地質雷達在隧道巖溶地層超前地質預報中的應用

梁宏浩, 季曉峰, 楊 躍

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

地質雷達在隧道巖溶地層超前地質預報中的應用

梁宏浩, 季曉峰, 楊 躍

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

巖溶隧道中溶洞發育存在復雜性，對其進行準確預測是隧道安全施工的重要保障。在簡述地質雷達基本工作原理基礎上，探討了地質雷達探測溶洞的可行性，并介紹了地質雷達的探測技術和測量方法。文章依托牛旺三號隧道，采用地質雷達SIR-3000對隧道現場掌子面采集數據，并結合施工現場開挖進行驗證?，F場開挖情況與預報結果基本吻合，表明地質雷達在巖溶隧道超前預報中的準確性。溶洞對應的地質雷達波形圖有明顯的特征：反射波以低頻波為主，同相軸錯斷，振幅明顯增強，并伴隨弧形繞射現象。

地質雷達； 巖溶； 超前地質預報

我國華南和西南地區分布有大面積的碳酸巖地層，在地下水長期溶蝕作用下，碳酸巖地層容易形成大小不一的溶洞。溶洞在山體內的分布形狀各異，其產狀、位置、涌水量等性質均很難準確把握，極大的增加了巖溶隧道設計和施工的難度。為避免地質災害的發生和提高施工效率，同時為隧道支護設計及動態施工提出指導性建議，對巖溶隧道掌子面前方進行超前地質預報顯得尤為重要。

地質雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱GPR)探測技術是利用超高頻電磁波脈沖的反射探測地下目標體分布形態及特征的一種高科技無損物理探測方法，具有快捷、高效、適應能力強等特點，對溶洞、富水巖層、破碎帶等不良地質具有較好的探測效果，在隧道超前地質預報中得到廣泛的應用。本文通過牛旺3隧道巖溶段開展探討與研究，為今后類似的工程提供參考意見。

1 地質雷達探測原理

1.1 地質雷達探測原理

地質雷達發射的脈沖波在不同地下介質傳播時，會發生折射和反射現象。根據回波的單程旅行時間和電磁波在相應介質中的傳播速度確定目標體距離，并通過綜合分析判斷目標性質。地質雷達原理示意見圖1。

圖1 地質雷達原理示意

地質雷達的發射天線向地下定向發射高頻帶短脈沖電磁波，另一個接收天線接受來自地下各種不同介質的界面或目標的反射波。在介質中傳播的電磁波，其路徑與電磁場強度隨所通過介質的電性，幾何形態及尺寸等不同而變化，因此所接收到的反射回波的振幅，形態及其在縱、橫向上的展布特征也隨之變化。結合地質知識，對反射波形的變化特征進行綜合分析，從而完成探測目標的判定。

地質雷達通過反射回波波速確定地下目標體的位置，目標體位置確定的計算公式如下:

(1)

式中：h為所探目標體與接觸面之間距離(m)；t為電磁波從發射到接收時間間隔(s)；v為電磁波在巖土體中的傳播速度(m/s)；x為發射天線和接收天線間的距離(m)。

波速的準確求解，是保證地質雷達的預報精度的關鍵之處，波速的計算公式如下：

(2)

式中：c為電磁波在真空中的傳播速度(m/s)；ε為介質的相對介電常數。

1.2 地質雷達探測巖溶區的可行性

地質雷達所發射的電磁波向地下各介質傳播過程中，遇到不同的波阻抗界面時，將發生反射波和折射波。反射波的能量大小取決于反射系數R。對于隧道工程不良地質體探測而言，圍巖屬于高阻抗體，所以反射系數R可表示為：

(3)

式中：ε1、ε2分別為界面上下介質的相對介電常數。

由式(3)可知，反射系數的大小主要取決于界面兩側介質的介電常數和電導率的差異，這種差異越大，反射越強，反射系數越大則越有利與探測。兩種介質的介電常數相差較大，這是地質雷達探測隧道工程不良地質體的地球物理基礎。隧道工程中常見介質的介電常數見表1。

因巖溶區與周圍巖體存在較明顯的介電常數差異，當雷達波通過富水巖溶區時，由于水的介電常數較大，導致雷達波高頻成分被吸收，反射波的頻率降低，電磁波速也會降低，反射波表現為較強的波峰異常，同時出現強反射，波形較紊亂，并在反射波表現為典型的弧形繞射現象。因此，巖溶區物質的介電常數存在差異，有利于實現地質雷達探測。

表1 隧道工程中常見介質物理參數

2 地質雷達探測技術

2.1 地質雷達技術參數

在進行雷達探測時，主要參數的設定是否合適對于后期數據的解釋及圖像判定具有很大的影響，并且直接關系到探測效果的好壞。主要參數包括：天線中心頻率、時窗長度、介電常數、采樣頻率、增益等。

2.1.1 天線中心頻率

天線中心頻率的選擇需要兼顧目標體深度與尺寸，天線的中線頻率可由下式初步確定：

(4)

式中：f為天線頻率(MHz)；x為空間分辨率(m)；ε為圍巖的介電常數。

在對到超前地質預報中，空間分辨率在0.25 m即可滿足要求，圍巖節點常數在5～10之間，在綜合考慮探測距離和可操作性，天線中心頻率一般選擇為100 MHz。

2.1.2 時窗長度的選擇

最大探測深度h(m)與地層電磁波速度v(m/ns)，可由公式(5)確定：

(5)

根據工程經驗，時窗長度選擇400～500 ns比較合適。

2.1.3 其他參數

介電常數根據具體工程的巖性來確定，一般為5～10之間。為保證原始數據的豐富性，在進行雷達探測時，若采取連續探測，采樣頻率一般設定在50～100S can/s；采取離散探測時，測點間距設定在0.05 m左右。電磁波在巖土體傳播時，能量會發生衰減，為了補償這種衰減，通過增加增益點數可以使反射波波幅更明顯，根據經驗，增益點數一般選擇5。

2.2 測量方法

地質雷達的探測方式分為連續探測和離散探測兩種。連續探測是指將天線緊貼掌子面，沿測線勻速移動，發射天線會自動向掌子面前方連續發射電磁波，在圍巖中傳播的電磁波，遇到不良地質界面將產生反射波，由接收天線接收。該方法探測信號豐富，便于發現異常地質體，但由于隧道開挖時掌子面往往很不平整，天線在勻速移動時會脫離掌子面，對探測信號的采集造成干擾，影響探測結果的準確性。離散探測是指探測時天線緊貼掌子面，在每一個測點上，保持靜止狀態，有操作人員發出指令，發射天線發射一組電磁波，接收天線接收反射波。該探測方式干擾小，但信號不豐富。根據現場施工條件，結合探測過程中操作的可行性，在滿足預報精度的前提下，采用連續探測方式比較符合實際。

3 工程實例

3.1 工程概況

新建牛旺3號隧道呈西南-東北走向，位于河北省邢臺縣境內，太行山山脊東側，隧道進口位于白岸鄉洺水村西北側的山坡處，出口位于白岸鄉馱道村西側的山坡上。隧道將穿過多條地震斷裂帶，存在瓦斯、巖溶、涌突水等多種不良地質情況。根據地勘資料以及實地調查，本次選取試驗里程段為DK81+205- DK81+220，該里程段地層巖性主要有碳酸巖，砂巖，大理巖等，圍巖條件復雜多變，易發生地質災害。

3.2 現場測量與記錄

本次地質雷達探測在新建牛旺3號隧道出口Ⅳ級圍巖上臺階右側DK81+220掌子面使用地質雷達SIR-3000進行，采用連續探測方式進行探測。隧道采用臺階法開挖，根據現場條件，在掌子面布置兩條測線，測線布置示意見圖2。掌子面地質素描見圖3。

圖2 現場測線布置示意

圖3 掌子面地質素描

掌子面揭露圍巖主要為碳酸巖，巖體較破碎，節理裂隙較發育，圍巖級別為Ⅳ級偏弱。

3.3 地質雷達探測結果

經過對新建牛旺3號隧道出口Ⅳ級圍巖上臺階右側DK81+220掌子面采用地質雷達SIR-3000進行連續掃描采集，并由 RADAN6.0 軟件對所采集的數據通過道標準化、增益調節、帶通濾波、背景消除等一系列旨在突出有效目標層的手段進行轉換處理，得出雷達波形見圖4。

圖4 雷達波形

從圖4中可以得出: 在掌子面前方3.5～5.5 m，掌子面左側0.5～2.0 m范圍內，反射信號以低頻信號為主，同相軸錯斷，振幅增大，并伴有斷面波、繞射現象。

根據地質雷達反射波圖像，結合隧道工程現場地質調查和地質勘探資料，掌子面左前方3.5～5.5 m范圍內存在溶洞，并在溶腔內有泥質充填或巖土碎屑充填。

3.4 現場驗證

對地質雷達的預報結果進行現場開挖驗證，圖5為新建牛旺3號隧道出口Ⅳ級圍巖上臺階右側DK81+220掌子面掌子面圍巖照片。

圖5 牛旺3號隧道DK81+220掌子面圍巖

牛旺3號隧道出口在Ⅳ級圍巖上臺階右側(DK81+218.8-216.0)開挖過程中出現溶洞，其中最大溶洞尺寸為2.40 m×2.5 m×4.31 m。驗證表明：預報結果與現場開挖圍巖實際情況基本吻合，說明地質雷達在隧道巖溶區超前地質預報中預報結果較為準確。

3.5 處理措施及效果

為了加強支護措施，改善不良地質對工程的影響，我們改用4榀鋼拱架對圍巖進行支護，并且埋設7根注漿管進行注漿，然后噴射C25混凝土(共計32 m3)，鋼拱架處理見圖6，截至2016年6月15日溶洞現象基本處理完畢，溶洞處理效果見圖7。

圖6 鋼拱架處理

圖7 溶洞處理效果

4 結論

(1)地質雷達在隧道巖溶地層的超前地質預報應用是可行的，通過現場開挖驗證，預報結果與實際開挖情況基本吻合，表明地質雷達在隧道巖溶地層超前地質預報中預報結果較為準確。

(2)地質雷達波在穿越巖溶區域時，波阻抗差異大，反射波能量變化明顯。巖溶區地質體的雷達波形圖識別性很高，反射波同相軸錯斷，頻率降低，振幅明顯增大，并伴有繞射波現象。

(3)溶洞是隧道工程常見的不良地質體，對溶洞進行準確的預測并提出合理的施工建議，為隧道安全施工提供保障，有重要的工程實際意義。

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梁宏浩(1992～)，男，碩士研究生，研究方向為山嶺隧道工程。

P631.8

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[定稿日期]2017-03-22