地質(zhì)雷達在宜萬鐵路隧底巖溶探測中的應用

黃威

（中國地質(zhì)大學 機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074）

1 引言

宜萬鐵路全長377km，有巖溶隧道75座，長約 157.7km，占線路總長的 40%,線路基本從巖溶的垂直發(fā)育帶或水平發(fā)育帶中通過，巖溶異常發(fā)育。隧底以下的隱伏巖溶,如果在施工過程中沒有得到有效處理，將會形成運營期的安全隱患。因此在隧道土建工程完成后，必須查明隧底隱伏巖溶的規(guī)模、位置和空間形態(tài),判研隱伏巖溶危及運營安全的程度,以進行有效處理,確保運營安全。目前，常用的巖溶勘察手段有工程地質(zhì)測繪和調(diào)查、物探、鉆探等，其中淺層地震法、高密度電阻率法和地質(zhì)雷達方法等物探技術得到了普及。地質(zhì)雷達方法因具有準確性高、快速方便和環(huán)境適應能力較強的特點，成為眾多方法中的首選。

2 地質(zhì)雷達的特點及原理

地質(zhì)雷達方法是一種用于確定地下介質(zhì)分布的電磁技術。地質(zhì)雷達技術利用 發(fā)射天線發(fā)射高頻寬帶電磁波脈沖，接收天線接收來自地下界面的反射波(圖1)。由此可見，電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質(zhì)的電性性質(zhì)及幾何形態(tài)而變化，因此根據(jù)接收到的波的雙程旅行時間、幅度與波形等資料，可推斷出介質(zhì)的結構和形態(tài)大小，完成對巖溶位置和范圍的確定。

在雷達檢測過程中，高超頻電磁波被近似為均勻平面波，在地下介質(zhì)中傳播時，其傳播速度 主要取決于地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε，即

式中，C=0.3m/ns 為電磁波在空氣中的傳播速度；ε為地下介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

同時，電磁波反射信號的強弱與界面的反射系數(shù)及穿透介質(zhì)時對電磁波的吸收能力有關，電磁波在遇到介質(zhì)界面時，其反射系數(shù)R 為

式中，ε1，ε2為兩種不同介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

由上述原理可知，兩種介質(zhì)的相對介電常數(shù)差異越大，反射系數(shù)越大，反射信號越強，反映在雷達圖像上越清晰[5]。

常用的探地雷達測量方法為剖面法，當?shù)孛姘l(fā)射和接收天線沿探測線以等間距移動時，即可在雷達采集屏幕上描繪出以雙程走時t(ns)為縱坐標，以距離x(m)為橫坐標的"時距"波形道軌跡圖。與此同時，探地雷達以數(shù)字的形式記下每一道波形的數(shù)據(jù)，即可得到該測線的探地雷達時間與平距剖面圖像，見圖2。在對雷達圖像解釋進行時，若探測區(qū)域無隱患，則雷達圖像中反射波的同相軸連續(xù)性好，無錯動、交叉、缺失和振幅上的異常變化，波幅從上到下由強變?nèi)?，自然衰減；當探測區(qū)域有隱患時，可根據(jù)反射波組的波形與強度特征，通過同相軸的連續(xù)性、錯斷和強弱變化，并結合地質(zhì)、鉆探資料或其他方法所獲的成果，即可確定反射波組的地質(zhì)含義，從而最終得到探地雷達探測成果圖。

3 工程實例

3.1 數(shù)據(jù)采集方案

本次工作使用美國產(chǎn)的SIR-20型地質(zhì)雷達，選用100 MHz 屏蔽天線，采樣點數(shù)512點 ，窗口時間500ns，采集方式為連續(xù)自由采集，探測沿隧道線路中心及左右共布置了3條測線。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程

采集得到的原始數(shù)據(jù)一般要進行信號處理以達到提高信噪比的目的，具體流程如圖2所示。

3.3 探測結果分析

巖溶與其周圍的介質(zhì)存在著較明顯的物性差異，尤其是溶洞內(nèi)的充填物與可溶性巖層之間存在的物性差異更明顯。這些充填物一般是碎石土、水和空氣等，這些介質(zhì)與可溶性巖層本身由于介電常數(shù)不同形成電性界面。無疑探測出這個界面的情況，也就知道了巖溶的位置、范圍、深度等內(nèi)容。當有巖溶發(fā)育時，反射波波幅和反射波組將隨溶洞形態(tài)的變化橫向上呈現(xiàn)出一定的變化。一般溶洞的反射波為低幅、高頻、細密波型，但當溶洞中充填風化碎石或有水時，局部雷達反射波可變強。溶蝕程度弱的石灰?guī)r的雷達反射波組為高頻、低幅細密波;素填土的雷達反射波特征為低幅高頻短波長，同相軸較連續(xù);雜填土中的雷達反射波具有強幅低頻，同相軸不連續(xù)的特點。電磁波在地下介質(zhì)中傳播，其能量將因介質(zhì)的吸收而損耗，特別是在高電導巖性介質(zhì)中，如含水多、含鹽度高的巖石或土壤中報耗更大。巖石和土體對電磁波的吸收就成了影響地質(zhì)雷達探側深度的主要因素。一般說來巖石的電導率與其含水量、濕度、密度及礦物成份等有著密切的關系。通常，兩種介質(zhì)間的相對介電常數(shù)差別越大，則反射的電磁波能量越多。但是，在同樣的介質(zhì)中，電磁波的頻率越高，穿透的深度越小，而分辨率越高，反之則相反。

圖3 為宜萬鐵路某隧道+214～+228段隧底右線剖面的巖溶探測雷達圖像，分析可見圖像中有明顯的異常區(qū)域，+220～+222段同相軸扭曲變型，推斷此處為溶洞，埋深約5米，具體位置如圖3所示，后經(jīng)鉆探驗證與實際情況吻合。

4 結論

地質(zhì)雷達與常規(guī)的鉆探工作相比，地質(zhì)雷達在探測巖溶方面有其他物探方法無法比擬的優(yōu)勢，它是一種高效、直觀、連續(xù)無破壞性、分辨率高的物探方法，提供的資料圖件為連續(xù)的平面和剖面形態(tài)，對溶洞的分布范圍、埋深、大小及連通情況一目了然，為實現(xiàn)勘察手段的現(xiàn)代化提供了行之有效的科學途徑，對于在巖溶區(qū)隧道的探測領域具有強大的生命力和廣闊的應用前景。在地質(zhì)雷達探測前，首先應進行常規(guī)的工程地質(zhì)調(diào)查，了解場地的地形地貌、地質(zhì)構造、巖溶發(fā)育情況等，有條件時可適當布置少量控制性的鉆孔，最好事先能了解各種目標體的地質(zhì)雷達圖像特征，使其后的地質(zhì)雷達探測成果的解釋更為準確可靠。

[1]李大心，探地雷達方法及應用[M]，地質(zhì)出版社，1994.

[2]曾昭發(fā)，劉四新，王者江，探地雷達方法原理及應用[M]，科學出版社，2006

[3]李越興,曹哲明，地震反射波法在宜萬鐵路巖溶探查中的應用，工程地球物理學報[J]，2007.4

[4]儲冬冬，鄭東健，張 磊，探地雷達在震后水利工程病險探測中的應用，人民黃河[J]，2009.3