巖溶隧道地質雷達超前地質預報及圖像分析

高樹全, 王玉琴，牟元存

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；2.中國地球物理學會 中鐵二院院士專家工作站,四川 成都 610031)

1 引 言

由于巖溶發(fā)育的復雜性、多變性、隱蔽性及巖溶發(fā)育規(guī)模、形態(tài)的不規(guī)則性，鐵路隧道巖溶問題難以在勘察階段完全查明[1]，施工階段做好巖溶超前地質預報、準確預報巖溶不良地質體，避免因隧道盲目開挖(揭示)而出現坍塌、涌泥及涌水等地質災害至關重要。巖溶預報一般結合多種方法進行綜合超前地質預報。相對于其他超前地質預報方法，地質雷達法因探測方式靈活、探測快速、分辨率高、成果直觀等優(yōu)勢，常常作為巖溶隧道短距離預報方法的首選，在隧道巖溶預報中發(fā)揮了不可替代的作用。

為了使地質雷達取得良好的預報效果，需要把控數據采集、資料處理及成果解譯的每一個環(huán)節(jié)，特別是探測出雷達異常時，需要對引起異常的巖溶現象、溶洞填充性質有充分的認識。馮德山等[2]，王敏玲等[3]，劉凱等[4]進行地質雷達正演模擬研究，為正確認識地質雷達響應剖面提供了理論基礎；肖宏躍等[5]建立了雷達圖像特征與典型地質現象的對應關系；劉宗輝[6]等從地質雷達信號屬性分析與巖溶不良地質現象的關系；謝朝暉[7]等從應用實際探討了地質雷達圖像特征。本文根據業(yè)內人士從理論到應用的一些認識，結合大量的實測數據和工作實踐經驗，通過幾個不同填充性質溶洞的典型圖像，分析其對應雷達信號在振幅、頻率變化、能量衰減及相位變化等特征方面的差異，為地質雷達圖像的準確解譯提供有意義的參考，及為巖溶治理、優(yōu)化工程設計提供地質依據，從而達到降低施工風險的目的。

2 影響地質雷達預報效果的主要因素及對策

2.1 數據采集

數據質量是資料處理及成果解譯的基礎，是取得良好預報效果的重要保障。鑒于隧道施工的特點，數據采集常常具有不可重復性，所以在現場工作過程中，應對以下幾個方面予以足夠的重視。

2.1.1 現場條件

數據采集之前，預報人員應與施工單位相關人員保持密切聯(lián)系，為數據采集創(chuàng)造有利的現場條件。掌子面應盡量平整，使地質雷達天線與掌子面有較好的耦合；掌子面附近的臺車、風槍鉆機等金屬體應盡量移開，避免或減小對地質雷達資料造成干擾。如掌子面平整度及干擾源不能完全排除時，應做好標記記錄。

2.1.2 測線布置

結合施工現場實際情況，一般情況下，掌子面不同位置應至少布置兩條地質雷達測線，水平布置為主，如遇地質雷達剖面異常，應加密測線；詳細探測時，掌子面應布置測網，減小雷達探測范圍盲區(qū)。必要的時候，應在隧道兩側邊墻部位適當距離范圍內增加測線，以增大地質雷達探測范圍。

2.1.3 參數設置

1)測量模式：可采用連續(xù)掃描和點測相結合的模式進行。單從探測效果考慮，應創(chuàng)造現場條件，首選點測模式，減小天線抖動造成的干擾。

2)時窗設置：業(yè)內人士多選用600～700 ns的時窗設置范圍，但掌子面含水或夾泥嚴重時應結合地質雷達信號進行調試，適當減小時窗。另外，對于數據質量好的數據，當深部地質雷達信號出現異常時，可增加測線，適當增大時窗，有利于對深部異常的判斷解釋。

3)增益調整：以GSSI系列地質雷達為例，調整信號增益時，首先應選擇掌子面條件較好的部位(如：平整度好，巖體完整性好，夾泥少等)放置天線，并保持天線底面與掌子面緊貼。其次，增益曲線應盡量平滑，避免出現較為明顯的拐點，可在自動增益的基礎上，采用手動微調的方式。

高質量的原始數據不僅有利于現場預報人員初步判斷異常的位置、規(guī)模、發(fā)育方向等，而且也有利于預報人員現場決定是否增加測線以取得更為豐富的資料，也為數據處理及成果的有效解譯提供保障。

2.2 數據后處理及成果解譯

2.2.1 數據后處理

地質雷達數據后處理的目的主要是壓制各種干擾，增強有效信號，提高資料的信噪比，最大限度提高雷達反射信號的分辨率，便于專業(yè)人員解讀雷達信號攜帶的地質信息。鑒于地質雷達測線受隧道空間位置和現場條件限制，測線長度相對較短，測量剖面獲取的信號相對較少，所以，為了改善局部信號質量，數據處理的針對性應更強，盡量保證原始數據的原貌特征，部分處理步驟(如濾波)不宜在全時窗范圍進行。

2.2.2 圖像分析與解譯

地質雷達圖像分析與解譯的結果對巖溶地質現象的認識至關重要。

1)應選擇合理的圖像顯示方式，可視個人習慣或經驗進行，但采用Wiggle圖和灰度圖相結合的方式有利于資料判斷解釋。

2)不管溶洞填充空氣、水還是填充泥(本文一般指濕潤的黏土填充物，下同)，由于在溶洞界面處存在較大的介電常數差異，均表現出較大的地質雷達反射信號異常，但反射信號強弱、衰減快慢、相位變化特征不盡相同，應詳細著重對比分析。需要注意的是，分析反射波相位變化特征時，應確定首波相位。

3)解譯人員應重視地質雷達正演，熟練掌握典型模型相應的響應特征，在復雜的地質雷達剖面中結合宏觀反射波組和局部細節(jié)，通過異常特征反演出對應的地質模型，從而得出較為準確的結論。

4)解譯人員應熟悉預報工區(qū)巖溶工程地質及水文地質特征。在此基礎上，更為重要的是，應持續(xù)跟蹤了解隧道開挖地質情況的變化，將開挖地質信息與區(qū)域地質資料進行比較分析，對掌子面前方地質的可能變化做出合理的推測。

3 典型案例分析

前文已述，不同填充性質溶洞的地質雷達圖像均表現出較強的異常反射信號。在特定情況下，其異常形態(tài)較為相似，如不仔細對比分析，容易混淆，難以分辨。從地質雷達圖像中正確判釋溶洞的填充性質，有利于積極制定隧道開挖安全措施，防止突泥涌水風險等。本文選取了幾個較為典型的溶洞地質雷達剖面，分析地質雷達圖像特征中的異同之處，為類似巖溶隧道地質雷達超前預報解譯提供一些參考。

3.1 空溶洞地質雷達圖像

地質雷達探測遇空溶洞時，電磁波從灰?guī)r介質進入空氣介質，其反射系數為正，信號相位保持不變；電磁波在溶洞邊界處常形成強烈的高頻反射波，且伴隨“雙曲線”形態(tài)的反射波組出現。電磁波在形狀規(guī)則的溶洞體內幾乎沒有反射信號，溶洞的前界面位置容易確定，溶洞的后界面相對不易識別[8-12]。圖1(a)中，電磁波在掌子面前方約340 ns處形成較為連續(xù)的強烈反射界面，反射界面呈典型的“雙曲線”形；圖1(b)中電磁波在掌子面前方右側至中部約180～220 ns處形成較為強烈的反射界面，在測線9 m位置同相軸有錯斷，存在繞反射現象，其局部特征類似隧道二襯施工縫處的空洞；圖1(c)中電磁波在掌子面前方右側約280 ns處形成強烈的反射界面，且出現“雙曲線”形態(tài)的反射波組[13-15]。對比分析三個空溶洞雷達圖像，不同之處在于：圖1(a)中對應的溶洞規(guī)模相對較大，幾乎貫穿隧道開挖面，且溶洞周邊形態(tài)較為復雜，溶洞邊界繞射及二次反射現象較明顯；圖1(b)對應的溶洞規(guī)模小且順層發(fā)育，在掌子面中部靠右的部位出現，為孤立的較為規(guī)則的溶洞；圖1(c)對應的“溶洞”為掌子面前方正洞與平導洞之間的橫通道(人為坑道)引起，該“溶洞”規(guī)模較大，較為規(guī)則，所以形成強烈的反射界面，反射弧延伸較遠。

圖1 空溶洞地質雷達圖像Fig.1 GPR image of empty karst

3.2 泥質填充溶洞地質雷達圖像

地質雷達探測遇泥質填充溶洞時，電磁波從灰?guī)r介質進入泥質介質，其反射系數為負，信號相位反相；當雷達測線覆蓋整個填充溶洞或部分邊界時，電磁波在溶洞邊界處亦形成強烈的繞反射信號，局部呈現“雙曲線”形態(tài)的反射波組。與空溶洞地質雷達圖像特征不同的是：由于泥質或泥夾石的填充，雷達信號在溶洞內部形成較為強烈的中低頻反射信號(局部出現繞射現象)，電磁波能量衰減較快。圖2(a)對應橫穿隧道開挖斷面的泥質填充溶洞，圖2(b)對應掌子面中部至右側的泥質填充溶洞，圖2(c)為掌子面右側至左側連通的泥質半填充溶洞。

圖2 泥質填充溶洞地質雷達圖像Fig.2 GPR image of karst filled mud

3.3 富水巖溶地質雷達圖像

地質雷達探測遇富水填充溶洞時，電磁波從灰?guī)r介質進入以水為主的介質，其反射系數為負，信號相位反相。由于溶洞界面處，介質的介電常數差異大，電磁波在溶洞邊界處形成強烈的反射信號[16-19]。富水溶洞地質雷達圖像與空溶洞不同之處在于，電磁波高頻信號衰減很快，反射系數為負；富水溶洞地質雷達圖像與泥質填充溶洞不同之處在于，除電磁波高頻信號相對衰減快之外，反射信號以低頻寬幅為主。值得注意的是：圖3(a)對應的富水溶洞局部揭示為富水巖溶管道，富水溶洞影響隧道的范圍較廣(自300 ns以后)，該范圍圍巖介質在較大范圍表現為低阻特征；圖3(b)對應較為孤立且規(guī)則的富水巖溶管道，管道直徑約1.0 m，橫穿整個隧道開挖掌子面。

4 結 論

1)積極創(chuàng)造現場條件合理布置雷達測線、優(yōu)化參數設置、進行針對性的資料處理、掌握典型模型地質雷達正演響應特征及實時跟蹤開挖地質信息等方式，都是取得地質雷達有效預報的關鍵途經。

2)空溶洞與泥質填充溶洞、富水溶洞地質雷達圖像在反射波信號衰減、頻率分布、相位變化方面存在較為明顯的特征差異；相同填充性質的溶洞地質雷達圖像也因溶洞規(guī)模、溶洞在隧道不同的空間位置呈現不同的特征。值得注意的是,孤立、較為規(guī)則的富水巖溶管道與小型順層發(fā)育溶洞地質雷達圖像較為相似，容易混淆，應結合反射波相位變化進行判斷解釋。較大規(guī)模的泥質填充溶洞與富水溶洞地質雷達圖像較為相似，不易區(qū)分，這兩種性質填充溶洞對隧道施工危害極大，在地質雷達判斷解釋結果的基礎上，應采用超前鉆探進一步探明。