地质雷达在隧道岩溶构造探测中的应用研究

宋 伟

(中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆 400039)

1 前 言

随着我国社会经济的发展，基础设施建设得到了大力的发展，特别是铁路和公路的发展尤为迅速。在西南地区，由于其山区地形的特点，铁路和公路的修建主要以隧道和桥梁为主，有些线路的桥隧比甚至接近90%，堪称世界之最。然而，西南地区也是我国岩溶最为发育的地区，这使得在隧道建设的过程中，经常会遇到由于岩溶构造而带来的安全问题，小则影响施工进度，大则造成财产损失和伤亡事故，而且近些年岩溶构造造成的安全事故也越来越多。因此，如何查清掌子面前方岩溶构造类型、构造规模、空间位置及充水充泥情况等信息，以便施工前制定有针对性的施工方案和安全措施，成为了保障隧道安全掘进的关键因素。

地质雷达(Ground penetrating radar，简称GRP)是一种利用高频电磁波探测异常构造的方法，其具有分辨率高、施工效率高、抗干扰能力强且无损的优点，自从上世纪70年代被引进国内以来，在工程检测及隧道超前地质预报领域得到了迅速的发展，并取得了不错的效果。同时，国内也自主开发出了多款地质雷达仪器。在分析岩溶构造成因和研究各种岩溶构造的形态和电性特征的基础上，结合地质雷达的探测原理推导其电磁波反应特征，并将其应用于西南地区某隧道岩溶构造探测中，分析探测效果，这对地质雷达方法在隧道超前地质预报领域的发展具有重要意义。

2 岩溶构造特征

地下水和地表水对可溶性岩石的破坏和改造作用称之为岩溶作用，这种作用及其所产生的地貌现象和水文地质现象的总称叫做岩溶。我国西南、华南、华东、华北、西藏以及新疆等地区，都广泛分布有可溶性的碳酸盐岩。尤其在川、黔、滇、桂、湘、鄂等省区，碳酸盐岩呈连续分布，面积达到了5×105km2之多，是我国主要的岩溶区。

地下岩溶形成的机理有很多，有地下水的溶蚀和沉淀、地下洞穴高压空气的冲爆和低压空气的吸蚀，地下水的机械潜蚀、冲蚀与堆积，地下洞穴的重力崩塌、坍塌与堆积等，其中以地下水的溶蚀作用为主。地下岩溶构造主要以岩溶裂隙和岩溶空洞为主，空洞不断扩大和相互连通则会形成暗河。其中，溶洞对隧道安全掘进的威胁最大，也是地下岩溶构造中最为普遍的一种存在形式。

据研究资料显示，碳酸盐岩的电导率较小，干燥状态下为1×10-9S/m，潮湿状态下为2.5×10-2S/m，其相对介电常数在7～8之间；空气的电导率为0 S/m，相对介电常数为1，均为自然界中最小值；而一般水的电导率为4 S/m，相对介电常数为81，均比碳酸盐岩大得多。因此，无论是空溶洞还是充水溶洞，在溶洞边界上都形成一个电导率和介电常数存在较大差异的分界面。电导率和介电常数的差异能较好的体现电磁波的反应特征上，这是电磁波类方法探测溶洞的地球物理前提。

3 地质雷达原理

地质雷达采用的是时间域脉冲雷达，将宽频带的高频脉冲电磁波发射到地下介质中，通过接受反射信号达到探测地下目标的目的，雷达系统向被探测物发射电磁波脉冲，电磁脉冲穿过介质表面，碰到目标物或不同介质的界面而被反射回来，根据电磁波的双程走时，就可以分析确定探测目标的形态及结构特性。

电磁在传播过程中，主要存在波速和能量的变化。当其在电导率和介电常数较小的空气中传播时，波速最大，能量衰减最慢；当其在电导率和介电常数较大水中传播时，波速最小，能量衰减最快；在灰岩中的传播特性则介于二者之间。因此，在电磁波到达溶洞第一界面时，会有一部分电磁波反射回来，另一部分电磁波继续传播并到达第二界面，并在第二界面又反射回一部分电磁波。由于在空气中电磁波能量衰减较慢，水中电磁波能量衰减较快，因此空气填充溶洞第二界面反射电磁波能量也较强，而水填充溶洞第二界面反射电磁波能量则很微软，甚至接收不到第二界面的反射波。通过以上特性，就可以通过地质雷达准确的探测隧道前方的溶洞。

4 应用实例

为分析地质雷达的实际探测效果，将应用于云南南扎隧道岩溶构造探测工作中。选取D3K320+040里程处的探测实例进行分析。该隧道主体为灰白色白云岩，岩体较完整，局部裂隙发育，节理不发育，无填充，局部弱风化，呈灰白色碎屑，少量碎屑中含泥沙；隐晶质结构，中厚层状。隧道顶板、侧帮淋水较严重，掌子面涌水量较大，底板大量积水。根据现场的探测条件，在掌子面布置4条测线。其中，测线1距掌子面底板高0.8 m，测线从左至右长7 m；测线2距掌子面拱顶1.7 m，测线从左至右长5 m；测线3距掌子面左线1.2 m，测线从底部往上长4 m；测线4距掌子面右线1.2 m，测线从底部往上长4 m。

选取测线1和测线2探测成果进行分析，如图1、2所示。从测线1成果图中可以看出在测线中部2.5 m至4.5 m段清晰可见两次反射波界面，第一次反射界面位于掌子面前方10 m处，第二次反射波界面位于掌子面前方18.5 m处，且第二次反射波能量较强。在测线2成果图中同样可以看到在测线中部1.5～3.5 m段存在两次反射波界面，第一次反射波界面位于掌子面前方11 m处，第二次反射波界面位于掌子面前方19 m处，且第二次反射波能量也较强。因此可以推断在掌子面中部前方10～19 m范围存在一处横向大小为2 m的溶洞，且不含水。后经在向前掘进过程中揭露了该溶洞，溶洞位置和大小与推测结果相差无几，并且内部无水。

图1 测线1探测成果图

图2 测线2探测成果图

5 结 论

通过分析岩溶构造的形成机理和形态特点，指出了岩溶裂隙和岩溶空洞为最主要的两种岩溶构造，并确定了溶洞为影响岩溶地区隧道安全掘进的主要影响因素。随后又分析了溶洞岩土及溶洞内填充物的地电特性，得出了溶洞内外存在明显的电磁波界面，具有地质雷达探测的地球物理前提的结论。并且经过进一步分析发现空气填充溶洞第二界面反射电磁波能量较水填充溶洞强，找到了地质雷达探测过程中区分不同填充类型溶洞的关键特征。随后将地质雷达应用于云南南扎隧道的探测中，探测成果很好的反映出了掌子面前方的溶洞形态，通过分析确定了其大小和位置以及填充类型。并且探测结果与后续隧道掘进揭露结果一致，该实例进一步证明了地质雷达探测岩溶构造的有效性。