三維探地雷達(dá)技術(shù)在復(fù)雜巖溶隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用研究

文章通過總結(jié)在桂林某高速公路隧道施工中應(yīng)用的三維探地雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，并與超前水平鉆孔和實際開挖結(jié)果進(jìn)行對比驗證，表明該技術(shù)可準(zhǔn)確預(yù)報隧道掌子面正前方及側(cè)前方巖溶溶洞的三維空間方位及大小。相較于二維地質(zhì)雷達(dá)，該技術(shù)成像直觀，無須貼靠探測目標(biāo)，探測范圍從二維剖面擴展為三維空間，提高了對巖溶等地質(zhì)構(gòu)造的探測精度，可為進(jìn)一步的超前水平鉆孔方位及角度設(shè)計以及巖溶處治設(shè)計施工提供直觀可靠的依據(jù)。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報；三維地質(zhì)雷達(dá)；三維地質(zhì)成像；巖溶三維地質(zhì)預(yù)報

U456.3A280953

基金項目：

廣西重點研發(fā)計劃項目“復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道結(jié)構(gòu)性能演變與健康狀態(tài)評估關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號：2023AB14033）；

廣西壯族自治區(qū)工業(yè)和信息化廳2018年第三批技術(shù)創(chuàng)新項目（自籌類）“基于布里淵散射的分布式光纖長大隧道施工安全實時監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)”；

廣西重點研發(fā)計劃項目“基于分布式光纖的隧道施工安全與運營健康實時監(jiān)測技術(shù)研究”（自籌）（編號：桂科AB22080027）

作者簡介：

熊春發(fā)（1982—），博士，高級工程師，主要從事隧道及巖土工程理論和技術(shù)方面的研究、公路隧道試驗檢測工作。

0" 引言

我國西南地區(qū)巖溶分布廣泛，地質(zhì)條件復(fù)雜，巖溶的存在導(dǎo)致隧道建設(shè)時發(fā)生突水、涌泥、塌方等事故的風(fēng)險增加，各類事故會造成人員傷害、經(jīng)濟損失，以及影響施工進(jìn)度。超前地質(zhì)預(yù)報工作在隧道施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防中起著重要作用，作為最常用的一種地質(zhì)預(yù)報方法，地質(zhì)雷達(dá)法在巖溶探測方面具有較好的效果。但地質(zhì)預(yù)報多采用二維地質(zhì)雷達(dá)，其應(yīng)用在超前探測中主要存在以下問題：探測深度淺，一般＜30 m；探測采用二維解釋，不能給出前方地質(zhì)體的位置和走向。因此常規(guī)的二維雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報方法無法完全滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作要求，需要進(jìn)一步探索精度高、效率高、可視化的超前預(yù)報方法。

目前常見的三維地質(zhì)雷達(dá)采用的是多發(fā)多收天線，集成后的天線體積和重量都較大，天線中心頻率多為中高頻率，探測深度在1～3 m，主要用于淺層的路基路面病害探測［1-5］。用來進(jìn)行隧道超前地質(zhì)預(yù)報的低頻率三維地質(zhì)雷達(dá)還較少見，僅在部分文獻(xiàn)中提及［6-11］，主要用來探測隧道掌子面前方及前方周邊范圍內(nèi)不良地質(zhì)的三維空間分布情況，探測結(jié)果多與地震波法進(jìn)行對比驗證，與超前水平鉆孔進(jìn)行對比驗證的較少。

本文通過將三維地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報技術(shù)應(yīng)用于桂林某高速公路隧道，并將預(yù)報結(jié)果與超前水平鉆孔、開挖驗證的結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證該方法的預(yù)測結(jié)果，以期為巖溶等復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報提供一種更為準(zhǔn)確全面的方法。

1" 三維地質(zhì)雷達(dá)法隧道地質(zhì)預(yù)報基本原理

二維地質(zhì)雷達(dá)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中應(yīng)用的一大缺陷是無法準(zhǔn)確定位異常體的三維位置。三維地質(zhì)雷達(dá)天線無須貼靠探測目標(biāo)，通過多角度密集探測，可以在一次探測中同時分別形成平行和垂直于運動方向的多條測線，實現(xiàn)三維雷達(dá)信號采集，大大提升探測效率；通過三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，完成三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)信號的處理，包括智能增益、主成分濾波、縱向切片、橫向切片、特征識別、三維點云數(shù)據(jù)導(dǎo)出；采用三維點云數(shù)據(jù)建模技術(shù)，實現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造三維成像，最終實現(xiàn)探測范圍從二維剖面擴展為三維空間，提高了對地質(zhì)構(gòu)造的探測精度。

此外，三維超前預(yù)報地質(zhì)雷達(dá)采用空間補償雷達(dá)天線，多次重復(fù)觀測，利用三維空間疊加算法，對同一反射點的資料進(jìn)行動校正處理，動校正對齊后的各道數(shù)據(jù)相加，使同一反射點的有效波得到加強，多次波相對減弱，從而達(dá)到改善深部微弱信號質(zhì)量、提高資料的信噪比的目的，可將有效探測距離從30 m增加到50 m，提高60%以上。

2" 三維地質(zhì)雷達(dá)法在隧道地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用

2.1" 工程簡介

桂林某高速公路隧道屬巖溶化峰林谷地地貌區(qū)，為分離式隧道。隧道左線起訖樁號ZK15+044～ZK16+695，長度為1 651 m，隧道右線起訖樁號YK15+031～YK16+700，長度為1 669 m。隧道洞門型式為進(jìn)口采用端墻式，出口采用削竹式。

2.2" 二維地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果

在該隧道左線出口端ZK16+609掌子面采用二維地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報工作。探測的掌子面揭露的圍巖以中風(fēng)化灰?guī)r為主，掌子面干燥，中上部鐵質(zhì)浸染呈紅褐色，巖體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育，局部稍夾泥，圍巖自穩(wěn)能力較差。

二維地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報結(jié)果（圖1）顯示：探測剖面掌子面前方6～14 m（相應(yīng)里程樁號為ZK16+603～ZK16+595），以及掌子面前方左側(cè)至中部20～25 m（相應(yīng)里程樁號為ZK16+589～ZK16+584）范圍內(nèi)的雷達(dá)波形整體以不均勻低頻為主，頻率變化較快，波形雜亂，反射波幅值較強，同相軸較連續(xù)。結(jié)合掌子面圍巖情況，推斷圍巖為中風(fēng)化灰?guī)r為主，呈碎裂狀構(gòu)造，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶較發(fā)育，推斷以小規(guī)模填充型溶槽或空腔為主，填充物為泥質(zhì)充填，結(jié)合差，自穩(wěn)能力差。

2.3" 三維地質(zhì)雷達(dá)法超前地質(zhì)預(yù)報實施

2.3.1" 數(shù)據(jù)采集

在二維雷達(dá)探測后，對該隧道左洞樁號ZK16+602掌子面進(jìn)行了三維地質(zhì)雷達(dá)探測，探測前方是否有巖溶等地質(zhì)構(gòu)造存在。為了能覆蓋掌子面正前方及側(cè)前方探測范圍，在掌子面左右側(cè)共設(shè)置2個探測天線架設(shè)站點，每個站點內(nèi)探測252個測點，測點的具體組成為：分為12組，對應(yīng)天線朝向的12個水平角，（組間）水平角間隔20°，即-140°，-120°，-100°…+40°，+60°，+80°；每組21個測點（對應(yīng)天線朝向的21個豎直角，（測點間）俯仰角間隔5°，即-50°，-45°，-40°…+40°，+45°，+50°。每個站點在探測時先調(diào)整好天線的水平角，在天線水平角固定為-140°的條件下從-50°到+50°旋轉(zhuǎn)天線至不同的豎直角進(jìn)行探測，為第1測組21個測點；再將天線切換至下一個水平角-120°，再旋轉(zhuǎn)天線的豎直角進(jìn)行探測，為第2測組21個測點。依次進(jìn)行12組測點的探測，完成一個天線架設(shè)站點探測，再進(jìn)行下一個天線架設(shè)站點探測。一個測站的探測角度范圍及探測流程詳見圖2。

2.3.2" 成果解釋

對采集的三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)分析平臺處理，并用三維點云處理系統(tǒng)將雷達(dá)二維剖面結(jié)果數(shù)據(jù)三維化，獲得溶洞異常區(qū)識別的三維解釋結(jié)果如圖3所示，二維剖面結(jié)果如圖4所示，都給出了探測范圍，最遠(yuǎn)探測距離為40 m。

通過三維雷達(dá)進(jìn)行超前探測，推斷掌子面前方圍巖狀況較差，主要存在2處溶洞構(gòu)造D1、D2，內(nèi)部存在多處信號反射，推測局部充泥。其中，D1距離2#探測位置5.6 m附近探測到巖溶空洞構(gòu)造，分布在探測位置右前方，探測區(qū)域內(nèi)長軸為60.0 m，短軸為21.8 m，D1內(nèi)部主要為黃泥填充；D2距離1#探測位置4.7 m附近探測到巖溶空洞構(gòu)造，分布在探測位置左側(cè)，長軸為37.3 m，短軸為16.2 m。地質(zhì)異常區(qū)D1、D2三維雷達(dá)超前探測結(jié)果信息見表1。

2.4" 開挖及超前水平鉆孔驗證

2.4.1" 開挖驗證

實際開挖顯示，該隧道出口左洞ZK16+597上臺階掌子面揭露圍巖情況為：掌子面右側(cè)圍巖為大面積溶腔，可見溶腔范圍斜向上延伸，溶腔內(nèi)充填黃泥，無自穩(wěn)能力，如圖5所示。三維地質(zhì)雷達(dá)對側(cè)前方巖溶發(fā)育范圍的預(yù)報結(jié)果與掌子面揭露溶洞的情況相符。而二維雷達(dá)由于只能探測掌子面正前方的異常情況，推斷正前方是以小規(guī)模填充型溶槽或空腔為主，與實際溶洞范圍不符。

2.4.2" 超前水平鉆孔驗證

為了進(jìn)一步查明掌子面揭露溶洞的空間范圍，采用C6多功能鉆機在隧道左洞雷達(dá)探測掌子面樁號ZK16+597位置布置6個超前探孔，鉆孔位置及鉆孔記錄見表2、圖6。根據(jù)鉆孔記錄及鉆渣分析，左幅掌子面前方存在大面積泥質(zhì)充填、溶腔，其中1#孔共計鉆進(jìn)50 m，3.2～50 m范圍內(nèi)均為空腔或黃泥狀態(tài)。三維地質(zhì)預(yù)報的結(jié)果與超前水平鉆孔查明的溶洞空間分布范圍相符。

由此可見，三維地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報結(jié)果與鉆探和現(xiàn)場開挖揭示的結(jié)果吻合較好，準(zhǔn)確地預(yù)測了隧道掌子面正前方和側(cè)前方溶洞的空間分布范圍，成像直觀，是一種精確全面的隧道超前預(yù)報方法。

3" 結(jié)語

本文依托桂林某高速公路隧道工程，開展三維探地雷達(dá)技術(shù)在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用研究，并將預(yù)報結(jié)果與超前水平鉆孔、開挖揭示的結(jié)果進(jìn)行對比驗證，結(jié)果表明：

（1）三維探地雷達(dá)技術(shù)借助中心頻率50 MHz的天線并結(jié)合三維空間疊加算法，探測距離根據(jù)圍巖完整情況可達(dá)到40～50 m，相比二維探地雷達(dá)的預(yù)報距離有較大提升。

（2）三維探地雷達(dá)技術(shù)的探測范圍為錐形三維空間，可有效探測隧道掌子面正前方50 m范圍內(nèi)、側(cè)前方30 m范圍內(nèi)的隧道輪廓線內(nèi)外三維空間的不良地質(zhì)情況，實現(xiàn)不良地質(zhì)構(gòu)造的快速識別和三維成像。對于公路隧道，可在掌子面底部中間設(shè)置1個測站，也可在掌子面底部左右側(cè)共設(shè)置2個測站，擴大探測范圍。

（3）三維探地雷達(dá)技術(shù)提高了對巖溶等地質(zhì)構(gòu)造的探測精度，探測結(jié)果更準(zhǔn)確、更直觀、更全面，尤其適用于巖溶復(fù)雜發(fā)育條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報工作，可為處理復(fù)雜巖溶提供設(shè)計和施工的準(zhǔn)確詳細(xì)數(shù)據(jù)依據(jù)，避免因巖溶未被準(zhǔn)確探測到或處治不當(dāng)而引起的隧道坍塌、突泥等災(zāi)害事故發(fā)生。

［1］錢" 鵬，談順佳，王鳳剛，等.三維地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)在城市道路空洞病害普查中的應(yīng)用研究［J］.城市地質(zhì)，2023，18（4）：98-106.

［2］彭" 偉，武" 斌，余" 舟，等.基于地質(zhì)雷達(dá)的城市道路病害智能識別系統(tǒng)分析與設(shè)計［J］.四川地質(zhì)學(xué)報，2023，43（S1）：133-136.

［3］盧思同，陳" 敏，袁家余.城市道路病害探測三維地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用技術(shù)［J］.上海國土資源，2022，43（2）：99-102.

［4］吳" 偉，喬亞奇，曹" 兵.綜合物探手段在城市道路淺層病害中的應(yīng)用分析［J］.工程與建設(shè)，2023，37（4）：1 132-1 135.

［5］湯金峰，洪旭程，柳思龍，等.三維地質(zhì)雷達(dá)數(shù)值模擬在道路病害檢測中的應(yīng)用［J］.工程地球物理學(xué)報，2022，19（3）：356-367.

［6］劉" 翔，尹燕征，郭" 鵬，等.地質(zhì)雷達(dá)三維探測和TSP在隧道超前地質(zhì)預(yù)報中的應(yīng)用［J］.北方建筑，2022，7（5）：3-8.

［7］鄧海明，楊" 曦，李志山，等.一種基于半空間掃描測量模式的隧道坍腔地質(zhì)雷達(dá)三維成像技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2021，58（3）：52-59.

［8］趙慶和，范明坤，張維平，等.雷達(dá)三維探測技術(shù)在隧道地質(zhì)隱患勘察中的應(yīng)用［J］.四川建材，2019，45（3）：49-50.

［9］姜文濤，吳" 勇，范明坤，等.地質(zhì)雷達(dá)三維成像技術(shù)在隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用［J］.人民長江，2017，48（S2）：120-122.

［10］浦恩虎.三維可視化綜合物探技術(shù)在白茫雪山隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2018，14（1）：184-186.

［11］徐愷奇，辛光濤.三維可視化綜合物探技術(shù)在隧道超前預(yù)報中的應(yīng)用研究［J］.工程技術(shù)研究，2018（16）：29-30.

20240312