李可丁

摘 要：在巖溶隧道中進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)的運(yùn)用，主要用于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，由于溶洞隧道中發(fā)育存在復(fù)雜性，因此，進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是非常重要的。在進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)的預(yù)報(bào)工作中，需要對(duì)其工作原理進(jìn)行分析，探討地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)溶洞的可行性，方能熟練運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)技術(shù)和測(cè)量方法。本文結(jié)合實(shí)際的隧道施工工程，對(duì)于采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行隧道現(xiàn)場(chǎng)掌子面數(shù)據(jù)采集的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果為預(yù)報(bào)的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖的情況基本吻合，表明地質(zhì)雷達(dá)在巖溶隧道超前預(yù)報(bào)中具有準(zhǔn)確性，并且得出了溶洞對(duì)應(yīng)的地址雷達(dá)波形圖的明顯特征：振幅增強(qiáng)、伴隨弧形繞射產(chǎn)生同相軸錯(cuò)段等。

關(guān)鍵詞：地質(zhì)雷達(dá)；熔巖地層；超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

中圖分類號(hào)：U452.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）22-0114-02

我國(guó)的華南西南地區(qū)，由于長(zhǎng)期的地下水的溶蝕作用，在產(chǎn)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(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害。為了防止地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生給施工帶來(lái)很大的困擾，同時(shí)提高施工的效率，采用指導(dǎo)性的試驗(yàn)方法，對(duì)于巖溶隧道掌子面在進(jìn)行隧道的支護(hù)設(shè)計(jì)的同時(shí)，進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作進(jìn)行論證。

1 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)原理

根據(jù)回波的單程旅行時(shí)間采用相應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)的探測(cè)，運(yùn)用的探測(cè)原理依賴發(fā)射脈沖，通過(guò)綜合分析，在不同的地下介質(zhì)的傳播過(guò)程中的電磁波的傳播速度在反射和折射中進(jìn)行，得到了目標(biāo)體的距離，判斷目標(biāo)性質(zhì)[1]。如圖1。

雷達(dá)的主機(jī)內(nèi)的信號(hào)發(fā)生器將調(diào)諧和調(diào)頻加以控制，產(chǎn)生能夠發(fā)出固定頻率的電磁波，由主控制器將電纜和天線進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)主控制器，采用60度方向向圍巖內(nèi)發(fā)射信號(hào)，電磁波在遇到典型差異的層面之后，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理之后，通過(guò)工作人員將專業(yè)數(shù)據(jù)加以處理[2]，采用天線接收的方法，雷達(dá)信號(hào)由原路，返回到雷達(dá)的信號(hào)接收處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和雷達(dá)顯示器內(nèi)。

對(duì)于反射回波的波速度，可以采用地下目標(biāo)體的位置的確定計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：

h為所探目標(biāo)體與接觸面的距離，t為電磁波從發(fā)射到接收時(shí)間的間隔。

2 地質(zhì)雷達(dá)應(yīng)用方法

（1）進(jìn)行高頻電磁波物探可以對(duì)掌子面的前方的巖溶發(fā)育情況進(jìn)行有效的預(yù)報(bào)，方法運(yùn)用的目的是對(duì)地質(zhì)異常體的精確預(yù)報(bào)，探測(cè)范圍內(nèi)在應(yīng)用上要對(duì)空洞的地質(zhì)異常體具有非常敏感的特質(zhì)，在進(jìn)行對(duì)探測(cè)強(qiáng)弱以及圍巖的電性參數(shù)等進(jìn)行有效的預(yù)報(bào)，采用的方式100KHZ頻率的預(yù)報(bào)方式可以精確判定距離。對(duì)全斷面進(jìn)行開(kāi)挖，例如在公路隧道的時(shí)候，采用50MHZ頻率天線對(duì)于距離采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行有效預(yù)報(bào)，在雷達(dá)測(cè)線上按照井字進(jìn)行布置，為了保證探測(cè)的精確性[2]，根據(jù)掌子面的情況進(jìn)行具體的應(yīng)用，進(jìn)行剖面的探測(cè)和布置，采用重復(fù)對(duì)比分析的方法，將超前預(yù)報(bào)需要進(jìn)行準(zhǔn)備的條件加以布設(shè)，采集的數(shù)據(jù)是沿著豎直和水平的防線對(duì)剖面進(jìn)行的。

（2）進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理，在雷達(dá)處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中，將多重?cái)?shù)據(jù)的零點(diǎn)加以編輯和處理。如今多使用的是反射地震波法進(jìn)行勘測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)加以處理，主要的數(shù)據(jù)包括編輯、濾波以及增益處理，將數(shù)字濾波中的不同頻譜發(fā)布的干擾波加以去除，剔除了原始數(shù)據(jù)的壞道，采用介質(zhì)吸收的方式，對(duì)雷達(dá)信號(hào)予以回復(fù)，使用信號(hào)能量的方法，將有效波加以保留，對(duì)波前進(jìn)行增益處理和矯正，真實(shí)反射出波形圖[3]。

為了防止電磁波波速發(fā)生較大的改變，根據(jù)其變化非常復(fù)雜、頻散和高衰減等特點(diǎn)，包括偏移速度和半徑，在選擇上難度較大，當(dāng)探測(cè)區(qū)域巖性變化較大時(shí)，導(dǎo)致電磁波在圍巖中出現(xiàn)的偏移參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)成果以及探測(cè)條件的驗(yàn)證情況，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中進(jìn)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(shù)數(shù)據(jù)處理方法，對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，方法也被應(yīng)用到雷達(dá)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中。

（3）根據(jù)雷達(dá)處理成果進(jìn)行判斷，構(gòu)造等不均勻地質(zhì)體、地下裂隙、會(huì)造成界面兩側(cè)電性的變化，伴隨高頻、低幅、波形密集現(xiàn)象，異常地質(zhì)構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致探測(cè)區(qū)域中各種成分含量不同，且常伴有弧形繞射波組出現(xiàn)，包括局部缺失、極性反轉(zhuǎn)、波形畸變、錯(cuò)位等。當(dāng)溶洞中充填有風(fēng)化碎石時(shí)，因巖溶與其周圍巖體存在著較明顯的電性差異，同相軸會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定變化，雷達(dá)波形中反射波同相軸的不連續(xù)較大，溶洞賦水性較強(qiáng)時(shí)，溶洞內(nèi)為弱反射，界面反射是強(qiáng)反射，局部雷達(dá)反射波變強(qiáng)，雷達(dá)探測(cè)中，巖溶發(fā)育區(qū)不良地質(zhì)體的雷達(dá)響應(yīng)特征凸顯，這是在地質(zhì)雷達(dá)圖像上的一個(gè)重要標(biāo)志，雷達(dá)波的電磁弛豫效應(yīng)沿反射波同相軸和隧道巖溶發(fā)育區(qū)的反射波振幅的變化而發(fā)生改變，通常存在裂縫發(fā)育、巖體較破碎、雷達(dá)圖像呈現(xiàn)的特征是在溶洞外側(cè)形成強(qiáng)反射斷層等異常地質(zhì)體，使得反射波振幅在局部發(fā)生改變，造成雷達(dá)反射波在局部頻率降低，使得雷達(dá)波波形改造的同時(shí)，造成正常地層發(fā)生突變，由于衰減、吸收作用隨溶洞形態(tài)反射波頻率的變化，異常地質(zhì)構(gòu)造以及反射波組振幅發(fā)生了變化[4]。

3 地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)在巖溶隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用實(shí)例

某隧道建設(shè)，設(shè)計(jì)行車速度為80公里每小時(shí)，建筑界限3.53乘5米，公路荷載等級(jí)為I級(jí)，隧道為長(zhǎng)隧道，所處地貌為高原、中低山構(gòu)造侵蝕-溶蝕型地貌。

采用高速地質(zhì)透視雷達(dá)和主頻為100M的天線，對(duì)隧道掌子面前方的圍巖進(jìn)行探測(cè)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，將天線沿著掌子面?zhèn)染€從左到右進(jìn)行具體的側(cè)線布置。

現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)情況，掌子面圍巖主要為微風(fēng)化灰?guī)r，節(jié)理的裂隙較發(fā)育，圍巖的穩(wěn)定性和完整性較好。

為保證施工安全，先要對(duì)掌子面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)照片的處理，，推測(cè)掌子面前方探測(cè)范圍內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的探測(cè)發(fā)現(xiàn)局部夾雜紅黏土，第2條從右至左兩測(cè)線長(zhǎng)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(cè)線下方2m處布置第2條測(cè)線，施工過(guò)程中采用的設(shè)備為防爆探地雷達(dá)[5]，布置了1條距拱頂約2.5m高的測(cè)線在掌子面上，根據(jù)地勘報(bào)告，地表發(fā)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(jìn)口段巖石為溶蝕裂隙極發(fā)育灰?guī)r，洞頂遇到涌水突泥的可能性較大，因此穩(wěn)定性差，最終隧道施工采用了地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，經(jīng)過(guò)對(duì)YK3+135處進(jìn)行的超前探測(cè)，查明了前方巖溶等異常地質(zhì)構(gòu)造情況，巖溶裂隙為石灰?guī)r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(fā)育[5]。

本次觀測(cè)共得到有效觀測(cè)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(nèi)的地質(zhì)體偏移圖像、圍巖波速曲線圖。如圖2。

TST地質(zhì)構(gòu)造偏移成像圖解釋：橫坐標(biāo)為隧道里程，縱坐標(biāo)為隧道橫向距離。藍(lán)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(lán)后紅的組合表明存在斷裂構(gòu)造帶。

利用上述成果圖并結(jié)合地質(zhì)資料分析得出以下預(yù)報(bào)結(jié)果：隧道中段5#支3西沿掌子面前方地質(zhì)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(wěn)定性較好，完整性較差，裂隙較發(fā)育。該段中不存在空區(qū)和巷道。第2段：掌子面前方20～100m圍巖波速較高，約為4700m/s，穩(wěn)定性和完整性很好，裂隙較少發(fā)育，不存在空區(qū)和巷道、斷裂帶。

經(jīng)處理后的雷達(dá)探測(cè)成果可以幫助推測(cè)這一段巖體有溶蝕破碎帶，高頻回?fù)苈詾榘l(fā)育，回波以中低頻雜欒發(fā)射為主，位置在掌子面的中部偏右，發(fā)育的規(guī)模較大，掌子面前方14米低幅，局部有少量偏強(qiáng)的反射發(fā)育，預(yù)報(bào)雷達(dá)深度為28米，地質(zhì)雷達(dá)圖像探測(cè)范圍內(nèi)的電磁反射強(qiáng)度中等，推測(cè)掌子面前方探測(cè)范圍內(nèi)，在雷達(dá)探測(cè)范圍內(nèi)石灰?guī)r節(jié)理較破碎，水平同相軸振幅能量連續(xù)性較差、局部存在異?？斩?，電磁回波沒(méi)有明顯的同相軸可以遵循，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)夾雜紅黏土，地質(zhì)情況（實(shí)際開(kāi)挖后，巖體裂隙發(fā)育極有可能是干溶洞，與雷達(dá)預(yù)報(bào)情況較為吻合[6]。YK3+150附近中斷明顯變?nèi)酰幸恢睆郊s3m的溶洞，且洞內(nèi)充填黏土夾塊石。

4 結(jié)語(yǔ)

在巖溶區(qū)的山嶺隧道，采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前預(yù)報(bào)具有必要性，能夠有效避免巖溶病害，確保施工的進(jìn)度和安全，今后的施工應(yīng)注意在保證施工安全和進(jìn)度的基礎(chǔ)上，采用地質(zhì)雷達(dá)圖像進(jìn)行地質(zhì)情況的超前預(yù)報(bào)，必須采用物探法進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償和驗(yàn)證，以保證預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

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