地质雷达法在云南公路山岭岩溶隧道超前地质预报中的应用

地质雷达法在云南公路山岭岩溶隧道超前地质预报中的应用

范明坤1，鲁茸此里2 杨华3何关祥1

（1.云南航天工程物探检测股份有限公司，云南 昆明，650217；2.迪庆州交通运输局,云南 迪庆，674400，3.云南省水利水电投资有限公司，云南 昆明，650217）

摘要:隧道穿越岩溶特别发育区，如何快速、准确地识别或预报灾害源是保证隧道建设及运营安全的关键。通过分析预报方法的特点，结合项目现场试验条件，针对不同的施工工艺及围岩结构特征，选择不同的测线布置方法对岩溶发育地区进行超前预报。采用美国劳力超前预报设备，采用工程地质调查法+地质雷达法对独拉格咱隧道K17+940～K18+071（YK17+990～YK18+084）进行超前地质预报，确定了岩溶区的位置和填充状态，利用掌子面开挖法对预测结果进行了复核，验证了岩溶区预报的准确性。研究结果表明：针对不同的施工工艺与相应的测线布置方法相结合，可以克服岩溶区预报方法的不足，提高预测精度，保证了隧道施工安全。

关键词：公路隧道；岩溶地区；地质雷达法；超前地质预报；溶洞

1前言

全球岩溶地区面积约占陆地面积的12%，而在中国碳酸盐岩的分布面积可达346.3万m2，其中地表裸露的碳酸盐岩达到了910000km2，由于地表水和地下水的溶蚀作用，在地表区域存在大量的岩溶的地貌和形态，给工程建设带来了一定的复杂性[1]。由于岩溶发育条件的差别，各个区域的岩溶发育特征有非常大的区别，在我国的西南山区和广西等地的岩溶发育地区，工程建设受到了岩溶灾害的巨大威胁[2]。其中刚建成的纳黔高速沙地坪、西湖2号、羊咡岩左线、叙岭关等隧道在施工过程中遇到了多次大规模的岩溶地质灾害，给施工带来了极大的困难。而云南在建的公路隧道众多，穿越区岩溶特别发育，如何快速、准确地识别或预报灾害源是保证隧道建设及运营安全的关键[3]。

由于不同岩溶灾害体之间巨大的差异性和不可见性，给岩溶灾害体的识别带来了巨大的困难。常用的岩溶地质灾害探查途径主要是超前地质预报，对掌子面前方不良地质体的形态和范围进行探测，为隧道开挖提供建议。但由于物探成果的多解性，加之工程岩体结构形成机制复杂、岩性多变，岩体受内外动力作用，赋存在岩体结构中的构造、节理、裂隙、褶皱较多，碳酸类岩溶地层参与地表水及地下水活动较多，岩溶的范围、空间形态复杂多变，形成过程复杂，隧道穿越岩溶地层产生的灾害较多，保证超前预报探测的精度及效果是超前地质预报工作者亟待解决的难题[4]。本文采用工程地质预报与雷达法相结合的方法在岩溶隧道中进行超前地质预报，保证了岩溶隧道的施工安全，预报成功的工程案例可以为同行借鉴参考。

2地质雷达探测原理及方法

2.1 探测原理

地质雷达法是一种地下高频～微波段电磁波反射探测法[5]。其探测原理：发射器通过发射天线向地下定向发射电磁波，电磁波在传播的路径上当遇到有电性差异的界面时即发生反射，反射波由接收器接收，在时域上得到反射回波及其往返旅行时间，首先沿两天线所在表面形成直达波被最先接收到，作为系统起始零点。取反射波往返时间之半，乘以相应介质的雷达波速度便得出反射目标所在深度，再根据反射波的形状、幅度及其在横向和纵向上的组合特征和变化情况，结合工程地质特征，判断目标性质即进行目标识别，进行地质解释，如断层破碎带、溶洞等。地质雷达探测原理示意图见图2-1，参数表达式见公式2-1～2-4所示。

图2-1 地质雷达探测原理图

（2-1）

式中：

t—雷达电磁波走时（ns，1ns=10-9s）；

H—目标体深度（m）；

X—收发天线距，即T与R间距（m）；

V—雷达脉冲波速（m/ns）；

一般来说，当x<

  （2-2）

当地下介质中的波速V为已知时，可根据测得的走时t，由（2-1）求得目标体的深度H。V值可根据（2-3）公式计算：

  （2-3）

式中：

C-电磁波真空传播速度，（0.3m/ns）；

-为地下介质的相对介电常数。

电磁波在传播过程中，遇到不同的阻抗界面时将产生反射波和透射波，其反射与透射遵循反射与透射定律。反射波能量大小取决于反射系数R，反射系数的数学表达式（2-4），介质差异性越大，反射越明显。

  (2-4)

式中：

t—雷达电磁波走时（ns,1ns=10-9s）

H—目标体深度（m）

X—收发天线距，即T与R的间距（m）

V—雷达脉冲波速（m/ns）

2.2 测线布置

根据围岩实际情况和施工工艺，掌子面可布置为环向、测线、竖向、“十”字型、“井”字型测线或其它网格测线，测线的起点和终点应做标记，掌子面测线布置见图2-2～2-5所示，对于V级围岩采用预留核心土法可采用图2-2所示方法，台阶法根据围岩的产状、围岩的特征及岩溶的出露情况，可采用横向侧向法、“十”字型测线法、“井”字型测线法，岩溶越复杂、测线布置越密，可采用多条横向测线法及“井”字型测线法。

图2-2 预留核心土法测线布置示意图

图2-3 台阶法横向测线布置示意图

图2-4 台阶法“十”字型测线布置示意图

图2-5 台阶法“井”字型测线布置示意图

2.3 采集要求及数据处理

当采用连续测量模式，天线应匀速移动，并与仪器的扫描速率相匹配，当采用点测模式时，一般要求每10cm移动一个点，当围岩情况完整时，可适当增大点测的距离，但不应大于每20cm移动一个点，点测模式应在天线静止状态下采样，雷达天线应垂直紧贴掌子面，每点的电磁路径采集完成，操作主机的操作员发出指令，方可移动雷达天线至下一测点；采用地质雷达法可预报隧道周边30m范围内的围岩情况，条件允许时，雷达天线可垂直紧贴拱顶、拱腰、边墙等位置围岩，条件不允许时，雷达天线可倾斜一定角度（天线可脱离岩体距离小于20cm）。

①测线长度。当采用点测模式，记录采样的点数，采用皮尺或钢卷尺量测测线的长度，根据测点总数和测线长度计算每米采集的点数，计算结果为数据处理时横坐标转换为真实探测长度提供依据；当采用连续模式，测线的起点和终点应做标记，采用皮尺或钢卷尺量测测线的长度，距离归一化后，横坐标转换为真实探测长度。

②采集工作。现场采集工作完成时，应先检查数据是否保存，关闭主机后，再拆除连接系统。

③根据需要选取废道处理、距离归一化、增益调整、频率滤波、带通滤波、反褶积、点平均、偏移处理、背景去除等处理方法。

④数据中出现全正、全负或正负半周不对称的情况时，进行去直流漂移处理。

⑤数据解释前，应判别采集数据是否受到掌子面不平整、铁质物或钻杆、驻波等干扰，否则解释成果易出现误判或多解性；数据分析人员可开展雷达频谱量化分析、雷达正演模拟分析其他辅助工作来提高雷达解释准确率及解释精度。

⑥数据解释不良地质现象主要从雷达彩色能量图中能量的衰减、能量团的分布情况，波形堆积图中振幅的强弱性、波形的均一性、杂乱性、同相轴的连续错断性、同相轴是否呈弧形弯曲、波形频率的变化情况等特征进行识别。

3岩溶隧道的工程地质特征

独拉格咱特长隧道是香维公路新建路段的控制工程，格咱垭口海拔4125m，隧道标高约3500m，隧道自岗浪批河右岸陡坡向南西方向横穿扎拉咱山，并于南主峰南侧坡面出洞。隧道设计速度40km/h，为双向两车道分离式隧道，左线起讫里程K15+420～K22

+320，长6900m；右线起讫里程 YK15+455～YK22+315，长6860m。隧道最大埋深约712m，属于深埋隧道。

隧址区地处青藏高原东南边缘、横断山脉北段，为“三江并流”之腹地，属滇西横断山脉纵谷区。区内地质构造作用类型复杂，岩浆活动、变质作用强烈，构造层次、构造变形相、构造样式、构造组合复杂多样，地层主要以古生界地层为主。区内碳酸盐岩分布面积广泛，可溶岩以三叠系灰岩、二叠系灰岩和白云岩、奥陶、志留系大理岩为主。自晚近时期地壳运动以来，区域上表现为垂直分量为主较大幅度的间歇性上升，受长期的溶蚀和侵蚀作用，形成了较为丰富的地表、地下岩溶形态。区内主要的岩溶形态有溶沟、落水洞、暗河、岩溶洼地等。

4 岩溶隧道工程应用实例[6-8]

4.1 独拉格咱隧道进口左幅K18+041～K18+

071里程段大型溶洞探测

①掌子面地质特征及测线布置

K18+041掌子面围岩以灰色～灰黑色泥质灰岩为主，节理裂隙较发育，岩体较破碎，受节理裂隙作用岩体呈裂隙块状结构，距左侧边墙约2.5m，拱腰至上台阶顶约5m范围内围岩表面附着大量泥质碎屑物，距上台阶顶约1.6m处见小型的溶槽、溶蚀及溶沟现象，该溶沟沿竖向裂隙延伸发育，层间及节理裂隙间夹大量泥质充填物等，掌子面干燥。掌子面照片如图4-1所示，根据现场岩溶的发育特征及现场作业条件，隧道采用台阶法施工，采用多条平行测线法布置测线，在上台阶不同高度分别布置4条测线对掌子面前方不良地质进行超前探测，测线布置见图4-2，探测设备采用选用美国地球物理探测设备公司（GSSI）的SIR 4000地质雷达，100MHz天线，探测设备见图4-3，现场探测照片见图4-4所示。

图4-1 掌子面照片

图4-2 现场测线布置示意图

图4-3 探测使用的雷达设备

图4-4 现场超前预报探测照片

②探测结果

对现场采集到的数据，通过美国地球物理探测设备公司（GSSI）地质雷达处理分析系统软件进行处理，绘制出雷达探测深度剖面图见图4-5及4-6所示。

图4-5 AB测线位置地质雷达图

图4-6EF测线位置地质雷达图

从AB、EF测线地质雷达图上看，在掌子面前方约10m（K18+050）位置处，电磁波振幅、频率及相位变化大，波形紊乱，存在振幅较强的弧形反射波多次震荡反射，推测K18+050～K18+071里程段为岩溶发育区域，形成溶腔、溶洞。

开挖后，在K18+043～K18+045段上台阶掌子面距上台阶底约0.3～1.8m处见挤压破碎带（走向310°～330°），多条近直立裂隙由拱顶延伸至挤压破碎带，左侧拱脚出露溶洞，溶洞向上

、向下发育延伸，与隧道轴向呈大角度相交，左、右侧延展方向与挤压破碎带走向基本一致，形成大型溶洞见图4-7～4-8，相对位置关系见图4-9，溶洞内有雨淋状岩溶水，沿溶洞进行地下径流排泄，现场开挖结果与预报结果相符。

图4-7 溶洞向下发育延伸照片

图4-8 溶洞向上发育延伸照片

4.2 独拉格咱隧道进口右幅YK18+023～YK

18+053里程段溶洞探测

①掌子面地质特征及测线布置

YK18+023掌子面围岩以灰色～灰黑色泥质灰岩为主，节理裂隙较发育，岩体较破碎，呈裂隙块状结构，掌子面中部呈竖向条带状，并附着泥质物碎屑物，掌子面干燥。该溶沟沿竖向裂隙延伸发育，层间及节理裂隙间夹泥质充填物。掌子面照片如图4-9所示，根据现场岩溶的发育特征及现场作业条件，隧道采用台阶法施工，采用平行测线法布置测线，在上台阶不同高度布置2条测线对掌子面前方不良地质进行超前探测，测线布置见图4-10，探测设备采用选用美国地球物理探测设备公司（GSSI）的SIR 4000地质雷达，100MHz天线，探测设备见图4-3，现场探测照片见图4-11所示。

图4-9 掌子面照片

图4-10 现场测线布置示意图

图4-11现场探测照片

②探测结果

对现场采集到的数据，通过美国地球物理探测设备公司（GSSI）地质雷达处理分析系统软件进行处理，绘制出雷达探测深度剖面图见图4-12所示。

图4-12 AB测线位置地质雷达图

从AB测线位置地质雷达图看YK18+047

～YK18+050里程段存在振幅较强的弧形反射波多次震荡反射，推测YK18+047～YK18+050里程段为岩溶发育区域，形成溶腔、溶洞。

开挖后，在YK18+049里程上台阶掌子面右侧边墙揭露出溶洞，掌子面有溶蚀迹象，符合预报结论，揭露溶洞如图4-13～4-14所示。

图4-13 现场开挖出的溶洞口照片

图4-14 溶洞向上发育照片

5岩溶成因分析

⑴更新世以来的地壳运动结果表明，该地区的新构造运动以间歇性抬升的形式发生，使该地区处于缓慢的间歇性抬升、隆起、风化、剥蚀和溶解过程，地壳运动过程中的内外动力作用，有利于地表水和地下水循环交替，持续渗透和剥蚀，为该地区岩溶地貌的发展和形成提供了良好的动力来源。

⑵岩体结构节理裂隙越发育，岩溶水入渗条件越好，岩溶越容易发育，节理裂隙在不同深度上的发育，使得地下水循环的深度和范围不断发生变化，地下水循环深度又影响着岩溶发育的深度，岩溶发育、裂隙及地下水的变化过程是一个相互作用不断耦合的过程。

⑶就目前岩溶揭露的工程地质情况，隧道围岩出露有玄武岩、板岩和灰岩，玄武岩和板岩为非可溶岩，岩溶水易在围岩交界处、过渡带处及接触界面处产生聚集，岩溶发育强烈，同时受区域性断裂构造影响，围岩岩层倾角陡峭，层间裂隙发育，地下水极易渗透补给，为岩溶发育提供充分的条件。

6结论

⑴工程实例证明，对于岩溶发育地区，在充分地质调查的基础上，结合现场的工程地质条件，选用合理的雷达设备和布置相应的测线，能够有效探明岩溶不良地质的分布、范围及空间形态，尤其对溶洞的预报效果最好。

⑵相同岩性的反射波同相轴连续，不同岩性的反射波频率存在差异，振幅变化反映出岩层裂隙发育及含水量的赋存情况；频率高低反映岩性的相对致密程度。灰岩中的低频强反射异常多为溶洞填充，多次反射成弧形，振幅波谱主频接近天线中心频率多为空洞或破碎带。

⑶地质雷达图像具有多解性特征，要结合围岩地质条件以及围岩岩体结构进行综合分析，在实际预报过程中，综合各种资料，对存在异常区域可通过增加预报频率或增加测线布设密度，能更精确地预报出不良地质体类型、位置及空间信息特征。

参考文献

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[作者简介]范明坤，男，云南曲靖人，高级工程师，从事公路隧道桥梁工程探测技术研究与项目管理工作。