探地雷达在高速公路隧道岩溶探测中的应用研究

2019-09-09赵玉宝

北方交通 2019年8期

赵玉宝

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司长沙市 410007)

我国分布有大面积的岩溶区及形式各样的卡斯特地貌。在隧道工程的建设中，岩溶洞穴的危害显得更为突出。隧道穿过可溶性岩层时，有的溶洞位于隧道底部，充填物松软，隧道基底很难处理；有的溶洞位于隧道拱顶，岩质破碎，容易发生坍塌，甚至引起地表开裂下沉，山体压力剧增。因此，准确探测溶洞所在的位置及规模对隧道的运营安全来说至关重要[2]。但隧道建成以后用常规方法很难对病害作出系统评价。探地雷达探测利用高频电磁波对不可见目标体进行扫描,以确定其内部结构形态和位置。结合工程实例,给出探地雷达的原理及其探测方法,包括测线布置、数据采集和图像分析。分析结果表明探地雷达可以精确探测隧道围岩的岩溶分布范围及发育规律，证实了探地雷达技术能够在隧道病害检测中起到良好作用[1]。

1 工程概况

吉茶高速公路第C11合同段麻栗场隧道右洞全长1155m，为已建成通车隧道，该隧道位于湘西自治州花垣县麻栗场镇，隧道右洞YK31+812～YK31+952段在2016年雨季水害较为严重，并导致路面破损。隧道所在区为低山地貌，隧道纵向地形起伏大，据前期钻探及物探反映的情况来看，洞身围岩岩性较复杂，主要为微风化的砂质页岩、灰岩、白云岩和构造角砾岩，岩体不同程度地受到构造影响。由于河水作用，隧底小规模溶洞较发育，为彻底解决隧道右洞水害问题，勘察人员决定用探地雷达对隧道洞身及底板进行扫描探测，其目的在于：利用探地雷达探测该段隧道底板、边墙及顶板围岩中可能存在的溶洞及溶蚀裂隙的分布范围，以便设计采取相应的处治措施，确保隧道运营安全。

2 探测方法及野外数据采集

2.1 方法选择及技术标准

本次探测所选用的地质雷达为美国SIR-3000单通道实时数字采集处理器探地雷达，操作平台为Windows CE，主机可适配所有高中低频雷达天线，频率范围从16MHz到2.2GHz，扫描速率最高可达300线/s，测量范围为0～8000ns，可迭加2～32768个扫描。

本次工作所参照技术标准及技术资料如下：

(1)湖南省吉首至茶洞高速公路第十一合同段工程地质勘察报告；

(2)《公路工程物探规程》(JTG/T C22-2009)；

(3)美国SIR-3000探地雷达使用手册。

2.2 工作原理[5]

探地雷达(简称GPR)方法以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点，成为岩土工程勘察、工程质量无损检测、水文地质调查、生态环境检测、城市地下管网普查、文物及考古探测等众多浅层地球物理勘探领域最主要手段之一。

在浅层岩溶探测中，探地雷达技术的优越性和准确性显著。其向地下发射高频电磁波的短脉冲，产生一个向下传播的波，当它遇到地下地质体或介质分界面时部分能量反射到地表，被布设在地表的接收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达波剖面图。由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性和几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，即波的旅行时间(亦称双程走时)、幅度、频率和波形等，经过对雷达波场资料进行处理和分析，可确定地下界面或目标体的空间位置、结构、电性及几何形态，从而达到对地下隐蔽目标物的探测。

其主要工作原理如图1：

(a)

(b)图1 探地雷达探测原理图

岩溶作为一定形状的岩体中空洞(充气)或充泥、充水洞穴、缝隙或切割密集带，其界面介质突变，将反映在雷达波的变异上，反映为一定形状特征的强反射、强衰减、同相轴不对称变异、间断等，据此，结合地质分析，可推测其性质，再根据双时程走时，对比已知地质，并可推测其埋藏深度、规模等特征。

2.3 测线布置

根据隧道现场实际情况，在隧道底部左右底板布置2条检测线，隧道拱顶布置1条检测线，在左右边墙距拱脚1.5m处布置2条检测线[4]，具体布置见图2。

图2 雷达测线空间布置示意图

(1)测线Ⅰ-Ⅰ’为隧道右车道底板中线起止桩号为YK31+812～YK31+952；

(2)测线Ⅱ-Ⅱ’为隧道拱顶中线起止桩号为YK31+812～YK31+952；

(3)测线Ⅲ-Ⅲ’为YK31+812～YK31+952右边墙，距隧道拱脚1.5m处；

(4)测线Ⅳ-Ⅳ’为隧道左车道底板中线起止桩号为YK31+812～YK31+952；

(5)测线Ⅴ-Ⅴ’为YK31+812～YK31+952左边墙,距隧道拱脚1.5m处。

2.4 雷达数据处理

数据处理的步骤包括预处理、增强处理、几何校正处理及标记处理等。用专用数据处理软件对探测数据进行处理，着重进行振幅恢复、滤波、F-K滤波、反褶积处理，获得信噪比较高的时间剖面，以提高对有用信号的识别。雷达时间剖面可以真实、全面地反映地下介质的变化情况，保证资料的质量[5]。

2.5 地球物理条件

本段隧道围岩主要为构造角砾岩及灰岩，物性差异也主要体现在粘土、水及空气与灰岩电性差异。此次探测中，空洞作为探测的目标物与围岩具有明显不同的电性差异。空洞在保存完好且未被地下水充盈时，表现为高电阻率特征；反之则表现为低电阻率特征。当空洞坍塌后，在洞内形成破碎、疏松的堆积物与围岩的导电和介电性质同样具有差异，也具有利用雷达进行识别的物理前提[5]，工区内主要介质的介电常数和电阻率见表1。

3 雷达资料解释与分析

探地雷达的解释原理主要是依据电磁波的反射同相轴来判断是否存在孔洞或不密实现象。根据野外数据采集，室内数据处理，图像同相轴不连续，存在明显绕射与反射界面来分析、判断[4]。

表1 工作区主要介质介电常数和电阻率

3.1 隧道底板图形分析

岩溶发育时，反射波振幅和反射波组将随溶洞形态的变化横向上呈现一定的变化。一般来说，溶洞雷达图像的特征是被溶洞侧壁的强反射所包围的弱反射空间，即界面反射式强反射，且常伴有弧形绕射现象，溶洞内的反射波则为弱反射，低幅、高频、波形细密，但当溶洞中充填风化碎石或有水时，局部雷达反射波可变强[5]。

根据探地雷达YK31+812～YK31+952段右底板剖面Ⅰ～Ⅰ’显示，YK31+830附近同相轴紊乱，反射信号较强，推测为一溶洞，富水，溶洞顶板埋深约2～3m，宽约3～4m，充填物以碎块灰岩为主，局部为粘土，编号RD1。前方YK31+865附近，局部反射信号较强，同相轴错断，推测溶沟溶槽较发育，富水，编号RD2。前方YK31+935附近，局部反射信号较强，同相轴错断，推测为一倾向小里程溶沟,编号RD3。具体详见图3、图4。

图3 右车道底板Ⅰ-Ⅰ’地质雷达深度剖面图

图4 右车道底板Ⅰ-Ⅰ’雷达综合解释地质断面图

根据探地雷达YK31+812～YK31+952左底板剖面Ⅳ～Ⅳ’显示，YK31+843、YK31+861、YK31+925附近，局部反射信号较强，同相轴错断，推测分别为三条竖直向溶沟，编号分别为RD10、RD11、RD12。YK31+915附近，同相轴紊乱，反射信号较强，推测为一溶洞，溶洞顶板埋深3～4m，宽约2～3m，充填物以碎块灰岩为主，局部为粘土，编号为RD13。具体详见图5、图6：

图5 左车道底板Ⅳ-Ⅳ’地质雷达深度剖面图

图6 左车道底板Ⅳ-Ⅳ’雷达综合解释地质断面图

隧道底板岩溶分布平面图见图7：

图7 隧道底板岩溶分布平面图

3.2 隧道其它部位图形分析

根据探地雷达YK31+812～YK31+952拱顶剖面Ⅱ～Ⅱ’显示，YK31+835附近同相轴紊乱，反射信号较强，推测为一溶洞，富水，溶洞顶板埋深约4～5m，宽约2～3m，充填物以碎块灰岩为主，局部为粘土，编号RD4。YK31+872位置有异常显示，推测为一溶洞，富水，溶洞顶板埋深约3～4m，宽约2～3m，充填物以碎块灰岩为主，局部为粘土，编号RD5。

根据探地雷达YK31+812～YK31+952右边墙剖面Ⅲ～Ⅲ’显示，YK31+832、YK31+938位置，同相轴紊乱，反射信号较强，推测为两个溶洞，溶洞顶板埋深3～4m，宽1～2m，充填物以碎块灰岩为主，局部为粘土，编号分别为RD6、RD7。YK31+902、YK31+942附近，局部反射信号较强，同相轴错断，推测为两条竖直向溶沟，编号分别为RD8、RD9。

根据探地雷达YK31+812～YK31+952左边墙剖面Ⅴ～Ⅴ’显示，YK31+834位置同相轴紊乱，反射信号较强，推测为溶洞，溶洞顶板埋深4～5m，宽2～3m,充填物以碎块灰岩为主，局部为粘土，编号为RD14。YK31+850、YK31+927附近，局部反射信号较强，同相轴错断，推测为溶沟溶槽发育，编号分别为RD15、RD16。

根据洞内地质雷达探测成果，YK31+812～YK31+952段，共推测溶洞7个，含水裂隙发育部位9个。其特征如表2：