地质雷达勘探方法在隧道地质超前预报中的应用

吴 海 郑航飞

（湖南省益常北线高速公路建设开发有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

随着经济的发展，我国加快了基础交通设施的建设，迎来了隧道工程前所未有的发展[1]。在隧道工程施工过程中，隧道的开挖会破坏原始地层的稳定，导致应力的重分布，加上地质条件复杂，在不良地质段可能会发生围岩坍塌、突水突泥等灾害，威胁施工人员的生命和施工企业的财产安全。为此，需要在施工过程中进行地质超前预报，探明不良地质体的范围和大小[2]，为隧道施工提供指导和建议，减少因为软弱的地质条件或支护处理不当而导致围岩坍塌带来的损失。

实现超前地质预报的方法有很多，例如地质分析法、地球物理勘探法、钻探揭露法、红外探测法等[3-4]，其中地球物理勘探法具有无损的特点，对整体施工影响较小。地质雷达勘探法（以下简称“地质雷达法”）是目前最主要的地球物理勘探法[5]，因其设备轻便、工作场地任意、适应性强的特点，近年来在环境、桥梁、隧道工程等领域发展迅速[6]。本文以桑龙高速某隧道为例，探讨地质雷达法在隧道地质超前预报中的应用，总结应用经验。

1 地质雷达法原理

地质雷达法（Gound Penetrating Radar，简称GPR）作为一种独特的地球物理勘探方法，是利用一个天线发射时间域电磁脉冲信号，另一个天线接收来自地下目标体反射的电磁波信号，基于地下介质的电磁特性差异，从而实现地下结构探测目的的一种电磁方法。地质雷达法的工作原理见图1所示。

图1 地质雷达剖面记录示意图

2 工程实例应用

2.1 隧道工程概况

该隧道位于湖南省龙山县茨岩塘，隧道进口位于中山村附近山体斜坡，隧道出口位于甘露村甘露坪山体斜坡，属长隧道，隧道按左、右线分离式设计，左线起讫桩号K47+740～K50+551，总长2811m，隧道最大埋深约227m；右线隧道起讫桩号K50+732～Y6K50+579，总长2847m，隧道最大埋深约214m。

根据工程地质调查、测绘、钻探及工程物探等资料，隧址区地层结构的上覆为第四系全新统残坡积层（Q4el+dl），下伏为奥陶系下统红花园组、分乡组、南津关组（O1n+f+h）及寒武系上统耗子沱群（∈3hz）。隧道周围覆盖层及围岩主要包括红褐色、硬塑且土质不均的黏土，表层含植物根系；青灰色、隐晶质结构、中厚层状构造的灰岩；青灰色、中风化、隐晶质结构、中厚层状构造的灰岩，且局部可见裂面铁质浸染；青灰色、隐晶质结构、中厚层状构造的灰岩溶蚀破碎带，局部受地下水溶蚀作用，溶蚀裂隙发育，可见大量蜂窝状溶蚀小孔。整体来看，隧道围岩中的节理裂隙也较发育。

隧道施工区域的地下水主要包括：第四系松散层孔隙滞水，赋存于残坡积黏土松散层孔隙中，含水层分布不稳定，整体的厚度不大，对隧道施工影响甚微；岩溶裂隙水赋存于洞穴、可溶岩岩溶裂隙中，并沿裂隙运移排泄，受到岩溶的分布和发育程度的影响，其补给的来源主要是天然降水，水量的整体分布不均。因此，隧道的开挖仍有发生突水突泥灾害的可能。掌子面的实际围岩情况如图2所示。

图2 隧道掌子面的实际围岩情况

2.2 测线布置

采用美国GSSI生产的SIR-20型地质雷达系统用于地质雷达超前探测，配备的天线的中心频率为100MHz。由于受现场条件限制，在掌子面上布置了三条测线进行探测，测线分布情况如图3所示，其中测线A距现开挖面拱顶高度为1.0m，测线B距现开挖面底部高度为1.5m，测线C距现开挖面底部高度为1.1m，仪器量程为650ns，介电常数取8.0。

图3 地质雷达探测测线布置示意图

2.3 探测结果图像分析

2.3.1 进口右洞Y6K48+451段

图4 为该隧道进口右洞Y6K48+451 掌子面上点测采集的地质雷达成果图，采样时窗为600，探测深度30m，通过对比分析得知：测线A显示掌子面前方0～4m、10～30m的范围内，雷达反射电磁波信号总体以高频弱反射信号为主，局部有低频较强反射信号，同相轴的连续性一般，推测此段围岩与掌子面揭露岩性类似，以中风化灰岩为主，节理裂隙较发育，局部溶蚀裂隙较发育，岩体较完整，局部较破碎；掌子面前方4～10m的范围内，反射波振幅差异大，雷达反射电磁波信号呈高频弱反射信号与低频强反射信号相互交错陈列，同相轴连续性差，推测此段围岩溶蚀裂隙发育，裂隙、溶洞内的填充物有泥质物、裂隙水等，岩体的完整度较好，局部呈现较破碎～破碎的特征。

图4 进口右洞Y6K48+451地质雷达探测波形图

测线B、C显示掌子面正前方0～30m区域内雷达反射波信号以高频弱反射信号为主，局部有低频较强反射信号，反射波振幅较平缓，局部有一定的起伏，同相轴连续性一般，推测此段围岩与掌子面揭露岩性类似，以中风化灰岩为主，节理裂隙较发育，局部溶蚀裂隙较发育，岩体的完整度较好，局部呈现较破碎的特征。

结合现场地质调查和详勘资料可以推断，该隧道进口右洞Y6K48+451～Y6K48+455、Y6K48+461～Y6K48+481段的围岩主要为中风化、中厚层状构造、呈块状的灰岩，岩质较为坚硬，节理裂隙较为发育，局部溶蚀裂隙发育，裂隙内的填充物主要为方解石脉或少量泥质物，岩体的完整度较好，局部呈现较破碎的特征，围岩的稳定性一般。Y6K48+455～Y6K48+461段的围岩主要为中风化、薄～中厚层状构造的灰岩，岩质较为坚硬，溶蚀裂隙发育，裂隙、溶洞内的填充物主要有泥质物及裂隙水等，岩体的完整度较好，局部呈现较破碎～破碎的特征，围岩的自稳能力较差。在后续的实际开挖中，得到的围岩性质与超前预报的内容较为吻合。

2.3.2 出口右洞Y6K49+573段

图5为该隧道出口右洞Y6K49+573掌子面点测采集的地质雷达成果图，探测深度30m。通过对比分析得知：掌子面前0～30m的范围内，雷达反射电磁波信号总体呈高频弱反射信号，局部（主要为3～16m）有低频较强反射信号，反射波振幅前后差异不大，局部有一定的起伏，同相轴连续性一般，推测此段围岩与掌子面揭露岩性类似，主要为中风化灰岩，节理裂隙较发育，局部（主要为Y6K49+570～Y6K49+557段）发育溶腔或溶蚀宽张裂隙，泥、砂质充填，裂隙水较发育，岩体的完整度大部分较好，局部呈现较破碎的特征。

图5 出口右洞Y6K49+573地质雷达探测波形图

结合掌子面地质调查及隧道详勘资料综合推断，该隧道出口右洞Y6K49+573～Y6K49+543段，围岩主要为中风化、中厚层状构造为主、局部夹薄层状、呈块状的灰岩，岩质较为坚硬，局部层间胶结较差，节理裂隙较发育，局部（主要为Y6K49+570～Y6K49+557段）发育溶腔或溶蚀宽张裂隙，裂隙间多由泥、砂质充填，岩体的完整度较好，局部呈现较破碎的特征；裂隙水较为发育。整体来看，围岩的稳定性一般，支护不及时可能会导致拱部出现掉块现象。在后续的实际开挖中，得到的围岩性质与地质雷达超前预报的结果也较为吻合。

2.3.3 出口左洞K49+226段

图6为该隧道出口左洞K49+226掌子面点测采集的地质雷达成果图，探测深度30m。通过对比分析得知：掌子面前方0～30m范围内，雷达电磁波以高频弱反射信号为主，局部夹杂低频较强反射信号，此外振幅波动较大，同相轴连续性较差，推测此段围岩主要为中风化灰岩，岩质较坚硬，大部分为中厚层状构造，岩溶较发育，溶蚀裂隙较发育，掌子面前方5～22m发育溶腔或溶蚀宽张裂隙，泥质充填，岩体较完整～较破碎。

图6 出口左洞K49+226地质雷达探测波形图

结合掌子面地质调查及隧道详勘资料综合推断，该隧道出口左洞K49+226～K49+196段，围岩主要为中风化灰岩，岩质较坚硬，大部分为中厚层状构造，岩溶和溶蚀裂隙较为发育，K49+221～K49+204 段发育溶腔或溶蚀宽张裂隙，泥质充填，岩体较完整～较破碎；整体而言，该处隧道围岩的稳定性一般，局部较差，需及时支护，防止拱部出现掉大块现象。在后续的实际开挖中，得到的围岩性质与超前预报的内容较为吻合，地质雷达预报取得较好的效果。

3 结束语

本文以地质调查为基础，将地质雷达方法用于桑龙高速某隧道施工的地质超前预报中，来预报施工前方的不良地质体情况。该项目发挥了地质雷达无损、轻便、高效的特点，取得了良好的预报效果，对掌子面前方地质情况提前做出了预测，为隧道施工提供了指导，保障施工的安全。当然，在隧道工程地质超前预报中，也要注重与其他方法的结合，以充分发挥地质雷达法的作用。