地質(zhì)雷達在巖溶隧道底板探測中的應用

高志兵

（山西路橋集團 呂梁國道項目建設管理有限公司，山西 呂梁 033099）

1 工程實例

1.1 工程概況

某隧道設計為左右線分離式，兩洞中軸線間距27～65 m。左線洞體全長1 203 m，右線洞體全長1 147 m，洞體進出口位于黃土沖溝及基巖侵蝕溝谷，交通相對不便，隧道總體走向呈正南向175°。

1.2 地形地貌

隧址區(qū)位于黃土局部覆蓋基巖中低山區(qū)。由于受地質(zhì)構(gòu)造和長期沖蝕、侵蝕、堆積的外動力地質(zhì)作用，地表溝壑縱橫、山高坡陡、地表起伏較大。最高海拔1 200.149 m，最低海拔1 104.836 m，相差近百米。

1.3 地層巖性

隧址區(qū)地層巖性結(jié)構(gòu)簡單，范圍內(nèi)出露地層由新到老為第四系上更新統(tǒng)（Q3）、中更新統(tǒng)離石組（Q2l）、第四系下更新統(tǒng)午城組（Q1W）、第三系靜樂組（N2j）、奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2S）組成。

1.4 不良地質(zhì)

根據(jù)某隧道工程地質(zhì)縱斷面圖顯示，K48+750—K48+580段圍巖以奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組（O2S）中風化灰?guī)r為主。圍巖巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)合一般，呈鑲嵌碎裂狀結(jié)構(gòu)。圍巖級別為Ⅳ2級，水文地質(zhì)類型為巖溶裂隙水，易產(chǎn)生淋頭水及局部塌方、掉塊現(xiàn)象。隧道底部可能存在巖溶或破碎區(qū)。

2 探測方案

2.1 地質(zhì)雷達的原理

地質(zhì)雷達檢測原理如下：雷達發(fā)射天線向地下連續(xù)發(fā)射脈沖式高頻電磁波，當遇到有電性差異的界面或目標體（介電常數(shù)和電導率不同）時即發(fā)生反射波和透射波(見圖1)。接收天線接收反射波并經(jīng)電纜傳遞給主機，在主機顯示屏上形成實時的時間剖面。根據(jù)記錄到的反射波到達時間和求得的電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，確定界面或目標體的深度；同時根據(jù)反射波的形態(tài)、強弱及其變化等因素來判定目標體的性質(zhì)[1]。

圖1 地質(zhì)雷達探測原理圖

2.2 測線布置

本次地質(zhì)雷達探測在隧道ZK48+665—ZK48+630段上臺階布置5條測線，時窗200 ns，探測深度約10 m，自由測量，每2 m打標，探測過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時重新探測?，F(xiàn)場測線布置平面圖及剖面圖見圖2和圖3。

圖2 現(xiàn)場測線布置平面圖（單位：m）

圖3 現(xiàn)場測線布置剖面圖（單位：m）

3 探測結(jié)果

3.1 測線1（ZK48+665—ZK48+630段）

此測線位于隧道中線，雷達成果數(shù)據(jù)見圖4。經(jīng)分析，ZK48+665—ZK48+630段上導底板下部6 m深度范圍電磁波反射總體一般，局部增強，推測上導底板下部6 m深度范圍內(nèi)巖體較破碎至較完整，裂隙充填黏土，局部松散。

圖4 測線1地質(zhì)雷達成果圖

3.2 測線2（ZK48+665—ZK48+630段）

此測線偏離隧道中線向左1 m，雷達成果數(shù)據(jù)見圖5。經(jīng)分析，ZK48+665—ZK48+645、ZK48+643—ZK48+630段上導底板下部6 m深度范圍電磁波反射較強，推測上導底板下部6 m深度范圍內(nèi)巖體較破碎，局部較完整，裂隙充填黏土，夾薄層黏土，局部松散。

ZK48+645—ZK48+643段上導下部2 m處深度范圍電磁波反射強烈，預測存在溶洞。

圖5 測線2地質(zhì)雷達成果圖

3.3 測線3（ZK48+665—ZK48+630段）

此測線偏離隧道中線向左2 m，雷達成果數(shù)據(jù)見圖6。經(jīng)分析，ZK48+665—ZK48+630段上導底板下部6 m深度范圍電磁波反射總體一般，局部增強，推測上導底板下部6 m深度范圍內(nèi)巖體較破碎至較完整，裂隙充填黏土，局部松散。

圖6 測線3地質(zhì)雷達成果圖

3.4 測線4（ZK48+665—ZK48+630段）

此測線偏離隧道中線向右1 m，雷達成果數(shù)據(jù)見圖7。經(jīng)分析，ZK48+665—ZK48+630段上導底板下部6 m深度范圍電磁波反射總體一般，局部有所增強，推測上導底板下部6 m深度范圍內(nèi)巖體較破碎，局部較完整，裂隙充填黏土，夾薄層黏土，局部松散。

圖7 測線4地質(zhì)雷達成果圖

3.5 測線5（ZK48+665—ZK48+630段）

此測線偏離隧道中線向右2 m，雷達成果數(shù)據(jù)見圖8。經(jīng)分析，ZK48+665—ZK48+630段上導底板下部6 m深度范圍電磁波反射總體較弱，局部有所增強，推測上導底板下部6 m深度范圍內(nèi)巖體較破碎至較完整，裂隙充填黏土，局部松散。

圖8 測線5地質(zhì)雷達成果圖

隧道下導開挖至ZK48+645處，發(fā)現(xiàn)隧道底板下部2.1 m處存在小型溶洞（圖9），深度約1 m左右，呈不規(guī)則體，與地質(zhì)雷達探測結(jié)果基本一致。

圖9 隧道底部為溶洞

4 地質(zhì)雷達探測注意事項

a）根據(jù)隧道勘察資料分析，溶洞可能存在的位置以及對隧道的危害程度，確定合理的探測深度，從而確定最終的采集視窗。

b）鑒于溶洞的發(fā)育位置、規(guī)模等具有不可確定性，采樣點應為1 024[2]。

c）探測前，應盡量清除隧道底板的浮渣或較大巖塊，防止數(shù)據(jù)采集時，地質(zhì)雷達天線出現(xiàn)較大抖動，影響采集數(shù)據(jù)。

d）現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)時，天線應緩慢移動，如果采集數(shù)據(jù)不夠清楚，建議重新采集。

e）現(xiàn)場出現(xiàn)干擾信號時，應予以記錄，后期處理數(shù)據(jù)時，干擾信號應予以剔除[3]。

5 結(jié)論

經(jīng)過對該隧道左右洞700多米巖溶段的探測，探測結(jié)果與開挖情況基本一致。采用地質(zhì)雷達對巖溶區(qū)隧道底板探測，效果十分明顯，同時在現(xiàn)場也易于實施，值得在同類隧道大范圍推廣使用。