公路隧道巖溶構造地質雷達正演與探測實例波形特征對比研究

李志山， 蒲 端， 鐘 鳴

(1.云南省交通運輸廳工程質量監督局， 昆明 650200； 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司， 重慶 400067)

隧道超前地質預報是隧道開挖過程中風險控制的重要手段，而巖溶段地質預報是重點、難點。隨著我國公路建設規模的擴大，在巖溶發育區的隧道建設數量大大增加，施工過程中不可避免地面臨巖溶帶來的施工風險。由于被探目標體的介電常數存在明顯差異，不同巖溶目標體的反射波形態、振幅、相位變化等均有不同的對應關系，但巖溶發育的實際情況遠比想象的復雜得多，如巖溶的位置、形狀、尺寸、規模、填充情況，以及溶洞尺寸相對于介質中的雷達波長等，所以對巖溶構造雷達反射波形的特征識別是預報準確的必要條件[1]，地質雷達作為隧道短距離預報手段是目前普遍廣泛使用的有效物探方法[2]。為此，構建不同填充介質的巖溶雷達正演模型，分析其不同波形特征，并與工程中探測實例進行對比研究，總結出不同填充介質的巖溶構造地質雷達反射波波性特征，以提高地質雷達預報巖溶構造的準確率，從而提高在巖溶發育區隧道超前地質預報質量，降低突發性巖溶對隧道安全施工的影響，這一研究對提高預報精度，提升工作效率，確保隧道施工安全有重要的指導作用。

1 地質雷達探測原理

地質雷達是基于地下介質的介電常數、電導率等電性參數的差異，利用高頻電磁脈沖波的反射探測地下介質分布的一種物探手段，屬于高頻寬帶時間域脈沖電磁波探測技術。其探測原理是：雷達天線向擬探目標定向發射一定頻率的入射電磁波，當電磁波在地層中傳播時，在電性參數發生變化的界面上將產生反射，另一部分電磁波將發生透射繼續向前傳播，反射波的能量、振幅和頻率等將隨著介質電性參數的不同而發生變化[3]，通過對反射波的旅行時間、波形與頻率等進行分析，從而預測目標地層中的介質分布情況。高頻電磁波在介質中傳播時，其路徑、反射電磁場強度和波形，將隨所通過的目標體介質電性特征與差異及幾何形態而變化。故通過對時域波形的采集、處理和分析，可確定地下界面或目標體的空間位置及結構[4]，如圖1所示。

圖1 地質雷達探測原理

地質雷達的探測深度與使用的主頻和介質特性有關，分辨率則與使用的主頻、介質中的波長及擬探目標所在深度D相關。

2 地質雷達正演模型

2.1 構建模型

本次正演是基于時域有限差分法(FDTD)[5]，利用Gprsim對一定尺寸溶洞不同填充介質的地質模型進行地質雷達正演模擬。為了便于分析，目標體統一為球形，圍巖統一為各向同性均一的灰巖。巖溶填充介質分以下4類(5項)：Ⅰ類：空溶腔(空氣或真空)；Ⅱ類：水；Ⅲ-1類，干砂、Ⅲ-2類：泥(粘土)；Ⅳ類：混合型(粘土、碎石，溶腔頂部未填充滿)。構建模型如圖2～圖6所示。

圖2 Ⅰ類填充介質地質模型

圖3 Ⅱ類填充介質地質模型Fig.3 Geological model of type Ⅱ filling medium

圖4 Ⅲ-1類填充介質地質模型

圖5 Ⅲ-2類填充介質地質模型

圖6 Ⅳ類填充介質地質模型

2.2 正演模型參數

本次正演模擬設置探測范圍為20 m內；目標體為直徑2 m的球形；采集窗口時長為300 ns；模擬激勵源子波選取與真實激勵源較接近的Ricker子波[6]，文件格式為GSSI公司文件格式；天線中心頻率為100 MHz；直達波為正波。模擬介質在100 MHz主頻下的電性參數，按照實用參數并參考相關文獻選取[7]，如表1所示。

表1 正演模擬介質電性參數選取

3 正演結果

3.1 Ⅰ類填充(空氣)正演波形特征

此類巖溶填充的反射波表現為：在直達波后首先出現第1組振幅較強的雙曲線型連續同相軸，相位變化是強反射波先負后正,其后雷達波振幅較均勻衰減，出現溶洞頂、底界面的多次反射；第2組(底界面反射)雙曲線由于多次反射的疊加及衰減，振幅明顯弱于第1組雙曲線，基本不可視，如圖7所示。

(a) 連續模式 (b) Wiggle模式

3.2 Ⅱ類填充(水)正演波形特征

此類巖溶填充的反射波表現為：在直達波后首先出現1組振幅很強的雙曲線型連續同相軸，相位變化是強反射波為先正后負，第1組雙曲線后衰減迅速，振幅遞次減弱，多次反射不明顯，底界面強反射波的相位是先負后正。由于電磁波在水中的傳播速度遠小于空氣中傳播速度，第1組與第2組(底界面反射)雙曲線時長明顯大于Ⅰ類填充介質的走時，如圖8所示。

3.3 Ⅲ類填充(干砂、粘土)正演波形特征

Ⅲ-1類巖溶填充(干砂)的反射波表現為：在直達波后首先出現第1組明顯的振幅較弱的相對強反射雙曲線型連續同相軸，相位變化是相對強反射波為先負后正，第1組雙曲線后衰減較迅速，底界面雙曲線反射較弱，第1組與第2組(底界面反射)雙曲線時程較空溶洞長，多次反射不明顯，如圖9所示。

(a) 連續模式 (b) Wiggle模式

圖8Ⅱ類填充雷達正演圖

Fig.8 Radar forward simulation waveform of type Ⅱ filling medium

Ⅲ-2類巖溶填充(粘土)的反射波表現為：在直達波后首先出現第1組振幅明顯的雙曲線型連續同相軸較強反射波，相位變化是相對強反射波為先正后負，第1組雙曲線后回波衰減較迅速，多次反射不明顯，第2組(底界面)反射弱，第1組強反射波的相位是先負后正，頂底界面間的時長大于干砂小于水，如圖10所示。

(a) 連續模式 (b) Wiggle模式

3.4 Ⅳ類填充(粘土與碎石混合型)正演波形特征

Ⅳ類巖溶填充(粘土與灰巖碎石)的反射波表現為：在直達波后首先出現第1組振幅明顯的雙曲線型連續同相軸相對強反射波，雙曲線位置與介質空間位置相對應，相位正負變化與電磁波率先進入的介質相對介電常數大小有關，溶腔頂部未完全填充滿，第1組雙曲線強反射的相位是先負后正，第1組雙曲線之后，在不同介質與巖溶構造邊界間多次反射及透射，第2組(底界面)反射極其微弱，且受多次波干擾壓制，如圖11 所示。

(a) 連續模式 (b) Wiggle模式

3.5 正演波形特征小結

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類因為其填充物介電常數與圍巖差異較大，第1組強反射波形均表現為雙曲線同相軸，反射強，有多次反射，全充水的衰減較快，相位變化各有差異[8]；Ⅳ類因為填充物結構相對復雜，軟硬相間，且有空隙，其介電常數與填充物含水量有密切關系[9]，其波形特征表現為雙曲線同相軸的反射較前3類弱，有較雜亂的多次反射。

隧道巖溶構造因填充介質不同表現為不同的波性特征，巖溶頂界面均表現為雙曲線型同相軸，振幅較強。灰巖與巖溶內部填充介質的相對介電常數相比較，由大進入小，即電磁波由低速介質進入高速介質，反射系數為負值。第1組強反射同相軸與入射波反向，相位變化為先負后正，如由灰巖進入空氣(空腔)或由水進入灰巖；反之則相位變化為先正后負，如由灰巖進入水。其差異越大，反射波的振幅越強。混合型填充介質由于介質空間分布不同多次反射波明顯。巖溶構造底界面反射是否可見，主要取決于波在介質中傳播的衰減程度和多次反射波干擾影響程度，正演模型的模擬介質為電性均一介質，各向同性，底界面反射均有一定程度反映。

4 地質雷達巖溶探測實例

4.1 工程概況

選取西南巖溶發育地區的某高速公路隧道開挖過程中2處典型巖溶段地質雷達預報實例，該隧道穿越地層為震旦系泥巖、白云巖、灰巖，隧道灰巖段巖溶構造發育，多表現為垂向發育的溶腔、溶縫等，其內填充軟塑狀粘土夾塊石(Ⅳ類填充)或無填充物(Ⅰ類填充)，以下對隧道掌子面樁號ZK110+324、ZK110+364兩處較典型巖溶構造的地質雷達探測波性特征結合正演特征進行對比分析。

4.2 雷達預報結果及波形特征分析

隧道掌子面圍巖為中風化灰巖，發育短小節理，整體呈塊碎狀鑲嵌結構，圍巖較破碎，洞內地下水以滲水為主。雷達測線布置在上臺階掌子面上。探測儀器為SIR-20型地質雷達，配100 MHz天線。掌子面雷達探測掃描圖及堆積圖如圖12、圖13所示。

由圖12可看出，異常體1雙曲線完整明顯，雙曲線同相軸反射強，相位變化為先正后負，依時長計算，推斷在掌子面前方20 ns起右側發育一剖面形態為筍型、直徑1 m左右的溶腔，無填充物或少量碎石填充；異常體2雙曲線不完整，但較明顯，雙曲線同相軸反射強，且其間可見多次反射，相位變化為先負后正，根據掌子面附近圍巖產狀，雷達波反射時長換算為距離，推斷在掌子面前方8.5 m～11 m范圍內，有1個剖面形態沿巖層走向層間發育的似層狀溶洞，溶洞縱向為長度2 m左右，橫向寬度4 m左右，無填充物或少量碎石填充。

(a) 連續模式 (b) Wiggle模式

圖12ZK110+324雷達掃描及堆積圖

Fig.12 Radar scanning and stacked diagram at ZK110+324

(a) 連續模式 (b) Wiggle模式

實際開挖后發現巖溶發育產狀、位置及填充情況與預報結果非常接近，異常2溶洞剖面形態近梭型，與預報推斷似層狀略有差異，經對數據分析后認為此差異應是由空溶洞內不規則的形狀所產生的多次反射造成。

由圖13可看出，此圖整體雷達波較圖12雜亂，多處同相軸不連續，但異常體反應仍很明顯，異常體1：雙曲線不完整、但較明顯，雙曲線同相軸反射強，沿某一角度延續，相位變化先負后正，依時長、相位推斷，在掌子面前方2.5 m～3 m處發育一似層狀溶縫，走向與第1組節理走向相近，影響掌子面左半部，縫中填充粘土；異常體2：雙曲線完整、明顯，雙曲線同相軸反射強，強反射波相位是先正后負，波形深部多次反射較凌亂，雷達波反射時長換算為距離，推斷為掌子面前方8 m附近發育似楔形溶洞，沿掘進方向長度3 m左右，橫向影響寬度9 m左右，泥狀物填充。

實際開挖后發現巖溶位置及產狀情況與預報結果接近，異常2的填充物為軟塑狀粘土夾塊石，掌子面中部為溶縫充泥，與預報推斷形態及填充物略有差異，分析后認為此差異應是由溶洞內塊石分布雜亂，且多為粘土包裹，使得多次反射波雜亂，無法分辨出塊石的反射信號所致。

5 結束語

通過構建巖溶構造不同填充介質的地質雷達正演模型，對幾類基礎的巖溶填充介質的雷達波性特征有了定性把握，加深了對不同填充介質相對介電常數的變化對雷達波形特征影響的認識。結合雷達探測實例與雷達正演模型波形特征對比分析，得到地質雷達巖溶構造預報的一些判別特征：

1) 巖溶構造頂界面均有1組振幅較強的反射波，振幅強弱與該界面兩側介質的相對介電常數差異大小有關。

2) 巖溶填充物的相對介電常數比圍巖小，對應巖溶頂界面的第1組強反射波的相位極性與入射子波反向，反之則同相。

3) 填充介質的均一性影響對巖溶填充介質的判斷。

4) 巖溶構造反射波多呈雙曲線形態，曲線曲率大，則巖溶規模小，反之則大，但需注意因實際地質環境中巖溶形態千變萬化，對應的反射波形態也非單一，在預報過程中，因時因地結合探測目標地質背景、鉆孔驗證，不斷總結才能提高對巖溶預報的準確率。

5) 實例波形特征與正演波性特征對比發現，巖溶構造均有明顯雙曲線同相軸出現，填充物與圍巖的相對介電常數差異越大的溶洞頂界面反射越強，填充介質的介電常數越大、均一性越好且衰減系數越大的溶洞，頂界面反射波之后的衰減越明顯越快，如粘土和水。地質雷達探測巖溶構造可根據不同的波性特征，定性地判別巖溶構造中不同的填充介質，提高了預報效果，為進一步探查提供有效指導。