高樹全, 王玉琴，牟元存

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；2.中國(guó)地球物理學(xué)會(huì) 中鐵二院院士專家工作站,四川 成都 610031)

1 引 言

由于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性、多變性、隱蔽性及巖溶發(fā)育規(guī)模、形態(tài)的不規(guī)則性，鐵路隧道巖溶問(wèn)題難以在勘察階段完全查明[1]，施工階段做好巖溶超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、準(zhǔn)確預(yù)報(bào)巖溶不良地質(zhì)體，避免因隧道盲目開挖(揭示)而出現(xiàn)坍塌、涌泥及涌水等地質(zhì)災(zāi)害至關(guān)重要。巖溶預(yù)報(bào)一般結(jié)合多種方法進(jìn)行綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。相對(duì)于其他超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，地質(zhì)雷達(dá)法因探測(cè)方式靈活、探測(cè)快速、分辨率高、成果直觀等優(yōu)勢(shì)，常常作為巖溶隧道短距離預(yù)報(bào)方法的首選，在隧道巖溶預(yù)報(bào)中發(fā)揮了不可替代的作用。

為了使地質(zhì)雷達(dá)取得良好的預(yù)報(bào)效果，需要把控?cái)?shù)據(jù)采集、資料處理及成果解譯的每一個(gè)環(huán)節(jié)，特別是探測(cè)出雷達(dá)異常時(shí)，需要對(duì)引起異常的巖溶現(xiàn)象、溶洞填充性質(zhì)有充分的認(rèn)識(shí)。馮德山等[2]，王敏玲等[3]，劉凱等[4]進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)正演模擬研究，為正確認(rèn)識(shí)地質(zhì)雷達(dá)響應(yīng)剖面提供了理論基礎(chǔ)；肖宏躍等[5]建立了雷達(dá)圖像特征與典型地質(zhì)現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)關(guān)系；劉宗輝[6]等從地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)屬性分析與巖溶不良地質(zhì)現(xiàn)象的關(guān)系；謝朝暉[7]等從應(yīng)用實(shí)際探討了地質(zhì)雷達(dá)圖像特征。本文根據(jù)業(yè)內(nèi)人士從理論到應(yīng)用的一些認(rèn)識(shí)，結(jié)合大量的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)幾個(gè)不同填充性質(zhì)溶洞的典型圖像，分析其對(duì)應(yīng)雷達(dá)信號(hào)在振幅、頻率變化、能量衰減及相位變化等特征方面的差異，為地質(zhì)雷達(dá)圖像的準(zhǔn)確解譯提供有意義的參考，及為巖溶治理、優(yōu)化工程設(shè)計(jì)提供地質(zhì)依據(jù)，從而達(dá)到降低施工風(fēng)險(xiǎn)的目的。

2 影響地質(zhì)雷達(dá)預(yù)報(bào)效果的主要因素及對(duì)策

2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)質(zhì)量是資料處理及成果解譯的基礎(chǔ)，是取得良好預(yù)報(bào)效果的重要保障。鑒于隧道施工的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集常常具有不可重復(fù)性，所以在現(xiàn)場(chǎng)工作過(guò)程中，應(yīng)對(duì)以下幾個(gè)方面予以足夠的重視。

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)條件

數(shù)據(jù)采集之前，預(yù)報(bào)人員應(yīng)與施工單位相關(guān)人員保持密切聯(lián)系，為數(shù)據(jù)采集創(chuàng)造有利的現(xiàn)場(chǎng)條件。掌子面應(yīng)盡量平整，使地質(zhì)雷達(dá)天線與掌子面有較好的耦合；掌子面附近的臺(tái)車、風(fēng)槍鉆機(jī)等金屬體應(yīng)盡量移開，避免或減小對(duì)地質(zhì)雷達(dá)資料造成干擾。如掌子面平整度及干擾源不能完全排除時(shí)，應(yīng)做好標(biāo)記記錄。

2.1.2 測(cè)線布置

結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，一般情況下，掌子面不同位置應(yīng)至少布置兩條地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，水平布置為主，如遇地質(zhì)雷達(dá)剖面異常，應(yīng)加密測(cè)線；詳細(xì)探測(cè)時(shí)，掌子面應(yīng)布置測(cè)網(wǎng)，減小雷達(dá)探測(cè)范圍盲區(qū)。必要的時(shí)候，應(yīng)在隧道兩側(cè)邊墻部位適當(dāng)距離范圍內(nèi)增加測(cè)線，以增大地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)范圍。

2.1.3 參數(shù)設(shè)置

1)測(cè)量模式：可采用連續(xù)掃描和點(diǎn)測(cè)相結(jié)合的模式進(jìn)行。單從探測(cè)效果考慮，應(yīng)創(chuàng)造現(xiàn)場(chǎng)條件，首選點(diǎn)測(cè)模式，減小天線抖動(dòng)造成的干擾。

2)時(shí)窗設(shè)置：業(yè)內(nèi)人士多選用600～700 ns的時(shí)窗設(shè)置范圍，但掌子面含水或夾泥嚴(yán)重時(shí)應(yīng)結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行調(diào)試，適當(dāng)減小時(shí)窗。另外，對(duì)于數(shù)據(jù)質(zhì)量好的數(shù)據(jù)，當(dāng)深部地質(zhì)雷達(dá)信號(hào)出現(xiàn)異常時(shí)，可增加測(cè)線，適當(dāng)增大時(shí)窗，有利于對(duì)深部異常的判斷解釋。

3)增益調(diào)整：以GSSI系列地質(zhì)雷達(dá)為例，調(diào)整信號(hào)增益時(shí)，首先應(yīng)選擇掌子面條件較好的部位(如：平整度好，巖體完整性好，夾泥少等)放置天線，并保持天線底面與掌子面緊貼。其次，增益曲線應(yīng)盡量平滑，避免出現(xiàn)較為明顯的拐點(diǎn)，可在自動(dòng)增益的基礎(chǔ)上，采用手動(dòng)微調(diào)的方式。

高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)不僅有利于現(xiàn)場(chǎng)預(yù)報(bào)人員初步判斷異常的位置、規(guī)模、發(fā)育方向等，而且也有利于預(yù)報(bào)人員現(xiàn)場(chǎng)決定是否增加測(cè)線以取得更為豐富的資料，也為數(shù)據(jù)處理及成果的有效解譯提供保障。

2.2 數(shù)據(jù)后處理及成果解譯

2.2.1 數(shù)據(jù)后處理

地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)后處理的目的主要是壓制各種干擾，增強(qiáng)有效信號(hào)，提高資料的信噪比，最大限度提高雷達(dá)反射信號(hào)的分辨率，便于專業(yè)人員解讀雷達(dá)信號(hào)攜帶的地質(zhì)信息。鑒于地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線受隧道空間位置和現(xiàn)場(chǎng)條件限制，測(cè)線長(zhǎng)度相對(duì)較短，測(cè)量剖面獲取的信號(hào)相對(duì)較少，所以，為了改善局部信號(hào)質(zhì)量，數(shù)據(jù)處理的針對(duì)性應(yīng)更強(qiáng)，盡量保證原始數(shù)據(jù)的原貌特征，部分處理步驟(如濾波)不宜在全時(shí)窗范圍進(jìn)行。

2.2.2 圖像分析與解譯

地質(zhì)雷達(dá)圖像分析與解譯的結(jié)果對(duì)巖溶地質(zhì)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)至關(guān)重要。

1)應(yīng)選擇合理的圖像顯示方式，可視個(gè)人習(xí)慣或經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，但采用Wiggle圖和灰度圖相結(jié)合的方式有利于資料判斷解釋。

2)不管溶洞填充空氣、水還是填充泥(本文一般指濕潤(rùn)的黏土填充物，下同)，由于在溶洞界面處存在較大的介電常數(shù)差異，均表現(xiàn)出較大的地質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)異常，但反射信號(hào)強(qiáng)弱、衰減快慢、相位變化特征不盡相同，應(yīng)詳細(xì)著重對(duì)比分析。需要注意的是，分析反射波相位變化特征時(shí)，應(yīng)確定首波相位。

3)解譯人員應(yīng)重視地質(zhì)雷達(dá)正演，熟練掌握典型模型相應(yīng)的響應(yīng)特征，在復(fù)雜的地質(zhì)雷達(dá)剖面中結(jié)合宏觀反射波組和局部細(xì)節(jié)，通過(guò)異常特征反演出對(duì)應(yīng)的地質(zhì)模型，從而得出較為準(zhǔn)確的結(jié)論。

4)解譯人員應(yīng)熟悉預(yù)報(bào)工區(qū)巖溶工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征。在此基礎(chǔ)上，更為重要的是，應(yīng)持續(xù)跟蹤了解隧道開挖地質(zhì)情況的變化，將開挖地質(zhì)信息與區(qū)域地質(zhì)資料進(jìn)行比較分析，對(duì)掌子面前方地質(zhì)的可能變化做出合理的推測(cè)。

3 典型案例分析

前文已述，不同填充性質(zhì)溶洞的地質(zhì)雷達(dá)圖像均表現(xiàn)出較強(qiáng)的異常反射信號(hào)。在特定情況下，其異常形態(tài)較為相似，如不仔細(xì)對(duì)比分析，容易混淆，難以分辨。從地質(zhì)雷達(dá)圖像中正確判釋溶洞的填充性質(zhì)，有利于積極制定隧道開挖安全措施，防止突泥涌水風(fēng)險(xiǎn)等。本文選取了幾個(gè)較為典型的溶洞地質(zhì)雷達(dá)剖面，分析地質(zhì)雷達(dá)圖像特征中的異同之處，為類似巖溶隧道地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)解譯提供一些參考。

3.1 空溶洞地質(zhì)雷達(dá)圖像

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)遇空溶洞時(shí)，電磁波從灰?guī)r介質(zhì)進(jìn)入空氣介質(zhì)，其反射系數(shù)為正，信號(hào)相位保持不變；電磁波在溶洞邊界處常形成強(qiáng)烈的高頻反射波，且伴隨“雙曲線”形態(tài)的反射波組出現(xiàn)。電磁波在形狀規(guī)則的溶洞體內(nèi)幾乎沒(méi)有反射信號(hào)，溶洞的前界面位置容易確定，溶洞的后界面相對(duì)不易識(shí)別[8-12]。圖1(a)中，電磁波在掌子面前方約340 ns處形成較為連續(xù)的強(qiáng)烈反射界面，反射界面呈典型的“雙曲線”形；圖1(b)中電磁波在掌子面前方右側(cè)至中部約180～220 ns處形成較為強(qiáng)烈的反射界面，在測(cè)線9 m位置同相軸有錯(cuò)斷，存在繞反射現(xiàn)象，其局部特征類似隧道二襯施工縫處的空洞；圖1(c)中電磁波在掌子面前方右側(cè)約280 ns處形成強(qiáng)烈的反射界面，且出現(xiàn)“雙曲線”形態(tài)的反射波組[13-15]。對(duì)比分析三個(gè)空溶洞雷達(dá)圖像，不同之處在于：圖1(a)中對(duì)應(yīng)的溶洞規(guī)模相對(duì)較大，幾乎貫穿隧道開挖面，且溶洞周邊形態(tài)較為復(fù)雜，溶洞邊界繞射及二次反射現(xiàn)象較明顯；圖1(b)對(duì)應(yīng)的溶洞規(guī)模小且順層發(fā)育，在掌子面中部靠右的部位出現(xiàn)，為孤立的較為規(guī)則的溶洞；圖1(c)對(duì)應(yīng)的“溶洞”為掌子面前方正洞與平導(dǎo)洞之間的橫通道(人為坑道)引起，該“溶洞”規(guī)模較大，較為規(guī)則，所以形成強(qiáng)烈的反射界面，反射弧延伸較遠(yuǎn)。

圖1 空溶洞地質(zhì)雷達(dá)圖像Fig.1 GPR image of empty karst

3.2 泥質(zhì)填充溶洞地質(zhì)雷達(dá)圖像

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)遇泥質(zhì)填充溶洞時(shí)，電磁波從灰?guī)r介質(zhì)進(jìn)入泥質(zhì)介質(zhì)，其反射系數(shù)為負(fù)，信號(hào)相位反相；當(dāng)雷達(dá)測(cè)線覆蓋整個(gè)填充溶洞或部分邊界時(shí)，電磁波在溶洞邊界處亦形成強(qiáng)烈的繞反射信號(hào)，局部呈現(xiàn)“雙曲線”形態(tài)的反射波組。與空溶洞地質(zhì)雷達(dá)圖像特征不同的是：由于泥質(zhì)或泥夾石的填充，雷達(dá)信號(hào)在溶洞內(nèi)部形成較為強(qiáng)烈的中低頻反射信號(hào)(局部出現(xiàn)繞射現(xiàn)象)，電磁波能量衰減較快。圖2(a)對(duì)應(yīng)橫穿隧道開挖斷面的泥質(zhì)填充溶洞，圖2(b)對(duì)應(yīng)掌子面中部至右側(cè)的泥質(zhì)填充溶洞，圖2(c)為掌子面右側(cè)至左側(cè)連通的泥質(zhì)半填充溶洞。

圖2 泥質(zhì)填充溶洞地質(zhì)雷達(dá)圖像Fig.2 GPR image of karst filled mud

3.3 富水巖溶地質(zhì)雷達(dá)圖像

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)遇富水填充溶洞時(shí)，電磁波從灰?guī)r介質(zhì)進(jìn)入以水為主的介質(zhì)，其反射系數(shù)為負(fù)，信號(hào)相位反相。由于溶洞界面處，介質(zhì)的介電常數(shù)差異大，電磁波在溶洞邊界處形成強(qiáng)烈的反射信號(hào)[16-19]。富水溶洞地質(zhì)雷達(dá)圖像與空溶洞不同之處在于，電磁波高頻信號(hào)衰減很快，反射系數(shù)為負(fù)；富水溶洞地質(zhì)雷達(dá)圖像與泥質(zhì)填充溶洞不同之處在于，除電磁波高頻信號(hào)相對(duì)衰減快之外，反射信號(hào)以低頻寬幅為主。值得注意的是：圖3(a)對(duì)應(yīng)的富水溶洞局部揭示為富水巖溶管道，富水溶洞影響隧道的范圍較廣(自300 ns以后)，該范圍圍巖介質(zhì)在較大范圍表現(xiàn)為低阻特征；圖3(b)對(duì)應(yīng)較為孤立且規(guī)則的富水巖溶管道，管道直徑約1.0 m，橫穿整個(gè)隧道開挖掌子面。

4 結(jié) 論

1)積極創(chuàng)造現(xiàn)場(chǎng)條件合理布置雷達(dá)測(cè)線、優(yōu)化參數(shù)設(shè)置、進(jìn)行針對(duì)性的資料處理、掌握典型模型地質(zhì)雷達(dá)正演響應(yīng)特征及實(shí)時(shí)跟蹤開挖地質(zhì)信息等方式，都是取得地質(zhì)雷達(dá)有效預(yù)報(bào)的關(guān)鍵途經(jīng)。

2)空溶洞與泥質(zhì)填充溶洞、富水溶洞地質(zhì)雷達(dá)圖像在反射波信號(hào)衰減、頻率分布、相位變化方面存在較為明顯的特征差異；相同填充性質(zhì)的溶洞地質(zhì)雷達(dá)圖像也因溶洞規(guī)模、溶洞在隧道不同的空間位置呈現(xiàn)不同的特征。值得注意的是,孤立、較為規(guī)則的富水巖溶管道與小型順層發(fā)育溶洞地質(zhì)雷達(dá)圖像較為相似，容易混淆，應(yīng)結(jié)合反射波相位變化進(jìn)行判斷解釋。較大規(guī)模的泥質(zhì)填充溶洞與富水溶洞地質(zhì)雷達(dá)圖像較為相似，不易區(qū)分，這兩種性質(zhì)填充溶洞對(duì)隧道施工危害極大，在地質(zhì)雷達(dá)判斷解釋結(jié)果的基礎(chǔ)上，應(yīng)采用超前鉆探進(jìn)一步探明。