地質雷達在隧道巖溶構造探測中的應用研究

宋 偉

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

1 前 言

隨著我國社會經濟的發展，基礎設施建設得到了大力的發展，特別是鐵路和公路的發展尤為迅速。在西南地區，由于其山區地形的特點，鐵路和公路的修建主要以隧道和橋梁為主，有些線路的橋隧比甚至接近90%，堪稱世界之最。然而，西南地區也是我國巖溶最為發育的地區，這使得在隧道建設的過程中，經常會遇到由于巖溶構造而帶來的安全問題，小則影響施工進度，大則造成財產損失和傷亡事故，而且近些年巖溶構造造成的安全事故也越來越多。因此，如何查清掌子面前方巖溶構造類型、構造規模、空間位置及充水充泥情況等信息，以便施工前制定有針對性的施工方案和安全措施，成為了保障隧道安全掘進的關鍵因素。

地質雷達(Ground penetrating radar，簡稱GRP)是一種利用高頻電磁波探測異常構造的方法，其具有分辨率高、施工效率高、抗干擾能力強且無損的優點，自從上世紀70年代被引進國內以來，在工程檢測及隧道超前地質預報領域得到了迅速的發展，并取得了不錯的效果。同時，國內也自主開發出了多款地質雷達儀器。在分析巖溶構造成因和研究各種巖溶構造的形態和電性特征的基礎上，結合地質雷達的探測原理推導其電磁波反應特征，并將其應用于西南地區某隧道巖溶構造探測中，分析探測效果，這對地質雷達方法在隧道超前地質預報領域的發展具有重要意義。

2 巖溶構造特征

地下水和地表水對可溶性巖石的破壞和改造作用稱之為巖溶作用，這種作用及其所產生的地貌現象和水文地質現象的總稱叫做巖溶。我國西南、華南、華東、華北、西藏以及新疆等地區，都廣泛分布有可溶性的碳酸鹽巖。尤其在川、黔、滇、桂、湘、鄂等省區，碳酸鹽巖呈連續分布，面積達到了5×105km2之多，是我國主要的巖溶區。

地下巖溶形成的機理有很多，有地下水的溶蝕和沉淀、地下洞穴高壓空氣的沖爆和低壓空氣的吸蝕，地下水的機械潛蝕、沖蝕與堆積，地下洞穴的重力崩塌、坍塌與堆積等，其中以地下水的溶蝕作用為主。地下巖溶構造主要以巖溶裂隙和巖溶空洞為主，空洞不斷擴大和相互連通則會形成暗河。其中，溶洞對隧道安全掘進的威脅最大，也是地下巖溶構造中最為普遍的一種存在形式。

據研究資料顯示，碳酸鹽巖的電導率較小，干燥狀態下為1×10-9S/m，潮濕狀態下為2.5×10-2S/m，其相對介電常數在7～8之間；空氣的電導率為0 S/m，相對介電常數為1，均為自然界中最小值；而一般水的電導率為4 S/m，相對介電常數為81，均比碳酸鹽巖大得多。因此，無論是空溶洞還是充水溶洞，在溶洞邊界上都形成一個電導率和介電常數存在較大差異的分界面。電導率和介電常數的差異能較好的體現電磁波的反應特征上，這是電磁波類方法探測溶洞的地球物理前提。

3 地質雷達原理

地質雷達采用的是時間域脈沖雷達，將寬頻帶的高頻脈沖電磁波發射到地下介質中，通過接受反射信號達到探測地下目標的目的，雷達系統向被探測物發射電磁波脈沖，電磁脈沖穿過介質表面，碰到目標物或不同介質的界面而被反射回來，根據電磁波的雙程走時，就可以分析確定探測目標的形態及結構特性。

電磁在傳播過程中，主要存在波速和能量的變化。當其在電導率和介電常數較小的空氣中傳播時，波速最大，能量衰減最慢；當其在電導率和介電常數較大水中傳播時，波速最小，能量衰減最快；在灰巖中的傳播特性則介于二者之間。因此，在電磁波到達溶洞第一界面時，會有一部分電磁波反射回來，另一部分電磁波繼續傳播并到達第二界面，并在第二界面又反射回一部分電磁波。由于在空氣中電磁波能量衰減較慢，水中電磁波能量衰減較快，因此空氣填充溶洞第二界面反射電磁波能量也較強，而水填充溶洞第二界面反射電磁波能量則很微軟，甚至接收不到第二界面的反射波。通過以上特性，就可以通過地質雷達準確的探測隧道前方的溶洞。

4 應用實例

為分析地質雷達的實際探測效果，將應用于云南南扎隧道巖溶構造探測工作中。選取D3K320+040里程處的探測實例進行分析。該隧道主體為灰白色白云巖，巖體較完整，局部裂隙發育，節理不發育，無填充，局部弱風化，呈灰白色碎屑，少量碎屑中含泥沙；隱晶質結構，中厚層狀。隧道頂板、側幫淋水較嚴重，掌子面涌水量較大，底板大量積水。根據現場的探測條件，在掌子面布置4條測線。其中，測線1距掌子面底板高0.8 m，測線從左至右長7 m；測線2距掌子面拱頂1.7 m，測線從左至右長5 m；測線3距掌子面左線1.2 m，測線從底部往上長4 m；測線4距掌子面右線1.2 m，測線從底部往上長4 m。

選取測線1和測線2探測成果進行分析，如圖1、2所示。從測線1成果圖中可以看出在測線中部2.5 m至4.5 m段清晰可見兩次反射波界面，第一次反射界面位于掌子面前方10 m處，第二次反射波界面位于掌子面前方18.5 m處，且第二次反射波能量較強。在測線2成果圖中同樣可以看到在測線中部1.5～3.5 m段存在兩次反射波界面，第一次反射波界面位于掌子面前方11 m處，第二次反射波界面位于掌子面前方19 m處，且第二次反射波能量也較強。因此可以推斷在掌子面中部前方10～19 m范圍存在一處橫向大小為2 m的溶洞，且不含水。后經在向前掘進過程中揭露了該溶洞，溶洞位置和大小與推測結果相差無幾，并且內部無水。

圖1 測線1探測成果圖

圖2 測線2探測成果圖

5 結 論

通過分析巖溶構造的形成機理和形態特點，指出了巖溶裂隙和巖溶空洞為最主要的兩種巖溶構造，并確定了溶洞為影響巖溶地區隧道安全掘進的主要影響因素。隨后又分析了溶洞巖土及溶洞內填充物的地電特性，得出了溶洞內外存在明顯的電磁波界面，具有地質雷達探測的地球物理前提的結論。并且經過進一步分析發現空氣填充溶洞第二界面反射電磁波能量較水填充溶洞強，找到了地質雷達探測過程中區分不同填充類型溶洞的關鍵特征。隨后將地質雷達應用于云南南扎隧道的探測中，探測成果很好的反映出了掌子面前方的溶洞形態，通過分析確定了其大小和位置以及填充類型。并且探測結果與后續隧道掘進揭露結果一致，該實例進一步證明了地質雷達探測巖溶構造的有效性。