趙玉寶

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司 長沙市 410007)

我國分布有大面積的巖溶區(qū)及形式各樣的卡斯特地貌。在隧道工程的建設(shè)中，巖溶洞穴的危害顯得更為突出。隧道穿過可溶性巖層時，有的溶洞位于隧道底部，充填物松軟，隧道基底很難處理；有的溶洞位于隧道拱頂，巖質(zhì)破碎，容易發(fā)生坍塌，甚至引起地表開裂下沉，山體壓力劇增。因此，準(zhǔn)確探測溶洞所在的位置及規(guī)模對隧道的運營安全來說至關(guān)重要[2]。但隧道建成以后用常規(guī)方法很難對病害作出系統(tǒng)評價。探地雷達探測利用高頻電磁波對不可見目標(biāo)體進行掃描,以確定其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)和位置。結(jié)合工程實例,給出探地雷達的原理及其探測方法,包括測線布置、數(shù)據(jù)采集和圖像分析。分析結(jié)果表明探地雷達可以精確探測隧道圍巖的巖溶分布范圍及發(fā)育規(guī)律，證實了探地雷達技術(shù)能夠在隧道病害檢測中起到良好作用[1]。

1 工程概況

吉茶高速公路第C11合同段麻栗場隧道右洞全長1155m，為已建成通車隧道，該隧道位于湘西自治州花垣縣麻栗場鎮(zhèn)，隧道右洞YK31+812～YK31+952段在2016年雨季水害較為嚴重，并導(dǎo)致路面破損。隧道所在區(qū)為低山地貌，隧道縱向地形起伏大，據(jù)前期鉆探及物探反映的情況來看，洞身圍巖巖性較復(fù)雜，主要為微風(fēng)化的砂質(zhì)頁巖、灰?guī)r、白云巖和構(gòu)造角礫巖，巖體不同程度地受到構(gòu)造影響。由于河水作用，隧底小規(guī)模溶洞較發(fā)育，為徹底解決隧道右洞水害問題，勘察人員決定用探地雷達對隧道洞身及底板進行掃描探測，其目的在于：利用探地雷達探測該段隧道底板、邊墻及頂板圍巖中可能存在的溶洞及溶蝕裂隙的分布范圍，以便設(shè)計采取相應(yīng)的處治措施，確保隧道運營安全。

2 探測方法及野外數(shù)據(jù)采集

2.1 方法選擇及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

本次探測所選用的地質(zhì)雷達為美國SIR-3000單通道實時數(shù)字采集處理器探地雷達，操作平臺為Windows CE，主機可適配所有高中低頻雷達天線，頻率范圍從16MHz到2.2GHz，掃描速率最高可達300線/s，測量范圍為0～8000ns，可迭加2～32768個掃描。

本次工作所參照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)資料如下：

(1)湖南省吉首至茶洞高速公路第十一合同段工程地質(zhì)勘察報告；

(2)《公路工程物探規(guī)程》(JTG/T C22-2009)；

(3)美國SIR-3000探地雷達使用手冊。

2.2 工作原理[5]

探地雷達(簡稱GPR)方法以其分辨率高、定位準(zhǔn)確、快速經(jīng)濟、靈活方便、剖面直觀、實時圖像顯示等優(yōu)點，成為巖土工程勘察、工程質(zhì)量無損檢測、水文地質(zhì)調(diào)查、生態(tài)環(huán)境檢測、城市地下管網(wǎng)普查、文物及考古探測等眾多淺層地球物理勘探領(lǐng)域最主要手段之一。

在淺層巖溶探測中，探地雷達技術(shù)的優(yōu)越性和準(zhǔn)確性顯著。其向地下發(fā)射高頻電磁波的短脈沖，產(chǎn)生一個向下傳播的波，當(dāng)它遇到地下地質(zhì)體或介質(zhì)分界面時部分能量反射到地表，被布設(shè)在地表的接收天線接收，并由主機記錄下來，形成雷達波剖面圖。由于電磁波在介質(zhì)中傳播時，其路徑、電磁波場強度以及波形將隨所通過介質(zhì)的電磁特性和幾何形態(tài)而發(fā)生變化。因此，根據(jù)接收到的電磁波特征，即波的旅行時間(亦稱雙程走時)、幅度、頻率和波形等，經(jīng)過對雷達波場資料進行處理和分析，可確定地下界面或目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、電性及幾何形態(tài)，從而達到對地下隱蔽目標(biāo)物的探測。

其主要工作原理如圖1：

(a)

(b)圖1 探地雷達探測原理圖

巖溶作為一定形狀的巖體中空洞(充氣)或充泥、充水洞穴、縫隙或切割密集帶，其界面介質(zhì)突變，將反映在雷達波的變異上，反映為一定形狀特征的強反射、強衰減、同相軸不對稱變異、間斷等，據(jù)此，結(jié)合地質(zhì)分析，可推測其性質(zhì)，再根據(jù)雙時程走時，對比已知地質(zhì)，并可推測其埋藏深度、規(guī)模等特征。

2.3 測線布置

根據(jù)隧道現(xiàn)場實際情況，在隧道底部左右底板布置2條檢測線，隧道拱頂布置1條檢測線，在左右邊墻距拱腳1.5m處布置2條檢測線[4]，具體布置見圖2。

圖2 雷達測線空間布置示意圖

(1)測線Ⅰ-Ⅰ’為隧道右車道底板中線起止樁號為YK31+812～YK31+952；

(2)測線Ⅱ-Ⅱ’為隧道拱頂中線起止樁號為YK31+812～YK31+952；

(3)測線Ⅲ-Ⅲ’為YK31+812～YK31+952右邊墻，距隧道拱腳1.5m處；

(4)測線Ⅳ-Ⅳ’為隧道左車道底板中線起止樁號為YK31+812～YK31+952；

(5)測線Ⅴ-Ⅴ’為YK31+812～YK31+952左邊墻,距隧道拱腳1.5m處。

2.4 雷達數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理的步驟包括預(yù)處理、增強處理、幾何校正處理及標(biāo)記處理等。用專用數(shù)據(jù)處理軟件對探測數(shù)據(jù)進行處理，著重進行振幅恢復(fù)、濾波、F-K濾波、反褶積處理，獲得信噪比較高的時間剖面，以提高對有用信號的識別。雷達時間剖面可以真實、全面地反映地下介質(zhì)的變化情況，保證資料的質(zhì)量[5]。

2.5 地球物理條件

本段隧道圍巖主要為構(gòu)造角礫巖及灰?guī)r，物性差異也主要體現(xiàn)在粘土、水及空氣與灰?guī)r電性差異。此次探測中，空洞作為探測的目標(biāo)物與圍巖具有明顯不同的電性差異。空洞在保存完好且未被地下水充盈時，表現(xiàn)為高電阻率特征；反之則表現(xiàn)為低電阻率特征。當(dāng)空洞坍塌后，在洞內(nèi)形成破碎、疏松的堆積物與圍巖的導(dǎo)電和介電性質(zhì)同樣具有差異，也具有利用雷達進行識別的物理前提[5]，工區(qū)內(nèi)主要介質(zhì)的介電常數(shù)和電阻率見表1。

3 雷達資料解釋與分析

探地雷達的解釋原理主要是依據(jù)電磁波的反射同相軸來判斷是否存在孔洞或不密實現(xiàn)象。根據(jù)野外數(shù)據(jù)采集，室內(nèi)數(shù)據(jù)處理，圖像同相軸不連續(xù)，存在明顯繞射與反射界面來分析、判斷[4]。

表1 工作區(qū)主要介質(zhì)介電常數(shù)和電阻率

3.1 隧道底板圖形分析

巖溶發(fā)育時，反射波振幅和反射波組將隨溶洞形態(tài)的變化橫向上呈現(xiàn)一定的變化。一般來說，溶洞雷達圖像的特征是被溶洞側(cè)壁的強反射所包圍的弱反射空間，即界面反射式強反射，且常伴有弧形繞射現(xiàn)象，溶洞內(nèi)的反射波則為弱反射，低幅、高頻、波形細密，但當(dāng)溶洞中充填風(fēng)化碎石或有水時，局部雷達反射波可變強[5]。

根據(jù)探地雷達YK31+812～YK31+952段右底板剖面Ⅰ～Ⅰ’顯示，YK31+830附近同相軸紊亂，反射信號較強，推測為一溶洞，富水，溶洞頂板埋深約2～3m，寬約3～4m，充填物以碎塊灰?guī)r為主，局部為粘土，編號RD1。前方Y(jié)K31+865附近，局部反射信號較強，同相軸錯斷，推測溶溝溶槽較發(fā)育，富水，編號RD2。前方Y(jié)K31+935附近，局部反射信號較強，同相軸錯斷，推測為一傾向小里程溶溝,編號RD3。具體詳見圖3、圖4。

圖3 右車道底板Ⅰ-Ⅰ’地質(zhì)雷達深度剖面圖

圖4 右車道底板Ⅰ-Ⅰ’雷達綜合解釋地質(zhì)斷面圖

根據(jù)探地雷達YK31+812～YK31+952左底板剖面Ⅳ～Ⅳ’顯示，YK31+843、YK31+861、YK31+925附近，局部反射信號較強，同相軸錯斷，推測分別為三條豎直向溶溝，編號分別為RD10、RD11、RD12。YK31+915附近，同相軸紊亂，反射信號較強，推測為一溶洞，溶洞頂板埋深3～4m，寬約2～3m，充填物以碎塊灰?guī)r為主，局部為粘土，編號為RD13。具體詳見圖5、圖6：

圖5 左車道底板Ⅳ-Ⅳ’地質(zhì)雷達深度剖面圖

圖6 左車道底板Ⅳ-Ⅳ’雷達綜合解釋地質(zhì)斷面圖

隧道底板巖溶分布平面圖見圖7：

圖7 隧道底板巖溶分布平面圖

3.2 隧道其它部位圖形分析

根據(jù)探地雷達YK31+812～YK31+952拱頂剖面Ⅱ～Ⅱ’顯示，YK31+835附近同相軸紊亂，反射信號較強，推測為一溶洞，富水，溶洞頂板埋深約4～5m，寬約2～3m，充填物以碎塊灰?guī)r為主，局部為粘土，編號RD4。YK31+872位置有異常顯示，推測為一溶洞，富水，溶洞頂板埋深約3～4m，寬約2～3m，充填物以碎塊灰?guī)r為主，局部為粘土，編號RD5。

根據(jù)探地雷達YK31+812～YK31+952右邊墻剖面Ⅲ～Ⅲ’顯示，YK31+832、YK31+938位置，同相軸紊亂，反射信號較強，推測為兩個溶洞，溶洞頂板埋深3～4m，寬1～2m，充填物以碎塊灰?guī)r為主，局部為粘土，編號分別為RD6、RD7。YK31+902、YK31+942附近，局部反射信號較強，同相軸錯斷，推測為兩條豎直向溶溝，編號分別為RD8、RD9。

根據(jù)探地雷達YK31+812～YK31+952左邊墻剖面Ⅴ～Ⅴ’顯示，YK31+834位置同相軸紊亂，反射信號較強，推測為溶洞，溶洞頂板埋深4～5m，寬2～3m,充填物以碎塊灰?guī)r為主，局部為粘土，編號為RD14。YK31+850、YK31+927附近，局部反射信號較強，同相軸錯斷，推測為溶溝溶槽發(fā)育，編號分別為RD15、RD16。

根據(jù)洞內(nèi)地質(zhì)雷達探測成果，YK31+812～YK31+952段，共推測溶洞7個，含水裂隙發(fā)育部位9個。其特征如表2：

表2 巖溶發(fā)育特征一覽表

注：由于電、電磁場的擴散效應(yīng)，表上所列的巖溶規(guī)模比實際尺寸要大

4 結(jié)語

巖溶不良地質(zhì)現(xiàn)象的存在給隧道運營安全造成了嚴重的威脅。采用探地雷達探測到了巖溶隧道溶洞的位置和規(guī)模。結(jié)果表明，通過合理選擇雷達參數(shù)、合理布置測線、提高采樣數(shù)和選用較低的掃描速度等手段可以有效地提高雷達探測的精度，能夠快速準(zhǔn)確地查明溶洞的位置和埋深。經(jīng)過本次探測工作，可得到以下結(jié)論：

(1)經(jīng)過本次地質(zhì)雷達探測工作，共探測到溶洞7個，含水裂隙發(fā)育部位9個，其發(fā)育特征詳見表2。

(2)鑒于工程物探是以線帶面的推測法，本次物探的探測密度雖然基本上控制了對隧道影響深度范圍內(nèi)較大規(guī)模的巖溶形態(tài)，但有可能遺漏小尺度的巖溶；且由于物探是以地球物理物性參數(shù)的異常來推測地質(zhì)性狀、尺度以及埋深，可能會有些誤差以及因物探多解性而造成的誤判。

(3)隧道空洞缺陷識別特征：界面雷達反射波振幅增大，反射信號強且同相軸相位斷斷續(xù)續(xù)呈繞射弧形，不連續(xù)。

(4)本次探測達到了預(yù)期的探測目的，為麻栗場隧道的病害整治積累了第一手的科學(xué)資料，也為今后隧道的養(yǎng)護、維修和運營健康監(jiān)測系統(tǒng)提供了大量的相關(guān)資料。