地質雷達技術在巖溶隧道超前地質預報中的應用

李可丁

摘 要：在巖溶隧道中進行地質雷達的運用，主要用于超前地質預報，由于溶洞隧道中發育存在復雜性，因此，進行準確預測是非常重要的。在進行地質雷達技術的預報工作中，需要對其工作原理進行分析，探討地質雷達探測溶洞的可行性，方能熟練運用地質雷達的探測技術和測量方法。本文結合實際的隧道施工工程，對于采用地質雷達進行隧道現場掌子面數據采集的相關技術進行驗證，結果為預報的結果和現場開挖的情況基本吻合，表明地質雷達在巖溶隧道超前預報中具有準確性，并且得出了溶洞對應的地址雷達波形圖的明顯特征：振幅增強、伴隨弧形繞射產生同相軸錯段等。

關鍵詞：地質雷達；熔巖地層；超前地質預報

中圖分類號：U452.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）22-0114-02

我國的華南西南地區，由于長期的地下水的溶蝕作用，在產狀、涌水量、位置等方面都有各自的特征，分布有大面積的碳酸鹽地層，形成了大小不一的碳酸鹽分布形狀，極容易出現地質災害。為了防止地質災害的發生給施工帶來很大的困擾，同時提高施工的效率，采用指導性的試驗方法，對于巖溶隧道掌子面在進行隧道的支護設計的同時，進行超前地質預報工作進行論證。

1 地質雷達探測原理

根據回波的單程旅行時間采用相應介質進行地質雷達的探測，運用的探測原理依賴發射脈沖，通過綜合分析，在不同的地下介質的傳播過程中的電磁波的傳播速度在反射和折射中進行，得到了目標體的距離，判斷目標性質[1]。如圖1。

雷達的主機內的信號發生器將調諧和調頻加以控制，產生能夠發出固定頻率的電磁波，由主控制器將電纜和天線進行設置，通過主控制器，采用60度方向向圍巖內發射信號，電磁波在遇到典型差異的層面之后，經過簡單處理之后，通過工作人員將專業數據加以處理[2]，采用天線接收的方法，雷達信號由原路，返回到雷達的信號接收處理器、數據存儲器和雷達顯示器內。

對于反射回波的波速度，可以采用地下目標體的位置的確定計算公式進行計算：

h為所探目標體與接觸面的距離，t為電磁波從發射到接收時間的間隔。

2 地質雷達應用方法

（1）進行高頻電磁波物探可以對掌子面的前方的巖溶發育情況進行有效的預報，方法運用的目的是對地質異常體的精確預報，探測范圍內在應用上要對空洞的地質異常體具有非常敏感的特質，在進行對探測強弱以及圍巖的電性參數等進行有效的預報，采用的方式100KHZ頻率的預報方式可以精確判定距離。對全斷面進行開挖，例如在公路隧道的時候，采用50MHZ頻率天線對于距離采用地質雷達進行有效預報，在雷達測線上按照井字進行布置，為了保證探測的精確性[2]，根據掌子面的情況進行具體的應用，進行剖面的探測和布置，采用重復對比分析的方法，將超前預報需要進行準備的條件加以布設，采集的數據是沿著豎直和水平的防線對剖面進行的。

（2）進行地質雷達數據處理，在雷達處理數據的過程中，將多重數據的零點加以編輯和處理。如今多使用的是反射地震波法進行勘測，并對數據加以處理，主要的數據包括編輯、濾波以及增益處理，將數字濾波中的不同頻譜發布的干擾波加以去除，剔除了原始數據的壞道，采用介質吸收的方式，對雷達信號予以回復，使用信號能量的方法，將有效波加以保留，對波前進行增益處理和矯正，真實反射出波形圖[3]。

為了防止電磁波波速發生較大的改變，根據其變化非常復雜、頻散和高衰減等特點，包括偏移速度和半徑，在選擇上難度較大，當探測區域巖性變化較大時，導致電磁波在圍巖中出現的偏移參數，根據現場探測成果以及探測條件的驗證情況，實際應用過程中進行偏移歸位處理，在反褶積效果并不明顯的前提下，合理選擇反褶積參數數據處理方法，對地震數據進行處理，方法也被應用到雷達數據處理過程中。

（3）根據雷達處理成果進行判斷，構造等不均勻地質體、地下裂隙、會造成界面兩側電性的變化，伴隨高頻、低幅、波形密集現象，異常地質構造會導致探測區域中各種成分含量不同，且常伴有弧形繞射波組出現，包括局部缺失、極性反轉、波形畸變、錯位等。當溶洞中充填有風化碎石時，因巖溶與其周圍巖體存在著較明顯的電性差異，同相軸會出現不穩定變化，雷達波形中反射波同相軸的不連續較大，溶洞賦水性較強時，溶洞內為弱反射，界面反射是強反射，局部雷達反射波變強，雷達探測中，巖溶發育區不良地質體的雷達響應特征凸顯，這是在地質雷達圖像上的一個重要標志，雷達波的電磁弛豫效應沿反射波同相軸和隧道巖溶發育區的反射波振幅的變化而發生改變，通常存在裂縫發育、巖體較破碎、雷達圖像呈現的特征是在溶洞外側形成強反射斷層等異常地質體，使得反射波振幅在局部發生改變，造成雷達反射波在局部頻率降低，使得雷達波波形改造的同時，造成正常地層發生突變，由于衰減、吸收作用隨溶洞形態反射波頻率的變化，異常地質構造以及反射波組振幅發生了變化[4]。

3 地質雷達技術在巖溶隧道超前地質預報中的應用實例

某隧道建設，設計行車速度為80公里每小時，建筑界限3.53乘5米，公路荷載等級為I級，隧道為長隧道，所處地貌為高原、中低山構造侵蝕-溶蝕型地貌。

采用高速地質透視雷達和主頻為100M的天線，對隧道掌子面前方的圍巖進行探測，進行現場數據的采集，將天線沿著掌子面側線從左到右進行具體的側線布置。

現場的地質情況，掌子面圍巖主要為微風化灰巖，節理的裂隙較發育，圍巖的穩定性和完整性較好。

為保證施工安全，先要對掌子面進行現場照片的處理，，推測掌子面前方探測范圍內，根據現場的探測發現局部夾雜紅黏土，第2條從右至左兩測線長度約7m，使用天線的中心頻率50MHz，第1條從左至右呈傾斜層狀，在第1條測線下方2m處布置第2條測線，施工過程中采用的設備為防爆探地雷達[5]，布置了1條距拱頂約2.5m高的測線在掌子面上，根據地勘報告，地表發育有溶洞、溶溝、溶槽及漏斗等，溶洞中有碎石土、黏土和砂充填，進口段巖石為溶蝕裂隙極發育灰巖，洞頂遇到涌水突泥的可能性較大，因此穩定性差，最終隧道施工采用了地質雷達法進行超前地質預報，經過對YK3+135處進行的超前探測，查明了前方巖溶等異常地質構造情況，巖溶裂隙為石灰巖且硬度較高，局部地方還可能存在干溶洞，子面地層巖性可能發育[5]。

本次觀測共得到有效觀測記錄6炮72道，處理后得到隧道-70中段5#支3西沿掌子面前方100m內的地質體偏移圖像、圍巖波速曲線圖。如圖2。

TST地質構造偏移成像圖解釋：橫坐標為隧道里程，縱坐標為隧道橫向距離。藍色條紋表示巖體由硬變軟的界面，紅色表示由軟變硬的界面，先藍后紅的組合表明存在斷裂構造帶。

利用上述成果圖并結合地質資料分析得出以下預報結果：隧道中段5#支3西沿掌子面前方地質情況分為兩段：第1段：掌子面前方20m圍巖波速高，約為4000m/s，穩定性較好，完整性較差，裂隙較發育。該段中不存在空區和巷道。第2段：掌子面前方20～100m圍巖波速較高，約為4700m/s，穩定性和完整性很好，裂隙較少發育，不存在空區和巷道、斷裂帶。

經處理后的雷達探測成果可以幫助推測這一段巖體有溶蝕破碎帶，高頻回撥略為發育，回波以中低頻雜欒發射為主，位置在掌子面的中部偏右，發育的規模較大，掌子面前方14米低幅，局部有少量偏強的反射發育，預報雷達深度為28米，地質雷達圖像探測范圍內的電磁反射強度中等，推測掌子面前方探測范圍內，在雷達探測范圍內石灰巖節理較破碎，水平同相軸振幅能量連續性較差、局部存在異?？斩?，電磁回波沒有明顯的同相軸可以遵循，結合現場夾雜紅黏土，地質情況（實際開挖后，巖體裂隙發育極有可能是干溶洞，與雷達預報情況較為吻合[6]。YK3+150附近中斷明顯變弱，有一直徑約3m的溶洞，且洞內充填黏土夾塊石。

4 結語

在巖溶區的山嶺隧道，采用地質雷達進行超前預報具有必要性，能夠有效避免巖溶病害，確保施工的進度和安全，今后的施工應注意在保證施工安全和進度的基礎上，采用地質雷達圖像進行地質情況的超前預報，必須采用物探法進行適當的補償和驗證，以保證預報的準確性。

參考文獻

[1]單波，段毅，王延輝，等.地質雷達在凍土地區輸電線路中的應用[J].電力勘測設計，2018，（5）：41-45.

[2]鄭鴻瑞，徐志剛，甘樂，等.合成孔徑雷達遙感地質應用綜述[J].國土資源遙感，2018，（2）：12-19.

[3]袁宗征.地質雷達在巖溶隧道超前地質預報中的應用[J].勘察科學技術，2018，（2）：58-61.

[4]高陽，余湘娟，夏波，等.泡沫混凝土路基病害地質雷達正演模擬研究[J].河南科學，2018，（4）：559-565.

[5]王東源，李朝，何樹生，等.地質雷達在巖溶塌陷區油氣管道選線中的應用[J].油氣儲運，2018，（3）：348-351.