地質雷達在巖溶地區超前地質預報中的應用

王雁南

中鐵津橋工程檢測有限公司，吉林 長春 130000

在隧道施工的過程中，掌子面前方的地質情況十分復雜，經常會遇到斷層、軟弱夾層、巖溶等不良地質構造，一旦遇到這些不良地質構造則很容易造成工期延誤，嚴重的還會引發安全事故。在隧道設計階段，受環境和條件等因素的限制，設計結果有時不能完全滿足施工過程中的要求。為防范安全風險、保證隧道工程施工安全及施工進度、及時調整施工方法及措施，就需要更加詳細地掌握掌子面前方與隧道底部的地質狀況。地質雷達作為一種快速、連續、非接觸電磁波探測技術，在當前的隧道施工中得到了廣泛的應用。

1 地質雷達工作原理

地質雷達（Ground Penetrating Radar,GPR）是一種電磁波反射探測技術，采用電磁波檢測地下介質分布和對不可見目標體或地下界面進行連續掃描，以確定其內部結構形態或位置。地下不同物體或介質的差異會對電磁波進行反射，使用者可根據反射圖像判斷地下異常體的位置，然后將采集的數據用REFLEXW軟件進行處理，主要處理流程為零點校正、調節增益、背景除噪、反褶積運算、識別界面及有效信號、計算確定合適的介電常數及波速、分析掌子面前方圍巖中的異常區域。巖溶、空洞或軟弱夾層、圍巖中的含水區等均為良好的反射界面或目標體。地質雷達工作原理見圖1，圖中T為雷達天線發射端，R為雷達天線接收端，圖1所示為1、4、7號發射端和接收端。

圖1 地質雷達工作原理示意圖

2 影響地質雷達自身精度的因素

（1）地質雷達自身干擾因素。當現場檢測環境發生改變時，如溫度、濕度改變，儀器內部干擾也會產生不穩定的變化。

（2）電磁波傳播過程中能量的衰減。電磁波在掌子面前方的傳播過程中引起能量的損耗，這種損耗除了與掌子面前方圍巖情況相關，還與所采用的雷達天線的中心頻率有密切關系。天線中心頻率越高信號衰減越快、探測深度越短，但精確度越高，隨著探測距離的增加，高頻信號信息損失多，低頻信號信息損失少，因而越遠的目標體細節信息損失的就越大，這就影響了探測的效果。

（3）合成速度帶來的定位偏差。由于掌子面前方地質條件比較復雜，大多數為非均勻的介質，不同深度的雷達反射信號不能憑借單一的波速進行描述，必須用合成波波速度來描述，但這樣對于異常體的定位就會存在一定的誤差。

3 現場影響雷達探測的因素

（1）地質條件的影響。在碳質成分較多的圍巖中，由于圍巖條件對電磁波的影響，會形成信號異常，嚴重影響探測的深度。地質雷達在碳質成分較多的灰巖中的探測成果見圖2。

圖2 地質雷達在碳質成分較多的灰巖中的探測成果圖

（2）儀器附近金屬物體的影響。在探測過程中，儀器附近的金屬物體也會對雷達探測產生影響，如鋼拱架、鉆爆臺車若離儀器較近就會形成強的反射信號，對實際圍巖情況造成掩蓋，給圖像識別造成一定的困難。因此在探測過程中應該盡量避免儀器接觸金屬物體或離金屬物體較近。地質雷達受金屬物體影響的探測成果見圖3。

圖3 地質雷達受金屬物體影響的探測成果圖

（3）儀器附近存在電磁場的影響。在探測過程中，若儀器附近有通電的電纜、電線等，則會在儀器周圍產生電磁場，這些產生的電磁場會對探測產生干擾，對探測的結果造成不利的影響。因而在探測過程中隧道內照明等設施應遠離工作區域。

（4）掌子面平整度的影響。在現場探測過程中，大多數隧道爆破施工后掌子面都難以做到很平整。掌子面不平整時雷達天線難以貼緊掌子面，天線與掌子面間的空氣層會對探測深度及探測的準確度造成一定的干擾，影響判識。因此，天線應平穩并緊貼掌子面，盡量避免因掌子面不平整及無法貼緊而導致的異常。

4 隧道超前地質預報測線布置

根據隧道實際施工方法合理布置測線是隧道超前地質預報準確性的基本保障.測線主要布置見圖4。

圖4 測線主要布置

5 地質雷達在巖溶地區隧道超前地質預報中的應用實例

（1）貴州某隧道里程為DK80+595～DK81+940，總長為1345m，隧址范圍內覆蓋層主要為第四系全新統坡殘積層（Q4dl+el）黏土、角礫土，下伏基巖為石炭系中統黃龍組（C2hn）灰巖、白云質灰巖夾泥灰巖，不良的地質情況主要為巖溶、順層及危巖落石。探測掌子面里程為DK80+700，共探測20m。巖性為灰黑色炭質灰巖夾方解石脈，巖質較硬，節理裂隙發育，巖體較破碎，主要測得2組節理，其產狀分別為J1，NE50°∠42°和J2，SW200°∠71°，節理面間均有黃褐色泥充填，在右下角有一溶腔，為黃泥充填。

采用瑞典MALA公司地質雷達（RAMAC/GPR）進行探測，主機采用RAMAC/X3M，雷達天線中心頻率為100MHz，采樣頻率為1240MHz，時間窗長度為584ns。

探測結果：掌子面前方0～20m范圍內圍巖破碎，節理裂隙較發育，夾泥嚴重，地下水不發育；掌子面前方3～6m段即DK80+700～DK80+704信號異常，推斷為節理裂隙發育；前方8～12m段即DK80+708～DK80+712信號異常，推斷為巖溶或軟弱夾層。其地質雷達探測成果分析波形圖見圖5。

圖5 地質雷達探測成果分析波形圖

實際施工過程中，在DK80+704位置掌子面右側先出現一溶洞（見圖6），隨后在DK80+708位置掌子面左側再次出現一溶洞，兩個溶洞夾泥情況均比較嚴重。

圖6 DK80+704位置掌子面

（2）貴州某隧道區基巖大多裸露，主要為石炭系上統馬平群組（C3mp）灰巖、白云質灰巖、生物碎屑灰巖、炭質頁巖，中統黃龍群（C2hn）生物碎屑灰巖夾泥質灰巖、泥灰巖。隧道進出口及緩坡地帶有少量坡殘積（Q4dl+el）覆土及坡洪積（Q4dl+pl）覆土，不良的地質情況為巖溶、危巖落石及順層。隧道出口掌子面里程為DK79+480，共探測20m，巖性為灰黑色灰巖夾方解石脈，節理裂隙發育，節理面間有黃泥充填。

采用瑞典MALA公司探地雷達（RAMAC/GPR）進行探測，主機采用RAMAC/ProEx，雷達天線中心頻率為100MHz，采樣頻率為1200MHz，時間窗長度為570ns。

探測結果：巖體較破碎，節理裂隙發育一般，夾泥嚴重；上導掌子面前方4～9m處即DK79+476～DK79+468存在一處信號異常，推斷為巖溶。

在實際施工過程中在巖溶從DK79+476開始發育，在DK79+477位置掌子面出現一大型溶洞，經施工打開后溶洞向掌子面前方、下方發育。溶洞壁夾泥嚴重，發育數十根鐘乳石。DK79+476與DK79+478位置掌子面見圖7、圖8。

圖7 DK79+476位置掌子面

圖8 DK79+478位置掌子面

（3）貴州某隧道里程為DK91+313～DK92+185，全長為872m，隧址范圍內覆蓋層主要為第四系全新統崩積層（Q4col）塊石土，坡洪積層（Q4dl+pl）黏土（膨脹土），坡殘積層（Q4dl+el）黏土（膨脹土），下伏基巖為石炭系中統黃龍群（C2hn）灰巖、白云質灰巖，不良的地質情況為巖溶、危巖落石、巖堆、順層。掌子面里程為DK92+040，共探測20m。巖性為炭質灰巖夾方解石細脈，較硬，節理裂隙發育，巖體較破碎，節理面間夾黃褐色泥，主要測得1組節理，其產狀為J1，SW245°∠10°。

探測儀器采用瑞典MALA公司探地雷達（RAMAC/GPR），主機采用為RAMAC/X3M，雷達天線中心頻率為100MHz，采樣頻率為1220MHz，時間窗長度為560ns。

探測結果：上臺階掌子面前方20m范圍內巖體破碎，節理裂隙發育，裂隙呈張性夾泥；上臺階掌子面前方2～6m信號異常，推斷為圍巖破碎；前方6～8m信號異常，推斷為局部存在軟弱夾層；上臺階掌子面前方10～16m信號異常，推斷為破巖溶異常。其地質雷達探測成果分析波形圖見圖9。

圖9 地質雷達探測成果分析波形圖

在實際施工過程中在DK92+031位置掌子面出現突泥情況且含泥量較多將鉆爆臺車掩埋，出現一溶洞，溶洞向拱頂位置發育高度較高。DK92+031與DK92+035位置掌子面見圖10、圖11。

圖10 DK92+031位置掌子面

圖11 DK92+035位置掌子面

（4）某隧道隧底隱伏巖溶探測實例。貴州某隧道里程為DK68+805～DK69+549，總長度為744m。隧區基巖大多裸露，覆蓋層為破殘積層（Q4dl+el），下伏基巖為石炭系上統馬平組（C3mp），不良的地質情況為巖溶、危巖落石及順層。其地質雷達探測成果分析灰度圖見圖12。

圖12 地質雷達探測成果分析灰度圖

在實際施工過程中通過鉆探法印證，隧底揭示該溶洞，溶洞口可見尺寸為沿線路方向長度約10m，垂直線路方向寬度約4m，可測深度約6m，溶洞口自穩性較差，溶洞沿巖層面走向向掌子面前方發育。

6 結束語

當前，地質雷達技術在超前地質預報中已經得到了廣泛的應用。探測中，要想做出較為準確的判定就要將現場和數據解譯工作做得更加精細，盡量減少非必要因素對數據結果產生的干擾。在超前地質預報實施的過程中，應該采用多種檢測手段相結合，如TSP長距離報告和地質雷達短距離預報相結合，物探、鉆探等多種檢測手段相輔助，結合現場地質素描等實際情況進行綜合分析，經過反復認真比對后獲得比較準確的檢測結果。