地質(zhì)雷達(dá)在巖溶地區(qū)不同巖體中的應(yīng)用研究

余紹帆 ，劉東坤

（1.云南省建筑科學(xué)研究院，昆明 650223；2.云南省巖土工程技術(shù)研究中心，昆明 650223）

1 引言

隨著一體化進(jìn)程的不斷推進(jìn)及我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高速公路的建設(shè)被許多省份提上核心議程，云南省也不例外。云南省地形復(fù)雜，山勢(shì)較大，因此隧道工程較多，許多隧道必須穿越巖溶地區(qū)，巖溶發(fā)育復(fù)雜多變，不僅產(chǎn)狀、位置、充填情況難以把握，且突泥、突水等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)，這些自然災(zāi)害大大提高了高速公路在巖溶地區(qū)的施工難度，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，能否提前掌握施工地區(qū)周?chē)膶?shí)時(shí)地質(zhì)情況以及天氣情況成為施工成功及安全與否的關(guān)鍵。及時(shí)有效的情況預(yù)報(bào)不僅可以避免不必要的施工成本，還為一線施工人員的安全提供了切實(shí)的保障。地質(zhì)雷達(dá)不僅僅因?yàn)槠涓叻直娉上竦膬?yōu)點(diǎn)，更因?yàn)槠涓咔逦某上穸龋粡V泛運(yùn)用于隧道短期地質(zhì)預(yù)報(bào)之中。

2 地質(zhì)雷達(dá)的基本原理

地質(zhì)雷達(dá)（Ground Penetrating Radar）技術(shù)是根據(jù)地下介質(zhì)電性的差異，通過(guò)發(fā)射高頻電磁波的反射來(lái)探測(cè)地下目標(biāo)體的一種物探手段。相對(duì)其他勘探方法，具有簡(jiǎn)單、高效、易操作的優(yōu)勢(shì)，因此，受到地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防及控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

地質(zhì)雷達(dá)的發(fā)射天線會(huì)向四周發(fā)射高頻率的電磁波，不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)槠洳煌牡刭|(zhì)體電性所形成的不同電性界面向地質(zhì)雷達(dá)反饋回不同的反射信號(hào)。地質(zhì)雷達(dá)的接收主機(jī)通過(guò)記錄電磁波的雙程走時(shí)，并求取電磁波在該介質(zhì)中的傳播速度就能得到雷達(dá)的探測(cè)深度【1】。

由于不同地質(zhì)體的電性存在差異，因此，主機(jī)通過(guò)接收回來(lái)的信號(hào)在振幅、頻帶、形狀的橫向展布上會(huì)存在差異，所以，在地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理和分析上可以通過(guò)這些差異結(jié)合雙程走時(shí)來(lái)分析地質(zhì)體的空間分布和結(jié)構(gòu)構(gòu)造【2】。

式中，h 為反射體深度，m；ν 為地質(zhì)雷達(dá)脈沖波數(shù)，m/ns；t 為反射回波走時(shí)，ns。

式中，c 為真空中電磁波傳播速度，0.3m/ns；εr為介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

由式（1）、式（2）可得：

3 隧道工程概況

云南某隧道擬設(shè)計(jì)為分離式隧道，該地段屬典型的山地巖溶化地貌區(qū)。施工區(qū)地形較為崎嶇，少數(shù)地段有10°～15°陡坡，地表植被覆蓋面積稀疏；隧道區(qū)地表水不發(fā)育，沖溝內(nèi)無(wú)常年流水，大氣降水沿山脊向低地勢(shì)的溝渠處匯聚，相關(guān)地質(zhì)資料顯示該隧道上覆地層為第四系殘坡積層，下伏地層為三疊系中統(tǒng)個(gè)舊組第四段巖層，為白云巖【3】。

隧道中主要的巖溶發(fā)育類(lèi)型有3 種：（1）無(wú)充填型溶洞溶腔：在施工爆破振動(dòng)的影響下，易出現(xiàn)頂板或側(cè)壁石塊掉落，甚至坍塌；（2）溶蝕裂隙：破壞圍巖完整性及穩(wěn)定性，形成地下水流通通道，易造成涌水事故；（3）泥沙充填型溶洞：隧道中的泥沙或巖溶水中富含泥沙，當(dāng)巖溶揭露后會(huì)涌入隧道，造成突泥事故。

4 儀器設(shè)備及調(diào)用參數(shù)

采用美國(guó)GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-4000 型地質(zhì)雷達(dá)（GPR）及配套分析軟件RADAN7。

地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)主要調(diào)用的參數(shù)如下：

天線：100MHz；

測(cè)量方式：點(diǎn)測(cè)（由于隧道掌子面不平整）；

介電常數(shù)：7～8（完整白云巖介電常數(shù)一般為6～8，由于巖體節(jié)理裂隙發(fā)育程度不同，黏土含量不同，介電常數(shù)取7～8）；

記錄長(zhǎng)度：430nm/s。

5 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)及結(jié)果分析

本次探測(cè)采用美國(guó)GSSI 公司生產(chǎn)的SIR-4000 型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)，選用100MHz 天線，在掌子面布2 條測(cè)線保證數(shù)據(jù)的有效性，探測(cè)精度為20m。

5.1 完整基巖雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析

完整基巖對(duì)應(yīng)的波形堆積圖如圖1 所示。

圖1 完整基巖對(duì)應(yīng)的波形堆積圖

根據(jù)波形堆積圖得出：完整基巖波形均一，振幅弱，同相軸連續(xù)。

5.2 巖體節(jié)理裂隙發(fā)育雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析

巖體節(jié)理裂隙發(fā)育對(duì)應(yīng)的波形堆積圖如圖2 所示。

圖2 巖體節(jié)理裂隙發(fā)育對(duì)應(yīng)的波形堆積圖

根據(jù)波形堆積圖得出：巖體節(jié)理裂隙發(fā)育與完整基巖間介電常數(shù)差異較大，導(dǎo)致節(jié)理裂隙發(fā)育處的波形振幅增強(qiáng)，同相軸不連續(xù)，時(shí)斷時(shí)續(xù)，能量衰減較快。

5.3 巖體夾泥雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析

巖體夾泥對(duì)應(yīng)的波形堆積圖如圖3 所示。

根據(jù)波形堆積圖得出：巖體夾泥與圍巖間介電常數(shù)差異較大，導(dǎo)致巖體夾泥處能量反射較強(qiáng)，振幅增強(qiáng)，同相軸較連續(xù)，夾泥處波形較集中，能量衰減較快。

圖3 巖體夾泥對(duì)應(yīng)的波形堆積圖

5.4 巖體溶蝕破碎雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析

巖體溶蝕破碎對(duì)應(yīng)的波形堆積圖如圖4 所示。

圖4 巖體溶蝕破碎對(duì)應(yīng)的波形堆積圖

根據(jù)波形堆積圖得出：巖體溶蝕破碎，夾泥較多，能量衰減較快，導(dǎo)致波形振幅弱，基本呈直線衰減，局部存在少量基巖裂隙水，導(dǎo)致波形局部振幅增強(qiáng)，頻帶較寬。

5.5 巖溶地區(qū)不同巖體雷達(dá)探測(cè)結(jié)果分析總結(jié)

以上分別對(duì)完整基巖、巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體夾泥、巖體溶蝕破碎的波形特征進(jìn)行了分析，現(xiàn)將不同巖體對(duì)應(yīng)的波形特征總結(jié)如下：

1）完整基巖：波形均一，振幅弱，同相軸連續(xù)；

2）節(jié)理裂隙發(fā)育：波形振幅增強(qiáng)，同相軸不連續(xù)，時(shí)斷時(shí)續(xù)，能量衰減較快；

3）巖體夾泥：巖體夾泥與圍巖間介電常數(shù)差異較大，導(dǎo)致巖體夾泥處能量反射較強(qiáng)，振幅增強(qiáng)，同相軸較連續(xù)，夾泥處波形較集中，能量衰減較快；

4）巖體溶蝕破碎：巖體溶蝕破碎，夾泥較多，能量衰減較快，導(dǎo)致波形振幅弱，基本呈直線衰減，局部存在少量基巖裂隙水，導(dǎo)致波形局部振幅增強(qiáng)，頻帶較寬。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以云南某隧道為例，采用地質(zhì)雷達(dá)100MHz 天線分別對(duì)完整基巖、巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體夾泥、巖體溶蝕破碎4種巖體進(jìn)行探測(cè)，得出不同巖體所對(duì)應(yīng)的波形特征。通過(guò)對(duì)4 種巖體波形特征的總結(jié)可以看出不同介質(zhì)間介電常數(shù)差異較大，地質(zhì)雷達(dá)通過(guò)不同介質(zhì)之間電性的差異得出相應(yīng)的波形圖特征，在均一的巖體中，地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)出來(lái)的波形較均一，同相軸連續(xù)，能量分布較均勻；出現(xiàn)不同介質(zhì)時(shí)，波形振幅增強(qiáng)，能量衰減較快，同相軸會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)、時(shí)斷時(shí)續(xù)等情況。