地質雷達在陽山隧道巖溶發育段的應用研究

李 斌

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

以貴州為中心的西南地區，喀斯特地貌廣泛分布，也是巖溶發育最強烈的地區[1]，該地區常年充足的降水和地表的石灰巖巖層為巖溶發育提供了良好的形成條件[2]。而在隧道施工過程中，因巖溶發育導致的地質構造災害，引發突水突泥、冒頂塌方等事故，會造成較大的人員傷亡和經濟損失[3-5]。

根據地勘揭露，貴州畢節陽山隧道進出口淺埋段穿越白云巖層約500 m，已探明揭露的溶洞較多，因此推斷該范圍內巖溶發育，具體位置和影響范圍不確定。為了有效保障整個隧道施工的安全，提高工程的施工效率和經濟效益，需對巖溶發育段進行超前地質預報探測。

超前地質預報技術就是針對隧道施工過程中可能遇到的地質災害而興起的技術手段，目前在隧道施工過程中屬于必要環節，常用的方法有地震波反射法、地質雷達法、瞬變電磁法、紅外探水法、TRT技術和常規的超前鉆探法[6-11]，各種方法均有自己的特點和不足[12-13]，采用單一的方法很難有效掌握前方地質情況。在實際施工過程中，往往采取長短結合的方式開展，可以有效探測掘進工作面前方一定距離和范圍內的不良地質體，了解掘進面前方不同巖體接觸帶位置、巖體破碎程度、地下水賦存情況、巖溶發育情況、巖層裂隙發育狀況等，從而通過分析研究，變更設計參數和施工工藝，保障隧道作業安全和整體結構的穩定。

1 工程概況

陽山隧道屬于畢節市南部新區深圳路延伸段道路建設工程的關鍵部分，工程位于七星關區南部新區北部，呈東西走向，東接已建成深圳路東段，西接草海大道，設計陽山隧道因下穿陽山森林公園得名。隧道最大埋深190 m，南線起止里程SK0+490 m—SK2+331 m，長1 841 m，場地屬低山地貌，隧道段地勢起伏較大，局部還分布溝壑及洼地等，地下水主要為上層滯水和基巖裂隙水及巖溶水，未發現明顯暗河。畢節陽山隧道工程位置如圖1所示。

圖1 陽山隧道工程位置示意

根據先期進行的地震波反射法探測里程SK0+903 m—SK1+003 m段，該段節理裂隙發育，巖體破碎，屬于巖溶發育段，需要結合地質雷達法對異常段進行精細化探測。發現不良地質體時，要提前進行處置措施，保障施工安全。

2 地質雷達基本原理

探地雷達采用的是時間域脈沖方式，系統主機控制發射機通過天線將高頻帶的脈沖電磁波[14]向隧道掘進面前方定向發射。垂直于隧道掘進面傳播的電磁波當遇到有電性差異(介電常數、電導率、磁導率不同)界面或目標體時即發生反射，反射波被天線接收進入接收機，并傳回主機，可得到各個反射波往返旅行時間t。

不同地下介質介電常數的差異決定了反射系數的大小，呈正比關系，即差異越大，反射系數越大，越容易被探測到[15]。常見介電常數見表1。

表1 常見介電常數

在相對介電常數Er給定的情況下，已知雷達波在空氣中的傳播速度c=0.300 m/ns，就可以使用式(1)換算成目標體的深度H[16]。

(1)

介質中不同深度的反射波返回主機，然后進行信號放大、采集整理、過濾雜波和數字疊加等分析處理，就能把雷達波反射的時間曲線直觀地顯示出來。通過連續探測就構成了地質雷達成果剖面圖，從而進一步可以推斷目標體的位置、規模和影響范圍。地質雷達探測工作原理如圖2所示。

圖2 地質雷達超前探測原理示意

3 方案設計

現場使用配備中心頻率100 MHz天線的SIR-20型地質雷達開展探測。根據探測前方巖性特征及現場的工作條件，探測距離可以達到30 m左右[17]。

現場探測時，陽山隧道進口南線掘進面里程為SK0+962 m，掘進面巖性為白云巖，夾有多層薄層狀灰色泥巖及黃色黏土，掘進面圍巖節理裂隙發育，圍巖破碎，有掉塊現象，掘進面濕潤，無滴水滲水現象。探測時掘進面巖性情況如圖3所示。

圖3 掘進面巖性照片

根據現場探測條件，在掘進面下部布置了1條距底部高約1 m的橫測線1，長度約為16 m，掘進面左幫為測線0點位置，終點掘進面右幫，探測方向從左向右進行；分別沿橫測線1的2、8、14 m位置布置3條距底板高約2 m的縱測線1、2、3，探測方向從上至下。所有測線探測方向均垂直掘進面向隧道正前方進行探測。測線詳細布置情況如圖4所示。

圖4 測線布置示意

4 探測成果

4.1 數據分析

通過對現場探測的探地雷達數據資料進行處理，得出雷達探測數據成果如圖5—圖6所示。結合圖5、圖6可以看出，在探測范圍內，掘進面前方30 m(SK0+962 m—SK0+992 m)，探地雷達反射波振幅能量不規則，同軸連續性差，振幅能量衰減不均勻，推斷該段節理裂隙發育、破碎。位于掘進面左起測線3～10 m位置的掘進面前方5～15 m，左起測線5～10 m位置掘進面前方26～30 m，局部探地雷達反射波振幅能量波動很大，同軸不連續，符合溶洞發育規律中強反射伴有弧形繞射現象的“雙曲線反射”[18]雷達波形。同樣在圖6中也可以看出，在橫測線雷達探測異常的位置，縱向探測數據也存在一定的強反射異常和能量衰減現象，因此推測在該位置可能存在巖溶。

圖5 橫測線1雷達數據圖像

圖6 縱測線1—3雷達數據圖像

4.2 成果解釋

綜合以上探測結果，在此次掘進面前方30 m(SK0+962—SK0+992)超前探測地質預報范圍內得到以下結論。

(1)掘進面前方30 m(SK0+962 m—SK0+992 m)圍巖整體節理裂隙發育、巖體破碎。

(2)掘進面左起測線3～10 m處掘進面前方5～15 m(SK0+967 m—SK0+977 m)位置，掘進面左起測線5～10 m處掘進面前方26～28 m(SK0+988 m—SK0+992 m)位置，推測該位置節理裂隙發育，破碎，可能存在巖溶。

(3)結合現場地質情況，該段圍巖整體性較差，有掉塊和垮落現象，該段有出現填充巖溶的可能。建議在掘進過程中要加以注意并加強支護，并施工超前鉆探進行驗證，根據揭露情況采取適當措施對溶洞進行處理。

4.3 成果驗證

根據探測結果，在SK0+962 m開挖工作面進行超前水平鉆探驗證。采用液壓鉆機實施了不取芯超前地質鉆孔，布置1號—3號3個鉆孔，利用鉆孔過程中獲取的地質信息[19]對隧道前方的地質情況進行分析和判斷。鉆孔布置如圖7所示，鉆探成果如圖8所示。

圖7 鉆孔布置

圖8 鉆探成果

根據鉆探結果顯示，掘進面前方左側和中部充填有一定黏土，且鉆進速度較快，推測存在巖溶，與地質雷達探測結果相符。進口S線6月7日在里程SK0+970 m位置揭露溶腔如圖9所示。根據監控量測顯示掘進面頂部初支變形明顯，沉降量較大。項目部立即組織開展了專題會議，確定了緊急處置措施，并上報上級主管單位。后續采用超前大管棚支護和注漿加固的方式[20]進行處置，保障安全渡過該巖溶發育段。

圖9 SK0+970 m掘進面揭露溶腔

5 結語

(1)采用地質雷達法，對隧道巖溶發育段進行高精度探測，并通過超前鉆探和揭露驗證，證明地質雷達具有高精度、效率高、干擾少的優點，可以提前做出預警，提供可靠的地質資料，避免地質災害的發生。

(2)通過地質雷達探測數據得出的成果，需要結合掘進面現場情況進行綜合判斷，減少掘進面附近對探測天線的干擾，可以取得更好的效果。

(3)地質雷達法彌補了其他探測方法的缺點，在實際施工過程中采用長短結合的方式進行綜合探測，會取得更大的經濟效益。