（西安長大公路工程檢測中心，陜西 西安 710061）

一、前言

貴州地處我國西南腹地，屬云貴高原的一部分，石灰?guī)r等可溶性巖石地層大面積分布，巖層溶蝕現(xiàn)象十分普遍。隨著近年貴州省基礎設施建設的長足發(fā)展，大量的公路、鐵路隧道施工需要穿越可溶性巖石地層，巖溶作用形成的溶洞是隧道開挖過程中最常見的不良地質現(xiàn)象，隧道工程穿越巖溶地層具有危害大、預防難的特點，輕則對生態(tài)環(huán)境造成影響，重則引起災難性事故。超前地質預報工作具有重要作用，隧道開挖前，通過超前地質預報工作，可獲知開挖面前方不良地質體、不良地質構造的發(fā)育情況，指導施工順利進行，為施工安全提供保障。本文通過對貴州某在建高速公路可溶性巖石隧道超前地質預報的成功實踐經驗，討論地質雷達在可溶性巖石隧道中預報隱伏溶洞的實際應用。

二、地質雷達基本原理及數(shù)據(jù)處理

（一）基本原理

地質雷達(Ground Penetrating Radar，簡稱：“GPR”)是一種廣泛運用于實際生產中的地質測量技術，它通過發(fā)射不同頻率的電磁波并接收其反射回波，通過對反射回波的時間和信號的強弱來推測地下地質體的分布及變化情況，工作原理如圖1所示。當發(fā)出的高頻電磁波在介質中傳播，遇到具有電性差異的介質交界面或地質異常體時，電磁波發(fā)生折射和反射，通過接收反射信號到達雷達天線的時間和信號強弱以及專業(yè)的數(shù)據(jù)處理與分析后，推測地下介質或不良地質體的分布與變化情況。在隧道短距離超前地質預報中，地質雷達具有體積小、集成度高、操作方便、測量時間短、預報準確度高等優(yōu)點，它對山嶺隧道施工中遇到的溶洞、構造破碎帶、節(jié)理密集帶、軟弱夾層以及巖層地下水發(fā)育情況等地質問題都具有良好的預報作用。

圖1.雷達工作原理及其基本組成

（二）數(shù)據(jù)處理及其目的

雷達反射波一般以脈沖波形形式記錄，由于介質的不均勻性及介質的介電常數(shù)差異，電磁波在介質中傳播時能量會出現(xiàn)不同程度的衰減和受其他信號干擾，造成反射波形與原始發(fā)射波形有明顯的差異，影響實測數(shù)據(jù)。為了提高分析結果的準確性，需適當處理原始數(shù)據(jù)，壓制干擾信號，改善其信噪比，進而獲得可以真實反映隧道前方實際地質情況的雷達圖像。原始數(shù)據(jù)處理主要包括帶通濾波、靜校正、調整增益以及成圖等步驟，最終獲得測量數(shù)據(jù)的成果圖，由技術人員根據(jù)雷達成果圖像結合實際開挖面地質情況，判斷預報段前方地層工程性質及不良地質體發(fā)育情況，指導隧道施工。

三、成功預報實例

（一）隧道工程概況

本文研究對象為在建雙向四車道高速公路，隧道為分離式隧道，設計行車時速為80公里，左幅隧道起終點樁號為ZK23+759～ZK28+225，長度為4466m，最大埋深約451m，右幅隧道起終點樁號為YK23+760～YK28+275，長度4515m，最大埋深455m。隧址區(qū)上覆第四系土層（Qel+dl）分布零星，厚度不大，有碎屑地段的粉質黏土以及可溶巖地段的黏土。其中出露的基巖有以下幾種：

1.志留系下統(tǒng)龍馬溪組（S1l）為薄至中厚層狀粉砂質泥巖，局部夾泥巖，為隧道上覆地層，非隧道圍巖。

2.奧陶系上統(tǒng)五峰組（O3w）為灰黑、灰色薄層狀泥灰?guī)r、炭質泥灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，局部夾硅質巖，隧道進口段少量穿越該地層。

3.奧陶系中統(tǒng)寶塔組（O2b）為龜裂紋灰?guī)r，隧道進口段穿越該地層。

4.奧陶系下統(tǒng)湄潭組（O1m）為薄至中厚層狀粉砂質泥巖，局部夾泥質灰?guī)r、灰?guī)r。隧道中段穿越該地層。

5.奧陶系下統(tǒng)桐梓組-紅花園組（O1t-h）為薄至中厚層狀灰?guī)r夾泥質條帶，底部為厚約6m粉砂質泥巖，隧道中后段圍巖主要是該地層。

6.寒武系中上統(tǒng)婁山關組（∈2-3ls）為中至厚層狀白云質灰?guī)r，隧道出口段穿越該地層。

（二）不良地質問題

隧道場區(qū)不良地質為巖溶、危巖及潛在失穩(wěn)邊坡等，其中奧陶系下統(tǒng)桐梓組-紅花園組（O1t-h）灰?guī)r夾泥質條帶及寒武系中上統(tǒng)婁山關組（∈2-3ls）白云巖、白云質灰?guī)r，此兩套地層巖溶發(fā)育程度均為中等至強發(fā)育，隧道開挖至這兩套揭露隱伏巖溶的可能性大。

（三）預報方法

預報采用儀器設備為中科院CAS-S100型地質雷達系統(tǒng)，該型地質雷達系統(tǒng)包括儀器主機（配100MHz天線）和配套分析軟件Radarview兩部分。數(shù)據(jù)采集時介電常數(shù)設為8，測程參數(shù)設為500ns，主要探測隧道前方30m范圍內的地質變化情況、隧道前方災害體分布及性質，用點測的方法在掌子面下部位置布設一條物探測線。

（四）掌子面地質情況

YK24+922掌子面揭露圍巖主要為灰色中厚層狀中風化白云質灰?guī)r，呈層狀結構，巖層產狀：120°∠5°，巖質較硬，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間泥質及巖石碎屑充填，巖體整體較破碎，呈鑲嵌碎裂狀結構；溶蝕稍發(fā)育，掌子面潮濕，拱頂存在點滴狀出水現(xiàn)象。圍巖自穩(wěn)能力差，無支護時拱頂易發(fā)生掉塊、坍塌現(xiàn)象。

（五）探測成果

該次預報雷達探測深度為30m（YK24+922～YK24+952），從雷達成果圖中得出：掌子面前方0～8m及8～30m左側前方雷達波以中頻反射信號為主，局部為中高頻信號，同相軸較為連續(xù)，振幅一般。推測對應區(qū)段圍巖完整性較差，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，溶蝕稍發(fā)育。掌子面右側前方8～30m雷達波以中低頻反射信號為主，反射波形較雜亂，整體振幅較高且多次震蕩，能量團分布均勻性較差，同相軸出現(xiàn)異常且局部呈弧形發(fā)展。推測對應區(qū)段圍巖破碎，溶蝕發(fā)育，存在與隧道軸線方向近一致的充填式溶洞。

（六）施工驗證結果

隧道掘進至里程YK24+930時，揭露到預報溶洞，掌子面右側拱腰位置揭露一向隧道前方及邊墻處發(fā)展的填充型溶洞，揭露面積約4×3m2，為泥夾石充填，實際揭露情況與地質雷達探測成果相符。

四、結語

隨著我國鐵路、公路建設的快速發(fā)展，隧道施工也逐漸增加，為保證施工安全和隧道施工進度，準確預測隧道前方圍巖的變化及不良地質體的發(fā)育情況十分重要，這就要求做好隧道超前地質預報工作。地質雷達技術作為一種短距離隧道地質預報方法，優(yōu)勢明顯，是一種較理想的探測手段。

本文以貴州某在建高速公路巖溶隧道超前地質預報過程，分析了地質雷達工作原理及數(shù)據(jù)成果，成功預報了工作面前方的隱伏溶洞，有效指導了隧道工程施工，證明地質雷達預報技術對山嶺隧道溶洞探測是可行和有效的。

同時，地質雷達超前地質預報技術相對于其他超前地質預報技術也存在其不足和缺點，如探測距離短、易受洞內鋼拱架、鋼筋網、錨桿、鋼軌等金屬構件的影響等，因此還有待進一步研究。