隧道非充填型溶洞探测缺陷化分析研究

蔡丛兵，吴 勇，刘浩杰

（1.云南路桥股份有限公司，云南 昆明 650200；2.云南省建筑科学研究院，云南 昆明 650223）

0 引言

云南地区的基础设施建设较全国其他地区有所落后，加之西南地区山地地形占据很大的比例，故隧道已成为西南地区高速公路建设的重要组成部分。由于西南地区地质条件较为复杂，隧道建设前期进行的地质勘察资料难以准确、全面地掌握隧址区的地下地质条件，其探测钻孔密度有限的局限性导致勘察资料与实际情况不符，尤其是地下存在的不良地质体的分布、大小及其空间位置不可避免地与实际存在偏差。为及时准确地掌握隧道工程掌子面前方的围岩条件，提前做好预防措施，避免隧道在施工过程中出现掌子面塌方、涌水、突泥等严重威胁施工安全的事故发生，有必要进行超前地质预报。

探地雷达具有垂直分辨率高、图像直观、简便经济和无损探测等优点，近年来在隧道超前预报中广泛应用。李霄凯等［1］人借助探地雷达对高速铁路隧道进行无损检测，通过理论分析，表明探地雷达可精确探测衬砌厚度，确定钢筋及格栅钢架的分布位置及数量，能准确查明衬砌背后存在的空洞和回填不密实区域，提高隧道无损检测的工作效率和准确性。张文等［2］人应用探地雷达成功预报了地铁隧道前方掌子面可能存在的岩溶地质构造，并通过开挖实际验证了预报的准确性，表明探地雷达法是一种准确度较高的超前地质预报法，为施工单位提供较准确的参考。南亚林等［3］人借助探地雷达在公路隧道进行裂隙带、含水带和破碎带的探测，发现探地雷达对此类不良地质体有较高的识别能力。张先武等［4］人利用地震数据处理方法来处理探地雷达数据，提出利用地下介质等效滤波器具有最小相位这个特性，提高预报准确性。

非充填型溶洞作为隧道施工过程中的一种不良地质体，若能对其进行准确探测预报，将极大提高隧道施工的安全系数。虽然国内外针对探地雷达在地质超前预报溶洞探测应用方面做了大量的分析研究，但是大多数的分析研究多侧重于溶洞探测波列图特征的分析，而对于溶洞探测灰度图特征分析偏少。本文借鉴地质雷达在隧道质量检测中的分析手段，对地质超前预报灰度图象进行分析，将非充填型溶洞作为地质体中的“缺陷”进行分析，在实际应用中取得了良好效果，有一定的工程意义。

1 工程背景

云南某隧道单幅长度约 4.4 km，勘察资料显示白云岩段长约 735 m，以粉白色白云岩为主、中～强风化、较破碎～破碎、节理（溶蚀）裂隙发育、呈裂隙块状结构，物探显示为高阻区，岩体富水性强，开挖时可能存在较大量的滴水、渗水等现象。当前隧道已掘至白云岩地层，几次地质雷达超前预报已探测出前方存在非充填型溶洞，开挖至预报里程时亦出现雷达预报中显示的溶洞。结合地质资料及当前现场揭露情况，前方继续出现溶洞概率较大。

2 溶洞探测数据分析

现场探测采用美国某公司生产的 SIR－4000 型探地雷达，选择中心频率为 100 MHz 的单体屏蔽天线采集数据。

2.1 探地雷达的应用

探地雷达（Ground Penetrating Radar） 是利用脉冲电磁波来探测隐藏介质分布和不可见目标物，以确定内部结构和位置的电磁技术［5］。工作时向介质发射高频短脉冲的电磁波，电磁波在传播过程中会遇到不同的电性介面，并在电性界面发生反射，接收天线接收到反射回来的信息后，计算机会将接收回来的数字信息进行计算处理和分析，最后由检测人员使用计算机对数据进行处理，进而识别不同界面反射体的形态，确定地质异常体的空间位置。原理如图 1 所示。

图1 探地雷达工作原理示意图

2.2 质量检测缺陷分析

隧道支护背后可能存在缺陷，如不密实、空洞、脱空，利用地质雷达可以进行隧道质量检测，通过数据解译，可以对支护背后缺陷进行定性、定量分析。分析解译的基础在于不同的缺陷在雷达图像上有不同的反映，如以下几种。

1）支护上存在不密实，波列图上信号为强反射，同相轴不连续，错断，一般区域化分布，波形杂乱，波的振幅较强，波形频率以中低频为主，不密实图像如图 2 所示。

图2 不密实灰度图

2）支护背后存在空洞或脱空，雷达波列图上界面反射信号强，呈典型孤立体相位特征或带状长条、三角形分布，三振相明显，波形杂乱，波的振幅幅值较大，如图 3～4 所示。

图3 衬砌背后脱空

图4 衬砌背后空洞

2.3 超前预报“缺陷化”分析

超前地质预报解译数据是对雷达波列图进行分析，主要描述波列图的同相轴、幅值和频率。结合同相轴、幅值和频率进行超前地质预报分析，若围岩为完整岩体、破碎带、节理裂隙密集带等地质体，可取得较好分析效果，但围岩中若出现非充填型溶洞、富水带、软弱层等地质体，同相轴在波列图中难以准确地进行定性分析，可能会导致解译者对雷达数据判断失误。本文借鉴地质雷达在隧道质量检测中的应用及分析手段，将不良地质体看作是围岩中的“缺陷”，结合地质雷达灰度图进行分析，根据工程现场实际情况，本文仅对非充填型溶洞进行探讨分析。

地质雷达超前预报数据常规分析是针对波列图进行分析，图 5 所示为现场地质雷达超预报数据，可以解译如下：①从图中可以看到区域 1 频率为均匀的中高频、频率变化小、波形变化较均一、幅值较弱，根据现场地质情况，区域 1 可以解译为较完整岩体；②区域2 中频率为不均匀的低中频、规律性差、同相轴错断、振幅较强，则该区域可初步解译为节理裂隙密集区域；③图中仅有 3 处可看到同相轴较为连续，解译者可能会判定 3 处为岩性变化接触带等情况，甚至会直接忽略掉该区域的判定，而实际情况是该雷达数据中存在如图 6 所标示的众多非充填型溶洞“缺陷”，在图 5 上面几乎看不出来非充填型溶洞“缺陷”的存在，即使解译者经验足够丰富，看到波列图上非充填型溶洞“缺陷”的一些特征，也不能定性、定量地进行描述。下面借助地质雷达在隧道质量检测中的应用，借鉴对质量缺陷的分析方法，将非充填型溶洞看作是地质体中的缺陷，进行定性定量分析，提高“缺陷的”识别度。

图5 溶洞地质雷达波列图

地质雷达超前预报数据灰度图如图 6 所示。其非充填型溶洞“缺陷”处对应的单道波形图如图 7 所示，可以明显看出幅值迅速衰减，表征为溶洞侧壁的强反射所包围的弱反射，可以确定掌子面前方存在非充填型溶洞，其在图像上的特征类似于雷达质量检测图像中“缺陷”特征。同时利用后处理软件自带的测量距离功能，可以对非充填性溶洞“缺陷”进行定量描述，确定“缺陷”范围。在波列图上进行定性、定量分析后，可以将波列图放入 CAD 中，等比例绘制缺陷位置分布图，对施工现场起到一定的指导意义。图 8 为现场施工时，在地质雷达超前预报的桩号位置开挖出的非充填型溶洞“缺陷”，验证了地质雷达超前预报非充填型溶洞“缺陷化”分析的准确性。

图6 溶洞地质雷达灰度图

图7 溶洞地质解释示意图

图8 现场溶洞图

3 结语

地质雷达凭借其无损、快速检测，且成像直观，现场即可给出初步检测结果，探测精度较高，能够准确地分辨出各种“缺陷”。在此基础上，将探地雷达在质量检测中的分析方法应用于地质超前预报，可使地质超前预报的检测结果更加直观，提高了预报的准确度，具有一定的工程应用价值。