地質雷達技術在巖溶地區公路隧道施工中的應用

李帝春

(陜西市政建筑設計研究院有限公司，陜西西安 710003)

0 引言

公路隧道施工中，經常會遭遇溶洞、破碎帶、含水帶等不良地質體，由于其具有復雜性、多變性、隱蔽性等特點，給隧道安全施工帶來了巨大風險。為了提高隧道施工風險的可控性，在施工過程中運用超前地質預報技術，及時、準確地探測掌子面前方及周邊區域的不良地質體及其工程性質，為正確選擇開挖斷面、支護參數及施工方案提供依據，并為預防隧道涌水、突泥等可能出現的災害事故及時提供信息，從而有效避免或減少隧道災害造成的工程損失和人員傷亡［1-9］。

目前，超前地質預報方法有很多種，包括電磁回波法(地質雷達法)、地震波反射法(陸地聲納法、TSP法)、可控源音頻大地電磁法、瞬變電磁法、激發極化法、地震CT技術、紅外探測法等。其中，工程中運用得較為廣泛的是地質雷達法和TSP法。TSP法是一種彈性波反射法，地震波遇到不良地質界面時將產生反射波，而反射波的傳播速度、延遲時間、波形、強度和方向等均與相關界面的性質和產狀密切相關，通過對這些參數進行分析，即可獲得不良地質界面的相關信息。TSP法對與地震波傳播方向近垂直的不良地質界面的探測相當準確，但如果不良地質界面走向平行或形狀不規則，探測效果較差。地質雷達法是一種采用超高頻窄脈沖電磁波探測介質分布的勘探方法，該方法利用電性差異的目標體(如節理、裂隙、斷層破碎帶及巖溶通道等)的回波特性，通過分析電磁波波形、振幅和雙程走時等參數，確定目標體的形態和屬性。地質雷達法效率高、分辨率高，對短距離的地質問題分析準確性高。

本文將地質雷達技術運用于巖溶地區公路隧道施工中，對掌子面前方及周邊區域的地質條件進行探測，包括圍巖結構的完整性、不良地質體的位置及形態、含水情況等，并在此基礎上，對隧道圍巖進行分級，從而指導隧道施工及支護設計。

1 地質雷達技術

地質雷達探測是利用電磁波遇到不同界面時其反射振幅和相位不同來推斷傳播介質的變化。介質介電常數的差異決定了電磁波反射的強弱及相位的正負，而圍巖巖性、構造、風化程度及含水量等將影響其介電常數。

地質雷達工作時，發射機通過發射天線發射高頻脈沖電磁波訊號(主頻為數十兆赫至數百兆乃至千兆)。電磁波在地層系統中傳播時，當遇到介電常數不同的地層時，就會影響射頻信號的傳播，在其界面發生透射和反射，一部分電磁波能量會穿透界面繼續傳播，另一部分電磁波會被界面反射回來。

電磁波反射訊號通過接收天線輸入到接收機，經放大后由示波器顯示出來。根據示波器有無反射訊號，可以判斷有無探測目標;由反射訊號到達滯后時間及目標物體平均反射波速，可以大致算出探測目標的距離;通過對電磁波反射訊號的時頻、振幅、相位等特征進行分析，便能了解地層的地質成因及其特征信息;通過多條測線探測，便可較全面地了解目標物體的地層分布、地質構造等。

地質雷達具有高效率、高分辨率、抗干擾能力強、無損性等特點。工程實踐表明，地質雷達是一種低成本、準確性高、使用潛力大的短距離地質探測方法。

2 工程應用實例

2.1 工程概況

隧道區地處揚子淮地臺區西南部，為第一隆起帶與第二沉降帶之間的過渡性區域，發育有較多的短軸狀背斜和向斜，為新華夏系晚期構造。區域巖性主要為寒武系上統白云巖、白云質灰巖，傾向近于水平，中厚層，弱風化，裂隙發育。可溶性巖和非可溶性巖接觸地帶斷層褶皺及節理裂隙極度發育。圍巖等級為Ⅲ級以上。

隧道沿線有河流分布，存在地下水徑流排泄條件，且隧道出口處溝谷通過斷裂破碎帶，強降雨時會透水入洞。地下水以巖溶裂隙水和基巖裂隙水為主。由于存在巖溶發育的物質基礎，隧道開挖時可能會有溶洞出現。

2.2 現場探測及結果分析

采用GSSI公司生產的SIR20地質雷達，配屬100 MHz的屏蔽天線對隧道出口段0 m～18 m的范圍進行了探測。

根據掌子面現場情況，在距離隧道拱頂1 m處沿水平方向布置了1條測線，分別以水平方向、向上傾斜30°、向上傾斜45°及向上傾斜70°對前方進行探測，以推斷預測前方拱頂上方的溶洞范圍。由于掌子面的特殊情況，現場探測時對探測剖面進行了重復測試，以提高探測的準確性。圖1～圖4為地質雷達探測剖面波列圖。

圖1 水平方向探測剖面

由圖1～圖4探測結果可以看出，掌子面前方0 m～18 m范圍內存在強反射界面，同向軸彎曲、間斷、分叉明顯。綜合分析不同角度探測得到的波列圖，可以得出以下結論:

1)掌子面前方右上部15 m范圍內為溶洞，黃泥夾塊石，含水量較大，15 m～18 m范圍內圍巖破碎，推斷為右上部溶洞邊界;

圖2 向上傾斜30°探測剖面

圖3 向上傾斜45°探測剖面

圖4 向上傾斜70°探測剖面

2)掌子面前方左上部及中部18 m范圍內為溶洞，黃泥夾塊石，含水量較大，受雷達探測范圍限制，未探測到左上部邊界;

3)從向上傾斜的探測結果來看，在向上探測能及的范圍內(10 m～15 m)，為溶洞，黃泥夾塊石，含水量較大，未探測到頂部邊界;綜合得到掌子面前方平剖面圖見圖5;

圖5 掌子面前方推測平剖面圖

4)總體來說，探測范圍內圍巖等級綜合定為Ⅴ級。

當隧道掘進一個循環后，掌子面上出現約3 m高的溶洞。經過擴大洞口勘測探明，該溶洞為隧道底板下伏壺狀溶洞，沿線路方向長38 m，寬26 m，最大高度達47 m，溶腔體積約1.5×104m3，溶腔下部被粘土塊石充填。隧道開挖實際揭示情況與超前地質預報情況吻合。

3 結論與建議

根據地質雷達探測結果和現場地質調查分析，掌子面前方18 m范圍內初步推斷為溶洞，黃泥夾塊石、溶槽夾泥，含水量較大，圍巖等級綜合定為Ⅴ級;推斷右上部溶洞邊界為掌子面前方15 m～18 m處，但左上部及頂部，受雷達探測范圍限制，未探測到溶洞邊界。為了安全起見，建議施工單位采用超前鉆探來確定前方和頂部溶洞邊界。此外，建議施工時加強圍巖支護工作，必要時采用超前支護，防止拱頂和掌子面巖塊掉落傷人或突泥涌水等工程事故的發生。

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