地质雷达技术在岩溶地区公路隧道施工中的应用

李帝春

(陕西市政建筑设计研究院有限公司，陕西西安 710003)

0 引言

公路隧道施工中，经常会遭遇溶洞、破碎带、含水带等不良地质体，由于其具有复杂性、多变性、隐蔽性等特点，给隧道安全施工带来了巨大风险。为了提高隧道施工风险的可控性，在施工过程中运用超前地质预报技术，及时、准确地探测掌子面前方及周边区域的不良地质体及其工程性质，为正确选择开挖断面、支护参数及施工方案提供依据，并为预防隧道涌水、突泥等可能出现的灾害事故及时提供信息，从而有效避免或减少隧道灾害造成的工程损失和人员伤亡［1-9］。

目前，超前地质预报方法有很多种，包括电磁回波法(地质雷达法)、地震波反射法(陆地声纳法、TSP法)、可控源音频大地电磁法、瞬变电磁法、激发极化法、地震CT技术、红外探测法等。其中，工程中运用得较为广泛的是地质雷达法和TSP法。TSP法是一种弹性波反射法，地震波遇到不良地质界面时将产生反射波，而反射波的传播速度、延迟时间、波形、强度和方向等均与相关界面的性质和产状密切相关，通过对这些参数进行分析，即可获得不良地质界面的相关信息。TSP法对与地震波传播方向近垂直的不良地质界面的探测相当准确，但如果不良地质界面走向平行或形状不规则，探测效果较差。地质雷达法是一种采用超高频窄脉冲电磁波探测介质分布的勘探方法，该方法利用电性差异的目标体(如节理、裂隙、断层破碎带及岩溶通道等)的回波特性，通过分析电磁波波形、振幅和双程走时等参数，确定目标体的形态和属性。地质雷达法效率高、分辨率高，对短距离的地质问题分析准确性高。

本文将地质雷达技术运用于岩溶地区公路隧道施工中，对掌子面前方及周边区域的地质条件进行探测，包括围岩结构的完整性、不良地质体的位置及形态、含水情况等，并在此基础上，对隧道围岩进行分级，从而指导隧道施工及支护设计。

1 地质雷达技术

地质雷达探测是利用电磁波遇到不同界面时其反射振幅和相位不同来推断传播介质的变化。介质介电常数的差异决定了电磁波反射的强弱及相位的正负，而围岩岩性、构造、风化程度及含水量等将影响其介电常数。

地质雷达工作时，发射机通过发射天线发射高频脉冲电磁波讯号(主频为数十兆赫至数百兆乃至千兆)。电磁波在地层系统中传播时，当遇到介电常数不同的地层时，就会影响射频信号的传播，在其界面发生透射和反射，一部分电磁波能量会穿透界面继续传播，另一部分电磁波会被界面反射回来。

电磁波反射讯号通过接收天线输入到接收机，经放大后由示波器显示出来。根据示波器有无反射讯号，可以判断有无探测目标;由反射讯号到达滞后时间及目标物体平均反射波速，可以大致算出探测目标的距离;通过对电磁波反射讯号的时频、振幅、相位等特征进行分析，便能了解地层的地质成因及其特征信息;通过多条测线探测，便可较全面地了解目标物体的地层分布、地质构造等。

地质雷达具有高效率、高分辨率、抗干扰能力强、无损性等特点。工程实践表明，地质雷达是一种低成本、准确性高、使用潜力大的短距离地质探测方法。

2 工程应用实例

2.1 工程概况

隧道区地处扬子淮地台区西南部，为第一隆起带与第二沉降带之间的过渡性区域，发育有较多的短轴状背斜和向斜，为新华夏系晚期构造。区域岩性主要为寒武系上统白云岩、白云质灰岩，倾向近于水平，中厚层，弱风化，裂隙发育。可溶性岩和非可溶性岩接触地带断层褶皱及节理裂隙极度发育。围岩等级为Ⅲ级以上。

隧道沿线有河流分布，存在地下水径流排泄条件，且隧道出口处沟谷通过断裂破碎带，强降雨时会透水入洞。地下水以岩溶裂隙水和基岩裂隙水为主。由于存在岩溶发育的物质基础，隧道开挖时可能会有溶洞出现。

2.2 现场探测及结果分析

采用GSSI公司生产的SIR20地质雷达，配属100 MHz的屏蔽天线对隧道出口段0 m～18 m的范围进行了探测。

根据掌子面现场情况，在距离隧道拱顶1 m处沿水平方向布置了1条测线，分别以水平方向、向上倾斜30°、向上倾斜45°及向上倾斜70°对前方进行探测，以推断预测前方拱顶上方的溶洞范围。由于掌子面的特殊情况，现场探测时对探测剖面进行了重复测试，以提高探测的准确性。图1～图4为地质雷达探测剖面波列图。

图1 水平方向探测剖面

由图1～图4探测结果可以看出，掌子面前方0 m～18 m范围内存在强反射界面，同向轴弯曲、间断、分叉明显。综合分析不同角度探测得到的波列图，可以得出以下结论:

1)掌子面前方右上部15 m范围内为溶洞，黄泥夹块石，含水量较大，15 m～18 m范围内围岩破碎，推断为右上部溶洞边界;

图2 向上倾斜30°探测剖面

图3 向上倾斜45°探测剖面

图4 向上倾斜70°探测剖面

2)掌子面前方左上部及中部18 m范围内为溶洞，黄泥夹块石，含水量较大，受雷达探测范围限制，未探测到左上部边界;

3)从向上倾斜的探测结果来看，在向上探测能及的范围内(10 m～15 m)，为溶洞，黄泥夹块石，含水量较大，未探测到顶部边界;综合得到掌子面前方平剖面图见图5;

图5 掌子面前方推测平剖面图

4)总体来说，探测范围内围岩等级综合定为Ⅴ级。

当隧道掘进一个循环后，掌子面上出现约3 m高的溶洞。经过扩大洞口勘测探明，该溶洞为隧道底板下伏壶状溶洞，沿线路方向长38 m，宽26 m，最大高度达47 m，溶腔体积约1.5×104m3，溶腔下部被粘土块石充填。隧道开挖实际揭示情况与超前地质预报情况吻合。

3 结论与建议

根据地质雷达探测结果和现场地质调查分析，掌子面前方18 m范围内初步推断为溶洞，黄泥夹块石、溶槽夹泥，含水量较大，围岩等级综合定为Ⅴ级;推断右上部溶洞边界为掌子面前方15 m～18 m处，但左上部及顶部，受雷达探测范围限制，未探测到溶洞边界。为了安全起见，建议施工单位采用超前钻探来确定前方和顶部溶洞边界。此外，建议施工时加强围岩支护工作，必要时采用超前支护，防止拱顶和掌子面岩块掉落伤人或突泥涌水等工程事故的发生。

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