浅谈地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的运用

浅谈地质雷达在岩溶隧道超前地质预报中的运用蒋帅男（1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都610059）摘要：近年来，随着我国交通事业的迅猛发展和西部大开发战略的实施,在岩溶地区修筑的隧道越来越多，而在岩溶地区隧道施工中，对掌子面前方一定范围的地质情况进行准确超前预报却是保证隧道施工安全的关键。

本文以中坝隧道为例,通过对拟掘进段隧道勘察资料及工程地质条件的解读、隧道掌子面地质编录情况的判别和解译结果的综合分析，预判拟掘进段存在溶腔，并通过超前钻孔揭示验证，得以及时采取有效措施，确保了生命及生产安全，表明在岩溶地区采用地质雷达进行超前地质预报是可行的。

关键词：隧道；超前地质预报；地质雷达；岩溶；1 前言由于地面水和地下水的溶蚀作用，在碳酸盐岩地区发育着各种类型的岩溶地貌和岩溶形态，给工程建设带来一定的复杂性，每年都因不同程度的岩溶危害而造成巨大的经济损失和危及人身安全，而随着我国交通事业的迅猛发展和西部大开发战略的实施,在岩溶地区修筑的隧道越来越多，因此在岩溶地区隧道施工中，对掌子面前方一定范围的地质情况进行准确超前预报是保证隧道施工安全的关键。

超前地质预报方法用来准确预测隧道开挖工作面前方工程地质状况，可以减少施工的盲目性。

采用科学的、先进的隧道超前隧道岩溶超前预报的手段有很多种，比如TSP、超前地质钻孔和地质雷达等。

而地质雷达探测具有分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示、处理速度快等优点，近年来在国内外岩溶预报上，比较受亲睐[1]。

本文以中坝隧道为例,具体阐述了地质雷达的基本工作原理及其在岩溶隧道超前地质预报中的测试方法,并针对岩溶预报雷达图像进行了具体的解译。

最后通过对拟掘进段隧道勘察资料及工程地质条件的解读、隧道掌子面地质编录情况的判别和解译结果的综合分析[2]，预判拟掘进段存在溶腔，并通过超前钻孔验证预判的准确性，得以及时采取有效措施，确保了生命及生产安全，实例表明在岩溶地区采用地质雷达进行超前地质预报是可行的。

下面就将地质雷达在中坝隧道超前地质预报应用情况做一些阐述，并将其在岩溶预报上的规律进行总结，以期望对后续类似的工作具有借鉴意义。

2地质雷达的探测原理及方法2.1探测原理地质雷达是利用频率介于106～109Hz的无线电波来确定地下介质的一种地球物理探测仪器。

岩溶洞穴、破碎带、岩溶水与完整围岩存在明显的电性差异, 对地质雷达发射的电磁波能形成强反射界面, 以此来探测不良地质体。

地质雷达的基本原理如图1所示。

发射天线将高频短脉冲电磁波定向送入地下, 电磁波的传播取决于地质体的电性如电导率μ和介电常数ε。

电导率μ主要影响电磁波的穿透深度, 介电常数ε决定电磁波在地质体中的传播速度。

电磁波在传播过程中遇到存在电性差异的地层或目标体就会发生反射和透射, 接收天线收到反射波信号并将其数字化, 然后由电脑以反射波波形的形式记录下来。

对所采集的数据进行相应的处理后, 可根据反射波的传播时间、幅度和波形, 判断地下目标体的空间位置、结构及其分布。

探地雷达是在对反射波形特性分析的基础上来判断地下目标体的, 所以其探测效果主要取决于地下目标体与周围介质的电性差异、电磁波的衰减程度、目标体的埋深以及外部干扰的强弱等。

其中,目标体与介质间的电性差异越大, 二者的界面就越清晰, 表现在雷达剖面图上就是同相轴不连续。

由于地质雷达预报距离短, 一般在20 ～25 m, 同时易受洞内管线、机器等导电导磁体的干扰, 所以一般用于隧道开挖后, 隧道底部和周边的隐伏岩溶检测和衬砌厚度检测。

图1 地质雷达的工作原理。

2.2探测方法测线主要布置在隧道掌子面上，在探测过程中可采用两横两竖或一横三竖的布线方式，必要时可加密雷达测线，或在隧道开挖底板或侧壁布置雷达测线，以增加雷达的原始数据信息量，保证探测结果的准确性。

地质雷达测量通常采用点测和连测两种方式。

点测法主要适用于隧道掌子面较为粗糙、凹凸不平的工作环境，要求天线按固定的距离移动才能保证采集数据的剖面宽度与测线长度一致；连测方式是通过测距轮的滚动或预先设置好的时间间隔自动采集数据，适用于较光滑的掌子面。

由于隧道掌子面工作环境较差，一般情况下均采用点测法[3]。

3工程应用实例3.1中坝隧道工程概况及岩溶段基本情况中坝隧道位于古蔺县护家乡境内，全长4001m，属低山～低中山构造剥蚀地貌，斜坡沟谷、山间凹地地形、山高谷深，地形起伏较大，隧道穿越山体高程介于702m～1128m，相对高差约426m，山间多沟槽与洼地，坡脚及沟槽内地表多为旱地和水田，隧道最大埋深约415m。

隧道穿越第四系坡洪积（Q4dl+pl）层，坡残积（Q4dl+el）层，三叠系雷口坡组（T2l）、嘉陵江组（T1j）、发育小型褶皱。

层面在进口处多变，其他部分以22°左右中缓倾角为主，围岩以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主，节理裂隙成组发育。

该区地下水主要是松散岩土类孔隙型潜水、岩溶水和基岩裂隙水。

区内主要工程地质问题是地层岩性、水文条件决定的岩溶、突水突泥和局部破碎岩体中可能出现的坍塌和完整岩体中可能出现的掉块现象。

设计资料显示该段围岩地层岩性为三叠系下统嘉陵江组（T1j）灰岩，临近三叠系下统飞仙关组（T1f）页岩，泥质砂岩地层，岩层分界面里程大约在D9K55+327，围岩岩体较破碎，设计围岩等级为Ⅳ级，不良地质现象主要为突泥和突水，地质复杂程度中等。

3.2掌子面地质编录掌子面里程为D9K55+222，岩性主要为灰黑色灰岩，岩体层理清晰并且较为发育（见图2），以中薄层为主，岩体较破碎，掌子面左侧壁更为严重，岩层产状：N82°W/24°NE，层间夹泥，发育一组明显的溶蚀裂隙，产状为N10°W/NE65°，局部被方解石脉和泥质物充填；突泥口发育在掌子面中上部，呈条带状，贯穿掌子面上部并与发育在洞顶上部的裂隙相连，突泥口高约4m，顶部宽约为0.3m，并且越向下宽度逐渐增大，最宽距离达到约1.5m，突泥口被两块可见岩块堵住，掌子面下部有1＃和2＃两处明显的出水口，水质浑浊，携带有泥砂其他部位有渗水点，导致掌子面整体湿润，掌子面素面图见图3，综合以上特点，现场判别围岩等级为Ⅳ级。

图2 掌子面全貌图和局部图3.3地质雷达探测及测线布置本次现场测试方法采用探地雷达电磁波反射法，采用设备为美国GSSI公司生产的SIR-3000 GPR 地质雷达，采用点测方法，主要采集参数为：100MHz屏蔽天线，发射频率50kHz，每次扫描的采样点数1024；时间窗口为500ns。

根据掌子面地质编录和现场作业条件，在掌子面下部布置1条测线，测线长3.2m，距离掌子面底2.0m，测试方向从左到右，测线位置见图4。

图3 掌子面素描图3.4地质雷达探测结果分析根据地质雷达在隧道掌子面探测波形图像（图5）分析，测试范围内电磁波反射整体振幅分为3个区域，在掌子面前方26m（D9K55+222～D9K55+248）内变化如下：（1）掌子面前方0m-2m（里程桩号D9K55+222-D9K55+224）该范围内能量图能量分布较集中，能量较高，反射波振幅较强，频率较高，同相轴连续，推测该范围内岩体较为破碎，为爆破影响所造成的松动区，不排除有小溶腔的可能；（2）掌子面前方2m-20m（里程桩号D9K55+224-D9K55+242）该范围内反射波振幅较强，同相轴较连续，存在强反射界面，略呈弧形弯曲，表明岩体内部介电常数发生了变化，推测该范围内岩体较为破碎，节理裂隙发育，存在溶腔，并有充填物和岩溶水；（3）掌子面前方20m-26m（里程桩号D9K55+242-D9K55+248）探测区大部分反射波振幅较小，相位稳定，表明围岩介电常数差异小，推测该范围已出溶腔，进入基岩，岩体相对较好；异常区综合分析判断见表1所示。

图5 地质雷达波形图表1 异常区域综合分析表3.5超前钻孔进一步揭示溶腔为了进一步验证地质雷达预报溶腔存在的准确性，从而及时采取有效措施，保证施工安全，结合现场掌子面情况和勘察需要，在里程D9K55+222掌子面上，共布置了9个钻孔进行钻进，方案布置见图6。

其中在1#孔钻进过程中突水发生以后，左上侧突水量明显减小；4#孔钻进结束后，4#孔成为主要突水点，1#孔水量随之减小，左上侧出水基本停止；高程726.49平面的5、6#钻孔内未见出水现象；8#孔钻进结束，4#孔出水量明显减小（4#孔被粘土堵住）；钻进过程中主要在2#、5#、6#钻孔中有明显含泥现象，其中以5#、6#钻孔夹泥、渗泥现象较为严重，所含填充物主要为灰褐色黏质泥土，粘粒含量较高，在钻孔冲洗液稀释情况下呈可塑状；8、9#孔钻进过程中伴随有大量泥沙冲出，砂粒的磨圆较好。

根据超前钻孔探明情况，前方确实存在充泥溶腔，并在距离目前掌子面D9K55+222大约11.3m处出露，空腔的规模在隧道前进方向上为10~23m，呈现两头大中间小的特点，且为不规则状展布。

空腔部分空间被淤泥质土充填，并呈上大下小的漏斗状，规模为7~20m，其余空间赋存水体，证实之前地质雷达超前预判的正确性。

图6 钻孔布置平面图图7钻爆开挖后掌子面坍塌3.6开挖揭露对比待掌子面局部突泥和出水情况减缓后，钻爆开挖至D9K55+234里程时发生了严重涌泥事故，掌子面坍塌严重，大量黄褐色泥质从掌子面左上方一溶腔口涌出，将工作台车部分掩埋，详见图6。

由于之前地质雷达推测D9K55+224～D9K55+242段可能存在溶腔，并通过超前钻孔证实了预判，因此施工单位提前作了超前支护等相关预防工作，人员和重要施工机械得以及时撤出，有效保证了施工安全，避免了较大的生命危险和经济损失。

该工程实例表明在岩溶地区采用地质雷达进行超前地质预报是可行的。

4、结论（1）地质雷达应用于隧道超前预报过程中，可准确探测到岩溶等不良地质现象，且具有高效率、高探测精度,、对施工干扰少、能够直观地反映异常形态等特点，能够为隧道安全施工提供可靠的依据。

（2）隧道地质超前预报是地质勘察工作的延续和补充。

在使用地质雷达进行隧道地质超前预报时，除了要采集高质量的数据和选择合理的参数外，对于预报成果的解释还必须要地勘资料、掌子面地质资料有机结合起来进行综合分析，三者缺一不可。

同时对预报成果的正确解释，还需要大量的实际经验和丰富的地质、物探知识。

（3）随着隧道工程的增加，可能遇到的复杂地质条件的区域也越来越多，有时候仅仅使用单一的物探方法具有一定的局限性，应结合隧道所处地质条件和隧道工程特点，需要结合其他预报手段，例如TSP、超前地质钻孔和红外探水。

特别是对于一些空间发育范围大、性质比较均一的岩溶特征,，有时需要考虑结合其他物探进行探测，同时, 使用物探和钻探相结合的办法，在岩溶地质详查和处理中十分必要, 效果很明显[4]。