王明海， 程宏軍， 周曉磊

(中鐵二十一局集團有限公司第三工程公司, 陜西咸陽 712000)

在喀斯特地貌地區(qū)的隧道工程中，由于溶槽、溶洞和巖溶裂隙等典型巖溶地質構造所引起的涌水涌泥、塌陷、落石等工程地質問題，常對正常施工的進行與人員安全產(chǎn)生諸多不利影響[1]。超前地質預報工作中，傳統(tǒng)的地質調查法與超前水平鉆探存在經(jīng)濟與時間上的成本弱勢，而物探方法的合理運用能較好解決這樣的問題[2]。目前隧道利用電磁波反射法進行超前地質預報普遍采用100MHz地質雷達天線，由于在巖溶地區(qū)夾泥、富水等原因下電磁波衰減快，探測有效深度僅20m左右，而規(guī)范設計要求單次預報深度為30m[3]。本文依托貴南高鐵白秀山二號隧道泄水洞工程中的2次預報實例，驗證意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS-K2設備40MHz天線在所需精度上的操作可行性，并對工作流程、預報結果和現(xiàn)場開挖情況進行對比和評價。

1 工程地質概況

白秀山二號隧道位于廣西境內馬山至南寧北區(qū)間，為單洞雙線，隧道進口D2K412+103，出口D2K414+645，全長2 542m，最大埋深約324m。隧道位于地下水季節(jié)變動帶內，地下水豐富，為降低施工和運營風險，解決運營期間排水能力問題，同時兼顧施工通風，隧道設置泄水洞，位于相應正洞前進方向左側25m，長1 198m(圖1)。全隧線路縱坡為“人”字坡，隧道內線路縱坡為3 ‰的單面上坡。全隧穿越灰?guī)r地層，上覆第四系全新統(tǒng)崩積、堆積(Q4col)塊石土，沖洪積軟土、黏土，坡殘積(Q4dl+el)紅黏土；下伏基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r；二疊系下統(tǒng)棲霞組(P1q)灰?guī)r；石炭系上統(tǒng)(C2)灰?guī)r。隧區(qū)巖溶中等～強烈發(fā)育，地表呈低山地貌，大型溶蝕洼地、落水洞發(fā)育，坡面植被發(fā)育，多為灌木林，基巖多直接出露，山間溝槽(谷)發(fā)育，線路附近交通條件不便。

圖1 白秀山二號隧道泄水洞設置示意(單位:mm)

2 地質雷達工作原理

2.1 電磁波反射法

現(xiàn)場測試方法為電磁波反射法，采用設備為地質雷達。地質雷達是采用無線電波檢測地下介質分布和對不可見目標體或地下界面進行掃描，以確定其內部結構形態(tài)或位置的電磁技術。其工作原理為：電磁波以寬頻帶脈沖形式通過發(fā)射天線發(fā)射，經(jīng)目標體反射或透射，被接收天線所接收(圖2)。

圖2 雷達工作原理及其基本組成

電磁波的傳播取決于物體的電性，物體的電性參數(shù)包括電導率μ和介電常數(shù)ε，前者主要影響電磁波的穿透深度，后者決定電磁波在該物體中的傳播速度，故電性介面即電磁波傳播的速度介面。雷達信號傳播至不同地質體電性介面時產(chǎn)生反射信號返回地面，通過接收反射信號到達地面的時間即可推測地下介質的變化情況。另外，電磁波在介質中傳播時，其路徑、電磁場強度和波形將隨介質的電性質及集合形態(tài)而變化。對時域波形進行采集、處理和分析，即可確定地下界面或目標體的空間位置或結構狀態(tài)。

地質雷達具有高分辨率、無損性、高效率、抗干擾能力強等特點。

2.2 儀器設備及軟件系統(tǒng)

測試設備使用意大利IDS公司生產(chǎn)的RIS-K2地質雷達，采用天線頻率為40MHz，設備天線與主機如圖3所示。參數(shù)如下：掃描速率：850 掃/s。脈沖重復頻率：400kHz(高速的脈沖重復頻率使數(shù)據(jù)收集更快)；時窗：5-9999ns；采樣點數(shù)：128-8192；疊加數(shù)：1-32768；分辨率：5ps；工作溫度：-10～40 ℃；A/D轉換：16bit；環(huán)境標準：IP65；動態(tài)范圍：大于160dB；信噪比：大于160dB；最多至8個通道，可連接8對單天線同時測量。

(a)探測天線

(b)主機

2.3 數(shù)據(jù)處理原理

探測的雷達圖形常以脈沖反射波的波形形式記錄。地下介質等同于一復雜濾波器，介質對波不同程度的吸收以及介質的不均勻性，使得脈沖到達接收天線時，波幅減小，波形變得與原始發(fā)射波形有較大的差異[4]。另外，不同程度的各種隨機噪聲和干擾也影響實測數(shù)據(jù)，故需對接收信號實施適當?shù)奶幚韥砀纳菩旁氡?，為進一步解釋提供清晰的圖像，處理包括：(1)消除隨機噪聲壓制干擾，改善背景；(2)通過自動時變增益或控制增益以補償介質吸收和抑制雜波，進行濾波處理除去高頻，突出目的體，降低背景噪聲和余振影響。在對數(shù)據(jù)文件進行了預處理、增益調整、濾波和成圖等方法的操作后，最終得到各測線的成果圖來進行探測對象的地質判釋[5]。本測試段采用IDSP6.0對數(shù)據(jù)進行處理分析，流程有：①零點校正；②去直流漂移；③FIR帶通濾波；④增益調整；⑤背景消除；⑥成圖。

3 現(xiàn)場測試與結果對比

根據(jù)灰?guī)r探測經(jīng)驗,現(xiàn)場調試雷達測試參數(shù)為：時窗700ns，采樣點數(shù)1024，點距0.1m，波速10.5cm/ns。在掌子面下部來回布置2條測線，用于對比排查干擾與假異常。圖4為測線布置圖。

圖4 測線布置

3.1 掌子面XDK412+141測試

測試掌子面巖性主要為灰色中厚～厚層狀灰?guī)r，巖體呈弱風化狀態(tài)，局部較破碎。節(jié)理裂隙較發(fā)育，節(jié)理面部分微張，地下水不發(fā)育。來回兩條測線采集的雷達數(shù)據(jù)經(jīng)處理(圖5),波形基本對稱，均在深度24～27m(對應里程XDK412+165～168，雙程走時450～520ns，參考波速10.5cm/ns)存在同相軸連續(xù)的強反射界面，推測該段存在巖溶腔體，且?guī)r體相對破碎、夾泥。

(a) 測線①(左→右)

(b) 測線②(右→左)圖5 地質雷達測試成果

經(jīng)開挖驗證，XDK412+166掌子面左拱部發(fā)育一直徑約40cm的溶蝕管道，伴有黏土物質充填，如圖6(a)所示。XDK412+170掌子面拱部發(fā)育一直徑約50cm巖溶管道，向下延伸至掌子面中部，圍巖受侵蝕較嚴重。左側拱腳發(fā)育若干向下延伸的溶蝕裂隙，如圖6(b)所示。

(a)左拱部溶蝕管道

(b)拱部溶蝕管道與裂隙

3.2 掌子面XDK412+166測試

掌子面巖性主要為灰色中厚～厚層狀灰?guī)r，巖體呈弱風化狀態(tài)，巖體較破碎。節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分節(jié)理面夾泥。掌子面巖溶發(fā)育，左拱部發(fā)育一直徑約40cm的溶蝕管道，伴有黏土物質充填。掌子面干燥，地下水弱發(fā)育，溶蝕管道有少量裂隙水呈滴水狀出露。來回兩條測線采集的雷達數(shù)據(jù)經(jīng)處理(圖7),波形基本對稱，且均在深度8～21m(對應里程XDK412+174～187，雙程走時150～400ns，參考波速10.5cm/ns)存在強反射界面，同相軸較連續(xù)，推測為存在巖溶腔體發(fā)育，巖體相對破碎、夾泥。

(a) 測線①(左→右)

(b) 測線②(右→左)圖7 地質雷達測試成果

經(jīng)開挖揭示，XDK412+175拱部發(fā)育一溶蝕空洞，寬約2.3m、高約1.5m，并充填少量黏土物質如圖8(a)所示；XDK412+177掌子面右下部發(fā)育2.5m×1.2m的溶蝕空洞，與隧道軸線約呈15 °向掌子面前方下部延伸至少20m，如圖8(b)、圖8(c)所示。

由以上案例可知，意大利IDS公司的RISK2設備40MHz天線有效探測距離能滿足30m預報深度的要求，且至少在大于直徑40cm的異常體預報精度上能取得良好效果。

4 結論與評價

喀斯特地貌因其復雜的地質構造和巖溶發(fā)育規(guī)律，使隧道掘進施工中存在諸多難以預測的工程地質問題。在保證探測精度和控制成本的要求下，選取適宜的物探設備與方法進行超前地質預報則顯得尤其重要。通過貴南高鐵白秀山典型巖溶隧道段的地質雷達探測結果，得出在30m的深度預報要求下，利用40MHz天線能有效保證預報要求，并取得良好效果。故得出在巖溶地區(qū)隧道的超前地質預報中，可以選用40MHz較低頻率天線地質雷達進行預測和指導施工。

(a)巖溶管道

(b)溶蝕空洞(1)

(c)溶蝕空洞(2)圖8 開挖情況示意