地質雷達法在隧道超前地質預報中的應用

董偉偉，麥燕午

(葛洲壩集團試驗檢測有限公司,宜昌 443002)

公路和鐵路為人民日常出行提供了很大的便利，尤其對于山區而言，公路和鐵路是將其與外界連接的重要通道。在山區修建公路和鐵路比在平原地區難度更大，因其面對的地形、地質條件等更加復雜[1]。例如，為了使線路盡可能平順，保障行車速度，往往需要架橋或者修建隧道，因而山區公路和鐵路的橋隧比一般都很高[2]。面對復雜的環境，快速識別相關風險因素是保證橋梁及隧道建設及服役安全的重要前提。如隧道建設常出現的溶洞、涌水突泥等災害與圍巖等級、巖體發育特征等息息相關[3]。如何快速、準確地識別或者預報災害源是保證隧道建設及運營安全的關鍵。

為保障隧道建設的安全，隧道施工時工程人員迫切想掌握掌子面前方的地質情況，隧道超前地質預報技術應運而生。常見的超前地質預報方法主要有：以TSP等設備為代表的地震波法[4]、以地質雷達為代表的電磁波法[5]、以激發極化為代表的電法等[6]。這些方法適用場景各不相同，為獲取地層巖性、結構面產狀、富水巖層、斷層、溶洞等地質信息提供了便利，也為隧道的安全施工提供了重要保障。

研究依托位于湖北宜昌山區的槐樹店隧道實體工程開展超前地質預報工作。地下與地表水對可溶性巖石不斷溶蝕、沉淀形成的喀斯特地貌廣泛分布于湖北宜昌山區。因此，針對宜昌山區新建隧道開展超前地質預報時，非常重要的一項任務就是及時探明掌子面前方是否有溶洞的存在。大量研究表明地質雷達法對隧道巖溶地層的溶洞與巖溶水、破碎帶等有較好的識別能力。因此，采用地質雷達法對位于湖北宜昌山區的槐樹店隧道開展超前地質預報工作。

1 工程介紹

新建當陽至遠安支線鐵路槐樹店隧道段位于湖北省宜昌市遠安縣洋坪鎮，起止里程為DK54+540～DK57+440，隧道全長2 900 m，最大埋深312 m，其中Ⅲ級圍巖1 090 m，IV級圍巖1 540 m，V級圍巖270 m；隧道進口采用端墻式洞門，出口采用環框式洞門；進口內軌設計標高271.748 m，出口內軌設計標高299.360 m。全隧道共設置洞室96處，其中小避車洞室77處，大避車洞室11處，弱電設備洞室2處。

2 預報原理

地質雷達法(GPR)超前地質預報主要是基于掌子面前方不同介質的電性(介電性和導電性)差異實現的，其包括兩個主要的階段：向巖體發射高頻電磁波，再接收和解析介質反射的電磁波，如圖1所示。具體的實現過程為：由發射天線將高頻電磁脈沖波送入掌子面前方巖體，當高頻電磁脈沖波在傳播過程中遇到不同目標體(斷層、空洞等)的電性介面時，部分反射回來的電磁波被接收器所接收、記錄，并獲取電磁波從發射到反射回來被接收所用的時間，當電磁波在介質中的傳播速度已知時，即可確定目標體的位置。因此，地質雷達技術是由已知條件推斷未知情況的一種方法。

電磁波在介質中的傳播速度主要由介質的相對介電常數決定，電磁波在傳播過程中，當遇到不同的波阻抗界面時，將產生反射波和折射波，反射波能量大小取決于反射系數R，計算式如式(1)所示，ε1、ε2分別為反射界面前后介質的介電常數。反射系數的大小取決于介質的介電常數差異，差異越大，反射系數越大，則越容易被地質雷達探測到。巖體的介電常數一般為4～8，水的介電常數為81，空氣的介電常數為1。

(1)

3 數據采集及處理過程

預報里程范圍為DK54+732～DK54+762，長度30 m，采用的主要設備為MALA ProEx型地質雷達。數據采集工作包括4個步驟：掌子面測線布置、儀器調試、雷達參數設置、激發并接收數據，具體實施過程為：選取距離隧道底部5 m左右的水平線作為掌子面測線；將天線與雷達主機連接，啟動設備，檢查設備狀況；在開始采集前，為了提高精度，要進行雷達參數的設置，根據實際情況選擇采樣頻率等參數；數據采集采用人工點測的方式，沿事先布置好的測線移動雷達設備，逐點激發并收集。地質雷達采集數據的處理步驟則主要包括去失真處理、水平信號去除、靜校正、增益、帶通濾波、二維濾波等。

4 結果分析

通常采用波形圖表示雷達圖像，如圖2左側。但當采用探地雷達進行連續測量時，由于采集的電磁脈沖數非常多，繼續采用波形圖則難以清晰表述雷達圖像特征，此時可將波形圖轉換為灰度圖，如圖2右側。波形圖轉換為灰度圖的具體原理為：將沒有反射信號的區域描繪為灰色，表示這些區域的反射信號振幅弱，沒有有效反射。將反射界面的波谷相位描繪為黑色，波峰相位描繪為白色，即用黑色和白色表述出了信號的相位；黑色和白色的強度表述出了信號的振幅，即越黑或越白就表示振幅越強，該處的反射信號越強。

樁號DK54+732～DK54+762的區段范圍對應的地質雷達剖面波形圖和灰度圖分別如圖3和圖4所示。具體來看，在掌子面前方0～200 ns的區段內(電磁波波速0.1 m/ns，視深度0～10 m)，對應樁號DK54+732～DK54+742的范圍，電磁反射波振幅較小，頻率以中高頻為主，結合地勘資料推測該區段圍巖與掌子面相近。

在掌子面前方200～420 ns的區段內(電磁波波速0.1 m/ns，視深度10～21 m)，對應樁號DK54+742～DK54+753的范圍，掌子面前方有多組明顯的電磁反射波，同相軸局部連續，振幅較強，頻率中等偏低。結合地勘資料，初步判斷此區段圍巖較掌子面變差，節理裂隙發育，巖體破碎。且在DK54+745～DK54+753區段，有溶洞發育，溶洞邊界非常清晰；溶洞首先在掌子面右側揭露，且該溶洞可能有水填充，開挖至該樁號附近時應注意防范突水突泥等地質災害。

在掌子面前方420～600 ns的區段內(電磁波波速0.1 m/ns，視深度21～30 m)，對應樁號DK54+753～DK54+762的范圍，電磁反射波振幅較小，頻率以中高頻為主，推測該段圍巖較前段圍巖完整性稍好。

結合槐樹店隧道具體開挖情況來看，基于地質雷達的超前地質預報結果與實際情況一致。進口掌子面開挖至DK54+745時，掌子面右側揭露一溶洞，溶洞中有股狀水流，溶洞揭露部分寬度約3.5 m。

5 結 論

考慮到宜昌山區多為巖溶地質構造，采用對巖溶地層溶洞與巖溶水具有較好識別能力的地質雷達方法，對新建當陽至遠安支線鐵路槐樹店隧道DK54+732～DK54+762里程段進行了超前地質預報。結果表明，地質雷達法在預報溶洞災害等方面具有優勢，成功預判槐樹店隧道掌子面前方DK54+745～DK54+753區段存在溶洞。