較低頻率天線地質(zhì)雷達在巖溶隧道探測上的應(yīng)用

王明海， 程宏軍， 周曉磊

(中鐵二十一局集團有限公司第三工程公司, 陜西咸陽 712000)

在喀斯特地貌地區(qū)的隧道工程中，由于溶槽、溶洞和巖溶裂隙等典型巖溶地質(zhì)構(gòu)造所引起的涌水涌泥、塌陷、落石等工程地質(zhì)問題，常對正常施工的進行與人員安全產(chǎn)生諸多不利影響[1]。超前地質(zhì)預(yù)報工作中，傳統(tǒng)的地質(zhì)調(diào)查法與超前水平鉆探存在經(jīng)濟與時間上的成本弱勢，而物探方法的合理運用能較好解決這樣的問題[2]。目前隧道利用電磁波反射法進行超前地質(zhì)預(yù)報普遍采用100MHz地質(zhì)雷達天線，由于在巖溶地區(qū)夾泥、富水等原因下電磁波衰減快，探測有效深度僅20m左右，而規(guī)范設(shè)計要求單次預(yù)報深度為30m[3]。本文依托貴南高鐵白秀山二號隧道泄水洞工程中的2次預(yù)報實例，驗證意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS-K2設(shè)備40MHz天線在所需精度上的操作可行性，并對工作流程、預(yù)報結(jié)果和現(xiàn)場開挖情況進行對比和評價。

1 工程地質(zhì)概況

白秀山二號隧道位于廣西境內(nèi)馬山至南寧北區(qū)間，為單洞雙線，隧道進口D2K412+103，出口D2K414+645，全長2 542m，最大埋深約324m。隧道位于地下水季節(jié)變動帶內(nèi)，地下水豐富，為降低施工和運營風(fēng)險，解決運營期間排水能力問題，同時兼顧施工通風(fēng)，隧道設(shè)置泄水洞，位于相應(yīng)正洞前進方向左側(cè)25m，長1 198m(圖1)。全隧線路縱坡為“人”字坡，隧道內(nèi)線路縱坡為3 ‰的單面上坡。全隧穿越灰?guī)r地層，上覆第四系全新統(tǒng)崩積、堆積(Q4col)塊石土，沖洪積軟土、黏土，坡殘積(Q4dl+el)紅黏土；下伏基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r；二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)灰?guī)r；石炭系上統(tǒng)(C2)灰?guī)r。隧區(qū)巖溶中等～強烈發(fā)育，地表呈低山地貌，大型溶蝕洼地、落水洞發(fā)育，坡面植被發(fā)育，多為灌木林，基巖多直接出露，山間溝槽(谷)發(fā)育，線路附近交通條件不便。

圖1 白秀山二號隧道泄水洞設(shè)置示意(單位:mm)

2 地質(zhì)雷達工作原理

2.1 電磁波反射法

現(xiàn)場測試方法為電磁波反射法，采用設(shè)備為地質(zhì)雷達。地質(zhì)雷達是采用無線電波檢測地下介質(zhì)分布和對不可見目標(biāo)體或地下界面進行掃描，以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)或位置的電磁技術(shù)。其工作原理為：電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射天線發(fā)射，經(jīng)目標(biāo)體反射或透射，被接收天線所接收(圖2)。

圖2 雷達工作原理及其基本組成

電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性參數(shù)包括電導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透深度，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，故電性介面即電磁波傳播的速度介面。雷達信號傳播至不同地質(zhì)體電性介面時產(chǎn)生反射信號返回地面，通過接收反射信號到達地面的時間即可推測地下介質(zhì)的變化情況。另外，電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁場強度和波形將隨介質(zhì)的電性質(zhì)及集合形態(tài)而變化。對時域波形進行采集、處理和分析，即可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

地質(zhì)雷達具有高分辨率、無損性、高效率、抗干擾能力強等特點。

2.2 儀器設(shè)備及軟件系統(tǒng)

測試設(shè)備使用意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS-K2地質(zhì)雷達，采用天線頻率為40MHz，設(shè)備天線與主機如圖3所示。參數(shù)如下：掃描速率：850 掃/s。脈沖重復(fù)頻率：400kHz(高速的脈沖重復(fù)頻率使數(shù)據(jù)收集更快)；時窗：5-9999ns；采樣點數(shù)：128-8192；疊加數(shù)：1-32768；分辨率：5ps；工作溫度：-10～40 ℃；A/D轉(zhuǎn)換：16bit；環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)：IP65；動態(tài)范圍：大于160dB；信噪比：大于160dB；最多至8個通道，可連接8對單天線同時測量。

(a)探測天線

(b)主機

2.3 數(shù)據(jù)處理原理

探測的雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。地下介質(zhì)等同于一復(fù)雜濾波器，介質(zhì)對波不同程度的吸收以及介質(zhì)的不均勻性，使得脈沖到達接收天線時，波幅減小，波形變得與原始發(fā)射波形有較大的差異[4]。另外，不同程度的各種隨機噪聲和干擾也影響實測數(shù)據(jù)，故需對接收信號實施適當(dāng)?shù)奶幚韥砀纳菩旁氡?，為進一步解釋提供清晰的圖像，處理包括：(1)消除隨機噪聲壓制干擾，改善背景；(2)通過自動時變增益或控制增益以補償介質(zhì)吸收和抑制雜波，進行濾波處理除去高頻，突出目的體，降低背景噪聲和余振影響。在對數(shù)據(jù)文件進行了預(yù)處理、增益調(diào)整、濾波和成圖等方法的操作后，最終得到各測線的成果圖來進行探測對象的地質(zhì)判釋[5]。本測試段采用IDSP6.0對數(shù)據(jù)進行處理分析，流程有：①零點校正；②去直流漂移；③FIR帶通濾波；④增益調(diào)整；⑤背景消除；⑥成圖。

3 現(xiàn)場測試與結(jié)果對比

根據(jù)灰?guī)r探測經(jīng)驗,現(xiàn)場調(diào)試?yán)走_測試參數(shù)為：時窗700ns，采樣點數(shù)1024，點距0.1m，波速10.5cm/ns。在掌子面下部來回布置2條測線，用于對比排查干擾與假異常。圖4為測線布置圖。

圖4 測線布置

3.1 掌子面XDK412+141測試

測試掌子面巖性主要為灰色中厚～厚層狀灰?guī)r，巖體呈弱風(fēng)化狀態(tài)，局部較破碎。節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理面部分微張，地下水不發(fā)育。來回兩條測線采集的雷達數(shù)據(jù)經(jīng)處理(圖5),波形基本對稱，均在深度24～27m(對應(yīng)里程XDK412+165～168，雙程走時450～520ns，參考波速10.5cm/ns)存在同相軸連續(xù)的強反射界面，推測該段存在巖溶腔體，且?guī)r體相對破碎、夾泥。

(a) 測線①(左→右)

(b) 測線②(右→左)圖5 地質(zhì)雷達測試成果

經(jīng)開挖驗證，XDK412+166掌子面左拱部發(fā)育一直徑約40cm的溶蝕管道，伴有黏土物質(zhì)充填，如圖6(a)所示。XDK412+170掌子面拱部發(fā)育一直徑約50cm巖溶管道，向下延伸至掌子面中部，圍巖受侵蝕較嚴(yán)重。左側(cè)拱腳發(fā)育若干向下延伸的溶蝕裂隙，如圖6(b)所示。

(a)左拱部溶蝕管道

(b)拱部溶蝕管道與裂隙

3.2 掌子面XDK412+166測試

掌子面巖性主要為灰色中厚～厚層狀灰?guī)r，巖體呈弱風(fēng)化狀態(tài)，巖體較破碎。節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分節(jié)理面夾泥。掌子面巖溶發(fā)育，左拱部發(fā)育一直徑約40cm的溶蝕管道，伴有黏土物質(zhì)充填。掌子面干燥，地下水弱發(fā)育，溶蝕管道有少量裂隙水呈滴水狀出露。來回兩條測線采集的雷達數(shù)據(jù)經(jīng)處理(圖7),波形基本對稱，且均在深度8～21m(對應(yīng)里程XDK412+174～187，雙程走時150～400ns，參考波速10.5cm/ns)存在強反射界面，同相軸較連續(xù)，推測為存在巖溶腔體發(fā)育，巖體相對破碎、夾泥。

(a) 測線①(左→右)

(b) 測線②(右→左)圖7 地質(zhì)雷達測試成果

經(jīng)開挖揭示，XDK412+175拱部發(fā)育一溶蝕空洞，寬約2.3m、高約1.5m，并充填少量黏土物質(zhì)如圖8(a)所示；XDK412+177掌子面右下部發(fā)育2.5m×1.2m的溶蝕空洞，與隧道軸線約呈15 °向掌子面前方下部延伸至少20m，如圖8(b)、圖8(c)所示。

由以上案例可知，意大利IDS公司的RISK2設(shè)備40MHz天線有效探測距離能滿足30m預(yù)報深度的要求，且至少在大于直徑40cm的異常體預(yù)報精度上能取得良好效果。

4 結(jié)論與評價

喀斯特地貌因其復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和巖溶發(fā)育規(guī)律，使隧道掘進施工中存在諸多難以預(yù)測的工程地質(zhì)問題。在保證探測精度和控制成本的要求下，選取適宜的物探設(shè)備與方法進行超前地質(zhì)預(yù)報則顯得尤其重要。通過貴南高鐵白秀山典型巖溶隧道段的地質(zhì)雷達探測結(jié)果，得出在30m的深度預(yù)報要求下，利用40MHz天線能有效保證預(yù)報要求，并取得良好效果。故得出在巖溶地區(qū)隧道的超前地質(zhì)預(yù)報中，可以選用40MHz較低頻率天線地質(zhì)雷達進行預(yù)測和指導(dǎo)施工。

(a)巖溶管道

(b)溶蝕空洞(1)

(c)溶蝕空洞(2)圖8 開挖情況示意