地质雷达在公路隧道岩溶超前探测中的应用

刘友 康星

摘 要：岩溶的超前探测对可溶岩地区隧道施工意义重大。地质雷达法是一种快速高效、分辨率高、成本低的超前探测方法，非常适合于岩溶的超前探测。本文主要介绍了地质雷达的基本原理，地质雷达超前探测方法，以及在地质雷达法在中冕公路小相岭隧道施工岩溶超前探测中的应用效果分析，以期为今后该地区类似地质条件的隧道岩溶探测提供一定的参考。

关键词：地质雷达;超前探测;岩溶

中图分类号：U452.11 文献标识码：A

0 引言

在碳酸盐岩等可溶岩发育的地区，岩溶是隧道建设最大的风险源。现有的技术手段在地勘阶段对隧道穿越地层的围岩状况难以作出准确全面的评价。隧道掌子面前方是否发育岩溶的不确定性，一旦钻遇岩溶，极易引起突泥、涌水、塌方等灾害，对施工安全、质量、工期等均会造成不同程度的影响。因此，岩溶的超前探测对可溶岩发育地区的隧道施工具有十分重要的指导意义。

地质雷达作为一种成熟的超前地质预报手段，具有分辨率高、扫描速度快、图像直观便于解译等优点，已广泛应用于各类不良地质体的预报当中[1]。近年来，地质雷达在岩溶隧道超前探测中的应用越来越广泛，取得了良好的应用效果，积累了大量的工程经验[2-4]。无论是填充型岩溶还是空溶腔，由于溶腔内的物质与周围围岩存在明显的物性差异，在溶腔轮廓面处电磁波均有强烈反射，因此地质雷达法非常适合于岩溶的超前探测。在前期中长距离物探预报的基础上，通过地质雷达法对物探异常区段进行短距离超前探测，进一步确定异常体的大小及空间展布特征，结合已开挖段落的岩性特征，对异常进行综合判断解译，必要时再增加超前钻孔，可对掌子面前方岩溶作出较为全面的预报，为隧道施工提供必要的参考信息。

本文主要介绍了地质雷达的基本原理，地质雷达超前探测方法，以及在中冕公路小相岭隧道施工岩溶超前探测中的应用效果。

1 地质雷达的基本原理

地质雷达是一种利用高频脉冲电磁波来探测目标地质体位置及展布特性的地球物理方法，其探测原理如图1所示。由发射天线向掌子面前方发射高频脉冲电磁波，经地质异常体或岩性界面等反射，再由接收天线接收反射电磁波信号，再经后期专业软件处理分析，即可了解掌子面前方地质异常体的位置及展布特征。

地质雷达法进行超前探测的先决条件是目标地质体（地质异常体）与周围围岩存在介电常数的差异，介电常数差异越大，反射波信号越强，信噪比越高，探测效果越理想。无论是空溶腔还是填充性溶腔，溶腔内外均存在较大的介电常数差异，当填充物含水时，这种差异更为明显，探测效果更好。

2 地质雷达超前地质预报工作方法

2.1 现场采集参数设定

地质雷达现场参数的设定直接关系到数据采集的质量，对后期数据处理和分析有重要的影响。结合以往工程经验及现场测试，地质雷达现场采集采用美国劳雷SIR-400主机，100 MHz频率的屏蔽天线，采样点数1 024点/道，采样时窗600 ns，介电常数取7，探测距离约30 m。

2.2 测线布设方式

地质雷达法超前预报的测线布设一般采用水平方式，探测时保证天线与掌子面密贴，探测方向水平向前，宜采用点测方式，道间距约20 cm，若推测掌子面前方地質情况复杂，可增加水平测线数量，或采用“井”字形的测线布设方式。

3 应用实例分析

3.1 隧道概况

小相岭隧道位于凉山彝族自治州北部喜德县以北的喜德、越西两县交界的小山一带。为二级公路，长3 426 m，属特长公路隧道。设平行导洞一座，长3 383 m。据地勘资料，隧道穿越地层岩性主要为砂岩、粉砂岩、泥岩、页岩等。隧道穿越地层下伏灰岩夹白云质灰岩、白云岩，地表岩溶不甚发育，多为溶隙、溶孔。

3.2 超前探测情况

中冕中路小相岭隧道K20+350掌子面为震旦统灯影组白云质灰岩，浅灰色，厚层状结构，弱风化，围岩较完整，岩体坚硬，左侧拱腰节理裂隙稍发育，少量泥质充填，掌子面干燥。围岩等级为Ⅲ级。其超前探测地质雷达成果如图2所示。

据设计文件，掌子面前方30 m岩性均为白云质灰岩，Ⅲ级围岩。

由雷达图像结合掌子面围岩情况，掌子面前方2 m～7 m（K20+352～ K20+357）范围从掌子面左侧至右侧有一组较为连续的反射同向轴，推测为溶蚀裂隙，右侧反射能量强，有多组反射波信号，推测裂隙更为发育，且可能含裂隙水。掌子面前方11 m～18 m（K20+361～ K20+368）范围内反射波同相轴连续，能量强，推测为充填型溶蚀溶腔，溶腔内部含水或泥质，且极可能有水压。以上两组溶蚀通道在隧道右侧界限外可能连通。

根据以上探测成果，我单位建议增加超前地质钻孔进一步探明掌子面前方地质情况。我单位在掌子面中部施做超前钻孔。钻孔资料显示，当钻至掌子面前方4.8 m（K20+354.8）时，钻遇夹泥破碎带。钻至掌子面前方11.4 m（K20+361.4）时，钻头突进，有承压水涌出，夹大量泥质。以上情况基本印证了地质雷达探测结果。

后经开挖验证，掌子面2 m～7 m（K20+352～ K20+357）

为溶蚀裂隙，夹泥质。掌子面前方11 m～18 m（K20+361～ K20+368）为溶蚀溶腔，泥质、块石充填，含承压水。开挖结果与超前探测结果基本一致。

4 结论与分析

（1）地质雷达法对于岩溶超前探测有较好的效果，但地质雷达法属于物探方法，是一种间接探测方式，结果解译一定要结合地质资料，以地质资料作为成果解译的基础;

（2）地质雷达法存在多解性，必要时要采用多种预报手段相结合的方式综合分析，才能较为准确预报掌子面前方的地质情况;

（3）地质雷达法对不良地质体具体位置的探测可能存在一定误差，这是因为地层围岩的介电常数随岩性变化而变化，准确取值较为困难，所以地质雷达法提供的不良地质体的里程桩号难免存在一定偏差。

参考文献：

[1]姜汶泉，刘亚玲，汪林平.地质雷达在公路隧道超前地质预报中的应用[J].地下空间与工程学报，2008，28（04）：649-652.

[2]余绍帆，刘东坤.地质雷达在岩溶地区不同岩体中的应用研究[J].工程建设与设计，2020，68（17）：137-139.

[3]宋伟.地质雷达在隧道岩溶构造探测中的应用研究[J].黑龙江交通科技，2020，43（08）：161-162.

[4]池昌峰，陈筠，梁风，等.地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的应用[J].中国水运，2018，18（09）：185-187.