地質雷達在隧道超前地質預報中的應用

毛 星

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 概述

新建鐵路準池線北起大準鐵路外西溝站南至朔黃鐵路神池南站，線路通過區地層種類繁多，包括第四系沖洪積、洪風積、殘坡積、坡洪積層，上第三系、白堊系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系及太古界地層，地質構造運動存在輕微的波狀褶皺和小斷裂構造，地殼運動主要表現為升降運動。線路通過區遇到的主要工程地質問題包括斷裂、節理構造、巖溶、特殊巖土和富水地層等，這些影響隧道施工安全的地質問題是隧道超前地質預報工作的重點，地質雷達技術是預報這些地質問題的關鍵技術。

地質雷達法是通過發射天線向地下連續發射脈沖式高頻電磁波，當遇到有電性差異的界面或目標體(介電常數和電導率不同)時即發生反射波和透射波。接收天線接收反射波并經電纜傳遞給主機，在主機顯示屏上形成實時的時間剖面。根據記錄到的反射波的到達時間和求得的電磁波在介質中的傳播速度，確定界面或目標體的深度;同時根據反射波的形態、強弱及其變化等因素來判定目標體的性質［1］。

2 斷層破碎帶預報分析

鐵路隧道超前地質預報工作在對斷層進行預報時，要求探明斷層的性質、產狀、富水情況、在隧道中分布位置、斷層破碎帶的規模、物質組成等，并分析其對隧道的危害程度［2］。準池鐵路朔州隧道在地質調查中發現F1正斷層:在地表于DK134+178處與線路相斜交，該斷層走向近東西向，傾向350°，傾角60°～70°，破碎帶寬約55 m，斷層帶內巖石劈理發育，斷層帶南側為一寬緩背斜，其北側為一寬緩向斜，據此判斷南盤上升，北盤下降，但斷層效應顯示卻相反，表明該斷層具多期次活動的跡象，屬先壓后張型斷裂。與線路大角度相交，對隧道工程有影響。根據斷層傾向和傾角以及與隧道的相對位置，地質人員把隧道線路經過斷層及其影響帶的范圍定位DK134+550～DK134+730，其中斷層范圍DK134+600～DK134+680定為Ⅴ級圍巖，斷層影響帶范圍DK134+550～DK134+600和DK134+680～DK134+730定為Ⅳ級圍巖。在斷層發育區進行雷達探測時，由于破碎帶內的巖石的孔隙度和含水率比完整巖石大，這就造成破碎帶內相對完整基巖的介電常數要大，使電磁波在穿過界面進入破碎帶內后其反射波能量增強、波形幅值增大，波形比較雜亂。在雷達坡面上的特征為:同相軸錯斷，反射波能量增強，有時出現斷面波、繞射波［3］。

圖1為朔州隧道DK134+729～DK134+704測線地質雷達反射剖面，圖2為朔州隧道斷層破碎帶照片。可以看到0～18 m段(DK134+729～DK134+711段)雷達圖像反射波能量明顯增強，波形比較雜亂，推測進入了斷層破碎帶的范圍。18～25 m段(DK134+711～DK134+704段)由于斷層破碎帶介電常數較高，造成雷達電磁波衰減較快，因此原本預留探測25 m的時窗，有效信號只能達到18 m，造成此段信號衰減嚴重。結合地質調查和地質素描成果，本段地質雷達預報結論為:DK134+729～DK134+704段，圍巖級別為Ⅳ級。圍巖為石灰巖，受地質構造影響較重，泥質充填，巖體破碎。拱部無支護時可能產生小坍塌;側壁基本穩定，爆破振動過大易塌，需加強支護。

圖1 朔州隧道斷層探測雷達剖面

圖2 朔州隧道斷層破碎帶現場照片

3 節理構造預報分析

節理是巖體受理斷裂后，沒有發生顯著位移的小型斷裂構造，節理在隧道施工中的主要危害體現為對巖體的強度和穩定性造成不利影響。節里構造由于通常會有不均勻成分的填充物存在，它就與周邊圍巖形成了介電性質的差異，這就有了地質雷達探測節理構造的地球物理基礎。節理構造的雷達剖面特征為，會產生較強的界面反射波，同相軸的連續性反映了節理面是否平直、連續，波形雜亂或波幅變化大反映節理內充填物的不均勻性［4-5］。地表的地質調查工作很難發現隧道洞身會遇到的節理構造，因此地質雷達進行節理構造的預報時，很少有提前的地質預判，必須充分的分析地質雷達本身的探測成果，有時可結合地質素描的趨勢分析。

圖3為朔州隧道DK132+232～DK132+202測線地質雷達反射剖面，圖4為朔州隧道節理構造現場照片。可以看到0～15 m(即DK132+232～DK132+216)反射波能量不強，發射波形規則有序，判定為較完整基巖，圍巖級別為Ⅲ級。16～18 m(即DK132+216～DK132+214)如圖中綠圈所示，反射波能量明顯增強，同相軸連續，推測為連續節理發育，均勻泥質充填。節理構造段落拱部無支護時，可能產生小坍塌;側壁基本穩定，爆破振動過大易塌，需加強支護。

圖3 朔州隧道節理探測雷達剖面

圖4 朔州隧道節理構造現場照片

4 巖溶預報分析

巖溶是指可溶性巖石受水體以化學溶蝕為主、機械侵蝕和崩塌為輔的地質應力綜合作用，以及由此所產生的地質現象的統稱。鐵路隧道超前地質預報工作在對巖溶進行預報時，要求探明巖溶在隧道內的分布位置，規模、填充情況及巖溶水的發育情況，分析其對隧道的危害程度［2］。對巖溶進行雷達探測時，反射波波幅和反射波組將隨溶洞的形態的變化橫向上呈現出一定的變化，溶洞雷達圖像的特征變現為溶洞壁的強反射包圍著弱反射空間，即溶洞壁界面是強反射，且常伴有弧形繞射現象，溶洞內的反射為弱反射，但當溶洞中填充含水量較高的泥質或者水時，局部雷達反射波可變強［6-7］。

圖5為朔州隧道DK131+000～DK130+970測線地質雷達反射剖面，圖6為朔州隧道巖溶(泥質充填)現場照片。可以看到0～11 m(即 DK131+000～DK130+970)雷達反射波同相軸連續規則，未見波幅明顯增強，推測為較完整基巖。11～17 m(即DK130+989～DK130+983)由綠色線條圈住的范圍，雷達反射波同相軸發生明顯的弧度變化，且能量明顯增強，弧形反射波內部也出現了強反射的區域，因此推測為溶洞，全充填，充填物為黏土，直徑為全斷面。在隧道施工經過該段落時，側壁易失去穩定，拱部易塌落，需加強支護;17～30 m(即DK130+983～DK130+970)雷達反射波同相軸連續規則，未見波幅明顯增強，推測為較完整基巖。

圖5 朔州隧道巖溶探測雷達剖面

圖6 朔州隧道巖溶(泥質充填)現場照片

5 富水地層預報分析

富水地層在隧道開挖時可能產生涌水現象，對隧道施工安全影響較大。水的相對介電常數為81，當巖體為富水地層時，其介電常數較大，這樣反射波表現為較強的正峰異常，同時出現強反射，有時也會產生繞射、散射現象，導致波形雜亂，頻率成分從高頻想低頻劇變［8］。

圖7為殺虎口隧道X1DK0+205～X1DK0+175測線地質雷達反射剖面，圖8為殺虎口隧道富水地層現場照片。可以看到0～16 m(即 X1DK0+205～X1DK0+189)反射波能量明顯極強，并且頻率由高頻向低頻變化，推測為基巖含水量較高;16～30 m(即X1DK0+193～X1DK0+175)受到富水地層的影響，雷達反射波信號衰減嚴重，無法做出判識，因此該段有效探測距離為16 m。結合地質素描的結論對有效探測區域的分析為強風化砂巖，基巖裂隙水賦存于砂巖之中，呈線狀涌出，從雷達剖面圖中可看出，反射強度較均勻，在探測范圍內未有明顯變化，由于圍巖富水，在開挖時易掉塊，需加強支護。圍巖級別推斷:X1DK0+205～X1DK0+189段為Ⅴ級。

圖7 殺虎口隧道富水地層探測雷達剖面

圖8 殺虎口隧道富水地層現場照片

6 結論

通過地質雷達技術在準池鐵路隧道超前地質預報中的應用情況，說明地質雷達對于隧道施工中經常遇到的工程地質問題，斷層、節理構造、巖溶和富水地層等具有良好的預報效果，使用該技術并結合地質分析法和其他物探方法可以準確的將不良地質體的分布、規模進行及時的預報，從而減少了工程事故的發生。其主要的優勢在于，探測速度快、抗干擾能力強、解決問題多，它能夠實現在不影響隧道施工進度的情況下，提高隧道施工的安全系數。

［1］ 曾昭發等.探地雷達原理與應用［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［2］ 中華人民共和國鐵道部.鐵建設［2008］105號 鐵路隧道超前地質預報技術指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.

［3］ 巨浪，沙椿.地質雷達在福堂水電站引水隧洞施工超前預報中的應用［J］.水電站設計，2005(1).

［4］ 萬千里.地質雷達探測在大茅左隧道施工中的應用［J］.公路，2002(12).

［5］ 葛增超，劉東升.土木工程中常見目標體的地質雷達圖譜特征［J］.后勤工程學院報，2005(2).

［6］ 鄧居智，莫撼，劉慶成.探地雷達在巖溶探測中的應用［J］.物探與化探，2001(6).

［7］ 方建立，應松，賈進.地質雷達在公路隧道超前地質預報中的應用［J］.中國巖溶，2006(2).

［8］ 武斌.三種電磁波在巖溶探測中的應用［J］.工程勘察，2005(4).