地質雷達勘探方法在隧道地質超前預報中的應用

吳 海 鄭航飛

（湖南省益常北線高速公路建設開發有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著經濟的發展，我國加快了基礎交通設施的建設，迎來了隧道工程前所未有的發展[1]。在隧道工程施工過程中，隧道的開挖會破壞原始地層的穩定，導致應力的重分布，加上地質條件復雜，在不良地質段可能會發生圍巖坍塌、突水突泥等災害，威脅施工人員的生命和施工企業的財產安全。為此，需要在施工過程中進行地質超前預報，探明不良地質體的范圍和大小[2]，為隧道施工提供指導和建議，減少因為軟弱的地質條件或支護處理不當而導致圍巖坍塌帶來的損失。

實現超前地質預報的方法有很多，例如地質分析法、地球物理勘探法、鉆探揭露法、紅外探測法等[3-4]，其中地球物理勘探法具有無損的特點，對整體施工影響較小。地質雷達勘探法（以下簡稱“地質雷達法”）是目前最主要的地球物理勘探法[5]，因其設備輕便、工作場地任意、適應性強的特點，近年來在環境、橋梁、隧道工程等領域發展迅速[6]。本文以桑龍高速某隧道為例，探討地質雷達法在隧道地質超前預報中的應用，總結應用經驗。

1 地質雷達法原理

地質雷達法（Gound Penetrating Radar，簡稱GPR）作為一種獨特的地球物理勘探方法，是利用一個天線發射時間域電磁脈沖信號，另一個天線接收來自地下目標體反射的電磁波信號，基于地下介質的電磁特性差異，從而實現地下結構探測目的的一種電磁方法。地質雷達法的工作原理見圖1所示。

圖1 地質雷達剖面記錄示意圖

2 工程實例應用

2.1 隧道工程概況

該隧道位于湖南省龍山縣茨巖塘，隧道進口位于中山村附近山體斜坡，隧道出口位于甘露村甘露坪山體斜坡，屬長隧道，隧道按左、右線分離式設計，左線起訖樁號K47+740～K50+551，總長2811m，隧道最大埋深約227m；右線隧道起訖樁號K50+732～Y6K50+579，總長2847m，隧道最大埋深約214m。

根據工程地質調查、測繪、鉆探及工程物探等資料，隧址區地層結構的上覆為第四系全新統殘坡積層（Q4el+dl），下伏為奧陶系下統紅花園組、分鄉組、南津關組（O1n+f+h）及寒武系上統耗子沱群（∈3hz）。隧道周圍覆蓋層及圍巖主要包括紅褐色、硬塑且土質不均的黏土，表層含植物根系；青灰色、隱晶質結構、中厚層狀構造的灰巖；青灰色、中風化、隱晶質結構、中厚層狀構造的灰巖，且局部可見裂面鐵質浸染；青灰色、隱晶質結構、中厚層狀構造的灰巖溶蝕破碎帶，局部受地下水溶蝕作用，溶蝕裂隙發育，可見大量蜂窩狀溶蝕小孔。整體來看，隧道圍巖中的節理裂隙也較發育。

隧道施工區域的地下水主要包括：第四系松散層孔隙滯水，賦存于殘坡積黏土松散層孔隙中，含水層分布不穩定，整體的厚度不大，對隧道施工影響甚微；巖溶裂隙水賦存于洞穴、可溶巖巖溶裂隙中，并沿裂隙運移排泄，受到巖溶的分布和發育程度的影響，其補給的來源主要是天然降水，水量的整體分布不均。因此，隧道的開挖仍有發生突水突泥災害的可能。掌子面的實際圍巖情況如圖2所示。

圖2 隧道掌子面的實際圍巖情況

2.2 測線布置

采用美國GSSI生產的SIR-20型地質雷達系統用于地質雷達超前探測，配備的天線的中心頻率為100MHz。由于受現場條件限制，在掌子面上布置了三條測線進行探測，測線分布情況如圖3所示，其中測線A距現開挖面拱頂高度為1.0m，測線B距現開挖面底部高度為1.5m，測線C距現開挖面底部高度為1.1m，儀器量程為650ns，介電常數取8.0。

圖3 地質雷達探測測線布置示意圖

2.3 探測結果圖像分析

2.3.1 進口右洞Y6K48+451段

圖4 為該隧道進口右洞Y6K48+451 掌子面上點測采集的地質雷達成果圖，采樣時窗為600，探測深度30m，通過對比分析得知：測線A顯示掌子面前方0～4m、10～30m的范圍內，雷達反射電磁波信號總體以高頻弱反射信號為主，局部有低頻較強反射信號，同相軸的連續性一般，推測此段圍巖與掌子面揭露巖性類似，以中風化灰巖為主，節理裂隙較發育，局部溶蝕裂隙較發育，巖體較完整，局部較破碎；掌子面前方4～10m的范圍內，反射波振幅差異大，雷達反射電磁波信號呈高頻弱反射信號與低頻強反射信號相互交錯陳列，同相軸連續性差，推測此段圍巖溶蝕裂隙發育，裂隙、溶洞內的填充物有泥質物、裂隙水等，巖體的完整度較好，局部呈現較破碎～破碎的特征。

圖4 進口右洞Y6K48+451地質雷達探測波形圖

測線B、C顯示掌子面正前方0～30m區域內雷達反射波信號以高頻弱反射信號為主，局部有低頻較強反射信號，反射波振幅較平緩，局部有一定的起伏，同相軸連續性一般，推測此段圍巖與掌子面揭露巖性類似，以中風化灰巖為主，節理裂隙較發育，局部溶蝕裂隙較發育，巖體的完整度較好，局部呈現較破碎的特征。

結合現場地質調查和詳勘資料可以推斷，該隧道進口右洞Y6K48+451～Y6K48+455、Y6K48+461～Y6K48+481段的圍巖主要為中風化、中厚層狀構造、呈塊狀的灰巖，巖質較為堅硬，節理裂隙較為發育，局部溶蝕裂隙發育，裂隙內的填充物主要為方解石脈或少量泥質物，巖體的完整度較好，局部呈現較破碎的特征，圍巖的穩定性一般。Y6K48+455～Y6K48+461段的圍巖主要為中風化、薄～中厚層狀構造的灰巖，巖質較為堅硬，溶蝕裂隙發育，裂隙、溶洞內的填充物主要有泥質物及裂隙水等，巖體的完整度較好，局部呈現較破碎～破碎的特征，圍巖的自穩能力較差。在后續的實際開挖中，得到的圍巖性質與超前預報的內容較為吻合。

2.3.2 出口右洞Y6K49+573段

圖5為該隧道出口右洞Y6K49+573掌子面點測采集的地質雷達成果圖，探測深度30m。通過對比分析得知：掌子面前0～30m的范圍內，雷達反射電磁波信號總體呈高頻弱反射信號，局部（主要為3～16m）有低頻較強反射信號，反射波振幅前后差異不大，局部有一定的起伏，同相軸連續性一般，推測此段圍巖與掌子面揭露巖性類似，主要為中風化灰巖，節理裂隙較發育，局部（主要為Y6K49+570～Y6K49+557段）發育溶腔或溶蝕寬張裂隙，泥、砂質充填，裂隙水較發育，巖體的完整度大部分較好，局部呈現較破碎的特征。

圖5 出口右洞Y6K49+573地質雷達探測波形圖

結合掌子面地質調查及隧道詳勘資料綜合推斷，該隧道出口右洞Y6K49+573～Y6K49+543段，圍巖主要為中風化、中厚層狀構造為主、局部夾薄層狀、呈塊狀的灰巖，巖質較為堅硬，局部層間膠結較差，節理裂隙較發育，局部（主要為Y6K49+570～Y6K49+557段）發育溶腔或溶蝕寬張裂隙，裂隙間多由泥、砂質充填，巖體的完整度較好，局部呈現較破碎的特征；裂隙水較為發育。整體來看，圍巖的穩定性一般，支護不及時可能會導致拱部出現掉塊現象。在后續的實際開挖中，得到的圍巖性質與地質雷達超前預報的結果也較為吻合。

2.3.3 出口左洞K49+226段

圖6為該隧道出口左洞K49+226掌子面點測采集的地質雷達成果圖，探測深度30m。通過對比分析得知：掌子面前方0～30m范圍內，雷達電磁波以高頻弱反射信號為主，局部夾雜低頻較強反射信號，此外振幅波動較大，同相軸連續性較差，推測此段圍巖主要為中風化灰巖，巖質較堅硬，大部分為中厚層狀構造，巖溶較發育，溶蝕裂隙較發育，掌子面前方5～22m發育溶腔或溶蝕寬張裂隙，泥質充填，巖體較完整～較破碎。

圖6 出口左洞K49+226地質雷達探測波形圖

結合掌子面地質調查及隧道詳勘資料綜合推斷，該隧道出口左洞K49+226～K49+196段，圍巖主要為中風化灰巖，巖質較堅硬，大部分為中厚層狀構造，巖溶和溶蝕裂隙較為發育，K49+221～K49+204 段發育溶腔或溶蝕寬張裂隙，泥質充填，巖體較完整～較破碎；整體而言，該處隧道圍巖的穩定性一般，局部較差，需及時支護，防止拱部出現掉大塊現象。在后續的實際開挖中，得到的圍巖性質與超前預報的內容較為吻合，地質雷達預報取得較好的效果。

3 結束語

本文以地質調查為基礎，將地質雷達方法用于桑龍高速某隧道施工的地質超前預報中，來預報施工前方的不良地質體情況。該項目發揮了地質雷達無損、輕便、高效的特點，取得了良好的預報效果，對掌子面前方地質情況提前做出了預測，為隧道施工提供了指導，保障施工的安全。當然，在隧道工程地質超前預報中，也要注重與其他方法的結合，以充分發揮地質雷達法的作用。