淺談地質雷達在巖溶隧道的應用

果 耀，柳治國，尹 濤

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司)

1 地質雷達原理及特點

1.1 工作原理

地質雷達法是一種寬帶高頻電磁波信號探測方法，它利用電磁波信號在物體內部傳播時電磁波的運動特點進行探。

圖1 雷達工作原理及其基本組成

探地雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)依據電磁波脈沖在地下傳播的原理進行工作。發射天線將高頻(106～109 Hz或更高)的電磁波以寬帶短脈沖形式送入地下，被地下介質(或埋藏物)反射，然后由接收天線接收。

根據電磁波理論，當雷達脈沖在地下傳播過程中，遇到不同電性介質交界面時，由于上下介質的電磁特性不同而產生折射和反射。

電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性中有電導率μ和介電常數ε，前者主要影響電磁波的穿透(探測)深度，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，因此，所謂電性介面也就是電磁波傳播的速度介面。不同的地質體(物體)具有不同的電性，因此，在不同電性的地質體的分界面上，都會形成電性介面，雷達信號傳播到電性介面時產生反射信號返回地面，通過接收反射信號到達地面的時間和信號強弱就可以推測地下介質的分布及變化情況。

電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度和波形將隨所通過介質的電性差異及集合形態而變化，由此通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標體的空間位置或結構狀態。

1.2 地質雷達的特點

(1)地質雷達設備輕便，操作簡便、靈活;

(2)地質雷達(配100 MHz天線)探測深度一般可達40～60 m，理想的地質條件可更深些，對于距掌子面較近巖溶洞穴、含水帶和破碎帶的探測高于所有其它地球物理勘探手段;

(3)工作輕便、快速、安全，并且在現場采集數據后即可提交正式成果報告;

(4)地質雷達探測分辨率高，數據采集和解釋實現計算機化，數據成果簡便直觀。

2 老鷹巖隧道地質預報實例

2.1 工程概況

隧址區貴州高原西北部高原浸蝕、溶蝕型中高山地貌，位于畢節市薩拉溪鎮楊柳村，地勢起伏較大，隧道附近海拔1 585.20～1 981.60 m，相對高差396.40 m。地表植被不發育，隧道出口位于斜坡地帶，坡度較緩，自然坡度30°～60°，地表為旱地;出口位于坡谷交叉側斜坡處，自然坡度15°～26°，地表為旱。隧道場區地貌類型屬巖溶浸蝕型中高山地貌。

2.2 工程地質概況

隧道區上覆第四系殘坡積層(Qe1+d1)粘土層，下覆基巖為下伏三疊系下統永寧鎮組(T1yn)灰巖和飛仙關組(T1f)粉砂質泥巖、灰巖。

2.3 老鷹巖隧道超前地質預報

老鷹巖隧道左洞ZK56+682巖體為灰色中風化灰巖，層面夾雜黃泥及白色結晶，掌子面右側出現小型溶蝕管道，黃泥充填。采用掌子面編錄地質推理和地質雷達相結合的方法進行超前地質預報。

掌子面編錄地質:ZK56+682附近巖體巖性為下伏三疊系下統永寧鎮組(T1yn)灰巖，具熔結凝灰結構，巖質較堅硬，錘擊聲較響，有回彈，難擊碎，巖石強度約為37 MPa。掌子面處節理裂隙較發育，主要發育有3組節理。經現場節理統計分析掌子面處巖體Jv約為15.0，巖體完整性指數Kv約為0.48左右，掌子面附近巖體較破碎，屬裂隙塊狀結構。根據《公路隧道設計規范》JTGD70-2004，得出巖體基本質量指標［BQ］為299。綜合分析可確定掌子面附近圍巖屬Ⅳ級。

地質雷達:現場探測采用瑞典RAMAC地質雷達及配套分析軟件REFLEX進行測試和分析;采用中心頻率為100 MHz的天線進行探測;采用0.5 m天線距，測點距為0.05 m;現場數據采集過程中，要求雷達天線與水平面垂直，發射與接收天線相互保持平行，并盡可能與掌子面貼近。探測時要求隧道內施工的臺車等較大型機械設施盡可能遠離(離開掌子面30 m以外)掌子面，以減少其對地質雷達探測的干擾影響。對測量數據文件進行了預處理、增益調整、濾波和成圖等方法的處理。最終得到各測線的成果圖，并據此進行探測對象的地質判釋。

探測完成后的雷達圖像的地質解釋是地質雷達探測的目的。但是地質雷達圖像反映的是地下介質的電性分布，要把地下介質的電性分布轉化為地下介質體分布，必須結合已知的資料(包括地質、鉆探、巖土工程設計參數等)，綜合運用地質雷達波的運動學和物性特征進行綜合分析。反射法的地質雷達資料解釋中，反射波和某些異常波都是有效波。由于有效波總是在干擾背景下被一記錄下來所以解釋工作的首要任務就是在剖面上識別和追蹤反射波。波的對比是解釋工作中最重要的基礎工作。

由于老鷹巖隧道本身施工環境較為復雜、掌子面探測條件也非常惡劣，各種因素作用會使有效波的相位、振幅、波形等發生各種變化，因此上述原則還需要還原到實際工作中來以具體隧道的實際工作的經驗作為成果解釋的基礎。

預報結論及現場驗證:本次探測是在老鷹巖隧道左洞里程為ZK56+682的掌子面上進行的，圖2為本次超前探測的地質雷達記錄。由圖上記錄顯示:地質雷達在本次探測的有效預報距離為30 m。雷達記錄顯示掌子面(里程ZK56+682)前方附近，即里程為ZK56+687～ZK56+689范圍內呈弧型形態的強反射波，推測有溶洞存在，溶洞寬度約2～3 m，且為無填充型溶洞。自里程ZK56+690～ZK56+694范圍，圍巖貫穿性裂隙發育，為小到中等裂隙帶，寬度約為0.2～0.7 m，裂隙含水及黃泥;自里程ZK56+696～ZK56+699圍巖中有微、小裂隙發育;自里程ZK56+700～ZK56+707圍巖中有微小裂隙發育，圍巖結構較完整。

最后根據施工現場開挖實際情況顯示，預測情況與實際情況基本相吻合。

3 結語

(1)在巖溶隧道施工過程中，能準確找出溶洞的位置、大小及有無填充物對施工是很重要也是很必要的，它在很大程度上消除了隧道施工的盲目性，確保了施工的安全進行。而地質雷達是一種無損檢測，具有經濟、快速、操作簡單等優勢，對前方含水、巖溶、裂隙等地質災害的反映較明顯，在巖溶地區的隧道超前預報中得到了廣泛的應用。

(2)目前應用地質雷達做超前地質預報還是存在一些客觀的問題:

①揭露圍巖范圍、距離較小，難以觀其全貌;

②地質雷達在探測過程中，干擾條件較多，所以易受隧道洞內機器、管線等因素的干擾，導致反映出來的圖像雜亂，有效信號不易辨認，且隧道開挖過程中，掌子面常常參差不齊，測量時雷達無法貼緊掌子面，對后期圖像會造成較大的干擾，造成解釋困難;

③地質雷達利用電磁波信號在物體內部傳播時電磁波的運動特點進行探測，而電磁波的傳播取決于物體的電性，所以對于含鐵質較高的巖石，地質雷達是不適用的;

圖2 老鷹巖隧道左洞里程ZK56+682掌子面地質雷達波形圖

④地質雷達在實際操作中，如何排除干擾、提高靈敏度，如何識別地質雷達圖像中的干擾異常有待于進一步試驗研究。

［1］中華人民共和國交通部標準.公路隧道設計規范(JTGD70-2004)［S］.北京:交通人民出版社，2004.

［2］中華人民共和國建設部.巖土工程勘察規范［M］.中國建筑工業出版社，2002.

［3］黃定華.普通地質學［M］.高等教育出版社，2011.

［4］楊峰.地質雷達探測原理與方法研究［M］.科學出版社，2010.