基于地質雷達法探測隧道基底巖溶的應用分析

摘要：簡要介紹了地質雷達在地下介質中的傳播原理，分析地質雷達在隧道基底巖溶探測的可行性，分析在隧道半空間結構環境中，地質雷達法探測的干擾源并通過現場試驗總結典型干擾源雷達反射波形特征;通過工程實例及現場鉆探驗證情況，總結地質雷達法探測隧底巖溶的方法及注意事項。

關鍵詞：隧道基底巖溶;地質雷達法;可行性分析;干擾信號剔除

引言

中國南方尤其是云貴川地區，普遍發育喀斯特地貌。在濕熱氣候條件下，可溶性巖石可廣泛而強烈地遭受地下水的溶蝕。在地下水長期溶蝕作用下，巖石原有空隙逐漸擴大，形成各種形狀和大小的洞穴^[1]。在巖溶隧道段落，隧底巖溶具有隱蔽性、動態變化性和分布廣泛性，更是一個隱蔽于勘察設計及施工階段的棘手問題，它的存在是隧道施工及運營過程中極大的安全隱患。因此如何快速有效地查清巖溶的分布就顯得尤為重要。通過對比分析，針對隧底巖溶探測普查工作量較大等實際情況，選擇了地質雷達法作為隧底巖溶的快速探測方法，對有探測異常段落輔以鉆探法綜合探查。

1 地質雷達探測原理及巖溶探測可行性分析

1.1地質雷達方法簡介

地質雷達（Ground Penetrating Radar，簡稱GPR）方法是一種用于確定地下介質分布的光譜（1MHz～1GHz）電磁技術^[2]。地質雷達利用發射天線發射高頻寬帶電磁波脈沖，接收天線接收來自地下介質界面的反射波。電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電性性質及幾何形態而變化，因此，根據接收到的波的旅行時間（雙程走時）、幅度與波形資料，可推斷介質的結構和形態大小。

1.2地質雷達在介質中的傳播公式及主要的影響參數

根據波的合成原理，任何脈沖電磁波都可以由不同的單一頻率的電磁波合成，因此，單一電磁波的傳播特征是地質雷達的理論基礎。

電磁波在介質中的傳播速度可近似為^[3]：""""" （1）

式中，光速c=3×10⁸m/s;ε′為相對介電常數;μ′為相對磁導率;ε₀為真空的介電常數;μ₀為真空的磁導率。

由（1）式可知，電磁波在介質中的傳播速度主要由ε′決定，與ε′成反比。

由以上論述可知，地質雷達在地下介質中的傳播特性主要是由雷達主頻率、介質的相對介電常數和導電率3個因素決定的。雷達主頻率和介質導電率決定地質雷達的分辨率和探測深度，而介質的相對介電常數則決定了電磁波在介質中的傳播速度。

1.3 巖溶探測可行性分析

與其他波一樣，電磁波在地下介質傳播過程中遇到不同的速度界面（不同媒介）時將產生反射波和透射波，雷達反射回波的強弱是我們分辨目標體界面的基礎，而目標體與圍巖之間的電性差異是否能導致有足夠的反射或散射能量被地質雷達系統所識別是地質雷達探測可行性的關鍵。電磁波在介質分界面上的反射波能量大小取決于反射系數。

在常見的地層環境中，磁導率μ基本不變，介質的電導率σ≈0。反射系數r可簡化為下式^[3]：，""""""""""""""""""""" （2）

式中為介質1的相對介電常數;為介質2的相對介電常數;對于常見的介質有1≤ε^‘≤81。

由（2）式可知，反射系數值介于+1和-1之間，其大小取決于反射界面相鄰兩層的相對介電常數。當相鄰兩層的相對介電常數相等時，反射系數r為0，電磁波不會反射;相鄰兩層的相對介電常數差異越大，則反射系數r越大，雷達接收信號越強。從實際探測經驗上看，反射系數數值>0.1是比較理想的探測條件。

探測目標—巖溶根據其充填物大致可分為含水、含空氣、含沙泥3類，其上層覆蓋物可分為巖層和泥土層，與巖溶有關的介質的相對介電常數見表1。

表1" 巖溶相關介質電性參數

由表2可以看出，雖然隧道基底巖溶的具體情況是復雜多變的，它可能含水、含空氣、含泥沙巖屑，也可能是上面幾種情況的混合物。除了極個別的特殊情況外，在地質雷達的探測深度范圍內，應用地質雷達探測巖溶是可行的。

2 隧底地質雷達法探測實例分析

2.1 云南東南地區隧道概述

云南省東南地區為典型的巖溶發育區。該地區隧道從現場開挖過程中揭示了較多的溶洞、地下暗河等，喀斯特地貌普遍發育。為查明已鋪設仰拱和填充層的隧道基底10米范圍內巖溶的發育和分布情況，筆者應用地質雷達方法對巖溶發育區的巖溶進行了探測調查。

2.2 現場探測情況

隧道底部構成基本是由素混凝土填充層和隧底圍巖組成，根據此情況，以隧道中心水溝為界，在左右隧底中線各布設一條雷達測線，對整個隧道基底進行無遺漏探測勘察;因探測介質較為固定，故采用100 MHz天線采集數據;第一遍采集完后，現場進行初步判識，針對有初步異常的里程段落，進行二次加密測線、增加采集疊加次數復查，以查清隧底巖溶發育和分布情況;探測進行時還應詳細記錄現場鐵磁性干擾源的里程位置。

干擾信號的剔除：雷達發射的電磁波信號會受到鐵磁性物質的天然磁場干擾，資料解釋時應予以剔除。如隧道中心水溝鋼板及鋼臺架的影響如下圖1。

圖1" 隧道內鋼板及鋼臺架的類似干擾信號圖像

圖2為云南省某在建鐵路隧道中基于填充面地質雷達法探測的溶洞雷達剖面，根據剖面分析，在左側隧底中線DK***+170-135段隧底深度約2.6-6.0米范圍內存在溶洞或填充型溶洞。

圖2" 左側隧底中線DK***+170-135段100MHz天線溶洞探測剖面

圖3" 左側隧底中線DK***+155和+158鉆探芯樣

根據該異常段落，現場在+155里程處進行了鉆探驗證，鉆探的芯樣如圖3左所示，鉆探深度為7.4m，具體如下：0.0-2.0m為柱狀砼，2.0-2.8m為弱風化灰巖，2.8-5.6m為充填型糊狀黏土，5.6-7.4m為弱風化灰巖。針對此情況，在左側隧底中線DK***+158處進行補鉆，芯樣情況如圖3右所示。鉆探深度為8.0m，具體如下：0.0-2.0m為柱狀砼，2.0-2.5m為弱風化灰巖，2.5-6.1m為充填型糊狀黏土，6.1-8.0m為弱風化灰巖。鉆探驗證結果和雷達探測結果吻合。

2.3 幾種常見的隧底巖溶在地質雷達剖面圖上的波形特征

隧底巖溶發育段落，通常其形態各異。通過大量的探測和驗證工作，下面就幾種常見的隧底巖溶探測情況進行討論，闡述它們的實際形態和在雷達測線波形圖上的反映。

（1）孤立發育較好的圓形巖溶，內部中空或半空，附近沒有伴生巖溶發育，圍巖較為完整。在地質雷達側線剖面圖上呈理想的雙曲線弧形形態，俗稱“拱形”（圖2）。

（2）大型落水洞和巖溶通道是巖溶發育的重要部位，巖溶一般隨裂隙或層面發育，規模大，深度深。在地質雷達探測剖面圖上也表現為深度深、延展廣（圖4）。

圖4" 大型溶洞雷達剖面圖

（3）巖溶的形成原因是復雜多樣的，我們經常發現多種巖溶形態伴生疊加在一起，形成復雜的巖溶形態。如何分辨這些復雜巖溶，是地質雷達探測的難點。3 結論

（1）應用地質雷達探測巖溶區巖溶具有較好的理論基礎，工作方法快捷方便，經濟可行。

（2）地質雷達方法可針對地下目標體實施大范圍的連續掃描，能提供直觀連續的剖面圖和平面圖，能有效彌補常規地質調查和鉆探的不足，有利于巖溶區的治理和地基評估。

（3）使用多種頻率重復探測可以較好處理不同深度、不同大小的目標體，并且可將不同頻率的資料相互對比印證，提高解釋的精度和可靠性。

（4）現場速度參數的標定要充分利用鉆孔資料等現場已知資料，要將探測結果與鉆孔地質資料結合起來綜合分析，以降低雷達探測資料的多解性。

（5）現場探測工作時詳細記錄干擾源（如鐵磁性物質、水和電線等）的里程位置，在后期資料處理時對干擾產生的異常予以剔除。

參考文獻：

[1]夏邦棟.普通地質學[M].北京：地質出版社，1990。

[2]馮慈璋，馬西奎.工程電磁場導論[M].北京：高等教育出版社，2000。

[3]李大心.地質雷達方法與應用[M] . 北京：地質出版社，1994。