施工安全及施工進(jìn)度、及時(shí)調(diào)整施工方法及措施，就需要更加詳細(xì)地掌握掌子面前方與隧道底部的地質(zhì)狀況。地質(zhì)雷達(dá)作為一種快速、連續(xù)、非接觸電磁波探測(cè)技術(shù)，在當(dāng)前的隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar,GPR）是一種電磁波反射探測(cè)技術(shù)，采用電磁波檢測(cè)地下介質(zhì)分布和對(duì)不可見目標(biāo)體或地下界面進(jìn)行連續(xù)掃描，以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置。地下不同物體或介質(zhì)的差異會(huì)對(duì)電磁波進(jìn)行反射，使用者可根據(jù)反射圖像判斷地下異常體的位置，然后將采集的數(shù)據(jù)用REFLEXW軟件進(jìn)行處理，主要處理流程為零點(diǎn)校正、調(diào)節(jié)增益、背景除噪、反褶積運(yùn)算、識(shí)別界面及有效信號(hào)、計(jì)算確定合適的介電常數(shù)及波速、分析掌子面前方圍巖中的異常區(qū)域。巖溶、空洞或軟弱夾層、圍巖中的含水區(qū)等均為良好的反射界面或目標(biāo)體。地質(zhì)雷達(dá)工作原理見圖1，圖中T為雷達(dá)天線發(fā)射端，R為雷達(dá)天線接收端，圖1所示為1、4、7號(hào)發(fā)射端和接收端。

圖1 地質(zhì)雷達(dá)工作原理示意圖

2 影響地質(zhì)雷達(dá)自身精度的因素

（1）地質(zhì)雷達(dá)自身干擾因素。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，如溫度、濕度改變，儀器內(nèi)部干擾也會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的變化。

（2）電磁波傳播過程中能量的衰減。電磁波在掌子面前方的傳播過程中引起能量的損耗，這種損耗除了與掌子面前方圍巖情況相關(guān)，還與所采用的雷達(dá)天線的中心頻率有密切關(guān)系。天線中心頻率越高信號(hào)衰減越快、探測(cè)深度越短，但精確度越高，隨著探測(cè)距離的增加，高頻信號(hào)信息損失多，低頻信號(hào)信息損失少，因而越遠(yuǎn)的目標(biāo)體細(xì)節(jié)信息損失的就越大，這就影響了探測(cè)的效果。

（3）合成速度帶來的定位偏差。由于掌子面前方地質(zhì)條件比較復(fù)雜，大多數(shù)為非均勻的介質(zhì)，不同深度的雷達(dá)反射信號(hào)不能憑借單一的波速進(jìn)行描述，必須用合成波波速度來描述，但這樣對(duì)于異常體的定位就會(huì)存在一定的誤差。

3 現(xiàn)場(chǎng)影響雷達(dá)探測(cè)的因素

（1）地質(zhì)條件的影響。在碳質(zhì)成分較多的圍巖中，由于圍巖條件對(duì)電磁波的影響，會(huì)形成信號(hào)異常，嚴(yán)重影響探測(cè)的深度。地質(zhì)雷達(dá)在碳質(zhì)成分較多的灰?guī)r中的探測(cè)成果見圖2。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)在碳質(zhì)成分較多的灰?guī)r中的探測(cè)成果圖

（2）儀器附近金屬物體的影響。在探測(cè)過程中，儀器附近的金屬物體也會(huì)對(duì)雷達(dá)探測(cè)產(chǎn)生影響，如鋼拱架、鉆爆臺(tái)車若離儀器較近就會(huì)形成強(qiáng)的反射信號(hào)，對(duì)實(shí)際圍巖情況造成掩蓋，給圖像識(shí)別造成一定的困難。因此在探測(cè)過程中應(yīng)該盡量避免儀器接觸金屬物體或離金屬物體較近。地質(zhì)雷達(dá)受金屬物體影響的探測(cè)成果見圖3。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)受金屬物體影響的探測(cè)成果圖

（3）儀器附近存在電磁場(chǎng)的影響。在探測(cè)過程中，若儀器附近有通電的電纜、電線等，則會(huì)在儀器周圍產(chǎn)生電磁場(chǎng)，這些產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)探測(cè)產(chǎn)生干擾，對(duì)探測(cè)的結(jié)果造成不利的影響。因而在探測(cè)過程中隧道內(nèi)照明等設(shè)施應(yīng)遠(yuǎn)離工作區(qū)域。

（4）掌子面平整度的影響。在現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)過程中，大多數(shù)隧道爆破施工后掌子面都難以做到很平整。掌子面不平整時(shí)雷達(dá)天線難以貼緊掌子面，天線與掌子面間的空氣層會(huì)對(duì)探測(cè)深度及探測(cè)的準(zhǔn)確度造成一定的干擾，影響判識(shí)。因此，天線應(yīng)平穩(wěn)并緊貼掌子面，盡量避免因掌子面不平整及無法貼緊而導(dǎo)致的異常。

4 隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)測(cè)線布置

根據(jù)隧道實(shí)際施工方法合理布置測(cè)線是隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性的基本保障.測(cè)線主要布置見圖4。

圖4 測(cè)線主要布置

5 地質(zhì)雷達(dá)在巖溶地區(qū)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用實(shí)例

（1）貴州某隧道里程為DK80+595～DK81+940，總長為1345m，隧址范圍內(nèi)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)坡殘積層（Q4dl+el）黏土、角礫土，下伏基巖為石炭系中統(tǒng)黃龍組（C2hn）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r，不良的地質(zhì)情況主要為巖溶、順層及危巖落石。探測(cè)掌子面里程為DK80+700，共探測(cè)20m。巖性為灰黑色炭質(zhì)灰?guī)r夾方解石脈，巖質(zhì)較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，主要測(cè)得2組節(jié)理，其產(chǎn)狀分別為J1，NE50°∠42°和J2，SW200°∠71°，節(jié)理面間均有黃褐色泥充填，在右下角有一溶腔，為黃泥充填。

采用瑞典MALA公司地質(zhì)雷達(dá)（RAMAC/GPR）進(jìn)行探測(cè)，主機(jī)采用RAMAC/X3M，雷達(dá)天線中心頻率為100MHz，采樣頻率為1240MHz，時(shí)間窗長度為584ns。

探測(cè)結(jié)果：掌子面前方0～20m范圍內(nèi)圍巖破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，夾泥嚴(yán)重，地下水不發(fā)育；掌子面前方3～6m段即DK80+700～DK80+704信號(hào)異常，推斷為節(jié)理裂隙發(fā)育；前方8～12m段即DK80+708～DK80+712信號(hào)異常，推斷為巖溶或軟弱夾層。其地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果分析波形圖見圖5。

圖5 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果分析波形圖

實(shí)際施工過程中，在DK80+704位置掌子面右側(cè)先出現(xiàn)一溶洞（見圖6），隨后在DK80+708位置掌子面左側(cè)再次出現(xiàn)一溶洞，兩個(gè)溶洞夾泥情況均比較嚴(yán)重。

圖6 DK80+704位置掌子面

（2）貴州某隧道區(qū)基巖大多裸露，主要為石炭系上統(tǒng)馬平群組（C3mp）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖，中統(tǒng)黃龍群（C2hn）生物碎屑灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r。隧道進(jìn)出口及緩坡地帶有少量坡殘積（Q4dl+el）覆土及坡洪積（Q4dl+pl）覆土，不良的地質(zhì)情況為巖溶、危巖落石及順層。隧道出口掌子面里程為DK79+480，共探測(cè)20m，巖性為灰黑色灰?guī)r夾方解石脈，節(jié)理裂隙發(fā)育，節(jié)理面間有黃泥充填。

采用瑞典MALA公司探地雷達(dá)（RAMAC/GPR）進(jìn)行探測(cè)，主機(jī)采用RAMAC/ProEx，雷達(dá)天線中心頻率為100MHz，采樣頻率為1200MHz，時(shí)間窗長度為570ns。

探測(cè)結(jié)果：巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育一般，夾泥嚴(yán)重；上導(dǎo)掌子面前方4～9m處即DK79+476～DK79+468存在一處信號(hào)異常，推斷為巖溶。

在實(shí)際施工過程中在巖溶從DK79+476開始發(fā)育，在DK79+477位置掌子面出現(xiàn)一大型溶洞，經(jīng)施工打開后溶洞向掌子面前方、下方發(fā)育。溶洞壁夾泥嚴(yán)重，發(fā)育數(shù)十根鐘乳石。DK79+476與DK79+478位置掌子面見圖7、圖8。

圖7 DK79+476位置掌子面

圖8 DK79+478位置掌子面

（3）貴州某隧道里程為DK91+313～DK92+185，全長為872m，隧址范圍內(nèi)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)崩積層（Q4col）塊石土，坡洪積層（Q4dl+pl）黏土（膨脹土），坡殘積層（Q4dl+el）黏土（膨脹土），下伏基巖為石炭系中統(tǒng)黃龍群（C2hn）灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，不良的地質(zhì)情況為巖溶、危巖落石、巖堆、順層。掌子面里程為DK92+040，共探測(cè)20m。巖性為炭質(zhì)灰?guī)r夾方解石細(xì)脈，較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，節(jié)理面間夾黃褐色泥，主要測(cè)得1組節(jié)理，其產(chǎn)狀為J1，SW245°∠10°。

探測(cè)儀器采用瑞典MALA公司探地雷達(dá)（RAMAC/GPR），主機(jī)采用為RAMAC/X3M，雷達(dá)天線中心頻率為100MHz，采樣頻率為1220MHz，時(shí)間窗長度為560ns。

探測(cè)結(jié)果：上臺(tái)階掌子面前方20m范圍內(nèi)巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙呈張性夾泥；上臺(tái)階掌子面前方2～6m信號(hào)異常，推斷為圍巖破碎；前方6～8m信號(hào)異常，推斷為局部存在軟弱夾層；上臺(tái)階掌子面前方10～16m信號(hào)異常，推斷為破巖溶異常。其地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果分析波形圖見圖9。

圖9 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果分析波形圖

在實(shí)際施工過程中在DK92+031位置掌子面出現(xiàn)突泥情況且含泥量較多將鉆爆臺(tái)車掩埋，出現(xiàn)一溶洞，溶洞向拱頂位置發(fā)育高度較高。DK92+031與DK92+035位置掌子面見圖10、圖11。

圖10 DK92+031位置掌子面

圖11 DK92+035位置掌子面

（4）某隧道隧底隱伏巖溶探測(cè)實(shí)例。貴州某隧道里程為DK68+805～DK69+549，總長度為744m。隧區(qū)基巖大多裸露，覆蓋層為破殘積層（Q4dl+el），下伏基巖為石炭系上統(tǒng)馬平組（C3mp），不良的地質(zhì)情況為巖溶、危巖落石及順層。其地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果分析灰度圖見圖12。

圖12 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)成果分析灰度圖

在實(shí)際施工過程中通過鉆探法印證，隧底揭示該溶洞，溶洞口可見尺寸為沿線路方向長度約10m，垂直線路方向?qū)挾燃s4m，可測(cè)深度約6m，溶洞口自穩(wěn)性較差，溶洞沿巖層面走向向掌子面前方發(fā)育。

6 結(jié)束語

當(dāng)前，地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。探測(cè)中，要想做出較為準(zhǔn)確的判定就要將現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)據(jù)解譯工作做得更加精細(xì)，盡量減少非必要因素對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生的干擾。在超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施的過程中，應(yīng)該采用多種檢測(cè)手段相結(jié)合，如TSP長距離報(bào)告和地質(zhì)雷達(dá)短距離預(yù)報(bào)相結(jié)合，物探、鉆探等多種檢測(cè)手段相輔助，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)素描等實(shí)際情況進(jìn)行綜合分析，經(jīng)過反復(fù)認(rèn)真比對(duì)后獲得比較準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。